《煤层气地质学》实验指导书

《煤层气地质学》实验指导书

课程建设组

资源与地球科学学院

2006年10月

目录

实验一煤层宏观特征的识别 (1)

实验二压汞实验 (3)

实验三等温吸附实验 (5)

实验四煤层气解吸实验 (9)

实验一煤层宏观特征的识别

一、实验目的

掌握腐殖煤中、低变质程度烟煤的宏观物理特征；掌握腐殖煤硬煤的四种宏观煤岩成分和四种宏观煤岩类型的特征和鉴别方法；掌握腐殖煤硬煤光泽岩石类型的划分标志及鉴别方法；了解硬煤宏观结构、构造特点。

二、实验内容

（一）腐殖煤硬煤宏观煤岩成分

腐殖煤硬煤的四种煤的岩石类型(Lithotype)也可以叫做煤的拼分(ingredints)，在国内习惯上称为宏观煤岩成分，是用肉眼可以区分出来的煤岩条带，是组成煤的基本单位，包括镜煤(vitrain)、丝炭(fusain)、亮煤(clarain)和暗煤(durain)，Stopes对四种宏观煤岩成分的原始描述如下：

镜煤：粘着、光滑和均一的整体，具光泽，甚至可以是呈玻璃状的物质。

亮煤：在与层理面垂直的断面上，具有一定轮廓的平滑表面，这些表面具有明显的光泽或闪亮可以辨认出是呈原生条带状。

暗煤：坚硬致密，肉眼下表现为颗粒状结构，无真正平滑的断口，总是呈现为暗淡无光泽的凹凸不平的表面。

丝炭：主要呈碎片或楔形物产出，由易破碎成粉末、易剥离且有纤维状的束缕状物组成。

除上述四种成分外，曾有人提出过暗亮煤(duroclarain)和亮暗煤(clarodurain)的术语(如Cady，1942)，用以描述介于亮煤和暗煤之间的煤岩类型，前者接近与亮煤，后者接近与暗煤。

划分煤岩成分时应注意下列事项：

1只有条带厚度大于3～5mm时，才能单独构成一个煤岩成分，小于这个厚度则应与相邻的条带归为一个煤岩成分。

2肉眼条件下划分煤岩成分与显微镜下所鉴定的显微煤岩类型之间具有一定的联系，但没有完全必然的联系，一般说来，单元组分的煤岩成分（镜煤和丝炭）可以对应与相应的显微煤岩类型（微镜煤和微惰煤），但复组分的煤岩成分（亮煤和暗煤）却往往由一个以上的不同的显微煤岩类型构成。

（二）腐殖型硬煤光泽岩石类型

在实际工作中，采用Stopes-Heerlen系统中的四种煤岩成分来作宏观描述时，由于Stopes四种煤岩成分的单层往往太薄，通常只有几个毫米厚，那么严格用Stopes术语所做的描述会极为详细，对煤层，特别是厚煤层进行宏观描述时不大可能划分得如此详细。鉴于上述原因，在实际工作中就产生了更大级别的宏观划分方法。苏联煤岩工作者按“平均光泽”划分出光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤四种类型，叫做“煤的光泽岩石类型”或“宏观煤岩类型”，该宏观描述术语系统在国内至今仍在广泛使用（表1-1）。

表1-1硬煤的宏观煤岩类型（光泽岩石类型）

煤岩类型+亮煤含量

光亮型煤、亮煤

半亮型煤、亮、暗煤，夹丝炭

半暗型煤，有亮煤

暗淡型煤

划分宏观煤岩类型（光泽岩石类型）时应注意下列事项：

1只有煤级和成因类型相同的煤才能进行平均光泽强度的比较，仅仅比较光泽的相对强度，不涉及到具体的光泽特征。

2划分依据：①不同煤条带的平均光泽强度；②宏观煤岩成分的相对含量，显微组分是微观特征，仅作为一种辅助标志。

3以光泽强度最强的镜煤条带作为比较平均光泽强度的标准。

4划分光泽岩石类型的最小分层厚度是3～10厘米，视具体的研究目的而定。

5每一光泽岩石类型还可以根据结构、构造等特征进一步细分。

（三）煤的结构和构造

1、煤的结构(texture)

煤的结构是指煤的组成成分的各种特征，包括形态、厚度、大小、植物组织残迹以及它们之间的数量关系变化等，依据观察方法的不同，可分为宏观结构和显微结构；依据成因又可分为原生结构（泥炭化时期形成的）和次生结构（煤化作用期间在构造运动等外力下形成的）两类。

宏观的原生结构常见的有：条带状结构、线理状结构、透镜状结构、均一状结构、粒状结构、致密状结构、叶片状结构、木质结构、纤维结构等。

煤的结构往往不是单一的，常见的几种结构同时存在，如细条带～线理状结构、透镜状～线理状结构。

构造煤中可以见到各种次生的宏观结构，如碎裂结构（煤被密集的次生裂隙相互交切成碎块，但碎块之间基本没有位移）、碎粒结构（主要粒径>1mm，大部分煤粒由于相互间摩擦已失去棱角）、糜棱结构（煤已成较细的粉末，主要粒径<1mm，有时被重新压紧）。

2、煤的构造(structure)

煤的构造是指煤的组成成分在空间的排列和分布特点以及它们之间的相互产出关系，它们与煤的组成成分的自身特点无关，而与泥炭的堆积环境和煤化程度有关，煤的构造同样也可分为宏观和微观，以及原生和次生大类。

煤的原生宏观构造包括层状和块状两种，层状构造反映成煤沼泽中水流的活动状态，而块状构造则表明成煤沼泽的滞留状态。

由于构造变动而形成的构造煤中具有滑动镜面、鳞片状构造、揉皱状构造等次生的宏观构造。

三、实验报告

交“煤岩成分、光泽岩石类型观察描述报告”描述它们的主要特征并画图表示。

实验二压汞实验

一、实验目的

掌握煤孔径测量的方法；掌握各孔径段比孔容、比表面积的统计方法。

二、实验内容

1、压汞法的测试原理

煤中孔隙空间由有效孔隙空间和孤立孔隙空间构成，前者为气、液体能进入的孔隙，后者则为全封闭性“死孔”。使用汞侵入法能测得>7.2nm以上的孔隙。

压汞法是基于毛细管现象设计的，由描述这一现象的Laplace方程表示。在压汞法测试煤孔隙过程中，低压下，水银仅压入到煤基质块体间的微裂隙，而高压下，水银才压入微孔隙。为了克服水银和固体之间的内表面张力，在水银充填尺寸为r的孔隙之前，必须施加压力p(r)。对园柱形孔隙，p(r)和r的关系满足著名的Wash burn方程，即：

p(r)＝（－4δcosθ/r）×10

式中：p(r)—外加压力，MPa；r—煤样孔隙直径，nm；δ—金属汞表面张力；480dyn/cm；θ—金属汞与固体表面接触角（θ=140°）。

压汞实验中得出的孔径与压力的关系曲线称为压汞曲线或毛细管曲线，测出各孔径段比孔容和比表面积及排驱压力（是指压汞实验中汞开始大量进入煤样时的压力，或者是非润湿相开始大量进入煤样最大喉道的毛细管压力，亦称入口压力）、饱和度中值压力（毛细管曲线上饱和度为50%所对应的毛细管压力）、饱和度中值半径（饱和度中值压力对应的孔隙半径）等参数。

2、样品及测试条件

采用美国MICROMERITICS INSTRUMENT公司9310型压汞微孔测定仪,仪器工作压力0.0035~206.843MPa，分辨率为0.1mm3，粉末膨胀仪容积为5.1669 cm3，测定下限为孔隙直径7.2nm，计算机程控点式测量，其中高压段（0.1655≤p ≤206.843MPa）选取压力点36个，每点稳定时间2s，每个样品的测试量为3g左右。

手选纯净的煤样，统一破碎至2mm左右，尽可能地消除样品中矿物杂质及人为裂隙和构造裂隙对测定结果的影响。上机前将样品置于烘箱中，在70~80℃的条件下恒温干燥12h，然后装入膨胀仪中抽真空至p<6.67Pa时进行测试，测出各孔径段比孔容和比表面积。

3、孔隙大小分级

煤的孔径结构划在国内煤炭工业界应用最为广泛的是Χoдoт（1961）的十进制分类系统（表2-1），Gan（1972）和国际理论与应用化学联合会（IUPAC，转引自Walker，1988）基于煤吸附特性的分类系统则较普遍地见诸国外煤物理和煤化学文献。此外，傅雪海（2001）基于煤层气的运移特征，进行过煤孔径结构的分形分类与自然分类，以孔半径75nm为界，划分出>75nm的渗流孔隙和