煤巖成分對煤孔隙結構發育特征的影響
——以桃園煤礦氣煤為例

李建樓

1.宿州學院資源與土木工程學院,安徽宿州,234000;2.安徽省煤礦勘探工程技術研究中心,安徽宿州,234000;3.國家煤礦水害防治工程技術研究中心,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。厘清煤的孔隙結構特征及發育機理,對認識煤儲層滲流特征和開發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測等也具有重要的意義[2]。由于我國中低變質程度煤占主體,煤中不同煤巖成分的物理性質差異明顯,對煤的孔隙結構發育特征具有不同的影響。

不同煤巖成分孔徑大小、比表面積、孔體積和孔隙形態類型差異較大。鏡質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]。絲質組是形成大孔、中孔的原始物質[5],且礦物質可以充填部分大、中孔隙,隨結構鏡質體含量增高以及絲質組和礦物質含量降低,微孔容增大[6],即鏡質組分具有更多的微孔,其含量與甲烷吸附量之間正相關[7],而絲質體、半絲質體含量增大時,其孔隙總體積相應增大。在相似煤級條件下,絲質組分的比表面積比鏡質組分更大[8]。絲質組的孔隙系統發育完整、連續,形態均勻,孔徑分布范圍廣,大孔和中孔發達;鏡質組孔隙形態復雜,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,大孔更發育,連通性更好;鏡煤的微孔更發育,多以半封閉型和墨水瓶型孔隙為主[10]。絲質組原生孔更發育,鏡質組后生孔和外生孔更發育;富鏡質組和富絲質組高階煤都具有復雜納米級孔隙結構,然而富絲質組高階煤孔隙形態更復雜[11]。殼質組的比表面積和孔體積的分形維數最小,鏡質組的分形維數最大[12]。

為了排除構造應力等因素干擾,實驗采集了淮北煤田桃園井田沒有受到構造運動影響的氣煤煤樣;由礦井地質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組為主,暗煤以絲質組為主,含量均在60%以上,殼質組含量較低[13]。采用低溫氮等溫吸附法測試不同煤巖成分的孔隙結構,可為精準了解煤的孔隙結構提供參考。

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北楊寨鄉。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,采樣地點的煤體結構為原生結構。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,該煤樣的鏡質組含量最高,其次為絲質組,殼質組含量較低。樣品中鏡煤、亮煤和暗煤所含主要顯微組分較高,能夠分別代表鏡質組、鏡質組+殼質組和絲質組的特征,所采集樣品煤巖組分滿足分析的基本要求。

1.2 煤樣的預處理

首先根據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,絲狀結構,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構進行測試和分析,該儀器測量范圍為1.6～300 nm[14]。其測試分析原理為靜態容量法,在液氮溫度(-195 ℃)下,N2分子進入樣品孔隙中,依據氣體凝結和充填順序,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平衡時,吸附孔徑和相對壓力之間的函數關系可以用開爾文方程表示。根據相對吸附壓力和對應的吸附量,繪制出等溫吸附曲線,根據測試數據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參數值。

2 結果與討論

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,以絲質組為主的暗煤吸附量最大(2.8 cm3/g STP),其次是鏡質組+殼質組為主的亮煤(1.6 cm3/g STP),而以鏡質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-解吸曲線形態看,三者的形態差別不大,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;曲線連續上升說明孔徑分布連續,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構煤[15],這與1026工作面煤層構造裂隙不發育的宏觀煤體結構特征相吻合。

2.2 不同煤巖成分孔隙結構參數對比

煤的孔隙結構參數包括孔比表面積、孔容、平均孔徑和中值孔徑等,測試結果見表2。

表2 煤巖組分的孔結構參數值

從表2可以看出,以絲質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,鏡煤富含鏡質組分,尤其是富氫鏡質組分,經歷凝膠化作用過程中生成較多的液態烴和氣態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;而暗煤富含絲質組,由于生成于泥炭表層,經歷了一定程度的氧化,生成了絲質組分,不具有生烴能力,因此保存了較多的原始植物組織孔[16]。亮煤以鏡質組+殼質組為主,比鏡煤的表面積大,說明殼質組的孔隙表面積比鏡質組大,但是比絲質組的小。

2.3 不同煤巖成分的孔隙分布特征對比

從圖3可以看出,原生結構氣煤的暗煤、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,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構復雜程度,分形維數計算方法如下:

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;DS為比表面積分維數;r為孔隙半徑,nm;a和b為常數。

根據低溫氮等溫吸附實驗數據,得到孔隙半徑與對應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雜一些。

根據圖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雜。

3 結 論

對于相同原生結構氣煤而言,不同煤巖成分孔隙結構具有以下特征差異:

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

(2)以絲質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);殼質組的孔隙表面積比鏡質組大,但是比絲質組的小。

(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分別為3.219 7、3.360 2和3.332 2,比表面積分形維數分別為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雜。