榆神府礦區(qū)富油煤多尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征

申艷軍，王 旭，趙春虎，王生全，郭 晨，師慶民，馬 文

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

現(xiàn)階段，我國(guó)能源的典型稟賦特點(diǎn)為“貧油，少氣，相對(duì)富煤”[1]。2019 年，石油對(duì)外依存度已達(dá)72.5%，天然氣對(duì)外依存度也達(dá)到45.2%[2]。立足于國(guó)家能源主體戰(zhàn)略安全布局，多元渠道發(fā)展補(bǔ)充油氣能源開(kāi)發(fā)，是保障國(guó)家能源自主安全的重要措施。煤田地質(zhì)學(xué)中將焦油產(chǎn)率大于7%的煤定義為富油煤[3]，通過(guò)低溫干餾熱解方式開(kāi)展“提油煉氣”，是彌補(bǔ)我國(guó)油氣供給不足的重要措施[4]。陜西富油煤煤炭資源探明儲(chǔ)量已達(dá)到1 500 多億t，焦油平均產(chǎn)率高達(dá)11.57%，開(kāi)發(fā)潛力巨大[5]。有學(xué)者認(rèn)為，若榆林富油煤焦油產(chǎn)率能達(dá)到10%，可“再造一個(gè)大慶油田”[6]。就榆神府礦區(qū)而言，富油煤儲(chǔ)量占到省內(nèi)煤炭資源總量的32%，且低溫焦油產(chǎn)率達(dá)11%，足見(jiàn)其資源豐富、品質(zhì)優(yōu)良。

全面掌握油分賦存形式及狀態(tài)是開(kāi)展富油煤“提油煉氣”的基礎(chǔ)性工作，相關(guān)學(xué)者對(duì)于油分在煤體中的賦存形式已有一定研究，如：J.L.Clayton 等[7]提出煤炭是一種特殊的石油儲(chǔ)層，油分主要以化合物形式鑲嵌或吸附在煤基質(zhì)上，以一種低分子的形式存在，但在特定油藏條件下，油分會(huì)以氣態(tài)附著于煤炭上，可以通過(guò)加熱施壓從煤炭孔隙中驅(qū)逐出油分，或通過(guò)煤分子的斷裂產(chǎn)生煤焦油。富油煤以煤分子的斷裂生油為主，其孔隙分布和孔隙形態(tài)是影響熱解過(guò)程中焦油析出，以及熱傳導(dǎo)和反應(yīng)活性的主要因素[8-9]。總體而言，無(wú)論驅(qū)逐煤中的低分子化合物還是煤熱解生油，孔隙均是一個(gè)重要的運(yùn)移通道。可見(jiàn)，圍繞富油煤孔隙發(fā)育特征開(kāi)展專項(xiàng)研究，是進(jìn)一步探明油分產(chǎn)生、運(yùn)移的基礎(chǔ)性工作。目前，煤樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的主要分析方法包括：液氮吸附法、壓汞法和核磁共振法，諸多學(xué)者利用上述方法對(duì)不同地區(qū)、不同變質(zhì)程度煤的孔隙特征展開(kāi)了大量研究工作，并取得了較為一致的認(rèn)識(shí)[10-14]。煤層滲透率與其孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是反映其滲流能力與孔隙連通性的關(guān)鍵指標(biāo)，不同煤階煤的滲透特性存在差異變化[15]，且煤樣滲透率與含水率具有一定的相關(guān)性[16]。

以上研究對(duì)于全面認(rèn)知煤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征提供了重要參考。富油煤作為近年來(lái)煤炭清潔利用的一個(gè)方向，但圍繞陜北富油煤孔隙發(fā)育特征開(kāi)展專項(xiàng)研究較少，對(duì)于其孔隙發(fā)育狀態(tài)認(rèn)知尚不全面。筆者以榆神府礦區(qū)張家峁煤礦富油煤為研究對(duì)象，綜合采用低溫液氮法、壓汞法、核磁共振法等多種測(cè)試手段，系統(tǒng)分析研究該地區(qū)富油煤全段孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征；并通過(guò)氣滲透法分析富油煤孔隙滲透能力，為我國(guó)榆神府礦區(qū)富油煤開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

1 樣品采集與測(cè)試方法

富油煤樣品采自陜北榆神府礦區(qū)張家峁煤礦5-2煤層回采工作面，煤巖類型以暗淡型煤為主，含少量半亮型煤。一部分樣品制備成?25 mm×(30～50) mm、?20 mm×10 mm 柱狀樣，一部分樣品研磨至60～80 目(0.18～0.25 mm)用于低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，一部分破碎后過(guò)80 目篩(0.18 mm)用于煤質(zhì)分析。孔徑劃分采用B.B.霍多特(1996)劃分法，即微孔(<10 nm)、小孔(10～100 nm)、中孔(100～1 000 nm)、大孔(>1 000 nm)。富油煤工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品工業(yè)分析及元素分析結(jié)果Table 1 Proximate analysis and element analysis of tar-rich coal samples

從表1 可以看出，張家峁煤礦富油煤的揮發(fā)分產(chǎn)率為35.61%，為中高揮發(fā)分煤，而揮發(fā)分產(chǎn)率通常與焦油產(chǎn)率成正相關(guān)關(guān)系，表明其焦油產(chǎn)率較高；灰分較低，表明富油煤燃燒性能較好。

不同測(cè)試方法對(duì)孔徑尺度的識(shí)別范圍存在差異，為了全面分析富油煤樣品多尺度復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)特征，本次采用以下測(cè)試手段。①低溫液氮吸附法：主要通過(guò)氮?dú)獾拿?xì)凝聚現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)煤孔徑分布以及孔隙形態(tài)的表征[17]。由于氮?dú)庠诳讖捷^大的孔隙內(nèi)無(wú)法發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，導(dǎo)致低溫液氮吸附法無(wú)法測(cè)量孔徑較大的孔隙。因此，低溫液氮吸附法適宜于測(cè)量孔徑為幾納米至幾百納米的微小孔隙[18]。② 壓汞法：通過(guò)測(cè)定煤中壓入汞的體積，獲得煤樣孔徑分布、滲透性等信息[19]。但汞液進(jìn)入微小孔隙，需要較大的進(jìn)汞壓力，可能會(huì)使孔結(jié)構(gòu)變形或破壞，產(chǎn)生不可逆的變化[20]，故壓汞法一般可測(cè)量幾十納米至幾百微米的孔隙，用于研究中孔、大孔等孔隙特征[21-22]。③核磁共振法：依據(jù)橫向弛豫時(shí)間T2分析煤樣孔隙特征[23]，可以表征納米級(jí)—微米級(jí)的孔隙，是一種無(wú)損分析煤孔徑分布的便捷手段[24]。在樣品孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用壓汞法、液氮吸附法計(jì)算煤樣表面弛豫率[25]。

氣測(cè)滲透法是以氣體為流體測(cè)量煤樣滲透率的有效方法，可有效避免孔隙結(jié)構(gòu)破壞，還能測(cè)量低滲透煤的滲透率，適用范圍較廣。因此，氣滲透法常被用于測(cè)量煤樣滲透率[26]，本文利用氣測(cè)滲透法分析富油煤滲透率及孔隙連通性。

2 結(jié)果

2.1 低溫液氮吸附法

低溫液氮吸附法測(cè)試結(jié)果顯示：榆神府礦區(qū)富油煤的液氮吸附平均孔徑為5.34 nm，孔徑較小，即該區(qū)域富油煤微孔較為發(fā)育；富油煤BET 比表面積較高，為27.48 m2/g，反映其吸附能力較強(qiáng)。

煤的吸/脫附曲線是利用氮?dú)庠谀叟c蒸發(fā)時(shí)，產(chǎn)生不同相對(duì)壓力，反映孔隙發(fā)育形態(tài)[11]。由圖1可以看出，榆神府張家峁煤礦富油煤吸附曲線存在陡峭且狹小的滯回環(huán)，表明煤樣存在兩端開(kāi)口孔隙，但以一端封閉的不透氣性圓筒孔為主；在相對(duì)壓力較高處和較低處，吸/脫附曲線接近重合，反映該段孔隙為一端封閉的不透氣性孔[27]；在相對(duì)壓力為0.5時(shí)，吸/脫附曲線存在輕微凸起，表明樣品孔隙結(jié)構(gòu)存在墨水瓶狀孔及少量開(kāi)放性孔。

圖1 榆神府張家峁煤礦富油煤液氮等溫吸/脫附曲線Fig.1 Low-temperature nitrogen adsorption(desorption)curves of tar-rich coal

根據(jù)Kelvin 公式[12]：

式中：r為孔隙半徑；p/p0是液氮吸附相對(duì)壓力。函數(shù)lg 后面參數(shù)取數(shù)值，文中其他函數(shù)中表示意義相同。

在相對(duì)壓力為0.5 時(shí)，對(duì)應(yīng)孔直徑約為4 nm，可得到其孔隙形狀主要存在2 種形式：孔徑r<4 nm的孔，主要以一端開(kāi)口的圓筒孔為主；r≥4 nm 的孔，則包含墨水瓶孔和兩端開(kāi)口的圓筒孔。此外，在曲線的底端存在一定的吸附量，其主要為填充微孔所致，表明其微孔較為發(fā)育。從圖1 可以看出，富油煤樣品液氮吸附量能達(dá)到40～50 cm3/g，較高的吸附量也表明其微小孔隙發(fā)育較好。

孔容分布反映孔隙的吸附和儲(chǔ)集能力，從圖2可以看出：液氮吸附法可以測(cè)出煤樣中2～120 nm 的孔隙分布，只適合表征微小孔隙特征，富油煤樣品孔徑多小于100 nm，其中0～10 nm 區(qū)間占據(jù)富油煤整體孔徑分布的77.9%，即微孔發(fā)育較好。另外，富油煤樣品微小孔徑分布為單一峰型，在4 nm 處出現(xiàn)孔容峰值。圖2 中由dV/dD可以看出，微孔較為發(fā)育，且大部分孔隙落在微孔區(qū)域。其中，孔徑為1～4 nm 的微孔提供了較大的孔容，其孔容占據(jù)了總孔容的86.7%。而小孔的孔容占比僅不到10%。據(jù)前文可知，孔徑小于4 nm 的孔隙主要為一端開(kāi)口的圓筒孔，而在孔徑r≥4 nm 的孔隙中，則存在墨水瓶孔隙、兩端開(kāi)口孔隙等多種孔隙，而相較于墨水瓶孔隙，圓筒孔能夠提供更大的孔容。

圖2 液氮吸附法計(jì)算的富油煤孔徑分布Fig.2 Pore size distribution of tar-rich coal samples using low-temperature nitrogen adsorption

2.2 壓汞法

壓汞法是通過(guò)非潤(rùn)濕性的汞液，在外力作用下進(jìn)入較小孔隙，進(jìn)而測(cè)量孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，孔喉半徑r與進(jìn)汞壓力p、汞在顆粒表面接觸角α和表面張力σ間滿足Washburn 方程[28]。

由式(2)可知，當(dāng)汞液經(jīng)由細(xì)小喉道進(jìn)入到大孔隙時(shí)，壓力會(huì)降低而發(fā)生跳躍，壓力跳躍得到的進(jìn)汞增量對(duì)應(yīng)孔隙體積，從而可獲得孔喉半徑、孔隙分布等煤巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)[29-30]。

從圖3 可看出，①壓汞法可以測(cè)量出富油煤中r≥10 nm 的孔隙，但無(wú)法探測(cè)微孔分布。② 樣品中孔徑分布為典型的雙峰型，第一個(gè)峰的孔徑分布范圍為10～700 nm；第二個(gè)峰的孔徑分布范圍則為30 000～70 000 nm，且第二個(gè)峰的孔隙相對(duì)發(fā)育不足。③孔隙以小孔為主，其占總孔隙的60.4%；其次為大孔，占比24.3%；中孔占比最小，僅占15.3%。④ 從孔徑滲透率貢獻(xiàn)曲線可得到，富油煤樣品的滲透性能主要由大孔、裂隙決定，而小孔、中孔因其孔徑較小，易造成滲流瓶頸，導(dǎo)致其無(wú)法滲透。

圖3 壓汞法計(jì)算煤樣的孔徑分布Fig.3 Pore size distribution of tar-rich coal samples using mercury intrusion porosimetry

煤樣汞飽和度曲線在一定程度上可反映其孔隙連通性、孔隙形態(tài)等特征，張家峁礦區(qū)富油煤煤樣汞飽和曲線如圖4 所示。

從圖4 可以看出：①在不同壓力下，進(jìn)汞曲線和退汞曲線有明顯的差異，進(jìn)汞曲線和退汞曲線間均有明顯的分離，表明孔隙存在兩端開(kāi)口孔隙；② 在低毛管壓力時(shí)，進(jìn)汞量已達(dá)到50%～60%，但退汞效率較低，僅為25%～30%，可見(jiàn)富油煤大孔滲流性、連通性較好，在較低進(jìn)汞壓力時(shí)，汞液能快速進(jìn)去填充孔隙；③在進(jìn)汞壓力較大時(shí)，進(jìn)汞量增長(zhǎng)緩慢，進(jìn)汞曲線與退汞曲線接近重合，表明孔徑較小的孔隙多為墨水瓶狀孔隙，且其孔隙連通性較差。

2.3 核磁共振法

核磁共振實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚨勘碚鲀?chǔ)層完整孔喉分布，其主要是通過(guò)獲取煤樣孔隙中流體氫核核磁共振弛豫信號(hào)的弛豫速率與強(qiáng)度，得到煤樣孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙大小等參數(shù)。核磁共振T2譜分布可反映煤樣的孔隙分布，其T2峰面積反映孔隙體積，T2峰與峰孤立性反映孔隙連通性[31]。劉彥飛等[32]研究發(fā)現(xiàn)：T2<10 ms 對(duì)應(yīng)煤樣的微小孔隙；10 ms≤T2≤100 ms對(duì)應(yīng)煤樣的中孔隙；T2＞100 ms 對(duì)應(yīng)煤樣的中大孔和微裂隙。

從圖5 可以看出，富油煤T2譜峰為3 峰型。其中，T2最高峰出現(xiàn)在0.1～1.0 ms，表明微小孔發(fā)育最好，但此峰與中孔峰的峰谷較為明顯，比較孤立，表明其微小孔隙與中孔間的連通性相對(duì)較差；其次，中孔峰與大孔峰間的峰谷較小，弛豫時(shí)間跨度較大，表明大中孔及裂隙間的連通性好，再次印證了壓汞、液氮吸附測(cè)試結(jié)果，即微小孔隙發(fā)育良好，為吸附孔隙；大中滲流孔隙發(fā)育相對(duì)不足。

圖5 富油煤T2 弛豫時(shí)間譜Fig.5 T2 relaxation time spectra of tar-rich coal

為了準(zhǔn)確分析富油煤孔徑分布，針對(duì)柱狀孔隙及球狀孔隙的換算，T2弛豫時(shí)間與樣品孔徑的關(guān)系如下式：

式中：ρ2為表面弛豫率；FS為幾何形狀因子，當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)為柱狀模型時(shí)FS=2，球狀模型時(shí)FS=3；rc為煤樣孔徑，m。

表面弛豫率通常不能直接計(jì)算，一般通過(guò)低溫液氮吸附法間接計(jì)算得到[24]，其計(jì)算公式為：

式中：S為樣品孔隙比表面積；V為樣品孔隙體積。

根據(jù)液氮吸附結(jié)果得到：樣品孔隙比表面積S為82.256 3 m2/g，樣品孔隙體積V為0.090 2 cm3/g，從而計(jì)算富油煤表面弛豫率ρ2為1.68×10–9m/ms。

液氮吸附結(jié)果表明，富油煤煤樣孔隙為圓筒狀，故本文取FS=2。通過(guò)式(3)將煤樣弛豫時(shí)間T2進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將不同孔徑所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 核磁共振轉(zhuǎn)換孔徑分布Fig.6 Pore size distribution of nuclear magnetic resonance

從圖6 可以看出，第1 峰型孔徑范圍為0.2～16.5 nm，其峰值出現(xiàn)在2 nm 附近，即為微孔孔隙，占總孔隙的70%以上；第2 峰型孔徑范圍為16.5～715.2 nm，其峰值出現(xiàn)在70 nm 附近，主要為小孔孔隙，含部分中孔孔隙，占總孔隙的25%～30%；第3 峰型孔徑分布為800～1 200 nm，為大孔，但占比最小，不到總孔隙的5%。由此可知，研究區(qū)富油煤的孔徑占比由大到小依次為：微孔、小孔、中孔、大孔。

2.4 氣滲透法

煤中流體滲流特性及運(yùn)移規(guī)律與煤體本身的結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)等有關(guān)，也反映煤樣孔隙連通性。本文采用氣體滲透研究富油煤滲透率以及孔隙連通性。為了消除煤樣變形的影響，本次設(shè)置圍壓比進(jìn)口壓力大1 MPa，出口端為大氣壓，保持有效應(yīng)力不變的情況下測(cè)試 5 個(gè)壓力點(diǎn)的滲透率值，根據(jù)Klinkenberg 滑脫效應(yīng)原理，通過(guò)線性擬合取截距的方法獲得煤樣的絕對(duì)滲透率。依據(jù)達(dá)西定律，可計(jì)算煤巖滲透率，滲透率的計(jì)算公式[33]為：式中：k為滲透率，10–3μm2；p0為大氣壓，近似取值為0.101 325 MPa；μ為氣體黏度，mPa·s；Q為氣體流速，cm3/s；L為長(zhǎng)度，cm；A為煤樣橫截面積，cm2；p1、p2分別為進(jìn)出口壓力，出口壓力取0.1 MPa。

從圖7 可以看出，R2達(dá)到0.9 以上，擬合關(guān)系良好，煤樣滲透率在低壓下較高，而在高壓下反而較低。其原因?yàn)榈蛪合禄撔?yīng)加劇[34]，絕對(duì)滲透率正是消除滑脫效應(yīng)影響求得的滲透率(壓力無(wú)窮大)。從擬合方程可以得到富油煤絕對(duì)滲透率均無(wú)較大差異，為0.134 5 ×10-3μm2。受煤樣孔隙結(jié)構(gòu)影響，其滲透性較差，滲流孔的含量將影響其滲透性能[35]。富油煤微小孔隙較為發(fā)育，大中孔隙發(fā)育相對(duì)不足，而據(jù)壓汞測(cè)試數(shù)據(jù)可知，大孔、中孔提供主要的滲流通道。

圖7 富油煤滲透率與壓力的關(guān)系Fig.7 The relationship between permeability and pressure of tar-rich coal samples

3 討論與分析

3.1 不同測(cè)試方法對(duì)富油煤孔隙發(fā)育特征聯(lián)合表征

富油煤孔徑分布從幾納米至幾百微米，甚至能延展至毫米級(jí)[36-37]，其內(nèi)部存在微孔、中孔、大孔多種尺度。目前，難以通過(guò)單一手段表征煤樣全段孔隙，需要結(jié)合多種手段進(jìn)行表征[38]。液氮吸附法可測(cè)出孔徑為1～120 nm 范圍內(nèi)的微小孔隙，壓汞法可表征孔徑為10 nm～63 μm 的大中孔隙。通過(guò)低溫液氮吸附法結(jié)合壓汞法則可測(cè)量出孔徑為 1 nm～63 μm 的孔隙分布情況，完成從納米級(jí)至微米級(jí)孔隙的測(cè)量。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于微孔極為發(fā)育的煤，壓汞法會(huì)導(dǎo)致部分大孔與裂隙增大，而核磁共振法可用于校正壓汞測(cè)量結(jié)果[10]。故本文通過(guò)低溫液氮吸附法結(jié)合壓汞法表征富油煤煤樣全段孔隙，并利用核磁共振結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。利用低溫液氮吸附法、壓汞法測(cè)量結(jié)果中小孔的重疊部分，重新計(jì)算各段孔隙的頻率值，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 富油煤全段孔徑分布對(duì)比Fig.8 Comparison of pore size distribution of tar-rich coal samples

從圖8 可看出：①液氮吸附–壓汞聯(lián)合表征結(jié)果可表征1 nm～100 μm 的孔隙，可實(shí)現(xiàn)從納米級(jí)至微米級(jí)的孔隙表征；② 張家峁煤礦富油煤孔隙分布為典型的3 峰型，孔隙主要以微孔為主，其次為小孔，中孔、大孔相對(duì)發(fā)育不足；③液氮吸附–壓汞聯(lián)合表征結(jié)果與核磁共振測(cè)試結(jié)果孔徑分布變化趨勢(shì)具有較好的一致性，可見(jiàn)液氮吸附–壓汞聯(lián)合表可較好地表征煤樣全段孔隙。但兩種測(cè)試結(jié)果在孔隙分布上有所差異。①液氮吸附–壓汞聯(lián)合表征結(jié)果與核磁共振測(cè)試結(jié)果在微孔的峰值孔徑有所不同，液氮吸附–壓汞聯(lián)合表征結(jié)果的峰值出現(xiàn)在4 nm 附近，而核磁共振結(jié)果在1 nm 附近。其原因?yàn)橐旱椒o(wú)法測(cè)量孔徑小于1 nm 的孔隙，從而導(dǎo)致低溫液氮吸附微孔峰值孔徑大于1 nm。② 液氮吸附–壓汞聯(lián)合表征結(jié)果中，大孔最大孔徑為63 μm，而核磁共振測(cè)試結(jié)果僅為1 300 nm。其原因?yàn)楦挥兔何⑿】紫稑O為發(fā)育，而在通過(guò)壓汞法測(cè)量其孔隙分布時(shí)，高壓會(huì)導(dǎo)致部分大孔與裂隙增大。

3.2 榆神府礦區(qū)富油煤孔隙特征與傳統(tǒng)低階煤樣差異性討論

榆神府張家峁礦區(qū)富油煤具有微小孔隙極為發(fā)育，中孔、大孔發(fā)育不足的典型特點(diǎn)。為了全面認(rèn)知榆神府礦區(qū)富油煤孔隙特征，本文通過(guò)對(duì)比其與常規(guī)低階煤樣孔隙特征差異，從而明確富油煤孔隙發(fā)育特點(diǎn)。如圖9 所示，通過(guò)低階煤孔隙發(fā)育特征整理發(fā)現(xiàn)，常規(guī)低階煤樣孔徑分布類型主要有兩類：①微孔極為發(fā)育，其他孔徑孔隙發(fā)育較為均勻；② 孔隙以中孔及大孔為主，其次為小孔，微孔最少。

圖9 低階煤全孔徑段孔隙的2 種典型孔徑分布特征[14,39]Fig.9 Two typical pore size distribution characteristics of Full aperture section in low rank coal[14,39]

榆神府張家峁礦區(qū)富油煤微小孔發(fā)育極好，平均孔徑僅為 5.46 nm，而 BET 比表面積卻達(dá)到27.48 m2/g，其液氮吸附量更是高達(dá)40～50 cm3/g，具有較強(qiáng)的吸附能力；而常規(guī)低階煤的平均孔徑為10 nm 以上，其BET 比表面積普遍為0.20～17.61 m2/g，煤樣氮吸附量大多均在10 cm3/g 以下[39-41]。由此可見(jiàn)，榆神府張家峁礦區(qū)富油煤孔隙分布特征屬于第一類低階煤孔徑分布典型特征(圖9)：首先，煤微孔主要集中于1～10 nm，且微孔體積占比較大；其次，富油煤的小孔、中孔孔隙較傳統(tǒng)低階煤發(fā)育更好，微小孔隙通常是決定氣體吸附和儲(chǔ)存的主要因素[42]；此外，富油煤的孔徑分布存在明顯的3 個(gè)峰，而傳統(tǒng)低階煤則為不顯著的多峰型。

從圖10 可以看出，煤樣熱解，最先從微孔開(kāi)始。而富油煤目前主要是依靠熱解生油，其擁有極為發(fā)育的微小孔隙，對(duì)于利用其熱解生油提供了便捷條件[43]。此外，比表面積則能影響其煤焦的反應(yīng)活性[44]，富油煤較大的比表面積為其熱解提油提供了有利條件。

圖10 常規(guī)熱解過(guò)程中不同孔徑孔隙比表面積隨溫度的變化曲線[43]Fig.10 The variation curves of pore specific surface area with temperature during conventional pyrolysis[43]

4 結(jié)論

a.榆神府張家峁富油煤樣孔隙分布特征屬于低階煤典型孔隙分布特征中的一類，以微小孔極為發(fā)育，中孔、大孔等孔隙相對(duì)缺乏；其次，富油煤微小孔隙為吸附孔隙，提供較大的比表面積，使其具有較強(qiáng)的吸附能力；而大中孔隙主要為滲流孔隙，占比相對(duì)較少，其絕對(duì)滲透率僅為0.134 5×10–3μm2，滲透能力相對(duì)弱。

b.低溫液氮吸附法可以測(cè)量出富油煤 1～120 nm 的孔徑分布及孔隙形態(tài)，適合于表征微小孔隙；壓汞法測(cè)量出的孔徑分布為10～70 000 nm，可以較好地表征中孔、大孔；而核磁共振法可測(cè)量煤樣全段孔隙，能較為準(zhǔn)確地觀測(cè)煤樣孔徑分布，但需要結(jié)合其他測(cè)試方法。通過(guò)核磁共振結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合低溫液氮吸附法與壓汞法能夠?qū)崿F(xiàn)從納米至微米孔隙的煤樣全段孔隙表征。

c.與傳統(tǒng)低階煤相比，榆神府礦區(qū)張家峁煤礦富油煤的比表面積和氮?dú)馕搅烤^大；富油煤微孔、小孔、中孔等孔隙發(fā)育較好，大孔發(fā)育相對(duì)不足；富油煤孔徑分布為典型的三峰型，而傳統(tǒng)煤樣為不顯著的多峰型。富油煤上述特征為煤層氣(油)吸附提供了基礎(chǔ)條件，增強(qiáng)了煤焦的反應(yīng)活性，加快了富油煤提油煉氣進(jìn)程。

致謝：西安科技大學(xué)王雙明院士、張蕾副教授在方案設(shè)計(jì)中提出了諸多建設(shè)性意見(jiàn)，在此表示感謝！