李 瑤

(山西藍(lán)焰煤層氣工程研究有限責(zé)任公司，山西 晉城 048012)

煤層氣是一種低碳高效的清潔能源，是我國(guó)能源的重要組成部分。據(jù)最新一輪煤層氣資源調(diào)查、評(píng)估結(jié)果顯示，我國(guó)煤礦區(qū)2 000 m以淺埋深的煤層氣資源量達(dá)31.46×1012m3，相當(dāng)于350億t標(biāo)油、450億t標(biāo)煤，與我國(guó)陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)。煤是一種孔裂隙發(fā)育的多孔介質(zhì)，煤孔隙特征對(duì)煤層氣賦存(吸附儲(chǔ)集、解吸)和運(yùn)移(擴(kuò)散和滲流)、煤層氣可采性、煤層氣井產(chǎn)量等具有重要影響，是煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)評(píng)價(jià)及優(yōu)選和煤層氣地質(zhì)理論研究的重要研究?jī)?nèi)容之一[1-3]。煤孔隙研究歷史悠久，早在19世紀(jì)人們已認(rèn)識(shí)到煤中孔裂隙的存在[4]，隨后對(duì)其開展了研究工作，特別是20世紀(jì)70年代，伴隨著煤層氣勘探開發(fā)的興起，煤孔隙研究進(jìn)入“熱潮”階段[5]。煤孔隙研究歷時(shí)百余年，在煤孔隙成因及類型劃分[6]、孔隙控氣行為和機(jī)理[7-8]、多尺度孔隙[9-10]、煤孔隙分形理論[11]、孔隙研究方法和手段[12]等方面取得豐碩成果，有力地指導(dǎo)了煤層氣勘探開發(fā)和礦井瓦斯抽采。不同煤礦區(qū)和同一煤礦區(qū)的不同、相同煤層因煤變質(zhì)程度，顯微煤巖組分，煤中礦物種類及含量，煤體結(jié)構(gòu)類型(破壞強(qiáng)度)差異，煤孔隙特征亦有所不同[13]，進(jìn)而造成煤層氣開發(fā)效果迥異[14]。

長(zhǎng)平井田位于沁水煤田南部晉城礦區(qū)，隸屬高平市寺莊鎮(zhèn)管轄，為解決井田3號(hào)煤層高含氣量和礦井掘進(jìn)、回采該煤層過程中的高瓦斯涌出及煤與瓦斯突出問題，已在井田內(nèi)開展了地面煤層氣抽采瓦斯工程和測(cè)試大量煤層氣基礎(chǔ)參數(shù)。目前，井田內(nèi)煤層氣地質(zhì)理論研究較少，特別是煤孔隙研究處于空白，為提高煤層氣抽采效果，以3號(hào)煤層為研究對(duì)象，采用低溫液氮吸附法開展了煤孔隙特征研究，研究成果對(duì)夯實(shí)該區(qū)煤層氣地質(zhì)理論，提高煤層氣開發(fā)成效具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)樣品采集及描述

1.1 樣品采集

本文研究的煤樣采集于長(zhǎng)平礦4303綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷距切巷125 m處新鮮煤壁，共計(jì)采集不同煤體結(jié)構(gòu)類型煤樣3件，見圖1。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能反映研究區(qū)煤孔隙之實(shí)際，采樣采集過程和樣品質(zhì)量需要滿足以下要求：采集的煤樣要純凈，煤中不得夾入煤矸石和夾雜方解石、黃鐵礦脈等無機(jī)礦物巖類；需采集新鮮煤樣，煤樣不得風(fēng)化；樣品采集范圍要廣(同一剖面不同深度)、煤體結(jié)構(gòu)類型要采集齊全；煤的原生結(jié)構(gòu)盡量保持完整。

圖1 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層井下采集樣品

1.2 樣品描述

長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層外表為黑色或灰黑色，條痕色為深黑色，玻璃-強(qiáng)玻璃光澤。硬度一般為3～4，有一定的韌性，內(nèi)生裂隙不太發(fā)育，參差狀及貝殼狀斷口，可見一定摩擦光面。宏觀煤巖類型以半亮-光亮型煤為主，局部可見半暗型，宏觀煤巖組分以亮煤為主，少量的暗煤或鏡煤。煤層主要為線理狀、條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，有時(shí)可見均一狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；煤體破壞相對(duì)嚴(yán)重，未見原生結(jié)構(gòu)煤，煤體結(jié)構(gòu)類型均為碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤等構(gòu)造煤類型。

2 煤孔隙特征研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法及原理

低溫液氮吸附法可實(shí)現(xiàn)多尺度，特別是微觀尺度(0.35～500 nm)煤孔隙的測(cè)定和研究，是煤孔隙結(jié)構(gòu)特征重要的研究技術(shù)手段之一，在煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛[15-17]。本文對(duì)長(zhǎng)平井田3號(hào)煤孔隙特征的研究亦采用以上方法，采用低溫液氮吸附法對(duì)煤孔隙特征進(jìn)行研究，其原理是利用煤分子和氣體分子間“范德華力”作用，分子越大，所受范德華力越強(qiáng)，煤分子屬于大分子結(jié)構(gòu)，因而對(duì)氣體分子具有較強(qiáng)的吸附力[18]。在液氮實(shí)驗(yàn)溫度(196 ℃)條件下，當(dāng)吸附和脫附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，煤孔隙的吸氮量是相對(duì)壓力(P/P0)的函數(shù)。在0.05～0.35相對(duì)壓力值較小范圍時(shí)，吸氮量與相對(duì)壓力之間符合BET等溫多層吸附方程，利用該方程式可實(shí)現(xiàn)孔隙體積(或孔容)和比表面積的計(jì)算和分析；相對(duì)壓力(P/P0)大于0.4時(shí)，氮?dú)庠诿嚎紫秲?nèi)產(chǎn)生了毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，利用BJH法毛細(xì)凝聚模型計(jì)算和分析孔徑。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及主要技術(shù)參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)基本流程

煤屬于一種可燃有機(jī)巖類，目前還沒有專門針對(duì)煤孔隙液氮吸附實(shí)驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，因煤和巖石均為巖石類型，因此，煤孔隙測(cè)定基本依據(jù)《巖石比表面積和孔徑分布測(cè)定靜態(tài)氮吸附容量法》(SY/T 6154-1995)。本文煤孔隙測(cè)定亦依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，主要基本流程為：樣品備制—樣品和樣品管脫氣處理并稱重—自有空間測(cè)定—吸附等溫線測(cè)定—實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 煤的孔隙形態(tài)

煤孔隙形態(tài)對(duì)煤層氣吸附-解吸、擴(kuò)散運(yùn)移和滲透性具有關(guān)鍵控制作用[19]，受煤變質(zhì)程度、礦物質(zhì)含量、煤巖組分、煤體破壞程度等地質(zhì)要素影響，使得不同煤礦區(qū)不同煤層、相同煤礦區(qū)不同及相同煤層的孔隙形態(tài)具有一定分異現(xiàn)象[13]。吸附和凝聚理論顯示，煤孔隙形態(tài)的復(fù)雜多樣性使吸附、脫附路徑不一致，二者間存在“分離”，并具有明顯的滯后環(huán)(即G點(diǎn))，謂之“吸附滯后”現(xiàn)象，利用吸附回線可以實(shí)現(xiàn)煤孔隙形態(tài)的分析[20]。

長(zhǎng)平井田3號(hào)煤低溫液氮吸附回線曲線具有以下特征：因吸附滯后，致使吸附曲線和脫附曲線分離，脫附曲線在吸附曲線之上，并存在明顯的“滯后環(huán)”。

吸附曲線在相對(duì)壓力為0～0.1低值區(qū)，氮?dú)馕搅靠焖僭黾?，吸附曲線呈傾斜狀；相對(duì)壓力為0.1～0.8中值區(qū)，氮?dú)馕搅烤徛黾?，吸附曲線呈緩傾斜狀；相對(duì)壓力為0.8～1.0高值區(qū)氮?dú)馕搅坑旨眲≡龃?，吸附曲線呈陡傾斜狀；脫附曲線在相對(duì)壓力為1.0～0.8高值區(qū)，氮?dú)饷摳搅靠焖僭黾?，脫附曲線呈陡立狀；在相對(duì)壓力為0.8～0.5中值區(qū)，氮?dú)饷摳搅烤徛档?，脫附曲線呈緩傾斜狀，并在相對(duì)壓力0.5處，具有顯著的脫附“拐點(diǎn)”(即“G”點(diǎn))，圖2(a)的“滯后環(huán)”最大，煤的滲透性最好[21]，圖2(b)～(d)的“滯后環(huán)”基本相似，煤的孔滲性差異不大；相對(duì)壓力為0.5～0.45中值區(qū)，脫附量又呈現(xiàn)一個(gè)快速增加過程，脫附曲線呈不同程度的急傾斜狀態(tài)；相對(duì)壓力小于0.45的低值區(qū)，氮?dú)饩徛摳?，脫附曲線呈緩傾斜狀。

圖2 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤低溫液氮吸附、脫附曲線特征

上述吸附回線符合多孔介質(zhì)的吸附和凝聚理論研究中的A類吸附回線形態(tài)特征[22]，這類吸附曲線特征煤的孔隙形態(tài)多、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，煤的孔隙形態(tài)主要有墨水瓶孔、兩端開口的狹縫、一端開口圓筒形孔及平板形孔圓筒孔，其中，墨水瓶孔和狹縫平板孔導(dǎo)致了脫附曲線“G”出現(xiàn)[19,21]。

2.4.2 煤的孔隙孔徑

煤的孔隙孔徑是表征孔徑尺寸的一個(gè)代表性參數(shù)，煤中孔隙形態(tài)多樣，孔徑分布范圍較廣。為便于和實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)材料孔隙孔徑的精細(xì)描述和定量表征，假設(shè)多孔介質(zhì)材料的孔隙形態(tài)均為“圓柱狀”，并基于Kelvin方程提出了多孔介質(zhì)材料的孔隙孔徑“BJH孔徑分析方法”，該方法在煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域煤孔徑和多孔吸附材料孔徑研究方面應(yīng)用較為廣泛[23]。

孔徑對(duì)煤層氣賦存和運(yùn)移具有重要控制作用，不同尺寸孔徑中煤層氣賦存和運(yùn)移行為不同[7]。在煤孔徑研究和尺寸劃分方面，因研究目的、實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試儀器等差異，具有多種孔徑尺寸劃分方法[24]。在氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布方面，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《壓汞法和氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度第2部分：氣體吸附法分析介孔和大孔》(GB/T 21650.2-2008/ISO 15901-2:2006)和《壓汞法和氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度第3部分：氣體吸附法分析微孔》(GB/T 21650.3-2011/ISO 15901-3:2006)將多孔介質(zhì)孔徑劃分為大孔(>50 nm)、介質(zhì)(2 nm≤R≤50 nm)和微孔(<2 nm)3個(gè)尺寸等級(jí)，對(duì)氣體吸附法多孔介質(zhì)孔徑研究和劃分起到指導(dǎo)性作用，本文孔徑劃分參照上述國(guó)標(biāo)劃分方法。采用低溫液氮吸附“BJH孔徑分析方法”得到長(zhǎng)平井田3號(hào)煤孔徑(表1)，煤孔隙基本為介孔，孔徑一般為9.528 3～23.172 7 nm，平均15.693 8 nm，煤層氣在孔隙中主要以吸附和充填狀態(tài)賦存，運(yùn)移方式以擴(kuò)散為主[2]。同時(shí)，煤孔徑大小與煤變質(zhì)程度關(guān)系顯著(遵循關(guān)系式：yBJH=-40.043xR+121.21，R2= 0.912 4)，隨著煤變質(zhì)程度升高，小孔徑孔隙越發(fā)育，因而煤中孔隙的平均孔徑越小。煤體結(jié)構(gòu)類型僅反映煤體破壞嚴(yán)重程度(或強(qiáng)度)，未能改變煤孔徑大小，因而二者間關(guān)系不顯著。

2.4.3 煤孔比表面積

煤孔比表面積系指單位質(zhì)量煤中孔隙的表面積，單位為m2/g。煤與其他巖石不同，煤基質(zhì)孔隙表面具有吸附氣體的性質(zhì)，是煤層氣吸附儲(chǔ)集的主要場(chǎng)所和空間，其大小影響煤對(duì)煤層氣的吸附能力和吸附量[25]。煤屬于一種多孔介質(zhì)材料，對(duì)二氧化碳、氮?dú)?、煤層氣等氣體分子具有多分子層吸附現(xiàn)象，基于這種現(xiàn)象，Brunauer、Emmett及Teller這3位學(xué)者提出了符合多孔介質(zhì)材料的多分子層吸附數(shù)學(xué)模型(即BET比表面積等溫吸附方程)[26]，并被廣泛應(yīng)用于多孔介質(zhì)表面吸附性能描述和定量表征研究。

表1 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤孔隙孔徑測(cè)定結(jié)果

本文低溫液氮吸附法所得的煤孔比表面積均為BET比表面積等溫吸附方程求取而得，長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層為中-高變質(zhì)程度煤，煤類為貧煤與低變質(zhì)無煙煤(Ro,max=2.48%～2.77%，平均2.64%)，煤中微孔隙基本不發(fā)育，因而煤孔比表面積整體較同一煤礦區(qū)(晉城礦區(qū))寺河、成莊井田高變質(zhì)的3號(hào)煤層(鏡質(zhì)組最大發(fā)射率Ro,max平均值為3.462%，煤類為無煙煤二號(hào))的孔比表面積小許多，對(duì)煤層氣吸附儲(chǔ)集能力一般[20,27-28]。研究區(qū)目的煤層孔比表面積一般為0.110 1～0.965 3 m2/g，平均0.445 5 m2/g，寺河井田3號(hào)煤孔比表面積4.022 6～11.557 7 m2/g，平均6.822 4 m2/g[28]。成莊井田3號(hào)煤孔比表面積2.631 6～7.367 4 m2/g，平均4.353 3 m2/g[20]。煤孔比表面積大小受煤變質(zhì)程度影響顯著(遵循關(guān)系式：yBET=2.263 4xR- 5.518 7，R2= 0.720 3)，這主要緣于隨著煤變質(zhì)程度越高，煤中微小孔徑孔隙越發(fā)育，而微小孔隙則是煤孔比表面積的主要貢獻(xiàn)者，因而煤孔比表面積越高，反之亦然[21,27]。煤體結(jié)構(gòu)類型對(duì)煤孔比表面積具有一定影響，隨著煤體破壞強(qiáng)度增加，煤中角礫孔、碎粒孔和摩擦孔等外生孔逐漸發(fā)育，煤孔比表面積隨之增加[21]。同時(shí)，因煤具有極強(qiáng)的非均質(zhì)屬性且煤孔隙發(fā)育特征受煤巖組分、煤變質(zhì)程度、煤中礦物質(zhì)含量、構(gòu)造應(yīng)力、煤體破壞程度(或煤體類型)等多地質(zhì)要素影響[13]，致使不同樣品間煤孔比表面積具有顯著分異現(xiàn)象，見表2。

表2 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤的孔比表面積測(cè)定結(jié)果

2.4.4 孔 容

孔容又稱“孔隙體積”，指單位質(zhì)量多孔介質(zhì)材料中所有的孔隙體積之和，是煤孔隙結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)之一。吸附法測(cè)定所得的煤孔容為吸附氣可以進(jìn)入并被充填的那部分孔隙體積[29]，因此，所得的孔容僅包含煤中的“有效孔隙”(或開放型孔隙)，未涉及煤中的“死孔”孔容?？兹荽笮〖疤卣髟谝欢ǔ潭壬戏从沉嗣嚎紫兜倪B通程度和不同級(jí)別孔徑孔隙的發(fā)育特征，對(duì)煤層的孔滲性、煤層氣井產(chǎn)量等亦有重要影響[20,28,30]。一般而言，微孔是孔比表面積的主要貢獻(xiàn)者，而大孔則是孔容的主要貢獻(xiàn)者，煤孔隙的孔徑越大、孔隙和孔隙間的連通性越好，孔容越高，反之亦然[25]。長(zhǎng)平井田3號(hào)煤中孔隙基本為介孔，微孔和大孔不甚發(fā)育，孔隙的連通性一般，孔容偏低，其值一般為0.000 700～0.004 034 cm3/g，平均0.002 241 cm3/g。受煤非均質(zhì)性、復(fù)雜地質(zhì)因素及其耦合作用影響[13]，不同樣品的孔容有所不同，兩極值差異顯著。同時(shí)，煤體破壞程度(煤體結(jié)構(gòu)類型)對(duì)孔容影響不大，但煤變質(zhì)程度與孔容的關(guān)系顯著(y孔容=-0.011 9xR+0.033 7，R2=0.996 3)，隨著煤變質(zhì)程度升高，孔容呈逐漸降低趨勢(shì)，見表3。煤變質(zhì)與孔容之間的這種關(guān)系，主要源于隨著煤變質(zhì)程度升高，煤中小孔徑孔隙越發(fā)越，而大孔隙則是孔容的主要貢獻(xiàn)者[21,27]。同時(shí)，煤體結(jié)構(gòu)類型在一定程度上對(duì)煤孔容具有一定影響，隨著煤體破壞強(qiáng)度增加，煤中角礫孔、碎粒孔和摩擦孔等外生孔逐漸發(fā)育，煤孔容隨之增加[21]。

3 結(jié) 語

1) 受煤自身非均質(zhì)性、多地質(zhì)因素及其耦合作用影響，致使同一井田相同煤層的不同樣品，其煤的孔隙形態(tài)、煤的孔隙孔徑、孔比表面積及孔容都不盡相同，分異現(xiàn)象顯著。

表3 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤孔容測(cè)定結(jié)果

2) 相對(duì)其他地質(zhì)因素影響而言，煤變質(zhì)程度對(duì)煤的孔徑、孔比表面積及孔容影響最為顯著，煤變質(zhì)程度越高，煤中小孔徑孔隙越發(fā)育，孔比表面積越大，而孔容則降低，反之亦然。煤體結(jié)構(gòu)類型對(duì)煤孔比表面積和孔容亦具有一定影響，煤體破壞越甚，外生孔越發(fā)育，煤孔比表面積和孔容隨之增加，反之亦然。

3) 研究煤層中孔隙形態(tài)多樣且結(jié)構(gòu)相對(duì)發(fā)展，煤中孔隙主要為墨水瓶孔、兩端開口的狹縫、一端開口圓筒形孔及平板形孔圓筒孔；煤中孔隙孔徑基本為介孔范疇，微孔和大孔不甚發(fā)育；煤的孔比表面積較同一煤礦區(qū)寺河、成莊井田一帶的3號(hào)煤層低，儲(chǔ)集煤層氣能力亦不及后者；煤中大孔不甚發(fā)育、開放型孔(有效孔)發(fā)育一般，煤孔容相對(duì)偏低。