发布时间 : 星期日 文章煤化学 第六章 煤的物理性质和物理化学性质更新完毕开始阅读d176308485868762caaedd3383c4bb4cf7ecb74d
渐增高的过程。变质作用过程中，煤分子链间形成的孔隙称为链间孔，是凝胶化物质在变质作用下缩聚而形成的链与链之间的孔，其尺度范围大体为O.01～0.1μm(小孔级为主)。在SEM万倍以上时观察，链间孔无固定形态，大小及分布都比较均匀，其中常有1μm左右的中孔或大孔。
(3)外生孔
煤固结成岩后，受各种外界因素作用而形成的孔隙称为外生孔。外生孔主要有角砾孔、碎粒孔和摩擦孔。角砾孔是煤受构造破坏而形成的角砾之间的孔。角砾呈直边尖角状，相互之间位移很小或没有位移，角砾孔的大小以2～10 μm居多。原生结构煤和碎裂煤的镜质组中角砾孔发育较好，局部连通性比较好。
碎粒孔是煤受较严重的构造破坏而形成的碎粒之间的孔。碎粒呈半圆状、条状或片状，碎粒之间有位移或滚动，碎粒大小多为5～50 μm，其孔隙大小为O 15～5 μm。碎粒孔体积小，易堵塞。碎粒孔占优势的煤层，煤体破碎严重，影响煤储层渗透性。
摩擦孔是煤中压性构造面上常有的孔隙，它是在压力作用下面与面之间相互摩擦和滑动而形成的孔。摩擦孔有圆状、线状、沟槽状、长三角状等形状，且常有方向性，孔边缘多为锯齿状，大小相差悬殊，小者1～2 μm，大者几十或几百微米。摩擦孔还常与擦痕伴生，二者的方向有一致的，也有不一致的。摩擦孔仅局限于二维构造面上，空间连通性差。
(4)矿物质孔
由于矿物质(包括晶质矿物和非晶质无机成分)的存在而产生的各种孔隙统称为矿物质孔。孔的大小以微米级为主，常见的有铸模孔、溶蚀孔和晶间孔。铸模孔是煤中原生矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑。溶蚀孔是煤中可溶性矿物质(碳酸盐类、长石等)在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔。晶间孔指矿物晶粒之间的孔，有原生的，也有次生的。裂面和滑面上的次生方解石、白云石、菱铁矿、高岭石和石英等常发育有晶间孔或溶蚀孔。次生矿物晶间孔和溶蚀孔的发育是煤层水文地质环境的反映，也是煤储层渗透率的反映。矿物质在煤中含量有限，矿物质孔只有少数矿物质发育，数量很少，对煤储层性能影响不大。
在漫长的地质历史中，煤的物理化学性质在变化，煤储层中的孔隙也在演化。孔隙的成因类型不同，促使其演化的因素也不同。原生孔在煤的低变质阶段保存较多，随着变质程度的加深或构造作用的破坏，原生孔发生变形、缩小、闭合乃至消失等变化，原生孔不能再生。变质孔随变质条件和变质程度的变化而变化，如SEM下的中孔～大孔级气孔，起初可能只有几或几十纳米，随着煤层生气量的增加和气体在煤层内部的聚集，气孔由小变大。像原生孔一样，早先的气孔在后期外力作用下，同样会变形、缩小、闭合;当发生二次生气作用时，又会出现新的气孔。低煤级煤中的链间孔大于高煤级煤，链间孔随煤级的升高逐渐向分子结构孔演化。外生孔主要与构造作用力相关，在构造变形轻微的煤中，角砾孔占优势，对提高煤储层渗透率有利。随着煤层构造变形程度的加深，角砾变为碎粒或糜棱岩，孔隙减小或被堵塞，从而降低煤层的渗透率。
2.煤孔隙度
煤孔隙度是指煤中孔隙体积占煤总体积的百分比。孔隙度大小影响煤储层储集气体的能力。与常规天然气储层孔隙度相比，煤的孔隙度较低，前者一般为10%～20%，后者一般小于10%。需提及的是，在围岩压力增加时，煤的孔隙度由大变小。
3.煤孔隙结构
煤孔隙结构是指煤储层所含孔隙的大小、形态、发育程度及其相互组合关系。表征煤孔隙结构的基本参数是:孔径分布、比孔容、比表面积、孔隙度和中值孔径等。煤中孔隙的形态千姿百态，人们常把孔形简化成\柱状\，用\孔径\表示孔的大小。国际纯化学与应用化学联合会(IUPAC)采用\孔宽\一词表征多孔物质内孔的大小。
(二)煤的孔隙结构的测试方法
目前比较常见的测试方法有扫描电子显微镜技术、密度法、压汞法和吸附法。采用扫描电子显微镜技术，可以观察到一些微米级的孔隙，可以进行孔的形态描述和成因分类。密度法采用较早，它是通过测量煤的真相对密度和视相对密度，取二者的倒数差来求得煤的孔隙度的。但扫描电子显微镜技术、密度法都不能定量描述一定孔径范围的孔隙特征。压汞法和吸附法测试技术已经成熟，而且精度高，能定量得到一定孔径范围的有关孔隙大小、孔隙分布、孔隙类型等方面的信息，因而目前被广泛使用。
压汞法的基本原理是:汞在无外界压力条件下是不能进入煤的孔隙中的，随着压力的增大，汞克服了表面张力产生的阻力而进入大小不同的孔隙中，汞压力(p)与其所能进入的孔隙半径(r)之间的关系符合Washburn方程:
σ——汞的表面张力; θ——汞与煤的接触角。
吸附法是利用低温氮(液氮)的吸附—凝聚原理:通常采用77 K氮气的吸附来测出煤的比表面积和孔径分布，如煤炭科学研究总院抚顺分院从美国引进的ASAP-2000型微孔测试仪，可测量煤中更微小的孔，最小孔的孔直径达0.6 nm左右，但其所能测到的最大孔的孔径一般只能达到100～150 nm。
孔的大小分类方案很多，常见的主要分类方案见表6-7。国际纯化学与应用化学联合会(IUPAC)的分类在化学界应用较为普遍。苏联学者霍多特提出煤孔隙大小分类方案是在工业吸附剂的基础上提出的，我国研究者多引用霍多特的分类。不同分类方案的区别在于所规定的各种孔径的大小范围有异。
式中
鉴于压求法和吸附法测试方法依据的原理不同，二者测量出的结果不可对比，也不可把两种方法所能测量的孔径范围连起来，组成一套测量结果，所以这两种方法的测试结果不能连在一起形成统一的分类方案。由于孔并不都是柱状的，故采用\孔宽\相当孔直径)表示孔的大小，同时，采用法定计量单位纳米(nm)为计量单位，代替习惯使用的埃(A)。 (三)煤的孔隙与煤化程度的关系
煤中孔隙的孔径分别用Vmac、Vmes和Vmic表示大孔、中孔和微孔，总孔容用Vt，表示。煤中孔容积的分布与煤化程度的关系可参考表6-8中的数据(IUPAC法分类)。
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从表6-8中的数据可以看出
(1)随煤化程度的加深，总孔容积呈下降趋势，到碳 含量大于88%以后，煤的总孔容积又有所提高，孔隙率与煤化程度的关系如图6-15所示。
(2)碳含量小于75%的褐煤，大孔占优势;碳含量为75%～82%之间的煤，中孔、微孔明显增加;碳含量为88%～91%的煤，微孔占优势。
年轻煤中的孔隙主要是由胶体孔隙转化而来的，由于成煤作用中受到的压力较小，孔径也就较大;到了中等煤化程度的煤，由于煤化作用，分子结构的变化会使分子趋于紧密，因而孔隙会减小;到了高煤化程度的无烟煤，煤分子缩聚加剧，使煤的体积收缩，由于收缩不均，产生的内应力大于煤的强度时，就会在局部形成裂隙，这些裂隙基本以微孔为主。
煤和焦炭等的孔隙率对其反应性有重大影响。一般泥炭、褐煤的孔隙率很大，而中等变质程度的煤孔隙率为4%～5%，无烟煤块为2%～4%。一般型煤的孔隙率为14%～27%，焦炭的孔隙率为45%～55%，型焦的孔隙率为20%～30%，木炭的孔隙率为70%。
二、煤裂隙
煤裂隙是煤受各种地质应力的作用所形成的自然裂缝，按成因可分为内生裂隙和外生裂隙。
内生裂隙:煤化作用过程中，煤中凝胶化物质受温度和压力的影响，体积均匀收缩产生内应力，从而形成的裂隙。它主要出现在光亮煤和镜煤条带中，其特点是:①垂直或大致垂直层理;②裂隙面较平坦，常伴有眼球状的张力痕迹;③有裂隙方向大致相互垂直的两组，其中一组较发育为主要内生裂隙组，另一组稀疏为次要内生裂隙组;④在中变质烟煤中最发育，而在褐煤和无烟煤中不发育。由于内生裂隙的发育与煤变质程度有关，光亮煤条带单位长度中的内生裂隙数目可作为煤变质程度的标志。
外生裂隙:煤受构造应力作用产生的裂隙。其特点是:①发育不受煤岩类型限制，可切穿几个煤岩分层;②以各种角度与煤层层理斜交;①裂隙面上常有波状、羽毛状擦痕;④外生裂隙有时沿袭内生裂隙重叠发生。
在煤层内存在着孔隙和裂隙两个系统。孔隙系统发育在煤岩基块中，其容积占煤孔隙和裂隙总容积的绝大部分，是煤层气吸附储集的主要空间。天然裂隙系统是煤中流体(液、气
体)渗透的通道。由于双孔隙系统的存在，煤中气体的运移有两种机制，即在基块中的扩散以及在裂隙系统中的渗透。
三、煤的比表面积
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煤的比表面积是指单位质量煤中孔隙的表面积，常以m/g为单位。煤中孔径小于10 nm的微孔的比表面积在总比表面积中占有的比例最大，用不同方法测量比表面积的结果是不一样的。
煤的比表面积是煤内部孔隙表面积的反映。测定煤比表面积最简单的方法是甲醇润湿热法，这一方法误差较大，已不再使用。现在多用吸附法测定煤的比表面积，常用的吸附介质是氮、氦、氪、氙和二氧化碳。吸附介质不同时，测定结果差别很大，见表6-9。
表6-9中的数据表明，氮吸附测定的比表面积值最小，二氧化碳吸附测定的结果最高。从孔的可接近性和扩散活化能来看，多数人认为-78 ℃下用二氧化碳测定的结果较为可靠。
四、煤的眼附性能
煤是一种多孔隙并有很大内表面积的物质，对气体有较强的吸附能力。在微孔(直径约小于2 nm)内，气体分子还可呈\容积充满\状态，即\固溶\状态。在同一煤层内，煤层气各组分中二氧化碳被吸附的能力强于甲烷，更强于氮;重烃的被吸附能力也强于甲烷。以极性键与煤结合的水分子比煤对甲烷的吸附具有更强的作用力。煤中水的含量增加可使气体吸附量减少。当被吸附的气体分子的热运动动能足以克服吸附引力场的作用时，可回到游离气相，并吸收热量，这一过程称为解吸。吸附和解吸互为可逆过程。通常采用煤对甲烷的吸附等温线(见图6-16)表征煤对甲烷的吸附特征，并常用朗缪尔(Langmuir)方程描述吸附等温线。煤层气开采过程中通过排水降压，使吸附气解吸成为游离气产出。
复习思考题
1.煤的密度有哪几种表示方式?其含义有何区别? 2.煤的密度随煤化程度有何变化规律?为什么?
3.煤的硬度有哪几种表示方法?
4.煤的显微硬度随煤化程度有何变化规律?为什么? 5.煤的热性质有哪些?
6.煤的导电性和介电常数随煤化程度有何变化规律?为什么? 7.什么是煤的透光率?它有何用途?
8.煤的润湿性随煤化程度有何变化规律?为什么? 9.煤的润湿热主要与哪些因素有关?
10.煤的孔隙度随煤化程度有何变化规律?为什么? 11.煤孔隙的成因有哪几种?