长平井田3号煤孔隙特征

ＰｏｒｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＮｏ．３ＣｏａｌｉｎＣｈａｎｇｐｉｎｇＭｉｎｅｆｉｅｌｄ
ＬＩＹａｏ
（ＳｈａｎｘｉＬａｎｙａｎＣｏａｌｂｅｄＭｅｔｈａｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎｃｈｅｎｇ ０４８０１２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏａｌｐｏｒｅｓｈａｖｅａｋｅｙｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅａｎｄｍｉｇｒａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｐｏｒｅｃｈａｒａｃ ｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＮｏ．３ｃｏａｌｉｎｔｈｅＣｈａｎｇｐｉｎｇＭｉｎｅｆｉｅｌｄａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ，ｔｈｅｌｏｗ－ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｐｏｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｏｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏ ｇｙｏｆｃｏａｌｗａｓｃｏｍｐｌｅｘａｎｄｄｉｖｅｒｓｅ，ａｎｄｔｈｅｐｏｒｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｎｄｐｏｒｅｖｏｌｕｍｅｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｉｆ ｆｅｒｅｎｔｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｃｏａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｃｏａｌｒｏｃｋｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｍｉｎｅｒａｌｃｏｎｔｅｎｔｉｎｃｏａｌ，ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ，ｃｏａｌｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｓｍ，ｃｏａｌｂｏｄｙｄａｍａｇｅｄｅｇｒｅｅａｎｄｏｔｈｅｒｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓ．Ａｍｏｎｇｍａｎｙｆａｃｔｏｒｓ，ｃｏａｌｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｓｍｈａｄｔｈｅｍｏｓｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｎｄｐｏｒｅｖｏｌｕｍｅｏｆｃｏａｌｐｏｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｃｏａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｏａｌｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｓｍ ｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅｐｏｒｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｏｆｃｏａｌｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｐｏｒｅｖｏｌｕｍｅｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅｐｏｒｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｎｄｐｏｒｅｖｏｌｕｍｅｏｆｃｏａｌｇｅｎｅｒａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｏａｌｆａｉｌｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅｐｏｒｅｓｉｎｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃｃｏａｌ ａｒｅｍａｉｎｌｙｉｎｋ－ｂｏｔｔｌｅｈｏｌｅ，ｓｌｉｔａｔｂｏｔｈｅｎｄｓ，ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｈｏｌｅａｎｄｆｌａｔｈｏｌｅａｔｏｎｅｅｎｄ．Ｔｈｅｐｏｒｅｓａｒｅｍａｉｎｌｙｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ，ａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏ ｐｏｒｅｓａｎｄｍａｃｒｏｐｏｒｅｓａｒｅｎｏｔｗｅｌｌｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｏｐｅｎｐｏｒｅｓ（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｏｒｅｓ）ｉｎｔｈｅｃｏａｌａｒｅｇｅｎｅｒａｌｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒ ｆａｃｅａｒｅａａｎｄｐｏｒｅｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｃｏａｌｐｏｒｅｓａｒｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗ，ｗｈｉｃｈｉｓｎｏｔｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｔｈｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅａｎｄｔｈｅｅｆｆｉ ｃｉｅｎｔｓｅｅｐａｇｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｈａｎｇｐｉｎｇＭｉｎｅｆｉｅｌｄ；Ｎｏ．３ｃｏａｌｓｅａｍ；ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｐｏｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌ
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
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
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２０２１年 ７月 李 瑶：长平井田 ３号煤孔隙特征 第 ３０卷第 ７期
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。
试验研究
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２７９８．２０２１．０７．００１
长平井田 ３号煤孔隙特征
总第 ２６３期
李 瑶
（山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司，山西 晋城 ０４８０１２）
摘 要：煤孔隙对煤层气赋存及运移具有关键控制作用，为了探究长平井田 ３号煤孔隙特征，为煤层气开 发提供理论支撑，采用低温液氮吸附法对煤孔隙特征进行了研究。结果表明：受煤自身属性，煤岩组分、煤 中矿物质含量、构造应力、煤变质、煤体破坏程度等地质要素的影响，煤孔隙形态复杂多样，样品间的孔径、 孔比表面积及孔容存在显著分异。在众多影响要素中，煤变质作用对煤孔隙特征参数比表面积和孔容影 响更为显著，煤体结构影响次之，煤变质程度升高，煤的孔比表面积随之增大，孔容减少。煤的孔比表面积 和孔容总体随煤体破坏强度增加而呈增大趋势；煤变质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；孔隙基本为介孔，微孔和大孔不甚发育，煤中开放型孔（有效孔）发育一 般，煤孔比表面积和孔容相对偏低，不利于煤层气储集和高效渗流产出。 关键词：长平井田；３号煤层；低温液氮吸附法；煤孔隙特征 中图分类号：Ｐ６１８．１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５?２７９８（２０２１）０７?０００１?０５
利用 ＡＳＡＰ２０２０Ｍ全自动比表面积与孔隙度分 析仪对长平井田 ３号煤孔隙进行实验测定。该仪器 由美国麦克仪器公司生产，具有自动化程度高、精度 高和测定范围广等特点。孔径测定范围宽，可实现
°
３．５～５０００Ａ（０．３５～５００ｎｍ）孔径；分辨率较高，微孔
°
区段分辨率为 ０．２Ａ（２ｎｍ）；比表面积测定范围宽， 测定范围为 ０．０００５ｍ２／ｇ至无上限；孔容测定精度 高，最小检测孔容 为 ０．０００１ｃｃ／ｇ（０．０００１ｃｍ３／ｇ）。 ２．３ 实验基本流程
收稿日期：２０２１?０３?２９ 基金项目：国家科技重大专项（２０１６ＺＸ０５０６７）；山西省科技重大专项（２０１９１１０２００１） 作者简介：李 瑶（１９９０－），女，山西晋城人，助理工程师，从事煤层气勘探开发方面的工作。
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２０２１年 ７月 李 瑶：长平井田 ３号煤孔隙特征 第 ３０卷第 ７期
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
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 ２０００ｍ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
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／Ｔ６１５４－１９９５）。 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
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］。
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（０．３５～５００ｎｍ）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 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
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 １２５ｍ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。
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