长平井田3号煤孔隙特征

李 瑶

(山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司，山西 晋城 048012)

煤层气是一种低碳高效的清洁能源，是我国能源的重要组成部分。据最新一轮煤层气资源调查、评估结果显示，我国煤矿区2 000 m以浅埋深的煤层气资源量达31.46×1012m3，相当于350亿t标油、450亿t标煤，与我国陆上常规天然气资源量相当。煤是一种孔裂隙发育的多孔介质，煤孔隙特征对煤层气赋存(吸附储集、解吸)和运移(扩散和渗流)、煤层气可采性、煤层气井产量等具有重要影响，是煤层气勘探开发有利区评价及优选和煤层气地质理论研究的重要研究内容之一[1-3]。煤孔隙研究历史悠久，早在19世纪人们已认识到煤中孔裂隙的存在[4]，随后对其开展了研究工作，特别是20世纪70年代，伴随着煤层气勘探开发的兴起，煤孔隙研究进入“热潮”阶段[5]。煤孔隙研究历时百余年，在煤孔隙成因及类型划分[6]、孔隙控气行为和机理[7-8]、多尺度孔隙[9-10]、煤孔隙分形理论[11]、孔隙研究方法和手段[12]等方面取得丰硕成果，有力地指导了煤层气勘探开发和矿井瓦斯抽采。不同煤矿区和同一煤矿区的不同、相同煤层因煤变质程度，显微煤岩组分，煤中矿物种类及含量，煤体结构类型(破坏强度)差异，煤孔隙特征亦有所不同[13]，进而造成煤层气开发效果迥异[14]。

长平井田位于沁水煤田南部晋城矿区，隶属高平市寺庄镇管辖，为解决井田3号煤层高含气量和矿井掘进、回采该煤层过程中的高瓦斯涌出及煤与瓦斯突出问题，已在井田内开展了地面煤层气抽采瓦斯工程和测试大量煤层气基础参数。目前，井田内煤层气地质理论研究较少，特别是煤孔隙研究处于空白，为提高煤层气抽采效果，以3号煤层为研究对象，采用低温液氮吸附法开展了煤孔隙特征研究，研究成果对夯实该区煤层气地质理论，提高煤层气开发成效具有重要的理论和现实意义。

1 实验样品采集及描述

1.1 样品采集

本文研究的煤样采集于长平矿4303综采工作面进风巷距切巷125 m处新鲜煤壁，共计采集不同煤体结构类型煤样3件，见图1。为了使实验结果更能反映研究区煤孔隙之实际，采样采集过程和样品质量需要满足以下要求：采集的煤样要纯净，煤中不得夹入煤矸石和夹杂方解石、黄铁矿脉等无机矿物岩类；需采集新鲜煤样，煤样不得风化；样品采集范围要广(同一剖面不同深度)、煤体结构类型要采集齐全；煤的原生结构尽量保持完整。

图1 长平井田3号煤层井下采集样品

1.2 样品描述

长平井田3号煤层外表为黑色或灰黑色，条痕色为深黑色，玻璃-强玻璃光泽。硬度一般为3～4，有一定的韧性，内生裂隙不太发育，参差状及贝壳状断口，可见一定摩擦光面。宏观煤岩类型以半亮-光亮型煤为主，局部可见半暗型，宏观煤岩组分以亮煤为主，少量的暗煤或镜煤。煤层主要为线理状、条带状结构，层状构造，有时可见均一状结构，块状构造；煤体破坏相对严重，未见原生结构煤，煤体结构类型均为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤等构造煤类型。

2 煤孔隙特征研究

2.1 实验方法及原理

低温液氮吸附法可实现多尺度，特别是微观尺度(0.35～500 nm)煤孔隙的测定和研究，是煤孔隙结构特征重要的研究技术手段之一，在煤层气勘探开发领域应用尤为广泛[15-17]。本文对长平井田3号煤孔隙特征的研究亦采用以上方法，采用低温液氮吸附法对煤孔隙特征进行研究，其原理是利用煤分子和气体分子间“范德华力”作用，分子越大，所受范德华力越强，煤分子属于大分子结构，因而对气体分子具有较强的吸附力[18]。在液氮实验温度(196 ℃)条件下，当吸附和脱附达到动态平衡时，煤孔隙的吸氮量是相对压力(P/P0)的函数。在0.05～0.35相对压力值较小范围时，吸氮量与相对压力之间符合BET等温多层吸附方程，利用该方程式可实现孔隙体积(或孔容)和比表面积的计算和分析；相对压力(P/P0)大于0.4时，氮气在煤孔隙内产生了毛细凝聚现象，利用BJH法毛细凝聚模型计算和分析孔径。

2.2 实验仪器及主要技术参数

2.3 实验基本流程

煤属于一种可燃有机岩类，目前还没有专门针对煤孔隙液氮吸附实验的相关标准和规程，因煤和岩石均为岩石类型，因此，煤孔隙测定基本依据《岩石比表面积和孔径分布测定静态氮吸附容量法》(SY/T 6154-1995)。本文煤孔隙测定亦依据上述标准执行，主要基本流程为：样品备制—样品和样品管脱气处理并称重—自有空间测定—吸附等温线测定—实验数据处理。

2.4 实验结果分析

2.4.1 煤的孔隙形态

煤孔隙形态对煤层气吸附-解吸、扩散运移和渗透性具有关键控制作用[19]，受煤变质程度、矿物质含量、煤岩组分、煤体破坏程度等地质要素影响，使得不同煤矿区不同煤层、相同煤矿区不同及相同煤层的孔隙形态具有一定分异现象[13]。吸附和凝聚理论显示，煤孔隙形态的复杂多样性使吸附、脱附路径不一致，二者间存在“分离”，并具有明显的滞后环(即G点)，谓之“吸附滞后”现象，利用吸附回线可以实现煤孔隙形态的分析[20]。

长平井田3号煤低温液氮吸附回线曲线具有以下特征：因吸附滞后，致使吸附曲线和脱附曲线分离，脱附曲线在吸附曲线之上，并存在明显的“滞后环”。

吸附曲线在相对压力为0～0.1低值区，氮气吸附量快速增加，吸附曲线呈倾斜状；相对压力为0.1～0.8中值区，氮气吸附量缓慢增加，吸附曲线呈缓倾斜状；相对压力为0.8～1.0高值区氮气吸附量又急剧增大，吸附曲线呈陡倾斜状；脱附曲线在相对压力为1.0～0.8高值区，氮气脱附量快速增加，脱附曲线呈陡立状；在相对压力为0.8～0.5中值区，氮气脱附量缓慢降低，脱附曲线呈缓倾斜状，并在相对压力0.5处，具有显著的脱附“拐点”(即“G”点)，图2(a)的“滞后环”最大，煤的渗透性最好[21]，图2(b)～(d)的“滞后环”基本相似，煤的孔渗性差异不大；相对压力为0.5～0.45中值区，脱附量又呈现一个快速增加过程，脱附曲线呈不同程度的急倾斜状态；相对压力小于0.45的低值区，氮气缓慢脱附，脱附曲线呈缓倾斜状。

图2 长平井田3号煤低温液氮吸附、脱附曲线特征

上述吸附回线符合多孔介质的吸附和凝聚理论研究中的A类吸附回线形态特征[22]，这类吸附曲线特征煤的孔隙形态多、结构相对复杂，煤的孔隙形态主要有墨水瓶孔、两端开口的狭缝、一端开口圆筒形孔及平板形孔圆筒孔，其中，墨水瓶孔和狭缝平板孔导致了脱附曲线“G”出现[19,21]。

2.4.2 煤的孔隙孔径

煤的孔隙孔径是表征孔径尺寸的一个代表性参数，煤中孔隙形态多样，孔径分布范围较广。为便于和实现多孔介质材料孔隙孔径的精细描述和定量表征，假设多孔介质材料的孔隙形态均为“圆柱状”，并基于Kelvin方程提出了多孔介质材料的孔隙孔径“BJH孔径分析方法”，该方法在煤层气勘探开发领域煤孔径和多孔吸附材料孔径研究方面应用较为广泛[23]。

孔径对煤层气赋存和运移具有重要控制作用，不同尺寸孔径中煤层气赋存和运移行为不同[7]。在煤孔径研究和尺寸划分方面，因研究目的、实验方法、测试仪器等差异，具有多种孔径尺寸划分方法[24]。在气体吸附法测定固体材料孔径分布方面，现行国家标准《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第2部分：气体吸附法分析介孔和大孔》(GB/T 21650.2-2008/ISO 15901-2:2006)和《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第3部分：气体吸附法分析微孔》(GB/T 21650.3-2011/ISO 15901-3:2006)将多孔介质孔径划分为大孔(>50 nm)、介质(2 nm≤R≤50 nm)和微孔(<2 nm)3个尺寸等级，对气体吸附法多孔介质孔径研究和划分起到指导性作用，本文孔径划分参照上述国标划分方法。采用低温液氮吸附“BJH孔径分析方法”得到长平井田3号煤孔径(表1)，煤孔隙基本为介孔，孔径一般为9.528 3～23.172 7 nm，平均15.693 8 nm，煤层气在孔隙中主要以吸附和充填状态赋存，运移方式以扩散为主[2]。同时，煤孔径大小与煤变质程度关系显著(遵循关系式：yBJH=-40.043xR+121.21，R2= 0.912 4)，随着煤变质程度升高，小孔径孔隙越发育，因而煤中孔隙的平均孔径越小。煤体结构类型仅反映煤体破坏严重程度(或强度)，未能改变煤孔径大小，因而二者间关系不显著。

2.4.3 煤孔比表面积

煤孔比表面积系指单位质量煤中孔隙的表面积，单位为m2/g。煤与其他岩石不同，煤基质孔隙表面具有吸附气体的性质，是煤层气吸附储集的主要场所和空间，其大小影响煤对煤层气的吸附能力和吸附量[25]。煤属于一种多孔介质材料，对二氧化碳、氮气、煤层气等气体分子具有多分子层吸附现象，基于这种现象，Brunauer、Emmett及Teller这3位学者提出了符合多孔介质材料的多分子层吸附数学模型(即BET比表面积等温吸附方程)[26]，并被广泛应用于多孔介质表面吸附性能描述和定量表征研究。

表1 长平井田3号煤孔隙孔径测定结果

本文低温液氮吸附法所得的煤孔比表面积均为BET比表面积等温吸附方程求取而得，长平井田3号煤层为中-高变质程度煤，煤类为贫煤与低变质无烟煤(Ro,max=2.48%～2.77%，平均2.64%)，煤中微孔隙基本不发育，因而煤孔比表面积整体较同一煤矿区(晋城矿区)寺河、成庄井田高变质的3号煤层(镜质组最大发射率Ro,max平均值为3.462%，煤类为无烟煤二号)的孔比表面积小许多，对煤层气吸附储集能力一般[20,27-28]。研究区目的煤层孔比表面积一般为0.110 1～0.965 3 m2/g，平均0.445 5 m2/g，寺河井田3号煤孔比表面积4.022 6～11.557 7 m2/g，平均6.822 4 m2/g[28]。成庄井田3号煤孔比表面积2.631 6～7.367 4 m2/g，平均4.353 3 m2/g[20]。煤孔比表面积大小受煤变质程度影响显著(遵循关系式：yBET=2.263 4xR- 5.518 7，R2= 0.720 3)，这主要缘于随着煤变质程度越高，煤中微小孔径孔隙越发育，而微小孔隙则是煤孔比表面积的主要贡献者，因而煤孔比表面积越高，反之亦然[21,27]。煤体结构类型对煤孔比表面积具有一定影响，随着煤体破坏强度增加，煤中角砾孔、碎粒孔和摩擦孔等外生孔逐渐发育，煤孔比表面积随之增加[21]。同时，因煤具有极强的非均质属性且煤孔隙发育特征受煤岩组分、煤变质程度、煤中矿物质含量、构造应力、煤体破坏程度(或煤体类型)等多地质要素影响[13]，致使不同样品间煤孔比表面积具有显著分异现象，见表2。

表2 长平井田3号煤的孔比表面积测定结果

2.4.4 孔 容

孔容又称“孔隙体积”，指单位质量多孔介质材料中所有的孔隙体积之和，是煤孔隙结构特征的重要参数之一。吸附法测定所得的煤孔容为吸附气可以进入并被充填的那部分孔隙体积[29]，因此，所得的孔容仅包含煤中的“有效孔隙”(或开放型孔隙)，未涉及煤中的“死孔”孔容。孔容大小及特征在一定程度上反映了煤孔隙的连通程度和不同级别孔径孔隙的发育特征，对煤层的孔渗性、煤层气井产量等亦有重要影响[20,28,30]。一般而言，微孔是孔比表面积的主要贡献者，而大孔则是孔容的主要贡献者，煤孔隙的孔径越大、孔隙和孔隙间的连通性越好，孔容越高，反之亦然[25]。长平井田3号煤中孔隙基本为介孔，微孔和大孔不甚发育，孔隙的连通性一般，孔容偏低，其值一般为0.000 700～0.004 034 cm3/g，平均0.002 241 cm3/g。受煤非均质性、复杂地质因素及其耦合作用影响[13]，不同样品的孔容有所不同，两极值差异显著。同时，煤体破坏程度(煤体结构类型)对孔容影响不大，但煤变质程度与孔容的关系显著(y孔容=-0.011 9xR+0.033 7，R2=0.996 3)，随着煤变质程度升高，孔容呈逐渐降低趋势，见表3。煤变质与孔容之间的这种关系，主要源于随着煤变质程度升高，煤中小孔径孔隙越发越，而大孔隙则是孔容的主要贡献者[21,27]。同时，煤体结构类型在一定程度上对煤孔容具有一定影响，随着煤体破坏强度增加，煤中角砾孔、碎粒孔和摩擦孔等外生孔逐渐发育，煤孔容随之增加[21]。

3 结 语

1) 受煤自身非均质性、多地质因素及其耦合作用影响，致使同一井田相同煤层的不同样品，其煤的孔隙形态、煤的孔隙孔径、孔比表面积及孔容都不尽相同，分异现象显著。

表3 长平井田3号煤孔容测定结果

2) 相对其他地质因素影响而言，煤变质程度对煤的孔径、孔比表面积及孔容影响最为显著，煤变质程度越高，煤中小孔径孔隙越发育，孔比表面积越大，而孔容则降低，反之亦然。煤体结构类型对煤孔比表面积和孔容亦具有一定影响，煤体破坏越甚，外生孔越发育，煤孔比表面积和孔容随之增加，反之亦然。

3) 研究煤层中孔隙形态多样且结构相对发展，煤中孔隙主要为墨水瓶孔、两端开口的狭缝、一端开口圆筒形孔及平板形孔圆筒孔；煤中孔隙孔径基本为介孔范畴，微孔和大孔不甚发育；煤的孔比表面积较同一煤矿区寺河、成庄井田一带的3号煤层低，储集煤层气能力亦不及后者；煤中大孔不甚发育、开放型孔(有效孔)发育一般，煤孔容相对偏低。