芦岭煤矿突出煤层含气差异性机制研究

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瓦斯是煤层中的主要气体,了解煤层的含气量大小与分布对矿井安全生产与资源利用有着重要意义,一般来说瓦斯含量随着煤层的埋深而逐渐增高,与煤层埋深呈正相关。芦岭煤矿是我国典型的高瓦斯突出矿井,然而瓦斯分布呈现出埋深较浅的8#、9#煤层具有较大的瓦斯含量,处于深部的10#煤层瓦斯含量低于浅部煤层。本文以芦岭煤矿8#、9#和10#煤层为研究对象,多尺度、多方面的对影响煤层含气量的因素进行系统分析,主要得出以下结论:(1)综合区域构造、地质构造和瓦斯赋存条件从整体构造控制、层序地层、煤层碳同位素、矿井构造分布、盖层封存条件、含水层情况等方面对影响煤层瓦斯赋存的因素进行分析。区域构造活动控制整个矿井的构造使8#、9#煤层受到构造影响较严重,10#煤层较轻;依据标志层将三个主采煤层划分为两个层序,均由海侵体系域和高水位体系域组成,且8#、10#煤层均处于层序海侵体系域顶端,上覆岩层均为高水位体系域沉积形成的泥岩,但层序Ⅰ的10#煤层顶部有局部为砂岩。通过碳同位素测定发现各层煤样中碳同位素值(δ13C)为-24.29‰-23.91‰,与淮北其他煤矿相比无明显差异,均属于C3型成煤植物;按照矿井构造发育情况将芦岭煤矿划分为三段,但总体来看地质构造在浅部极其复杂、深部则简单些;盖层封存条件上来看10#煤层由于部分顶板岩性为砂岩,较8#、9#煤层泥岩顶板封闭相差;各煤层顶底板均为砂岩裂隙含水层,此含水层以储存为主无其他补给,但10#煤层下部太原组石灰岩含水层可能与10煤层砂岩裂隙含水层存在一定的水力联系,为其提供补给。(2)结合液氮吸附实验与扫描电镜对煤样进行孔隙结构分析,由液氮吸附实验结果可知,三种煤样吸脱附等温线相似,具有相同的特征,10#煤层样品滞后环较不明显,说明10煤层孔隙连通性较差;微孔孔径分布上来看,分布范围呈现8#>10#>9#,但9#煤层煤样峰值较高,说明孔隙发育程度好;小孔和中孔分布上来看,8#、9#煤层出现小型峰,说明8#、9#煤层在该孔径处孔隙发育;从微孔孔容来看,煤样粒径越小孔容越大,说明构造破碎使微孔孔容更加发育;从比表面积上来看,各煤层比表面积与微孔孔容显著相关,各煤层0.0740.2mm粒径煤样BET比表面积均数倍于13mm粒径煤样;从分形特征上来看,孔隙的不规则程度关系为8#>9#>10#。通过扫描电镜(SEM)观察发现,8#煤样裂隙方向大致相同,裂隙较闭合;9#煤样主裂隙方向大致相同,发育有类似层理状的次生裂隙,孔隙结构明显且未被填堵;10#煤样裂隙交叉,发育较好且有很好的开放性。(3)结合等温吸附实验、120min解吸实验与傅里叶红外光谱(FTIR)对煤样的吸附解吸特征与表面官能团结构进行分析,各煤层等温吸附曲线均符合Langmuir方程,各煤层的吸附能力大小关系为8#>9#>10#,煤样粒径越小吸附能力越强;累计瓦斯解吸量曲线呈单调递增的抛物线,压力越高解吸量越大,解吸时间越久单位时间长度内的解吸量越少;从120min解吸曲线来看,压力越高吸附量越大,粒径越小吸附量越大。从含氧官能团比例上来看,8#煤层为61.9%,9#煤层为62.3%,10#煤层为64%。总体来说随着埋深的增加,各煤层的含氧官能团比例随之上升。由于亲水性的含氧官能团抑制瓦斯的吸附,即随着含氧官能团的比例增加,对煤体吸附瓦斯的抑制能力越强。
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