基于压汞、低温N₂吸附和CO₂吸附的构造煤孔隙结构表征

李阳^1,2,3，张玉贵¹，张浪^2,3，侯金玲^2,3

1. 河南理工大学安全科学与工程学院2. 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)

摘 要：我国煤层受多期次构造运动影响构造煤普遍发育,构造煤孔隙大小分布尺度较广（毫米～纳米级）,孔隙结构较为复杂。不同尺度的孔隙结构控制着煤层气的吸附-解吸（孔隙表面）、扩散（纳米级孔隙）与渗流（微米～毫米级孔隙）等过程,是影响煤层气储存与运移的重要因素。为研究构造煤不同尺度孔隙结构的分布特征与演化规律,在潞安矿区采集4种破坏类型煤样,利用压汞法、低温N₂吸附法及CO₂吸附法分别测试了煤样的孔隙分布特征,对比分析了各测试方法的优势孔径段,提出利用CO₂吸附法表征构造煤微孔（<2 nm）、低温N₂吸附法表征介孔（2～50 nm）、压汞法表征大孔结构（>50 nm）的孔隙结构多尺度联合表征方法。实验结果表明所采煤样的孔容和孔比表面积均主要分布在微孔阶段,在0. 6 nm左右时的孔隙孔容量和孔比表面积达到最大,其中微孔容占总孔容的70%以上,微孔孔比表面积占总孔比表面积的99%以上,煤中孔容和孔比表面积分布存在微孔>大孔>介孔的规律。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏类型的关系,随煤破坏程度增加,孔容和孔比表面积逐渐增高,大孔孔容比及介孔孔容比逐渐增大,微孔孔容比逐渐减小;孔容增幅主要体现在大孔阶段,比表面积增幅则主要体现在微孔阶段。其中大孔演化主要受控于角砾孔、碎粒孔及摩擦孔等外生孔,介孔演化受控于煤的大分子堆叠结构及分子间距,微孔演化主要受控于煤中芳香层片大小及排列方式。

关键词：构造煤;孔隙结构;优势孔径;CO₂吸附法;低温N₂吸附法;压汞法;