劉倩穎，張 茹，王 滿，魏思祥，張澤天，高明忠，賈哲強(qiáng)，張朝鵬

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065; 2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065; 3.四川大學(xué) 能源工程安全與災(zāi)害力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065; 4.中國(guó)平煤神馬集團(tuán) 煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000; 5.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)，河南 平頂山 467000)

不同賦存深度煤的物性特征

劉倩穎1,2,3，張 茹1,2,3，王 滿4,5，魏思祥4,5，張澤天1,2,3，高明忠1,2,3，賈哲強(qiáng)1,2,3，張朝鵬1,2,3

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065; 2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065; 3.四川大學(xué) 能源工程安全與災(zāi)害力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065; 4.中國(guó)平煤神馬集團(tuán) 煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000; 5.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)，河南 平頂山 467000)

淺部礦產(chǎn)資源日益枯竭，深部地下開采將成為常態(tài)。因此，對(duì)不同賦存深度，尤其是超千米深煤巖開展系統(tǒng)研究具有重要的工程意義?，F(xiàn)有研究大多通過(guò)改變圍壓、溫度等條件來(lái)模擬巖體所處的外在環(huán)境，并未采用真實(shí)賦存深度樣品開展研究，同時(shí)忽略了原位巖體初始結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成和性質(zhì)的差異。對(duì)取自平頂山礦區(qū)己組煤層300，600，700，850和1 050 m 五個(gè)不同深度的煤巖開展系統(tǒng)試驗(yàn)，研究不同賦存深度煤巖成分、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、瓦斯吸附及聲學(xué)特性。測(cè)試結(jié)果表明：隨著賦存深度增加，煤的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，變質(zhì)程度增大，結(jié)構(gòu)更為致密，瓦斯吸附能力增強(qiáng)，超聲波在其內(nèi)傳播發(fā)生散射和折射的幾率減少，損耗能量降低，縱波波速增大。該成果可為后續(xù)開展不同賦存深度煤巖宏觀力學(xué)特性相關(guān)研究提供借鑒。

煤;賦存深度;物性;成分結(jié)構(gòu);吸附特性;聲學(xué)特性

隨著淺部礦產(chǎn)資源的減少和枯竭，為適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源開采的深度逐漸增加，隨之產(chǎn)生的工程災(zāi)害日趨嚴(yán)重，與深部相關(guān)的巖石力學(xué)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，并取得了大量的研究成果[1-4]。深部巖石通常所處的高地應(yīng)力、高溫度、高滲透壓的特殊環(huán)境，使得深部巖石礦物組成和細(xì)觀結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而造成其力學(xué)行為、聲學(xué)特征和工程響應(yīng)等與淺部巖石的明顯差異[5-8]。

作為我國(guó)重要的一次能源，眾多學(xué)者對(duì)煤的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)開展了大量研究。周動(dòng)[9]等將掃描電鏡與CT掃描相結(jié)合，進(jìn)行了不同壓力下的甲烷吸附解吸試驗(yàn)，研究了其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律;李偉等[10]通過(guò)CT三維空間分析技術(shù)，定量研究了不同結(jié)構(gòu)煤的孔隙連通性和滲透能力的差異性;趙毅鑫等[11]通過(guò)X射線衍射、光學(xué)電子顯微鏡等試驗(yàn)分析了開灤礦區(qū)煤層細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、有機(jī)組分分布等因素及其與沖擊傾向性的關(guān)系;鄒俊鵬等[12]結(jié)合掃描電鏡和壓汞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤的微觀形態(tài)及微裂隙發(fā)育的各項(xiàng)異性特征與煤層氣的儲(chǔ)存吸附能力密切相關(guān);ZHANG Zetian[13]、張朝鵬等[14]通過(guò)CT掃描及單軸壓縮試驗(yàn)，得到煤的力學(xué)及聲發(fā)射特性的層理效應(yīng);許江等[15]發(fā)現(xiàn)溫度會(huì)對(duì)含瓦斯煤的變形及力學(xué)特性產(chǎn)生影響，溫度的升高總體上可降低煤體的強(qiáng)度;王志軍等[16]得出了溫度與煤巖瓦斯吸附能力的關(guān)系;尹光志等[17]通過(guò)施加不同圍壓開展地應(yīng)力對(duì)突出煤瓦斯?jié)B流的影響機(jī)制研究。

以上研究表明，煤巖的力學(xué)行為及工程響應(yīng)由其物性(成分、結(jié)構(gòu)等)和外在壞境(應(yīng)力、溫度等)共同決定。但在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，大部分學(xué)者利用取自同一位置的煤樣，通過(guò)改變應(yīng)力路徑、溫度等外在條件近似研究賦存深度對(duì)煤力學(xué)行為的影響，但由于取樣條件等因素限制，賦存深度不同造成煤物性的差異一直未能得到系統(tǒng)研究。

周宏偉[4]、左建平等[18-19]系統(tǒng)研究了不同賦存深度玄武巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)、能量釋放等隨深度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)取自不同深度的玄武巖在相同試驗(yàn)條件下，力學(xué)特性表現(xiàn)出了明顯的規(guī)律性差異，由此總結(jié)出地質(zhì)環(huán)境，尤其是地應(yīng)力環(huán)境差異造成的巖體致密程度增加、孔隙度減少是造成該差異的原因。這再次說(shuō)明了研究深度本身造成巖體的物性特征差異的重要性。

因此，本文選取同一礦區(qū)同組煤層300，600，700，850和1 050 m 五個(gè)不同賦存深度煤巖為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析由賦存深度導(dǎo)致的煤巖礦物組成和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異，進(jìn)而討論煤巖瓦斯吸附特性和聲學(xué)特性隨深度的變化情況，為后續(xù)開展不同深度煤宏觀力學(xué)特性的研究提供參考。

1 取樣點(diǎn)地質(zhì)概況

平頂山煤田是華北晚古生代聚煤盆地的一部分，大地構(gòu)造位置處于華北古板塊南緣，屬華北板塊內(nèi)崤熊構(gòu)造區(qū)，陜(縣)—平(頂山)斷陷分區(qū)，平頂山斷隆帶和韓梁斷隆帶。印支運(yùn)動(dòng)之前這里構(gòu)造運(yùn)動(dòng)屬槽臺(tái)體制;嵩陽(yáng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了太古界褶皺變質(zhì)的太華群和中元古熊耳群間的角度不整合形成了構(gòu)造基底和蓋層的分界面。其他中條、王屋山、晉寧和華里西等運(yùn)動(dòng)都在區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了不同程度的影響。加里東運(yùn)動(dòng)使包括崤熊區(qū)的整個(gè)華北抬升，造成了志留紀(jì)、泥盆紀(jì)、奧陶紀(jì)和石炭紀(jì)地層的缺失，在加里東運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定期間形成了該區(qū)晚古生代二疊紀(jì)含煤地層。該煤層厚度800 m左右，發(fā)育齊全，厚度大，層數(shù)多達(dá)60余層，其中可采煤層10余層，可采煤層厚度15～18 m。在目前開采深度內(nèi)，測(cè)定的煤層瓦斯含量多在10 m3/t以上，高者可達(dá)27.2 m3/t，該礦區(qū)屬于煤與瓦斯突出礦區(qū)。

為避免其他因素對(duì)本次研究的干擾，結(jié)合礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)條件，將平煤己組煤層作為不同賦存深度煤樣的取樣煤層，開展不同賦存深度煤巖成分、結(jié)構(gòu)和物性等研究工作。各賦存深度煤樣取樣點(diǎn)具體分布如圖1所示，各賦存深度煤巖具體取樣工作面見表1，各取樣工作面煤層綜合柱狀如圖2所示。

表1不同賦存深度煤巖具體取樣工作面
Table1Workingfaceofdifferentdepths

深度/m取樣工作面可采走向長(zhǎng)/m300十二礦己15-1708014125600八礦己15-1333013000700八礦己15-141408970850十礦己15-24080157901050十二礦己15-310109315

圖1 不同賦存深度煤樣取樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of the coal sampling sites at different depths

由以上各取樣工作面的地質(zhì)情況可知，本次研究所取煤樣，全部取自己組煤層，采樣巷道的可采走向均在897 m以上，取樣點(diǎn)地質(zhì)條件均一、煤層發(fā)育完整、頂板巖石均一，可基本排除斷層的影響，煤層的上覆或下伏巖層主要為砂巖、泥巖等沉積巖，并無(wú)火成巖等其他影響煤層變質(zhì)程度的巖層分布。因此，煤樣表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)差異均為深度本身的影響。根據(jù)規(guī)定[20]，在工作面煤壁處采集塊度較大、完整性較好、無(wú)明顯裂隙的煤塊進(jìn)行后續(xù)制樣和測(cè)試工作。為方便室內(nèi)試驗(yàn)樣品的鉆取與制備，各煤塊尺寸約為25 cm×25 cm×20 cm，樣品采集后用塑料膜包裹，裝箱運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，最后按不同測(cè)試目的，加工成所需樣品。

2 不同賦存深度煤的物性特征研究

2.1 不同賦存深度煤巖工業(yè)分析

不同深度煤樣工業(yè)分析的制樣與測(cè)試按照相關(guān)規(guī)定[21]進(jìn)行，將取自5個(gè)賦存深度(300，600，700，850和1 050 m)的煤塊，分別碾磨為粉狀，通過(guò)80目分樣篩獲得粒徑小于0.2 mm的煤粉，裝袋密封，如圖3所示，煤樣工業(yè)分析測(cè)試結(jié)果見表2。

圖2 各取樣工作面煤層綜合柱狀圖Fig.2 Geology columnar section of each working face

圖3 工業(yè)分析煤樣Fig.3 Coal samples for the proximate analysis

根據(jù)表2，隨著埋深的增加，煤中水分、灰分和揮發(fā)分呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，固定碳則呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。煤的水分含量與孔隙度有關(guān)，這在一定程度上表明，平煤煤巖的孔隙度隨著深度的增大而減小，即煤樣

表2不同賦存深度煤樣工業(yè)分析測(cè)試結(jié)果
Table2Proximateanalysisreasultsofcoal

深度/m工業(yè)分析測(cè)試結(jié)果/%MadAadVadFCad換算結(jié)果/%Vdaf300092122526386045303860008819702402554030247000826702236701224188500787602272689024801050084734203171512212

越來(lái)越密實(shí)。灰分是煤中礦物質(zhì)在一定條件下經(jīng)一系列分解化合等反應(yīng)之后的產(chǎn)物，其含量的增加會(huì)降低煤的發(fā)熱量，固定碳是煤發(fā)熱量的主要來(lái)源，因此，隨著深度的增加，平煤煤巖的發(fā)熱量有增大的趨勢(shì)。煤的揮發(fā)分和固定碳均是反映其變質(zhì)程度的指標(biāo)，變質(zhì)程度隨揮發(fā)分的增大而減小，隨固定碳的增加而增加，結(jié)合平煤不同深度煤樣的具體成分，平煤礦區(qū)煤巖的變質(zhì)程度隨深度的增加而增大。此外，根據(jù)規(guī)范[21-22]，將“空氣干燥基揮發(fā)分(Vad)”換算成“干燥無(wú)灰基揮發(fā)分(Vdaf)”，送檢煤樣干燥無(wú)灰基揮發(fā)分分布在22%～31%，均屬煙煤(YM)。其中，埋深300和600 m的煤為煙煤下的肥煤(FM)亞類，埋深700，850和1 050 m的煤樣變質(zhì)程度增加，為焦煤(JM)亞類。

由以上分析可以看出，賦存深度對(duì)平煤礦區(qū)煤樣的工業(yè)分析結(jié)果產(chǎn)生了一定影響，煤樣煤化程度(變質(zhì)程度)、發(fā)熱量和含水量(孔隙度)均因埋深的不同表現(xiàn)出一定的差異性，并且這些差異性一定程度上會(huì)造成煤巖力學(xué)性質(zhì)及瓦斯吸附特性的差異。

2.2 不同賦存深度煤巖成分分析

平煤礦區(qū)不同深度煤樣X射線熒光測(cè)試(XRF)采用日本島津公司生產(chǎn)的XRF-1800 CCED

型X射線熒光光譜儀，該儀器可進(jìn)行4Be-92U元素的定性、定量分析，可進(jìn)行固體、粉末、液體等多種樣品的定性分析以及無(wú)需工作曲線的FP法定量分析。X射線衍射測(cè)試(XRD)使用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的DMAX-3C型X射線衍射儀，主要用于固體試樣的物相鑒定。從5個(gè)深度煤塊中各提取兩份煤樣(圖4)，進(jìn)行測(cè)試。XRF，XRD測(cè)試結(jié)果見表3，4。

圖4 XRF和XRD測(cè)試煤樣Fig.4 Coal samples for the XRF and XRD analyses

煤樣深度/mCOSiAlCaSFeTiClMgPSrZrKBrNi30082759121461826165304420556013902540092004200040012000500160003000260077526153364240125808810352013401550025—0004000700030031—000270083625117401971173801270424007601110091002000070004000600330004000385083213114681995184904420479009501060191002800510035—00160007000310508630096611011098611640449015000760130—00260012——00060004

表4不同賦存深度煤樣所含礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)
Table4Mineralmassfraction(%)ofcoalfromdifferentdepths

煤樣深度/m含碳有機(jī)物高嶺石方解石石英鐵白云石其他3008267911——84600773602263—787008368303——718508318809—056710508594726—0860

元素在煤中主要依附于礦物存在，煤中的礦物是元素的主要載體，應(yīng)將不同深度煤樣所含元素與礦物結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析。隨深度增加，氧元素含量減少(表3)，造成煤的黏結(jié)性增大，更有可能煉出高質(zhì)量的焦炭;同時(shí)，氧含量的減少還會(huì)造成煤自然發(fā)火時(shí)間的增加，即越不易自燃[23]。由表4得平煤礦區(qū)煤樣主要含有高嶺石、方解石、石英和鐵白云石4種礦物晶體，高嶺石含量最高，方解石次之，石英和鐵白云石只在部分深度煤樣中檢測(cè)到，含碳有機(jī)物的含量隨著深度的增加表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。此外，高嶺石、方解石、石英和鐵白云石的摩氏硬度分別為2.0～2.5，3.0～3.5，7.0和3.5～4.0，煤的硬度通常在3左右，石英的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤基質(zhì)，而在5個(gè)深度中，只有埋深為600 m的煤樣檢測(cè)到了石英，這與該深度煤樣裂隙相對(duì)較為發(fā)育、碎屑較多對(duì)應(yīng)。原因主要是在受力過(guò)程中，煤巖中軟弱物質(zhì)(如含碳有機(jī)物和高嶺石)的存在吸收了大部分應(yīng)變，造成硬質(zhì)礦物(如石英)的塑性變形程度降低，從而在硬質(zhì)礦物的邊界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，微裂隙就更容易在此處萌生，造成了該深度煤樣宏觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異。

2.3 不同賦存深度煤樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

為研究平頂山礦區(qū)不同賦存深度煤樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異性，利用JSM-7500F冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，對(duì)5個(gè)深度(300，600，700，850和1 050 m)煤樣進(jìn)行掃描電鏡分析，鍍金試樣每種深度各兩塊，測(cè)試用煤樣如圖5所示，不同深度煤樣典型斷口及顯微結(jié)構(gòu)如圖6所示。

由于分析需要，各圖放大倍數(shù)不盡相同，詳見具體標(biāo)注，各深度僅列出了具有代表性的結(jié)果。由圖6可得，按照煤巖結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，平頂山礦區(qū)各深度煤巖均為碎裂煤，煤層原生層理基本可見，自然斷口多呈貝殼狀，如圖6((b)，(i))所示。隨著煤巖埋深的增加，其內(nèi)部基質(zhì)的結(jié)構(gòu)更為致密。由圖6(c)，(f)～(i)，放大倍數(shù)均為250倍，埋深300 m和600 m的煤樣內(nèi)部分布著大量碎粒煤、孔隙和張拉裂隙，而顯示，隨著埋深增加，散落于煤基質(zhì)表面的碎粒逐漸減少，孔隙逐漸變小，孔隙和張拉裂隙分布與埋深較淺煤樣相比明顯減少，煤基質(zhì)的結(jié)構(gòu)更為致密。此外圖6(a)，(d)中，煤巖孔隙和微裂隙大都分布在無(wú)機(jī)礦物與煤巖基質(zhì)的結(jié)合處，且其附近散落著細(xì)小的無(wú)機(jī)礦物顆粒，部分孔隙、裂隙和斷口也都起始于無(wú)機(jī)礦物顆粒，這與2.2節(jié)部分分析相對(duì)應(yīng)，從細(xì)觀上解釋了埋深600 m的煤巖結(jié)構(gòu)相對(duì)破碎。由于埋深1 050 m煤樣內(nèi)的硬質(zhì)礦物(方解石和鐵白云石)含量高于埋深850 m煤樣，其內(nèi)部的裂隙較850 m埋深煤巖更為發(fā)育，水分含量也略高于850 m埋深的煤巖。

圖5 掃描電鏡煤樣Fig.5 Coal samples used for the scanning electron microscopy analysis

圖6 不同賦存深度煤樣典型斷口及顯微結(jié)構(gòu)Fig.6 Typical fractures and micro-structures of coal samples from different depths

由以上分析可以看出，賦存深度造成了煤巖在細(xì)觀結(jié)構(gòu)上的差異。隨著深度的增加，煤基質(zhì)結(jié)構(gòu)更為致密，孔隙和張拉裂隙分布減少;硬質(zhì)礦物的存在會(huì)造成其邊界產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得裂隙更易在此處萌生，從而造成煤巖結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。

2.4 不同賦存深度煤巖瓦斯吸附特性分析

煤作為一種天然的吸附劑，瓦斯以吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)貯存于其中，并與煤基質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，使煤巖產(chǎn)生變形等物理力學(xué)現(xiàn)象。為研究平頂山礦區(qū)不同深度煤巖瓦斯吸附能力的變化規(guī)律，利用美國(guó)Terra Tek公司IS-100型氣體等溫吸附解析儀，對(duì)煤樣進(jìn)行等溫吸附解吸試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)煤樣取自煤芯或剛暴露的新鮮煤層，將不同深度煤樣經(jīng)過(guò)破碎干燥和噴霧處理后，裝入密封罐內(nèi)，進(jìn)行不同瓦斯壓力下的吸附平衡過(guò)程，得到不同深度煤巖的等溫吸附曲線，再根據(jù)Langmuir方程進(jìn)行擬合，得到吸附常數(shù)a，b值及其隨深度的變化，如圖7，8所示。

圖7 不同賦存深度煤巖等溫吸附曲線Fig.7 Adsorption isotherms of coal from different depths

圖8 不同賦存深度煤樣吸附常數(shù)a，b值Fig.8 Adsorption constants a and b of coal samples

由圖7和8，煤樣的吸附常數(shù)a，b均隨深度的增加而增大，在Langmuir方程中，a表示在給定溫度條件下，單位質(zhì)量固相煤物質(zhì)飽和吸附甲烷時(shí)，被吸附的甲烷體積也被稱為飽和吸附量;b為吸附速率與解吸速率的比值，反映煤的內(nèi)表面對(duì)氣體的吸附能力。由圖7和8，吸附常數(shù)a，b均隨深度的增加而增大，表明平頂山礦區(qū)不同深度煤巖對(duì)瓦斯的吸附能力逐漸增強(qiáng)。造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下兩點(diǎn)：① 煤巖中水分含量隨深度的增加減少(表2)，填充在孔隙中的水分子數(shù)量減少，增大了瓦斯與煤巖的接觸面積，從而提高煤對(duì)瓦斯的吸附性能[16];② 煤變質(zhì)程度隨深度遞增，使得其瓦斯吸附性能增強(qiáng)。煤層突出的能量來(lái)自可解吸瓦斯的膨脹做功[24]。因此，煤層的吸附解吸性能對(duì)瓦斯突出有重要影響，煤層吸附能力越強(qiáng)，在同樣瓦斯壓力條件下可解吸瓦斯含量就越大，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性就越高。因此，隨著深度的增加，在煤層開采過(guò)程中，更應(yīng)做好開采保護(hù)層、預(yù)抽煤層瓦斯等消突措施。

2.5 不同深度煤巖聲學(xué)特性分析

不同深度煤樣超聲波測(cè)試采用美國(guó)Tektronix 公司的超聲波儀，測(cè)試過(guò)程中煤樣與探頭采用凡士林耦合劑連接。將從現(xiàn)場(chǎng)取得的5個(gè)深度的煤塊加工成標(biāo)準(zhǔn)試件(φ50 mm×100 mm)，用于超聲波測(cè)試。為使測(cè)試結(jié)果具有代表性，每個(gè)深度各從標(biāo)準(zhǔn)試件中選擇20個(gè)完整性相對(duì)良好的試樣進(jìn)行超聲波縱波波速測(cè)試，如圖9所示，典型超聲波波形曲線如圖10所示，各深度煤樣超聲波縱波波速平均值如圖11所示。

圖9 超聲波測(cè)試煤樣(700 m深度)Fig.9 Coal samples used for the ultrasound tests (700 m)

圖10 典型超聲波波形曲線Fig.10 Typical ultrasonic waveform

圖11 不同深度煤樣超聲波波速演化Fig.11 Variation in ultrasonic velocity for coal samples

變異系數(shù)為一組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，用來(lái)表征數(shù)據(jù)的離散程度。本試驗(yàn)中，5個(gè)深度煤樣縱波波速變異系數(shù)分別為0.07，0.14，0.11，0.09和0.11，均在0.15以內(nèi)，表明本次試驗(yàn)結(jié)果具有一定的代表性。由圖11可以看出，煤巖鉆取樣品密度相對(duì)集中，各深度煤樣平均密度分布在1.345～1.383 g/cm3，隨深度的增加表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，表明煤巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越致密，埋深為600和1 050 m的煤樣密度在趨勢(shì)線之下，這與其內(nèi)部分布的硬質(zhì)礦物較多，其內(nèi)部裂隙相對(duì)較為發(fā)育有關(guān)，但由于埋深較大，在高地應(yīng)力等深部特有環(huán)境的作用下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然較淺層煤巖致密。

煤巖的超聲波聲學(xué)特性受多方面條件制約，如煤巖密度、孔隙率、層理以及超聲波自身的傳遞特性等。根據(jù)圖11，平頂山礦區(qū)煤巖的縱波波速隨埋深的增加明顯增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有以下兩點(diǎn)：① 煤巖密度隨深度增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸致密，波在傳遞過(guò)程中遇到的結(jié)構(gòu)面越少，產(chǎn)生散射、折射的幾率越小，損耗的能量就會(huì)更少，使得波傳遞的能力越強(qiáng);② 由表3可知，除含碳有機(jī)物外，其余礦物在埋深300，600，700，850和1 050 m的煤巖內(nèi)，含量分別為17.4%，22.7%，16.4%，16.9%和14.1%，隨著深度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，超聲波在煤巖內(nèi)部傳遞遇到的礦物結(jié)合面就會(huì)越少，這也降低了波產(chǎn)生散射和折射的幾率，使得波速隨深度的增加而增大。

3 結(jié) 論

(1)隨賦存深度的增加，煤巖的水分含量降低，孔隙度降低，發(fā)熱量增大，變質(zhì)程度也增大，由肥煤過(guò)渡到焦煤;隨深度的增加，煤基質(zhì)更為致密，散落于煤基質(zhì)表面的碎粒逐漸減少，孔隙和張拉裂隙分布減少，但由于600 m深度煤樣含有硬質(zhì)礦物(石英)，其內(nèi)部裂隙相對(duì)較為發(fā)育。

(2)在煤巖含水量、礦物成分、細(xì)觀結(jié)構(gòu)等多因素的作用下，煤巖吸附瓦斯的能力隨深度的增加增大。

(3)隨著賦存深度的增加，煤樣超聲波縱波波速均值由1 026.3 m/s增大到1 316.9 m/s，這與煤巖結(jié)構(gòu)逐漸致密，礦物含量逐漸減小，降低了波在巖體內(nèi)部發(fā)生散射和折射的幾率，使得波的能量損耗降低有關(guān)。

本文僅對(duì)不同賦存深度煤的成分、結(jié)構(gòu)、瓦斯吸附及聲學(xué)特性等物性特征進(jìn)行了研究，為了全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)賦存深度對(duì)煤的作用機(jī)理，賦存深度對(duì)煤巖力學(xué)特性及工程響應(yīng)的影響機(jī)制將在本文的基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開。

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Physicalpropertiesofcoalfromdifferentdepths

LIU Qianying1,2,3，ZHANG Ru1,2,3，WANG Man4,5，WEI Sixiang4,5，ZHANG Zetian1,2,3， GAO Mingzhong1,2,3，JIA Zheqiang1,2,3，ZHANG Zhaopeng1,2,3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China; 2.CollegeofHydraulicandHydroelectricEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065，China; 3.KeyLaboratoryofEnergyEngineeringSafetyandMechanicsonDisaster,MinistryofEducation,Chengdu610065,China; 4.StateKeyLaboratoryofCokingCoalExploitationandComprehensiveUtilization,ChinaPingmeiShenmaGroup,Pingdingshan467000,China; 5.ChinaPingmeiShenmaGroup,Pingdingshan467000,China)

With the reduction of shallow resources gradually,a deep mining will be a major way to acquire mineral and energy resources.Therefore,it is of great importance to explore the coal from different covered depths,especially from more than 1 000 meters.Previous studies have commonly simulated the external environment of the rock mass at different depths by changing conditions such as the confining pressure and temperature.However,these studies did not test the rock samples from different depths and overlooked the initial structure,material composition and properties of in-situ rock mass.In this study,the coal samples were collected from one coal seam at five different depths (300,600,700,850 and 1 050 meters) in a mining area.A series of tests were conducted to assess the effect of depth on the composition,meso-structure,gas absorption and acoustic properties of coal.The results showed that as the depth increased,the compositions and meso-structure changed significantly:the metamorphic grade of the coal increased,and its structure became more compact.With the depth increase,the gas absorption capacity of the coal raised,the probability of ultrasonic scattering and refraction during wave propagation decreased,thus,the energy dissipation decreased and the ultrasonic longitudinal wave velocity increased.These results lay a foundation for the subsequent studies of the effect of depth on the macro-mechanical properties of coal.

coal;occurrence depth;physical properties;components and meso-structure;adsorption property;acoustic property

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1377

P574.1

:A

:0253-9993(2017)08-2101-09

優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5162200272);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0600702)

劉倩穎(1991—)，女，重慶人，碩士研究生。E-mail:lqy@stu.scu.edu.cn。

：張 茹(1976—)，女，山東德州人，教授。Tel:028-85465866,E-mail:zhangru@scu.edu.cn

劉倩穎，張茹，王滿，等.不同賦存深度煤的物性特征[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(8):2101-2109.

LIU Qianying，ZHANG Ru，WANG Man，et al.Physical properties of coal from different depths[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2101-2109.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1377