煤层采样化验技术研究

李浩浩

（山西省节能中心有限公司，山西 太原 030045）

0 引言

煤炭应用于燃烧、气化和液化等过程以及制造冶金焦炭的碳化。煤及其衍生产品也用作其他材料的前体和化学品生产。有两个特征会影响煤炭的使用：其成分和等级；反过来，煤炭成分由两个基本独立的因素表示类型和等级[1]。煤炭是一种非均质材料，对煤炭类型的评价可以从宏观和微观两个不同的层面进行，两者都是煤炭岩石学的一部分。根据煤的变质作用，它涉及从泥炭到烟煤再到无烟煤和偏无烟煤到石墨的物理和化学转化。煤炭等级是一段时间内作用的热量和压力的产物，其特征是水分和挥发性官能团逐渐减少，因此煤的碳含量增加。另一方面，煤矿开采，尤其是地下矿山，经常遇到多种地质限制，其中大块坚硬的顶板和瓦斯是最严重的威胁，易导致顶板塌陷、矿井爆炸和瓦斯污染等灾难性影响[2]。因此，为了提高井下煤矿的安全，在详细勘探过程中识别上述约束是非常必要的。煤田的可开采煤层通常与丰富的煤层气含量有关，这提高了它们的经济重要性，但气体含量以及稳定砂岩顶板的存在同时在开采过程中引发了挑战。煤层气还对环境造成危害，导致温室效应。因此，本文通过实验室灰、燃烧灰和燃煤沉积物的热化学分析和利用高压电脉冲技术对煤层中含水率和渗透率进行分析，助于获取煤层储量、顶板特性和气体含量相关的技术参数，以了解具有经济重要性的煤田的煤炭储量的地质和工作环境。

1 煤层的基本情况

6 个主要煤层的储量分布和化学性质基本一致，这些煤层由优质储量组成，热值高、有机物含量高、杂质含量低，具有较低空化度的稳定顶板覆盖，其形式为具有中等弹性和强度的厚硬中粒砂岩层。除南部的断层外，煤层构造剖面稳定，没有任何突然间断。一些较高等级的煤层也含有潜在的煤层气含量。

2 实验室灰、燃烧灰和燃煤沉积物的热力学分析

煤中的矿物杂质形成灰分，一部分飞灰在粉煤燃烧炉中形成沉积物。了解煤中的矿物质转化为粉煤灰和沉积物的形成，并帮助工业工程师更好地处理与灰烬相关的问题。根据标准化程序测试通过热机械分析（TMA）测量的灰熔融性已被广泛用于比较和预测各种煤的结渣潜力[3]。目前的研究旨在了解TMA 分析对煤燃烧沉积物的物理、化学和形态特性的敏感性。在研究燃烧残留物，包括在815 ℃的实验室烘箱中制备的灰烬，在中试规模炉中收集的飞灰和从一种煤炭产生的公用炉中收集的沉积物用于TMA 分析。

煤的最终用途主要取决于矿物的组成、分布、出现方式及其与有机物的结合。因此，充分了解矿物、微量元素及其引燃行为对于后续煤炭在各个方面的利用是不可避免的。在这里，阐述了两种高灰分非焦煤（AH和BL）的比较表征和燃烧研究，干基灰分质量分数分别为42.42%、45%，总热值分别为15.15、14.08 MJ/kg。两种煤都富含镜质体，具有中度的褐煤，且惰质体的体积百分比相对低于镜质体。这两种煤都富含铝硅酸盐矿物，Fe 和Ti 氧化物的含量适中。它们具有离散晶界的结晶形式，这使得它们易于选矿。两种煤的结渣和结垢潜力低、二氧化硅含量高、碱酸比低等分馏特性表明，这两种煤在火力发电厂中的连续利用是可行的。BL 煤的峰值温度和燃尽温度比AH 煤低。BL 样品的挥发性物质也相对较多。两种煤都具有较高的灰熔融温度，但BL 煤灰由高比例的难熔矿物组成，例如SiO2高硅比和低碱酸比，表明这两种煤在火力发电厂中的连续利用是可行的。两种煤都具有较高的灰熔融温度，但BL 煤灰由高比例的难熔矿物组成，例如SiO2、Al2O3和TiO2。因此，BL 煤具有更好的易点火性，其燃烧特性有望比AH 煤改善。

使用自动扫描电子显微镜逐个颗粒地表征飞灰，然后使用主成分分析（PCA）分析粒子数据，以发现20种不同飞灰的粒子化学成分之间的相互关系。在20种飞灰中观察到一致的趋势。每个粒子分为四大类，化学成分有限。这四组在所调查的不同飞灰中的占比不同。用这些飞灰制成的混凝土混合物测量了抗压强度和表面电阻率，这四组与混凝土的性能相关。这一发现是开发基于单个颗粒组成的更一般的飞灰分类的重要一步，这有助于优化混合物设计，并通过提高工业副废物使用的有效性而有利于形成可持续混凝土。

通过不同的研磨性能获得不同铁含量的灰样品，通过将灰与石英、高岭石和铝土矿混合制备不同硅和氧化铝含量的灰样品。结果表明，煤灰的TMA 测量值对铁含量非常敏感，可用于指示燃煤锅炉中与铁相关的结渣问题。对于灰烬沉积物，其均质/非均质性质和灰烬化学等物理特性都会影响TMA 测量[4]。通过将灰与石英、高岭石和铝土矿混合来制备具有不同硅和氧化铝含量的灰样品。结果表明，煤灰的TMA 测量值对铁含量非常敏感，可用于指示燃煤锅炉中与铁相关的结渣问题。对于灰烬沉积物，其均质/非均质性质和灰烬化学等物理特性都会影响TMA 测量。通过灰与石英、高岭石和铝土矿混合来制备具有不同硅和氧化铝含量的灰样品。煤灰的TMA 测量值对铁含量非常敏感，可用于指示燃煤锅炉中与铁相关的结渣问题。对于灰烬沉积物，其均质/非均质性质和灰烬化学等物理特性都会影响TMA 测量。

3 含水率及渗透性分析

本研究对不同水分含量煤样的击穿电压进行了测试，建立了平均击穿场强与烟煤样品水分含量之间的指数函数关系。结合扫描电子显微镜和核磁共振，研究了孔隙结构的变化，以更好地了解不同煤层含水率的孔隙结构演化特征。此外，采用傅里叶变换红外光谱得到不同水分含量烟煤样品经高压电脉冲后化学结构的变化。结果表明，在高压电脉冲作用下，煤体内形成了许多中孔和大孔，中孔和大孔之间的连通性很好。煤体含水率越高，电脉冲击穿过程中形成的孔隙和裂缝就越多。1%、1.5%、2%含水率煤样电脉冲击穿后总孔隙率明显高于0%、0.5%含水率煤样。因此，高含水率有利于提高煤体的透气性。光谱分析表明，在不同含水量煤样的分解过程中，等离子体通道表面发生氧化。此外，煤中水分含量的增加有利于产生更多的含氧官能团，这将有利于甲烷的解吸。

煤中孔隙系统具有高度非均质性，是煤层气的主要赋存空间和输送通道。电脉冲压裂已被认为是改善煤物理性质以更好地生产煤层气的有效方法。这是通过首先分析吸附不同阳离子煤的击穿场响应过程，然后使用分水岭法确定孔隙和表面粗糙度的动态变化来实现的。随着阳离子价数的增加，粘附力的不均匀分布被量化。化验结果表明，中高档煤对阳离子的吸附能力表现为Fe3+＞Ca2+＞K+，这是由于随着离子化合价的增加水合离子半径减小。当电场作用于煤样的两端时，煤中的等离子体通道产生巨大的能量，导致孔隙裂缝和喉道温度升高。受电脉冲压裂影响，孔隙率从4.1%增加到27.4%，反映了煤层高度从右偏正态分布到左偏正态分布的变化。

4 结语

通过煤层取样进行实验室灰、燃烧灰和燃煤沉积物的热力学分析，可以有效获取煤中的矿物质转化为粉煤灰和沉积物的形成过程，并帮助工业工程师更好地处理与灰烬相关的问题，有效的储层增产是提高煤层气采收率的关键。超声波处理为传统的水力压裂从煤层抽气提供了一种新的替代方法，更好地理解超声对煤结构的影响以及通过煤的气体解吸和传输行为对于势场实施至关重要。这些结果可以对煤炭质量的检测和瓦斯抽采和煤层气生产过程中的瓦斯输送产生积极影响。