李建樓

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院,安徽宿州,234000;2.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心,安徽宿州,234000;3.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心,安徽宿州,234000

煤的孔隙是瓦斯富集的主要場所,納米級孔隙是瓦斯的主要吸附和擴散空間。厘清煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征及發(fā)育機理,對認識煤儲層滲流特征和開發(fā)煤層氣具有重要作用[1],同時對煤與瓦斯突出的機理和煤與瓦斯突出危險性預(yù)測等也具有重要的意義[2]。由于我國中低變質(zhì)程度煤占主體,煤中不同煤巖成分的物理性質(zhì)差異明顯,對煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征具有不同的影響。

不同煤巖成分孔徑大小、比表面積、孔體積和孔隙形態(tài)類型差異較大。鏡質(zhì)組為主形成的鏡煤和亮煤以過渡孔和微孔為主,暗煤和絲炭以大、中孔為主[3];由鏡煤、亮煤、暗煤到絲炭,大、中孔增加,過渡孔和微孔減少[4]。絲質(zhì)組是形成大孔、中孔的原始物質(zhì)[5],且礦物質(zhì)可以充填部分大、中孔隙,隨結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體含量增高以及絲質(zhì)組和礦物質(zhì)含量降低,微孔容增大[6],即鏡質(zhì)組分具有更多的微孔,其含量與甲烷吸附量之間正相關(guān)[7],而絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體含量增大時,其孔隙總體積相應(yīng)增大。在相似煤級條件下,絲質(zhì)組分的比表面積比鏡質(zhì)組分更大[8]。絲質(zhì)組的孔隙系統(tǒng)發(fā)育完整、連續(xù),形態(tài)均勻,孔徑分布范圍廣,大孔和中孔發(fā)達;鏡質(zhì)組孔隙形態(tài)復(fù)雜,分別存在不透氣孔、透氣孔、墨水瓶狀孔,2～10 nm的微孔比例較大,平均孔徑較小[9]。暗煤孔隙度略高于鏡煤,孔喉更粗,大孔更發(fā)育,連通性更好;鏡煤的微孔更發(fā)育,多以半封閉型和墨水瓶型孔隙為主[10]。絲質(zhì)組原生孔更發(fā)育,鏡質(zhì)組后生孔和外生孔更發(fā)育;富鏡質(zhì)組和富絲質(zhì)組高階煤都具有復(fù)雜納米級孔隙結(jié)構(gòu),然而富絲質(zhì)組高階煤孔隙形態(tài)更復(fù)雜[11]。殼質(zhì)組的比表面積和孔體積的分形維數(shù)最小,鏡質(zhì)組的分形維數(shù)最大[12]。

為了排除構(gòu)造應(yīng)力等因素干擾,實驗采集了淮北煤田桃園井田沒有受到構(gòu)造運動影響的氣煤煤樣;由礦井地質(zhì)報告可知采集地點煤樣屬于氣煤,氣煤屬于低階煤,煤中不同組分易于識別,鏡煤顯微煤巖組分主要以鏡質(zhì)組為主,暗煤以絲質(zhì)組為主,含量均在60%以上,殼質(zhì)組含量較低[13]。采用低溫氮等溫吸附法測試不同煤巖成分的孔隙結(jié)構(gòu),可為精準了解煤的孔隙結(jié)構(gòu)提供參考。

1 實 驗

1.1 煤樣的來源

煤樣取自淮北煤田桃園煤礦10號煤層1026工作面。桃園煤礦位于安徽省宿州市埇橋區(qū)北楊寨鄉(xiāng)。10煤層是該井田主要可采煤層之一,1026工作面煤厚2.6～3.9 m,平均厚度3.6 m,采樣地點的煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)。利用煤巖組分分析儀對煤樣的顯微組成進行了測定,測定結(jié)果見表1。

表1 煤樣的顯微組成分析

由表1可知,該煤樣的鏡質(zhì)組含量最高,其次為絲質(zhì)組,殼質(zhì)組含量較低。樣品中鏡煤、亮煤和暗煤所含主要顯微組分較高,能夠分別代表鏡質(zhì)組、鏡質(zhì)組+殼質(zhì)組和絲質(zhì)組的特征,所采集樣品煤巖組分滿足分析的基本要求。

1.2 煤樣的預(yù)處理

首先根據(jù)不同煤巖組分具有不同光澤和硬度的特征,使用小刀等工具對三種煤巖組分進行了手工分離;然后用搗藥罐對三種煤巖組分別破碎,再分別篩取60～80目之間的顆粒若干克;然后各稱取樣品1.5 g左右,分別裝入測量管,在105 ℃的脫氣裝置中脫水氣2 h至恒重,最后冷卻至常溫后備用。手工分選后的鏡煤、亮煤和暗煤顆粒鏡下特征如圖1。

圖1 鏡煤、亮煤和暗煤顆粒鏡下特征

鏡下觀察可知,鏡煤顆粒邊緣清晰,棱角分明;亮煤顆粒邊緣較清晰,棱角較分明,特征接近鏡煤;暗煤顆粒疏松,可見植物組織孔,絲狀結(jié)構(gòu),性脆易碎。

1.3 測試方法

儀器采用Gemini Ⅶ型全自動比表面積和孔隙分析儀,對煤的納米級孔隙結(jié)構(gòu)進行測試和分析,該儀器測量范圍為1.6～300 nm[14]。其測試分析原理為靜態(tài)容量法,在液氮溫度(-195 ℃)下,N2分子進入樣品孔隙中,依據(jù)氣體凝結(jié)和充填順序,N2分子先充填較小的孔隙,再依次充填較大的孔隙。當吸附和解吸達到動態(tài)平衡時,吸附孔徑和相對壓力之間的函數(shù)關(guān)系可以用開爾文方程表示。根據(jù)相對吸附壓力和對應(yīng)的吸附量,繪制出等溫吸附曲線,根據(jù)測試數(shù)據(jù)采用不同算法分別計算比表面積、孔容、平均孔徑和中值孔徑等相關(guān)參數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同煤巖成分的吸附-解吸曲線特征對比

分別對暗煤、亮煤和鏡煤成分進行了低溫氮吸附法測試,吸附-解吸曲線見圖2。

圖2 暗煤、亮煤和鏡煤成分的吸附-解吸曲線對比

從圖2可以看出,以絲質(zhì)組為主的暗煤吸附量最大(2.8 cm3/g STP),其次是鏡質(zhì)組+殼質(zhì)組為主的亮煤(1.6 cm3/g STP),而以鏡質(zhì)組為主的鏡煤吸附量最小(1.2 cm3/g STP)。從暗煤、亮煤和鏡煤的吸附-解吸曲線形態(tài)看,三者的形態(tài)差別不大,吸附和解吸曲線接近重合,說明絕大部分的納米級孔隙為一端開口、一端封閉型;曲線連續(xù)上升說明孔徑分布連續(xù),連通性較好;解吸曲線中不存在陡降點,說明該煤樣為原生結(jié)構(gòu)煤[15],這與1026工作面煤層構(gòu)造裂隙不發(fā)育的宏觀煤體結(jié)構(gòu)特征相吻合。

2.2 不同煤巖成分孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

煤的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)包括孔比表面積、孔容、平均孔徑和中值孔徑等,測試結(jié)果見表2。

表2 煤巖組分的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)值

從表2可以看出,以絲質(zhì)組占主要成分的暗煤比表面積和孔容最大,亮煤居中,鏡煤的比表面積和孔容最小;平均孔隙和中值孔徑方面,也是暗煤最大,亮煤和鏡煤的較小,并且后二者大小接近。分析認為,鏡煤富含鏡質(zhì)組分,尤其是富氫鏡質(zhì)組分,經(jīng)歷凝膠化作用過程中生成較多的液態(tài)烴和氣態(tài)烴充填于納米級孔隙,造成鏡煤孔隙體積和比表面積明顯小;而暗煤富含絲質(zhì)組,由于生成于泥炭表層,經(jīng)歷了一定程度的氧化,生成了絲質(zhì)組分,不具有生烴能力,因此保存了較多的原始植物組織孔[16]。亮煤以鏡質(zhì)組+殼質(zhì)組為主,比鏡煤的表面積大,說明殼質(zhì)組的孔隙表面積比鏡質(zhì)組大,但是比絲質(zhì)組的小。

2.3 不同煤巖成分的孔隙分布特征對比

從圖3可以看出,原生結(jié)構(gòu)氣煤的暗煤、亮煤和鏡煤的納米級孔隙體積都集中在中孔(100～1 000 nm)和過渡孔(10～100 nm)中,微孔(<10 nm)所占體積比例較小。暗煤的中孔和過渡孔體積又明顯高于亮煤和鏡煤;亮煤比鏡煤的各段孔容略大,后二者孔容主要集中在過渡孔和微孔。

圖3 暗煤、亮煤和鏡煤組分的孔容分布對比

從圖4可知,三種組分的比表面積主要集中在2.4～194.8 nm的孔徑范圍內(nèi),中孔、過渡孔和微孔對比表面積具有不同的貢獻,其中微孔對比表面積的貢獻最大,其次是過渡孔,中孔的貢獻最小;同時可以看出,暗煤的中孔和過渡孔比表面積明顯高于亮煤和鏡煤,亮煤比鏡煤的各段比表面積均較大。

圖4 暗煤、亮煤和鏡煤組分的孔比表面積分布對比

2.4 不同煤巖成分的孔隙分形特征對比

分形理論由Mandelbort在1975年提出,用以反映表面或孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度,分形維數(shù)計算方法如下:

Lg(V)=(3-DV)Lg(r)+a

(1)

Lg(S)=(2-DS)Lg(r)+b

(2)

其中:V為累計孔體積,cm3/g;S為累計比表面積,m2/g;DV為體積分維數(shù);DS為比表面積分維數(shù);r為孔隙半徑,nm;a和b為常數(shù)。

根據(jù)低溫氮等溫吸附實驗數(shù)據(jù),得到孔隙半徑與對應(yīng)累計體積及累計比表面積,并作出Lg(V)(≥r)和Lg(r)以及Lg(S)(r)和Lg(r)的散點圖,線性回歸后求出分形維數(shù)DV和DS。三種煤巖成分的孔隙體積分形和比表面積分形散點圖見圖5和圖6。

圖5 暗煤、亮煤和鏡煤組分的孔體積分形特征對比

圖6 暗煤、亮煤和鏡煤組分的孔比表面積分形特征對比

由圖5的回歸方程算出暗煤、亮煤和鏡煤孔隙體積分形維數(shù)分別為3.219 7、3.360 2和3.332 2,說明暗煤的孔隙體積分形特征相對簡單,而亮煤和鏡煤相對復(fù)雜一些。

根據(jù)圖6的回歸方程算出暗煤、亮煤和鏡煤孔隙比表面積分形維數(shù)分別為2.923 6、3.199 2和3.134 5,也說明暗煤的孔隙比表面積分形特征相對簡單,而亮煤和鏡煤相對復(fù)雜。

3 結(jié) 論

對于相同原生結(jié)構(gòu)氣煤而言,不同煤巖成分孔隙結(jié)構(gòu)具有以下特征差異:

(1)以絲質(zhì)組為主的暗煤吸附量最大(2.8 cm3/g STP),其次是鏡質(zhì)組+殼質(zhì)組為主的亮煤(1.6 cm3/g STP),而以鏡質(zhì)組為主的鏡煤吸附量最小(1.2 cm3/g STP)。

(2)以絲質(zhì)組為主的暗煤比表面積(1.01 m2/g)和孔容(0.004 4 cm3/g)最大,鏡煤的比表面積和孔容最小(分別為0.47 m2/g和0.001 9 cm3/g),亮煤居中(分別為0.80 m2/g和0.002 5 cm3/g);殼質(zhì)組的孔隙表面積比鏡質(zhì)組大,但是比絲質(zhì)組的小。

(3)暗煤的中孔和過渡孔體積及比表面積明顯高于亮煤和鏡煤;亮煤比鏡煤的各段孔容和比表面積略大;微孔對比面積的貢獻最大,其次是過渡孔,再次是中孔。

(4)暗煤、亮煤和鏡煤孔隙體積分形維數(shù)分別為3.219 7、3.360 2和3.332 2,比表面積分形維數(shù)分別為2.923 6、3.199 2和3.134 5,暗煤的孔隙體積和比表面積分形特征相對簡單,而亮煤和鏡煤相對復(fù)雜。