趙莊井田3號煤孔隙特征研究

董鵬宇

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

煤孔隙特征是影響煤層氣吸附-解吸、擴(kuò)散、滲流、煤層氣井產(chǎn)能大小及產(chǎn)能評價(jià)、煤層氣有利區(qū)評價(jià)及優(yōu)選等的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，其研究歷來備受關(guān)注[1-3]。B.B霍多特[4]、劉常洪[5]、趙志根等[6]基于不同實(shí)驗(yàn)開展煤孔隙大小及劃分研究，為不同孔徑孔隙的吸附、解吸、擴(kuò)散、滲流行為預(yù)測及評價(jià)提供理論依據(jù)；張慧[7]基于大量掃描電鏡觀測結(jié)果為依據(jù)，對煤孔隙成因類型進(jìn)行探究，并將煤孔隙成因類型劃分為“四大類”、“十小類”；楊昌永等[8]借鑒張慧的研究方法，采用掃描電鏡對趙莊礦3號煤層不同煤體結(jié)構(gòu)微孔隙特征進(jìn)行了研究；孟巧榮等[9]利用微焦點(diǎn)顯微CT及壓汞法對煤孔形態(tài)特征進(jìn)行研究，得出不同孔隙結(jié)構(gòu)孔隙的孔滲性、連通性、孔徑、孔比表面積等特征；降文萍等[10]采用低溫液氮吸附技術(shù)對淮南煤田及焦作礦區(qū)的多個(gè)不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔隙特征進(jìn)行研究，并探討不同孔隙特征對煤與瓦斯突出的影響；徐曉萌等[11]利用核磁共振技術(shù)對煤中亞微觀及微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，揭示了不同變質(zhì)程度煤孔隙結(jié)構(gòu)及其較高非均質(zhì)性特征；孫寅森等[12]利用圖像分析技術(shù)對煤孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定性、定量研究，對煤孔隙精細(xì)化研究提供了理論與技術(shù)支撐；王亞等[13]采用疊后反演技術(shù)對楊稅務(wù)潛山奧陶系碳酸鹽巖的孔裂隙進(jìn)行預(yù)測研究，并實(shí)踐證明了該方法的有效實(shí)用。當(dāng)前，煤孔隙在成因類型及其劃分、不同尺度、孔隙形態(tài)及結(jié)構(gòu)、定性及定量、孔徑大小及劃分等方面進(jìn)行了相對深入和系統(tǒng)的研究，研究技術(shù)手段多樣化[14]，極大豐富和夯實(shí)了煤層氣地質(zhì)理論，為我國煤層氣勘探開發(fā)和礦井瓦斯抽采起到了積極指導(dǎo)作用。影響煤孔隙特征的因素眾多[15]，因而不同、相同礦區(qū)的煤孔隙具有分形特征[16]。

趙莊井田為晉煤集團(tuán)所屬的一座現(xiàn)代化大型高瓦斯生產(chǎn)礦井，3號煤層為當(dāng)前煤炭主采和煤層氣主要抽采煤層。煤中發(fā)育有不同尺度孔隙，特別是影響煤層氣吸附儲集的納米級別的微孔裂隙發(fā)育更甚[17]，當(dāng)前，已有學(xué)者采用掃描電鏡(觀測范圍幾百納米至數(shù)千微米)、壓汞法(幾十納米至幾微米)分別從亞微觀、微觀角度對孔隙特征進(jìn)行研究，但測定的孔隙范圍相對狹小，不能真實(shí)反映煤中孔隙發(fā)育特征。低溫液氮吸附法能測定更小尺度和廣泛的孔徑范圍(0.35～500 nm)，已被廣泛應(yīng)用于煤層氣領(lǐng)域。為此，采用低溫液氮吸附法對3號煤層的孔隙特征進(jìn)行研究，以期為井上下瓦斯抽采及礦井瓦斯預(yù)測預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

1 樣品采集與描述

1.1 樣品采集

本文研究的煤樣采集于趙莊礦1101大巷迎頭距離13112聯(lián)絡(luò)巷122 m處煤巷(圖1(a)～(c))。為了滿足實(shí)驗(yàn)樣品質(zhì)量要求和確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，在井下采集煤樣時(shí)遵循以下原則：煤樣純凈(無夾矸、無方解石脈、黃鐵礦等礦物質(zhì)充填)、新鮮、采樣范圍廣(不同剖面位置)，采集的煤樣煤體結(jié)構(gòu)盡量齊全，原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造保存完好，采樣時(shí)不得人為用力使煤體遭受破壞，形成外生孔裂隙系統(tǒng)。

圖1 趙莊井田3號煤層樣品采集

1.2 煤樣描述

趙莊井田3號煤的煤化程度相對較高，煤類為低變質(zhì)無煙煤(鏡質(zhì)組最大反射率R0,max為2.65%～2.86%，平均2.75%)，煤的新鮮面呈黑色、灰黑色，條痕為深黑色，玻璃-強(qiáng)玻璃光澤；摩氏硬度一般為3～4，有一定韌性；階梯狀、貝殼狀及不規(guī)則狀斷口；基本為塊狀構(gòu)造，少量層狀、粒狀構(gòu)造，條帶狀結(jié)構(gòu)；宏觀煤巖類型主要為光亮型-半光亮型、局部半暗型。宏觀煤巖組分主要由亮煤、鏡煤和少量暗煤組成；煤體硬度為較堅(jiān)硬-疏松；煤體破壞相對嚴(yán)重，煤體相對碎軟，可見碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤等多種煤體結(jié)構(gòu)類型煤，見圖1，未見原生結(jié)構(gòu)煤。

2 煤孔隙特征研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法及原理

本文煤孔隙特征研究采用低溫液氮吸附法。該方法基于像煤這樣的多孔介質(zhì)對氮?dú)?、甲烷、二氧化碳等氣體分子的吸附作用，在液氮溫度(77 K)下，吸附-脫附達(dá)到平衡時(shí)，氮?dú)庠诙嗫捉橘|(zhì)內(nèi)孔隙表面的吸附量是相對壓力(P/P0)的函數(shù)。相對壓力(P/P0)在0.05～0.35范圍時(shí)，吸附量與相對壓力(P/P0)符合BET等溫多層吸附方程，利用該方程實(shí)現(xiàn)比表面積和孔容(孔隙體積)計(jì)算分析；相對壓力(P/P0)大于0.4時(shí)，吸附氣在孔隙內(nèi)產(chǎn)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，根據(jù)毛細(xì)凝聚模型BJH法，實(shí)現(xiàn)孔徑的計(jì)算和分析[18]。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2.3 樣品制作流程

樣品制作程序：①將大塊狀煤樣充分破碎；②粉碎煤樣過樣品篩進(jìn)行篩分，取粒徑0.28～0.45 mm的樣品，稱重5～10 g裝入樣品袋并貼上標(biāo)簽(包括采樣日期、地點(diǎn)、樣品編號、煤層號等信息)；③把備制完成的樣品放入105 ℃的樣品烘干箱中進(jìn)行干燥處理；④把干燥處理完畢的樣品放入干燥器中備用。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 孔隙形態(tài)

基于吸附和凝聚理論的等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明，凡具有毛細(xì)孔的多孔介質(zhì)(或固體)，其吸附曲線和脫附曲線二者間會出現(xiàn)“重疊”和“分離”兩種現(xiàn)象，后者被稱之為“吸附滯后”現(xiàn)象，具有明顯的“滯后環(huán)”[10]?？紫缎螒B(tài)不同，等溫變壓條件下氣體吸附曲線、脫附曲線(或“滯后環(huán)”)形態(tài)亦不盡相同，因此，常利用“滯后環(huán)”形態(tài)來分析煤孔隙形態(tài)[19]。趙莊井田3號煤低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)的吸附曲線、脫附曲線具有以下特征：吸附曲線在下，脫附曲線在上，吸附“滯后環(huán)”相對較小，見圖2(a)～(d)。相對壓力低壓區(qū)0～0.1范圍，吸附量相對較快增長，吸附曲線呈緩傾斜的線段；相對壓力0.1～0.8范圍，吸附量增長極為緩慢，吸附曲線呈近似水平或小角度“臥躺”直線段；相對壓力0.8～1.0范圍，吸附量又快速增長，吸附曲線呈陡立線段。相對壓力0.9～1.0范圍，脫附量快速減少，脫附曲線呈陡立的線段；相對壓力0.5～0.8范圍，脫附量緩慢減少，脫附曲線呈小角度緩傾斜的線段，并在相對壓力0.5處出現(xiàn)1個(gè)較為顯著的“拐點(diǎn)”(即“G點(diǎn)”)、脫附量快速下降，脫附曲線呈急傾斜線段；相對壓力0.05～0.5范圍，脫附量緩慢增加，脫附曲線呈小角度緩傾斜的線段；相對壓力小于0.05范圍，脫附量快速減少，脫附曲線呈急傾斜線段。相對壓力0.05～0.5范圍，脫附量緩慢降低，脫附曲線呈近似水平或與水平方向呈小角度的線段；相對壓力小于0.05范圍，脫附量又表現(xiàn)出相對快速降低，脫附曲線呈急傾斜線段。

圖2 趙莊井田3號煤低溫液氮吸附、脫附曲線特征

依據(jù)多孔介質(zhì)的吸附理論，并參考前人研究成果，趙莊井田3號煤“吸附滯后環(huán)”類型的煤樣中孔隙系統(tǒng)復(fù)雜，且孔隙的連通性和滲透性相對較差。煤中孔隙形態(tài)主要為兩端開口的圓筒孔、狹縫平板形孔、一端開口圓筒形孔及墨水瓶孔，其中，墨水瓶孔和狹縫平板孔導(dǎo)致了脫附曲線“G”出現(xiàn)[10]。

2.4.2 孔徑

孔徑又稱孔寬，是定量表征煤孔隙大小的參數(shù)。煤孔隙大小對煤層氣賦存和運(yùn)移等行為具有重要作用，微孔、介孔中煤層氣以吸附和充填狀態(tài)賦存，以擴(kuò)散方式運(yùn)移；大孔中煤層氣以游離態(tài)、凝聚態(tài)、吸附態(tài)賦存，以層流和紊流方式運(yùn)移[20]。煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，煤孔隙形態(tài)復(fù)雜多樣、大小不一。為了便于定量表征和精細(xì)研究，研究者假設(shè)煤孔隙均為“圓柱狀”，并基于Kelvin方程提出多孔介質(zhì)的BJH孔徑分析方法(即“BJH法”)，見式(1)。該方法深受歡迎，被廣泛應(yīng)用于煤孔徑分析計(jì)算[21]。

(1)

式中：r為發(fā)生毛細(xì)凝聚時(shí)的半徑，nm；VL為吸附質(zhì)的分子體積，cm3/g；σ為吸附質(zhì)的表面張力，N/m；P/P0為發(fā)生毛細(xì)凝聚時(shí)的比壓，無量綱；t為吸附層厚度，nm。

因研究目的、測試儀器、測試方法或手段等的差異，以孔徑劃分煤孔隙大小的技術(shù)方案較多[33]，其中，參照“GB/T 21650.3-2011 壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度”劃分煤孔隙大小的方案在業(yè)界應(yīng)用較為廣泛，本文孔隙大小劃分亦采用該方法。通過實(shí)驗(yàn)可知，趙莊井田3號煤孔隙分形現(xiàn)象嚴(yán)重，且孔徑大小不一，一般為1.918 3～53.125 4 nm，平均28.622 0 nm，煤中孔隙以介孔為主，微孔和大孔發(fā)育次之，3號煤孔隙孔徑測定結(jié)果見表1。

2.4.3 孔比表面積

煤層氣主要以吸附態(tài)吸附于煤基質(zhì)微孔隙的表面[22]，因此，孔比表面積大小對煤層氣吸附空間、吸附儲集能力(或吸附量)具有重要控制作用[23]。煤是一種良好的吸附劑，受范德華力作用，煤層氣、氮?dú)?、二氧化碳等氣體介質(zhì)在煤中具有多分子層吸附現(xiàn)象?；谠摤F(xiàn)象，Brunauer、Emmett和Teller等3位學(xué)者提出了符合吸附劑多分層吸附的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，即BET比表面積等溫吸附方程[24]，并被廣泛應(yīng)用于多孔介質(zhì)表面吸附性能研究及相關(guān)檢測儀器的數(shù)據(jù)處理中，其方程表達(dá)式如下：

表1 趙莊井田3號煤孔隙孔徑測定結(jié)果

(2)

式中：Vm為單分子層飽和吸附量，mL/g；V為氣體吸附量，mmol/g；P為吸附質(zhì)壓力，mmHg；P0為吸附質(zhì)的飽和蒸汽壓，mmHg；P/P0為相對壓力，無量綱；C為BET方程常數(shù)(其值為exp[(Ea-Eb)/RT]，Ea為第一吸附層的吸附熱，Eb為吸附質(zhì)的液化熱)。

由以上公式可知，對1/[V(P/P0)-1]與P/P0作圖應(yīng)得到1條直線，并由圖解法或最小二乘法可求出BET直線的斜率A=(C-1)/(VmC)，縱軸上的截距為B=1/(VmC)，所以C=A/B+1，Vm=1/(A+B)，求出單分子層吸附量Vm，在單分子層吸附量Vm求得的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(3)進(jìn)而計(jì)算得到煤的孔比表面積：

SBET=AmNAVm/22 414

(3)

式中：SBET為樣品的比表面積，m2/g；Vm為單分子層吸附量，mL/g；Am為單個(gè)吸附分子的平均截面積，nm2；NA為阿伏伽德羅常數(shù)，6.02×1023。

通過測試數(shù)據(jù)分析可知，受煤的變質(zhì)程度、煤中礦物質(zhì)含量、顯微煤巖組分、煤體結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)造應(yīng)力等因素影響[25]，不同測試煤樣的孔比表面積及不同孔徑孔隙比表面積所占比例不同，趙莊井田3號煤孔比表面積一般為0.303 4～2.319 6 m2/g，平均0.987 4 m2/g，見表2。

其中，介孔比表面積所占比例較高(一般為73.81%～82.54%，平均79.24%)，微孔比表面積所占比例次之(一般為3.05%～17.78%，平均12.13%)，大孔比表面積所占比例最少(一般為5.26%～14.63%，平均8.63%)。可以看出，研究煤層孔比表面積較高，特別是微孔和介孔的孔比表面積較大，有利于煤層氣吸附儲集[35]。

表2 趙莊井田3號煤孔比表面積測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.4.4 孔隙體積

孔隙體積(又名“孔容”)，指單位質(zhì)量多孔介質(zhì)(或吸附劑)內(nèi)所有的孔隙體積之和(包括“死孔”和“開放孔或有效孔”)。煤孔容主要采用吸附法獲得，其原理是在一定蒸汽壓力驅(qū)動下向煤孔隙充入吸附氣體(吸附質(zhì))，并使其充滿整個(gè)孔隙空間，這時(shí)充入的氣體體積就為孔隙體積[26]。

由吸附法孔容求取原理及過程可知，吸附法獲得的孔容僅指吸附氣可以進(jìn)入并被充填的那部分孔隙(即開放孔或有效孔)，并未包括煤中的不連通孔(即“死孔”)的孔容。理論研究和實(shí)踐亦表明，只有煤中的開放孔(或有效孔)對煤層的孔滲性、煤層氣的儲集能力(儲集空間和儲集量)及煤層氣井產(chǎn)量影響較大，而“死孔”對煤層氣開發(fā)影響不大[27-28]。因此，煤層氣領(lǐng)域涉及的孔容亦主要指煤中的開放孔(或有效孔)孔容。本文采用低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)對趙莊井田3號煤的孔容進(jìn)行測定和分析，見表3，礦區(qū)內(nèi)3號煤孔容一般為0.000 623～0.010 778 cm3/g，平均0.003 242 cm3/g，有效孔隙的孔容整體較高，有利于煤層氣儲集[29]，但不同樣品的孔容又存在明顯的分異現(xiàn)象，兩極值差異顯著(兩極值差0.010 155 cm3/g)。不同孔隙類型的孔容所占比例不同，其中，介孔的孔容所占比例最大(42.85%～73.80%，平均57.15%)，大孔的孔容所占比例次之(8.41%～56.53%，平均6.71%)，微孔的孔容所占比例最小(0.19%～17.78%，平均4.28%)?？兹荽笮∨c煤體結(jié)構(gòu)和最大鏡質(zhì)組反射率(R0,max)密切相關(guān)，煤體破壞越嚴(yán)重、最大鏡質(zhì)組反射率越高，煤孔隙總孔容越高，反之亦然。

3 結(jié) 語

1) 煤孔隙對煤層氣賦存和運(yùn)移具有關(guān)鍵控制作用，受多地質(zhì)要素影響，使得同一井田相同煤層的不同樣品煤孔隙特征參數(shù)有所不同，分形現(xiàn)象顯著。

2) 趙莊井田3號煤孔隙系統(tǒng)相對復(fù)雜，孔滲性相對較差。煤中孔隙形態(tài)主要為兩端開口的圓筒孔、狹縫平板形孔、一端開口圓筒形孔及墨水瓶孔。

3) 趙莊井田3號煤孔隙大小不一，介孔最為發(fā)育，微孔和大孔次之且二者基本相當(dāng)；介孔的孔容在煤中所占比例最高，大孔的孔容所占比例次之，微孔的孔容所占比例最??；介孔的孔比表面積所占比例較高，微孔次之，大孔最少，為煤層氣吸附儲集提供了有利場所。

表3 趙莊井田3號煤孔容測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)