【導讀】研究煤儲層的物性特征及含氣性，可以為煤層氣的開發(fā)利用提供借鑒作用，同時也可以減少。瓦斯事故的發(fā)生。研究認為：焦作煤田二1煤層微孔含量最高，其次是過渡孔，而大中孔含量要低得多，具有。很強的吸附能力和較強的擴散能力。但滲流或?qū)恿髂芰苋?，煤層滲透率較低，且隨著埋深的增加而減。隨著有效埋深的增加，含氣量先是急劇增大，到了一定階段后,增大趨勢變緩，之間具有對數(shù)正。的交會部位,煤層含氣量往往較低。

　　

【正文】 內(nèi)聚力（ C） 內(nèi)摩擦角（ 186。） ～ 彈性模量（ MPa） 10 5 10 5 10 5 泊松比 軟化系數(shù) 根據(jù)二 1 煤頂、底板巖石性質(zhì)及其力學試驗資料，分析認為頂板由于偽頂普遍發(fā)育，且大多是泥巖或砂質(zhì)泥巖，力學強度弱，頂壓大易于冒落，煤炭開采時 適于全面陷落法。該類頂板孔隙率低，透氣性差，易于煤層氣保存，但不利于常規(guī) 壓裂法開采，但其上部多為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，可將該類頂板作為“虛擬儲層”，采取頂板完井強化法開采等特殊工藝進行煤層氣開采。 20 4 煤儲層特征及含氣性 煤巖及煤質(zhì) 煤的巖石學特征 ①宏觀煤巖特征 根據(jù)井下和室內(nèi)觀測，成塊狀產(chǎn)出的二 1 煤宏觀煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，夾絲炭和鏡煤透鏡體或線理狀鏡煤。煤巖類型以光亮型 —半亮型煤為主，有少量的半暗型和暗淡型煤。在垂向上二 1 煤層中部多為半亮型和光亮型，半暗型主要分布于煤層頂、底部。 煤層頂、底板以泥質(zhì)含量較高的碎屑巖類為主，大多礦井煤層的偽頂、偽 底為泥巖或含炭質(zhì)泥巖，直接頂為細粒砂巖。 ② 顯微煤巖組成 本區(qū)二 1 煤的有機組分含量較高，一般大于 86%，其中絕大多數(shù)為鏡質(zhì)組，一般占總組成的 80%以上，占有機組分的 90%以上，惰性組含量較少。鏡質(zhì)組組成以弱非均質(zhì)性的無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，單偏光下呈亮黃色，除少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體外，一般為無定形的基質(zhì)鏡質(zhì)體、透鏡狀和團塊狀均質(zhì)鏡質(zhì)體；正交偏光下，有條帶狀或黑白花紋交織席狀隱結(jié)構(gòu)顯示、而形態(tài)大小不一的各向異性熱解碳鑲嵌于鏡質(zhì)組中。惰性組主要為絲質(zhì)體，多呈破碎狀分布，其細胞壁多呈星狀、弧狀碎片，可見石英或方解石充填。 無機 組分中以粘土礦物為主，含少量碳酸鹽和硫化物。粘土礦物多為層狀、團塊狀和浸染狀，硫化物類主要為黃鐵礦，多呈微粒狀、莓球狀或粒晶集合體等形式分布于有機質(zhì)中，碳酸鹽主要為次生或后生的方解石，呈脈狀分布于有機質(zhì)中，另外也有少量的石英碎屑。二 1 煤顯微組分 統(tǒng)計結(jié)果 表 41。 表 41 焦作 煤田 二 1 煤顯微組分 組成 統(tǒng)計表 煤層 有 機 組 分（ %） 無 機 組 分（ %） 鏡質(zhì)組 惰性組 合計 粘土類 硫化物類 碳酸鹽類 合計 二 1 — （ 45） — （ 45） 注：括號內(nèi)為樣品數(shù) 煤質(zhì)特征 21 表 42 焦作煤田二 1 煤煤質(zhì)分析結(jié)果綜合統(tǒng)計 煤 層 工 業(yè) 分 析 M ad （ %） Ad （ %） Vdaf （ %） （ %） （ MJ/Kg） （ MJ/Kg） 二 1 ~ （ 105） ~ （ 105） ~ （ 105） ~ （ 17） ~ （ 31） ~ （ 17） 注：括號內(nèi)為樣品數(shù) 表 43 焦作煤田二 1 煤元素分析結(jié)果表 煤 層 浮 煤 元 素 分 析（ %） Cdaf Hdaf Ndaf Odaf 二 1 ~ （ 37） ~ （ 27） ~ （ 24） ~ （ 17） 注：括號內(nèi)為樣品數(shù) 由表 4 43 可以看出，焦作煤田的主要煤質(zhì)指標具有如下特點 ： （ 1）灰分：二 1 煤灰分 —%，平均 %，多為低 —中灰煤，在九里山井田局部為大于 20%的中灰煤。 （ 2）硫分：二 1 煤的全硫含量變化趨勢為上部低，下部高。二 1 煤原煤全硫含量 ～%，平均 %，均小于 %，為特低硫煤。 （ 3）發(fā)熱量：二 1 煤的發(fā)熱量一般均大于 MJ/Kg，為特高熱值煤 。 （ 4）元素組成：二 1 煤元素組成均以碳為主，其次為氫 。 二 1 煤煤質(zhì)特征在平面上分布具有一定的規(guī)律：揮發(fā)分和氫元素含量由東部的趙固勘探區(qū)向西部的王封、李封井田均有下降的趨勢，而碳 元素的含量則有逐漸上升的特征。從垂向看，煤層頂、中、底煤分層之灰分大致有高、低、高的變化規(guī)律，尤其是煤層下部灰分含量稍高。 裂隙性 本區(qū)二 1 煤層變質(zhì)程度較高，割理不甚發(fā)育，僅在鏡煤條帶中有割理存在。古漢山井田試驗井古 古 3 孔二 1 煤樣品電子顯微鏡觀察，煤中次生裂隙發(fā)育，其次生裂隙的寬度和延伸長度不均勻，且形狀各異，裂縫大多是孤立的或幾條裂縫相交接，沒有形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，局部被高嶺石或方解石充填或半充填。古 3 孔的裂縫密度比古 2 孔大的多，而且裂縫交叉現(xiàn)象比較普遍，也反映了煤田不同地段煤層裂 隙發(fā)育的不均一性和滲透性的差異性。根據(jù)九里山鏡下顯微裂隙走向玫瑰花圖（圖 41），顯微裂隙的主要走向為 NEE 或近EW、 NE 向，其它方向如 NW 向、 NWW 向的裂隙也有一定的分布。 22 通過各礦井井下煤層觀察，發(fā)現(xiàn)煤中存在著大小不等的裂隙，既有穿過整個煤層甚至插入頂?shù)装宓拇罅严兑约扒写┟簩訆A矸而中止于煤層頂?shù)装宓妮^大裂隙，也有中止于煤層夾矸僅在煤分層分布的小裂隙，還有僅發(fā)育于鏡煤條帶中的微裂隙，裂隙尺寸大小懸殊，大的裂隙（或小斷層）發(fā)育數(shù)量較少，小裂隙發(fā)育數(shù)目相對較多。井下觀測到的裂隙走向不一，主要有 NNW、 NE、 NNW、 NNE 或近于 SN 向，多為傾角大于 50186。的高角度裂隙，往往兩組裂隙共存，其中大裂隙切割小裂隙，同組裂隙成雁型排列，間隔為 ～ 7cm。局部如古漢山礦出現(xiàn)三組裂隙。在九里山礦井下觀察發(fā)現(xiàn)，裂隙常常被方解石脈充填，勢必降低了裂隙的滲透性。根據(jù)馮營井田宏觀裂隙的玫瑰花圖 （圖 42） ，可以看出，宏觀裂隙主要走向為 NE 或近 EW 向，與顯微裂隙的主要走向相當。 圖 41 山井田二 1煤層顯微裂隙 圖 42 井田二 1煤層宏觀裂隙 走向玫瑰花圖 傾向玫瑰花圖 孔隙性 目前，在煤儲層孔隙性研究中，常采用壓汞法和低溫液氮法來測試煤的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中，前者測試的孔徑最低限為 ，最大可達 10000nm 以上，而后者孔徑測試范圍為～ 50nm，要比前者小得多，因此，有研究者根據(jù)測試范圍的差別認為壓汞法測試的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)反映的微米級孔隙的分布狀態(tài)，而將液氮法測試得到孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)認為是納米級孔隙分布的信息。兩種方法由于測試原理和方法具有質(zhì)的不同，因此即使對于統(tǒng)一樣品，二者在孔徑重疊段得到的孔隙 結(jié)構(gòu)參數(shù)也無可比性。但對同一煤樣，相同方 法測試得到的數(shù)據(jù)一定程度上能夠反映對應的測試范圍內(nèi)孔隙變化的規(guī)律性。 本次工作采用壓汞法和低溫液氮法分別對焦作煤田二 1 煤的微米級、納米級孔隙進行了測試，二 1 煤孔隙的孔容和孔隙表面積見表 4 45。 23 由壓汞試驗數(shù)據(jù)可知，焦作 煤田 二 1 煤的孔容中大、中孔含量較大，其次是過渡孔，然后是微孔。而比表面積中，小于 100nm的微孔和過渡孔占絕對優(yōu)勢，其中，微孔含量要大于過渡孔。 表 44 焦作煤田二 1 煤的納米級孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù) 孔隙參數(shù) 比表面積（ cm2/g） 孔容（ 104cm3/g） 平均孔徑（ nm） 范圍 820～ 519700 ～ 128 ～ 平均 121987 注：表中數(shù)據(jù)來源于低溫液氮法實驗結(jié)果。 表 45 焦作煤田二 1 煤的微米級孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù) 項目 大中孔 （ 100nm） 過渡孔 （ 100～ 10nm） 微孔 （ 10～ ） 合計 比 表 面 積 cm2/g 31～ 11307 12370～ 47146 16567～ 61745 29674～ 90425 平均 1617 28972 38624 69213 % ～ ～ ～ 平均 孔 容 104cm3/g 22～ 2400 45～ 128 36～ 128 249～ 2671 平均 % ～ ～ ～ 平均 23 注：表中數(shù)據(jù)來源于壓汞法實驗結(jié)果。 通過對比納米級孔隙和微孔隙測試實驗結(jié)果，焦作煤田的納米級孔隙比表面積遠大于微米級孔隙，但其孔容要比后者小得多 ，納米級孔隙的孔徑范圍為 ～ 之間，平均孔徑在 。 根據(jù)煤吸附研究表明，一般微孔（＜ 10nm）構(gòu)成煤的吸附空間；過渡孔（ 100～ 10nm）構(gòu)成煤層毛細凝結(jié)和擴散區(qū)域；中大孔（＞ 100nm）構(gòu)成滲流和層流區(qū)域。由此可見，焦作煤田二 1 煤的吸附能力很強，并且具有一定的擴散能力，但滲流或?qū)恿髂芰苋酢? 吸附性 煤層氣在煤中一般以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)三種方式賦存，其中吸附態(tài)是其主要賦存方式，一般占 80%以上。吸附量的大小取決于煤對氣體的吸附能力，而煤的吸 附能力又受到煤的巖石學組成、煤化程度、煤的孔隙性以及儲層溫度、壓力等眾多因素的影響。鑒 24 于此，本次工作中，對不同溫度、不同煤體結(jié)構(gòu)的煤進行了等溫吸附實驗，來評價研究區(qū)的煤的吸附性及其變化規(guī)律。 本次研究中，以當前煤層氣吸附性測試中普遍采用的美國 Terra Tek 公司生產(chǎn)的 IS100高壓等溫吸附儀，模擬地層含水情況對焦作煤田不同井田內(nèi)二 1 煤層和所施工鉆孔的二 1煤層的煤樣進行了 等溫吸附實驗，并對以往區(qū)內(nèi)等溫吸附實驗資料進行了搜集。以往測試結(jié)果 表明， 30℃ 條件下二 1 煤的原煤對 CH4 的最大吸附能力為 ～ ，平均為 cm3/g，而可燃基的吸附量對 CH4 的最大吸附能力為 ～ ，平均為 cm3/g，吸附量達到飽和吸附量一半時對應的壓力（ PL）為 ～ ，平均為 MPa。 總體上，焦作煤田煤的吸附量較大，表明區(qū)內(nèi)煤層具有較大的甲烷吸附能力。主要因為該煤田煤均屬于無煙煤，微孔含量較大有關。 含氣性 煤儲層的含氣性表示地層狀態(tài)，煤層中氣體含量大小、成分及含氣飽和度，煤層氣含量指自然條件下單位質(zhì)量的煤中所含氣體的體積量；而氣體 成分指自然條件下煤中氣體各組成成分的濃度百分比。含氣量、氣體成分大多是依靠煤田地質(zhì)勘探其間實測而知，而含氣飽和度由等溫吸附曲線、實測含氣量計算得到的。 本次研究中，共搜集到的含氣量數(shù)據(jù)有 203 組，其中，二 1 煤 層含氣量數(shù)據(jù)為 192 組，在搜集到的 192 組含氣量數(shù)據(jù)中，通過鉆孔取心測得的含氣量數(shù)據(jù) 163 組，井下開采過程中實測含量數(shù)據(jù) 26 組，全部為二 1 煤 層，其中斷層不同部位的實測含氣量數(shù)據(jù) 12 組（全部位于古漢山井田），另外 14 組數(shù)據(jù)來自方莊礦生產(chǎn)期間實測數(shù)據(jù)。 所有含氣量數(shù)據(jù)中，由于煤樣采集及測定方法的差別，實測 瓦 斯含量測值并不全部真實可靠， 為此需要加以對比、校正后方可使用，如集氣法和真空罐法瓦斯含量測值需要乘 和 的損失系數(shù)，甲烷低于 80%時的含氣量數(shù)據(jù)僅在含氣性變化規(guī)律中應用，并不參與資源評價，資料不全的僅為參考等原則，另對與煤層氣賦存規(guī)律違背的含氣量異常數(shù)據(jù)和薄 煤帶的含氣量數(shù)據(jù)僅作為參考。經(jīng)遴選，本次評價 可 利用鉆孔煤層氣含量數(shù)據(jù) 150 組 ，其中二 1 煤層 146 組 （包括 5 口煤層氣參數(shù)井和 3 口本次項目進展期間鉆孔獲得的數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)主要 分布在煤田淺部勘查區(qū)。 收集的含氣量數(shù)據(jù) 二 1 煤 在埋深 163m～ 取樣范圍內(nèi)，實測煤層氣含量為～ m3/t，平均 ；由此可以看出，所有含氣量數(shù)據(jù)中，除了五里源預查區(qū) 25 的兩個鉆孔外，其它數(shù)據(jù)均分布在埋深在 1000m以淺，因 此，深部含氣性數(shù)據(jù)少，需要根據(jù)含氣性的分布規(guī)律進行推算。 研究區(qū)的煤層含氣量分布規(guī)律為： （ 1）就整個煤田而言，自東北向西南，含氣量有增大的趨勢；在同一斷塊內(nèi)， 煤層氣含量有隨煤層埋藏深度增加而增高的趨勢。但含氣量并非隨著深度的增加無限增大，如恩村井田，含氣量等值線與煤層底板等高線相交的趨勢有向深部延展的趨勢，含氣量最高值區(qū)不 是出現(xiàn)在向斜軸部，而是出現(xiàn)在軸部北側(cè)。由此說明，即使構(gòu)造變化不大的同一塊段，煤儲層含氣量到一定深度趨于飽和值，深度增加，含氣量增大幅度很弱。 （ 2）煤層氣含量與地質(zhì)條件關系密切， 深部斷塊的含氣量總體高于淺部。同一斷塊，地質(zhì)構(gòu)造對煤層氣含量影響顯著， 如古漢山井田內(nèi)，煤層 距離斷裂帶越近，含氣量較小，但在斷層尖滅端附近，含氣量往往較大，斷層上升盤的含氣量要小于下降盤；焦南井田，小褶曲軸部附近、壓扭性斷裂封閉地段，含氣量較高，如 5— 8— 13— 14— 16 等鉆孔。 煤層含氣飽和度 含氣飽和度系指 煤層氣在儲層條件下所達到的吸附飽和程度，一般用某點的煤儲層實際含氣量與儲層壓力對應的理論吸附氣量之比，單位為 %?？蓳?jù)等溫吸附曲線、實測儲層壓力、實測含氣量等計算，即： 式中： S，含氣飽和度， %； Q，實測含氣量， m3/t； V，理論含氣量，即實測儲層壓力對應的飽和吸附量（將儲層壓力代入朗格繆爾方程 V=VL*P/（ P+PL）求得）， m3/t。 根據(jù)本次工作對所采集的煤樣 的含氣飽和度計算結(jié)果（表 514），以及前 人對試井期間煤樣的含氣飽和度計算結(jié)果（表 515），區(qū)塊內(nèi)二 1 煤層含氣飽和度介于 ～ %之間，多處于欠飽和狀態(tài)，局部可達到近飽和或飽和狀態(tài)。 總體上，根據(jù)等溫吸附實驗計算得到的糜棱煤含氣飽和度要大于原生結(jié)構(gòu)煤，分析其原因，由于糜棱煤在構(gòu)造應力作用下，孔裂隙通道遭到破壞，阻礙了氣體的運移，從而增大了煤中氣體的含量