煤岩高温磁异常规律及机理研究

摘要

磁法是探测煤田火区着火点及燃烧范围的重要方法。火区的高温使煤及围岩的磁性特征发生显著变化，进而改变了火区磁场，在地表观测到这些磁异常的数据结合理论推算出地下煤火的分布。因此研究煤岩在高温等条件下的磁性变化规律揭示煤岩磁异常的机理，为磁法探测火区提供理论依据。 磁化率反应了磁化强度随外磁场的变化特征，因此主要通过测定煤岩的质量磁化率来表征其磁性特征。本文选取了矿区中的岩石、煤矸石及4种煤质不同的煤样，开展一系列的磁测实验研究它们在不同的温度、磁感应强度、煤层破碎程度等条件下的磁性变化规律。为了进一步揭示产生这些规律的原因，通过开展工业分析、程序升温、X射线衍射等实验，研究煤质组分、气体产物、煤中矿物质及煤晶结构对磁性的影响。 （1）通过磁天平以古埃法测得新鲜的6种煤岩样品分别在不同磁感应强度、不同粒度条件下的质量磁化率，结果表明：煤在常温是弱的逆磁性物质，磁感应强度越高，煤的逆磁性越弱；而岩石和煤矸石是顺磁质，它们的磁化率随磁感应强度的增大而减小，煤矸石的磁化率总是介于煤、岩之间。煤岩的质量磁化率还随粒度的减小而增大，当粒度足够小时，煤样会由逆磁性变成顺磁性物质。 （2）对4种煤样进行工业分析，将煤的质量磁化率和工业分析指标联系起来，发现灰分指标与磁化率有相同的变化趋势，灰分越高的煤，其磁化率越大，这说明煤中的无机矿物质是影响煤磁性的主要原因。挥发分和固定碳一定程度上反应了煤中逆磁质的含量，对煤的磁性也有一定的影响。 （3）为研究过火区烧变煤岩的磁性变化，将原煤岩先升温再降温，制成烧变煤岩并测定升温前后的磁化率。发现有以下规律：当烧变温度达到200℃左右时，煤的质量磁化率会变为正值，到300～400℃范围内磁化率开始急剧上升，500℃后增长速率变缓；与岩石和煤矸石相比，煤受烧变温度的影响更加明显，其磁化率突变点比前两者提前100～200℃；经过高温烧变的煤岩的质量磁化率均随磁感应强度的增大而减小，减小速率先大后小，整体磁化率—磁感应强度曲线呈二次函数关系。 （4）模拟正在燃烧的火区煤岩，需要将煤岩样品加热并维持在高温环境。为此改进了磁化率测量系统，使其能测定高温状态下的煤岩样品。实验结果表明持续升温的煤岩只在一小段范围内有很强的磁性，磁峰前后磁化率都会降到很低的范围。而烧变煤岩可以长时间保持较高的磁化率，根据煤田火区中心高、边缘低的温度分布特点，磁法可以有效地圈定火区范围。 （5）通过XRD实验探究升温前后煤岩内部矿物质的成分变化和煤晶结构。煤岩中的菱铁矿、针铁矿等弱磁性矿物受高温影响转变为磁铁矿等强磁性物质，这是煤岩磁性突变的主要原因。高温会影响煤晶结构的稳定，但这种变化对磁化率的影响很小，可以忽略不计。

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1绪论

1.1选题背景及意义

1.1.1 选题背景

1.1.2 选题意义

1.2.1煤火探测的方法

1.2.2磁法探测的研究现状

1.2.3煤岩磁性变化规律及机理的研究现状

1.3研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2常温煤岩磁性变化规律研究

2.1煤岩磁性特征

2.1.1物质的磁性

2.1.2煤岩矿物的磁性特征

2.1.3火区煤岩磁性特征

2.1.4磁化率的测定

2.2磁感应强度对煤岩磁性的影响

2.2.1煤岩磁化率测定实验

2.2.2结果分析

2.3煤质对煤磁性的影响

2.3.1煤的工业分析

2.3.2工业分析指标与磁化率的关系

2.4煤层破碎程度对煤岩磁性的影响

2.4.1粒度对岩石、煤矸石磁化率的影响

2.4.2粒度对煤磁化率的影响

2.5小结

3烧变煤岩磁性变化规律研究

3.1烧变煤岩磁性与过火温度的关系

3.1.1样品制备及实验过程

3.1.2实验结果及分析

3.2烧变煤岩磁性与磁感应强度的关系

3.2.1样品制备及实验过程

3.2.2实验结果及分析

3.3不同变质煤烧变后的磁性特征

3.3.1样品制备及实验过程

3.3.2实验结果及分析

3.4小结

4火区煤岩磁性变化规律研究

4.1改进的磁化率测量仪

4.2煤升温过程中磁性变化规律

4.2.1样品制备与实验方法

4.2.2结果及分析

4.3岩石变温过程中磁性变化规律

4.3.1实验设备及方法

4.3.2实验结果及分析

4.4小结

5煤岩磁性变化机理研究

5.1升温过程气体产物研究

5.1.1程序升温实验

5.1.2气体产物浓度变化规律

5.1.3指标气体与磁化率的对应关系

5.2煤岩组分与磁性变化关系

5.2.1烧变煤的工业分析

5.2.2烧变岩中矿物成分变化

5.3煤结构的研究

5.3.1样品制备与实验条件

5.3.2实验结果及分析

5.4小结

6结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

致谢

参考文献