煤层顶板砂岩在高温下微观结构变化的研究.pdf

第3 4 卷第4 期 2 0 0 5 年7 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．4 J u l ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 4 0 4 4 3 0 4 煤层顶板砂岩在高温下微观结构变化的研究 谌伦建1 ，赵洪宝1 ，顾海涛2 ，陈江峰2 1 ．河南理工大学资源与材料工程系，河南焦作4 5 4 0 0 0 ， 2 ．河南理工大学资源与环境工程系，河南焦作4 5 4 0 0 0 摘要采用S E M ，偏光显微镜和热分析仪等方法研究了鹤壁煤层顶板砂岩在常温至12 0 0 ℃高 温条件下微观结构的变化．结果表明，该砂岩在4 0 0 ℃时出现裂隙，6 0 0 ℃出现颗粒破裂，裂隙增 加，9 0 0 ℃时大多数颗粒破裂并有烧结现象．砂岩中含有有机物，其析出温度为4 0 0 - - - 6 7 0 ℃．砂 岩在高温作用下微观结构变化是矿物晶体转化、体积膨胀等产生的热应力和有机物析出与迁移 共同作用的结果． 关键词砂岩I 微观结构；高温；有机物 中图分类号T D3 2 2文献标识码A S t u d yo nM i c r o s t o r u c t u r eo fC o a lR o o fS a n d s t o n e U n d e rH i g hT e m p e r a t u r e C H E NL u n a n l ，Z H A OH o n g b a 0 1 ，G UH a l t a 0 2 ，C H E NJ i a n g f e n 9 2 1 ．D e p a r t m e n to fR e s o u r c ea n dM a t e r i a lE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ， J i a o z u o ，H e n a n4 5 4 0 0 0 ，C h i n aI2 ．D e p a r t m e n to fR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n tE g o n e e r i n g ， H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s h t y ，J i a o z u o ，H e n a n4 5 4 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h em i c r o s t r u c t u r ev a r i e t yo fc o a lr o o fs a n d s t o n ep r o d u c e df r o mH e b im i n i n ga r e au n d e r t h er o o mt e m p e r a t u r et o12 0 0 ℃h i g ht e m p e r a t u r eh a sb e e ns t u d i e db yS E M ，p o l a r i z i n g m i c r o s c o p e 。T Ga n dD T A ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tc r a c k si nt h es a n d s t o n ea p p e a r sw h e nt h e s a n d s t o n ei sh e a t e du pt o4 0 0 ℃．Af e wo fm i n e r a lc r y s t a lp a r t i c l e sa r es p l i ta n da m o u n to ft h e c r a c k si n c r e a s ew h e nt h et e m p e r a t u r ei Su pt o6 0 0o C ．M o s to ft h ec r y s t a lp a r t i c l e sa r es p l i ta n d s o m eo ft h e ms i n t e r e dw h e nt h et e m p e r a t u r ei Su pt o9 0 0 ℃．T h e r ei So r g a n i cm a t t e ri nt h e s a n d s t o n e ．T h er e l e a s i n gt e m p e r a t u r eo ft h eo r g a n i cm a t t e ri Sf r o m4 0 0 ℃t o6 7 0 ℃．T h e m i c r o s t r u c t u r ev a r i e t yo ft h es a n d s t o n er e s u l t sf r o mt h e r m a ls t r e s so fc r y s t a lf o r mt r a n s i t i o na n d c r y s t a lv o l u m e t r i ce x p a n s i o n ，a n dd e c o m p o s i t i o no ft h eo r g a n i cm a t t e ra n dm i g r a t i o no ft h e d e c o m p o s i n gp r o d u c t sd u r i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r e ． K e yw o r d s s a n d s t o n e ；m i c r o s t r u c t u r e ；h i g ht e m p e r a t u r e ；o r g a n i cm a t t e r 砂岩是煤系地层中常见的岩层之一，常以直接 顶或直接底的形式位于煤层顶板或地板，其稳定性 对煤层开采过程中的顶底板控制具有十分重要的 作用．对于煤炭地下气化而言，气化过程中煤层氧 化区的温度高达10 0 0 ℃以上‘1 。4 | ，煤层顶底板岩 层将经历如此高的温度烘烤，必将使其微观结构、 力学特性等发生改变．有文献报道，粉沙岩在6 0 0 ℃以下塑性增加，强度增大；碳质页岩和碳质砂岩 在温度接近6 0 0o C 时的强度和弹性也增加‘5 3 ；含磁 铁石英岩和赤铁石英岩在高温条件下内部微观结 收稿日期t2 0 0 4 一0 6 2 0 基金项目，国家自然科学基金项目 5 0 2 7 4 0 3 8 ，河南理工大学博士基金项目 6 4 8 1 3 4 作者简介谌伦建 1 9 5 9 一 ，男，四川省射洪县人，教授，博士生导师，从事洁净煤技术和采矿工程方面的研究 T e l 0 3 9 1 3 9 8 7 2 3 2 ；1 3 8 3 9 1 5 0 3 8 8 万方数据 4 4 4 中国矿业大学学报第3 4 卷 构将形成微裂隙[ 6 3 ；花岗岩中流体包裹体的爆裂将 导致花岗岩中微裂隙的形成[ 7 1 ；花岗岩在加热温度 超过一定值时裂纹数量将随温度增加而增加，安山 岩几乎不出现矿物粒子热膨胀率不一致所引起的 微裂纹∞] ．但目前在高温条件下砂岩微观结构的研 究很少．本文就煤层顶板砂岩在高温条件下微观结 构进行实验研究． 1实验条件 1 ．1实验岩样 试验岩样为鹤壁矿务局三矿缓倾斜煤层顶板 砂岩，灰黑色、结构致密、中间夹有较多的泥质成分 体积分数约为仇岩一1 4 ％ 和黑色有机物．岩石矿 物组成主要为石英、高岭石、云母、钠长石和赤铁矿 ／菱铁矿 见表1 ，颗粒粒度见表2 ．试验前先将岩 石锯成3 0m m x 3 0m m x2 0m m 的长方体，然后在 马弗炉内加热焙烧．焙烧从室温开始，样品微观结 构观测温度范围4 0 0 ～12 0 0 ℃，每隔2 0 0 ℃为 一个温度水平．当加热到试验设定温度后恒温 表1 砂岩的矿物组成 T a b l e1T h ec o m p o s i t i o no ft h es a n d s t o n e 矿物成分云母高岭石石英钠长石菱铁矿／赤铁矿 仇／％2 53 03 01 5 1 0 3 0r a i n ，取出，在自然状态下冷却至室温，再按电镜 及偏光显微镜分析的要求分别加工成块状和光片． 表2 碎屑颗粒的粒径分布 T a b l e2T h es i z ed i s t r i b u t i o no ff i n ep a r t i c l e s 粒度／r a m目一＼烬瘊 万方数据 4 4 6 中国矿业大学学报第3 4 卷 u d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o na n di t ss t u d yo fi n f l u e n c e v a r i a b l e s [ J ] ．J o u r n a lo fN a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，2 5 5 5 3 3 - 5 3 7 ． [ 3 ] 张祖培．煤炭地下气化技术[ J ] ．探矿工程，2 0 0 0 1 6 9 ． Z h a n gZP ．U n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y E J ] ．P r o s p e c t i n gE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 1 6 - 9 ． [ 4 ] 王在泉，华安增．煤炭地下气化空间扩展规律及控制 方法研究综述[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 1 ，2 0 3 3 7 9 3 8 1 ． W a n gZQ ，H u aAZ ．R e v i e wo nc a v i t yg r o w t hl a w s a n dc o n t r o li n u n d e r g r o u n d c o a lg a s i f i c a t i o n [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 1 ，2 0 3 3 7 9 3 8 1 ． E 5 l 徐永生．论煤炭地下气化对煤层地质条件的适应性 [ J ] ．天津城市建设学院学报，1 9 9 5 ，1 4 6 - 1 1 ． X uYS ．D i s c u s s i o no na d a p t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n d c o a lg a s i f i c a t i o nt Og e o l o g i c a lc o n d i t i o no f c o a ls e a m [ J ] ．J o u r n a l o f T i a n j i n I n s t i t u t eo fU r b a n C o n s t r u c t i o n ，1 9 9 5 ，1 4 6 - 1 1 ． [ 6 ] 张晶瑶，马万昌，张凤鹏，等．高温条件下岩石结构特 征的研究[ J ] ．东北大学学报 自然科学版 ，1 9 9 6 ，1 7 1 5 - 9 ． Z h a n gJY ，M aWC ，Z h a n gFP ，e ta 1 ．O nr o c k s t r u c t u r ec h a r a c t e ru n d e rh i g h t e m p e r a t u r e [ J ] ． J o u r n a lo fN o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y n a t u r a ls c i e n c e ， 1 9 9 6 ，1 7 1 5 - 9 ． [ 7 ] 林为人，铃木舜一，高桥学，等．稻田花岗岩中的流体 包裹体及由其导致高温条件下微裂纹的形成口] ．岩 石力学与工程学报，2 0 0 3 ，2 2 6 8 9 9 9 0 4 ． L i nWR ，S u z u k iS ，T a k a h a s h iM ，e ta 1 ．F l u i d i n c l u s i o n sa n dt h e r m a lm i c r o c r a c k i n gi nI n a d ag r a n i t e [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 2 6 8 9 9 9 0 4 ． [ 8 ] 北野晃一，新孝一，木下直人，等．高温下岩石力学特 性、热特性和渗透特性的综合评述[ J ] ．世界地震译 丛，1 9 9 1 ，1 0 1 ；5 9 6 8 ． K i t a n oK ，A t a l a s h iK ，K i n o s h i t aK ，e ta 1 ．I n t e r v i e w o nt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r ，h o tp r o p e r t ya n ds e e p a g e c h a r a c t e r i s t i c so fr o c ku n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r e [ J ] ． C o l l e c t i o no fW o r l dS e i s m o l o g yT r a n s l a t i o n ，19 9 1 ，1 0 1 5 9 6 8 ． [ 9 3 高琼英，张智强．高岭石矿物高温相变过程及其火山 灰活性口] ．硅酸盐学报，1 9 8 9 ，1 7 6 5 4 1 5 4 8 ． G a oQY ，Z h a n gZQ ．S t u d yo nt h es t r u c t u r a lc h a n g e i nt h ec a l c i n a t i o n sp r o g r e s so fk a o l i n i t ea n di t ’S p o z z o l a n i ca c t i v i t y [ J ] ．J o u r n a lo ft h eC h i n e s eC e r a m i c S o c i e t y ，1 9 8 9 ，1 7 6 5 4 1 5 4 8 ． [ 1 0 3 劳动和社会保障部教材办公室．陶瓷工艺学[ M ] ．北 京中国劳动社会保障出版社，2 0 0 0 ． 责任编辑骆振福 万方数据