煤岩成分对煤孔隙结构发育特征的影响
——以桃园煤矿气煤为例

李建楼

1.宿州学院资源与土木工程学院,安徽宿州,234000;2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心,安徽宿州,234000;3.国家煤矿水害防治工程技术研究中心,安徽宿州,234000

煤的孔隙是瓦斯富集的主要场所,纳米级孔隙是瓦斯的主要吸附和扩散空间。厘清煤的孔隙结构特征及发育机理,对认识煤储层渗流特征和开发煤层气具有重要作用[1],同时对煤与瓦斯突出的机理和煤与瓦斯突出危险性预测等也具有重要的意义[2]。由于我国中低变质程度煤占主体,煤中不同煤岩成分的物理性质差异明显,对煤的孔隙结构发育特征具有不同的影响。

不同煤岩成分孔径大小、比表面积、孔体积和孔隙形态类型差异较大。镜质组为主形成的镜煤和亮煤以过渡孔和微孔为主,暗煤和丝炭以大、中孔为主[3];由镜煤、亮煤、暗煤到丝炭,大、中孔增加,过渡孔和微孔减少[4]。丝质组是形成大孔、中孔的原始物质[5],且矿物质可以充填部分大、中孔隙,随结构镜质体含量增高以及丝质组和矿物质含量降低,微孔容增大[6],即镜质组分具有更多的微孔,其含量与甲烷吸附量之间正相关[7],而丝质体、半丝质体含量增大时,其孔隙总体积相应增大。在相似煤级条件下,丝质组分的比表面积比镜质组分更大[8]。丝质组的孔隙系统发育完整、连续,形态均匀,孔径分布范围广,大孔和中孔发达;镜质组孔隙形态复杂,分别存在不透气孔、透气孔、墨水瓶状孔,2～10 nm的微孔比例较大,平均孔径较小[9]。暗煤孔隙度略高于镜煤,孔喉更粗,大孔更发育,连通性更好;镜煤的微孔更发育,多以半封闭型和墨水瓶型孔隙为主[10]。丝质组原生孔更发育,镜质组后生孔和外生孔更发育;富镜质组和富丝质组高阶煤都具有复杂纳米级孔隙结构,然而富丝质组高阶煤孔隙形态更复杂[11]。壳质组的比表面积和孔体积的分形维数最小,镜质组的分形维数最大[12]。

为了排除构造应力等因素干扰,实验采集了淮北煤田桃园井田没有受到构造运动影响的气煤煤样;由矿井地质报告可知采集地点煤样属于气煤,气煤属于低阶煤,煤中不同组分易于识别,镜煤显微煤岩组分主要以镜质组为主,暗煤以丝质组为主,含量均在60%以上,壳质组含量较低[13]。采用低温氮等温吸附法测试不同煤岩成分的孔隙结构,可为精准了解煤的孔隙结构提供参考。

1 实 验

1.1 煤样的来源

煤样取自淮北煤田桃园煤矿10号煤层1026工作面。桃园煤矿位于安徽省宿州市埇桥区北杨寨乡。10煤层是该井田主要可采煤层之一,1026工作面煤厚2.6～3.9 m,平均厚度3.6 m,采样地点的煤体结构为原生结构。利用煤岩组分分析仪对煤样的显微组成进行了测定,测定结果见表1。

表1 煤样的显微组成分析

由表1可知,该煤样的镜质组含量最高,其次为丝质组,壳质组含量较低。样品中镜煤、亮煤和暗煤所含主要显微组分较高,能够分别代表镜质组、镜质组+壳质组和丝质组的特征,所采集样品煤岩组分满足分析的基本要求。

1.2 煤样的预处理

首先根据不同煤岩组分具有不同光泽和硬度的特征,使用小刀等工具对三种煤岩组分进行了手工分离;然后用捣药罐对三种煤岩组分别破碎,再分别筛取60～80目之间的颗粒若干克;然后各称取样品1.5 g左右,分别装入测量管,在105 ℃的脱气装置中脱水气2 h至恒重,最后冷却至常温后备用。手工分选后的镜煤、亮煤和暗煤颗粒镜下特征如图1。

图1 镜煤、亮煤和暗煤颗粒镜下特征

镜下观察可知,镜煤颗粒边缘清晰,棱角分明;亮煤颗粒边缘较清晰,棱角较分明,特征接近镜煤;暗煤颗粒疏松,可见植物组织孔,丝状结构,性脆易碎。

1.3 测试方法

仪器采用Gemini Ⅶ型全自动比表面积和孔隙分析仪,对煤的纳米级孔隙结构进行测试和分析,该仪器测量范围为1.6～300 nm[14]。其测试分析原理为静态容量法,在液氮温度(-195 ℃)下,N2分子进入样品孔隙中,依据气体凝结和充填顺序,N2分子先充填较小的孔隙,再依次充填较大的孔隙。当吸附和解吸达到动态平衡时,吸附孔径和相对压力之间的函数关系可以用开尔文方程表示。根据相对吸附压力和对应的吸附量,绘制出等温吸附曲线,根据测试数据采用不同算法分别计算比表面积、孔容、平均孔径和中值孔径等相关参数值。

2 结果与讨论

2.1 不同煤岩成分的吸附-解吸曲线特征对比

分别对暗煤、亮煤和镜煤成分进行了低温氮吸附法测试,吸附-解吸曲线见图2。

图2 暗煤、亮煤和镜煤成分的吸附-解吸曲线对比

从图2可以看出,以丝质组为主的暗煤吸附量最大(2.8 cm3/g STP),其次是镜质组+壳质组为主的亮煤(1.6 cm3/g STP),而以镜质组为主的镜煤吸附量最小(1.2 cm3/g STP)。从暗煤、亮煤和镜煤的吸附-解吸曲线形态看,三者的形态差别不大,吸附和解吸曲线接近重合,说明绝大部分的纳米级孔隙为一端开口、一端封闭型;曲线连续上升说明孔径分布连续,连通性较好;解吸曲线中不存在陡降点,说明该煤样为原生结构煤[15],这与1026工作面煤层构造裂隙不发育的宏观煤体结构特征相吻合。

2.2 不同煤岩成分孔隙结构参数对比

煤的孔隙结构参数包括孔比表面积、孔容、平均孔径和中值孔径等,测试结果见表2。

表2 煤岩组分的孔结构参数值

从表2可以看出,以丝质组占主要成分的暗煤比表面积和孔容最大,亮煤居中,镜煤的比表面积和孔容最小;平均孔隙和中值孔径方面,也是暗煤最大,亮煤和镜煤的较小,并且后二者大小接近。分析认为,镜煤富含镜质组分,尤其是富氢镜质组分,经历凝胶化作用过程中生成较多的液态烃和气态烃充填于纳米级孔隙,造成镜煤孔隙体积和比表面积明显小;而暗煤富含丝质组,由于生成于泥炭表层,经历了一定程度的氧化,生成了丝质组分,不具有生烃能力,因此保存了较多的原始植物组织孔[16]。亮煤以镜质组+壳质组为主,比镜煤的表面积大,说明壳质组的孔隙表面积比镜质组大,但是比丝质组的小。

2.3 不同煤岩成分的孔隙分布特征对比

从图3可以看出,原生结构气煤的暗煤、亮煤和镜煤的纳米级孔隙体积都集中在中孔(100～1 000 nm)和过渡孔(10～100 nm)中,微孔(<10 nm)所占体积比例较小。暗煤的中孔和过渡孔体积又明显高于亮煤和镜煤;亮煤比镜煤的各段孔容略大,后二者孔容主要集中在过渡孔和微孔。

图3 暗煤、亮煤和镜煤组分的孔容分布对比

从图4可知,三种组分的比表面积主要集中在2.4～194.8 nm的孔径范围内,中孔、过渡孔和微孔对比表面积具有不同的贡献,其中微孔对比表面积的贡献最大,其次是过渡孔,中孔的贡献最小;同时可以看出,暗煤的中孔和过渡孔比表面积明显高于亮煤和镜煤,亮煤比镜煤的各段比表面积均较大。

图4 暗煤、亮煤和镜煤组分的孔比表面积分布对比

2.4 不同煤岩成分的孔隙分形特征对比

分形理论由Mandelbort在1975年提出,用以反映表面或孔隙结构复杂程度,分形维数计算方法如下:

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

(1)

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

(2)

其中:V为累计孔体积,cm3/g;S为累计比表面积,m2/g;DV为体积分维数;DS为比表面积分维数;r为孔隙半径,nm;a和b为常数。

根据低温氮等温吸附实验数据,得到孔隙半径与对应累计体积及累计比表面积,并作出Lg(V)(≥r)和Lg(r)以及Lg(S)(r)和Lg(r)的散点图,线性回归后求出分形维数DV和DS。三种煤岩成分的孔隙体积分形和比表面积分形散点图见图5和图6。

图5 暗煤、亮煤和镜煤组分的孔体积分形特征对比

图6 暗煤、亮煤和镜煤组分的孔比表面积分形特征对比

由图5的回归方程算出暗煤、亮煤和镜煤孔隙体积分形维数分别为3.219 7、3.360 2和3.332 2,说明暗煤的孔隙体积分形特征相对简单,而亮煤和镜煤相对复杂一些。

根据图6的回归方程算出暗煤、亮煤和镜煤孔隙比表面积分形维数分别为2.923 6、3.199 2和3.134 5,也说明暗煤的孔隙比表面积分形特征相对简单,而亮煤和镜煤相对复杂。

3 结 论

对于相同原生结构气煤而言,不同煤岩成分孔隙结构具有以下特征差异:

(1)以丝质组为主的暗煤吸附量最大(2.8 cm3/g STP),其次是镜质组+壳质组为主的亮煤(1.6 cm3/g STP),而以镜质组为主的镜煤吸附量最小(1.2 cm3/g STP)。

(2)以丝质组为主的暗煤比表面积(1.01 m2/g)和孔容(0.004 4 cm3/g)最大,镜煤的比表面积和孔容最小(分别为0.47 m2/g和0.001 9 cm3/g),亮煤居中(分别为0.80 m2/g和0.002 5 cm3/g);壳质组的孔隙表面积比镜质组大,但是比丝质组的小。

(3)暗煤的中孔和过渡孔体积及比表面积明显高于亮煤和镜煤;亮煤比镜煤的各段孔容和比表面积略大;微孔对比面积的贡献最大,其次是过渡孔,再次是中孔。

(4)暗煤、亮煤和镜煤孔隙体积分形维数分别为3.219 7、3.360 2和3.332 2,比表面积分形维数分别为2.923 6、3.199 2和3.134 5,暗煤的孔隙体积和比表面积分形特征相对简单,而亮煤和镜煤相对复杂。