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第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 3. Zhujidong Mine, Huainan Mining Group Company Ltd., Huainan 232000, China; 4. Central Plains Economic Zone Coalbed Methane Cooperative Innovation Center of Henan Province, Jiaozuo 454000, China Abstract The pore and fracture of coal are the deposit space and channels used for migration and output of coalbed methane. In this paper, we studied the characteristics of pore and fracture and uated occurrence characteristics and permeability of coalbed methane in Fukang mining area through the s of macroscopic and microscopic analysis of coal and rock, mercury injection and pore structure analysis of coal. The results show that the micro-pore of Fukang mining area is large and it is conducive to the adsorption and desorption of coalbed methane. Fracture development has the character of heterogeneity that the fracture in the west of Fukang mining area is the most developed, followed by the east, not developed in the center. Vitrinite increase results the increment of small and micro pores of coal, and it is conductive to absorption of CBM. The porosity is controlled by mesopore volume. The porosity of coal in Fukang mining area tends to increase with vitrinite reflectance. The results have some theoretical significance for the exploration and development of coalbed methane in Fukang mining area. Keywords Fukang mining; pore; fracture; mercury intrusion 煤的孔隙与裂隙特性直接影响煤层气的赋存、运 移和产出[1-2]， 因此研究和认识煤层的孔隙与裂隙对煤 层气的勘探开发具有重要意义。前人对煤层孔隙与裂 隙系统的研究主要集中在高、中煤级煤方面[3-4]， 而针 ChaoXing 第 2 期 李月云等 阜康矿区煤的孔隙与裂隙特征 81 对我国低煤级煤层孔隙裂隙特征研究的较少，准噶 尔盆地侏罗系是我国重要的低煤级煤储层，其煤层 气的富集成藏特征和粉河盆地煤层气富集成藏特征 颇为类似[5]。研究阜康矿区煤层孔隙与裂隙特征， 是对准噶尔盆地储层物性资料的补充[6-7]，也为低煤 级煤储层煤层气的勘探开发提供参考。 1 研究区概况 阜康矿区位于准噶尔盆地南缘新疆阜康市， 全区 呈东西向展布图 1， 东西长 57 km， 南北宽 315 km， 总面积约 307.92 km2。区域构造上，燕山运动和喜 山运动使区内侏罗纪发生强烈的挤压作用， 压扭性、 挤压性断层、褶皱发育[8-9]。阜康矿区是重要的煤炭 基地，主要煤系为侏罗系八道湾组和西山窑组，发 育煤层 1745 层，煤层厚度 44.3168.48 m，其中可 采煤层 47 层。预测煤层气资源量 450 亿 m3，可抽 采量 200 亿 m3，具有广阔的开发前景[10]。 图 1 阜康矿区构造纲要图及矿井分布 Fig.1 Structure outline map and coal mine distribution in Fukang mine area 2 阜康矿区煤的孔隙特征 依据霍多特的分类方案[11]对孔隙特性进行研 究，即微孔＜10 nm、小孔10100 nm、中孔 1001 000 nm、大孔＞1 000 nm。傅雪海等[12]、 吴俊等[13]指出，微孔是煤中气体的主要吸附空间， 小孔是毛细管凝结和气体扩散的空间， 气体的缓慢层 流渗透主要集中在中孔里， 而大孔则是气体形成强烈 层流运动的空间。 微孔和小孔是煤层气吸附、扩散的 主要空间；大孔和中孔是煤层气渗流的主要通道。 2.1 样品处理与压汞实验 样品采自阜康矿区的气煤一井QM、三工建 江煤矿SG、新世纪煤矿XSJ、五宫煤矿WG、 晋泰二矿JT、西沟二矿XG、金塔大黄山煤矿 JT图 1。将采集的样品磨制煤岩显微光片，进 行煤岩显微裂隙观测、镜质体最大反射率测定， 用于压汞实验的样品测试前经过恒温干燥，并碎 裂至 2 mm 左右。 压汞实验仪器是美国麦克公司生产的自动压汞 仪器，测试方法按标准 GB/T21650.12008压汞 法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度 执行，编号为 1、2、9 的样品压汞测试在河南理工 大学实验室完成，压汞仪型号为 IV9500V1.07最大 压力为 200 MPa，其余样品的测试在中国矿业大学 实验室完成压汞仪型号为 IV9500V1.09最大压力为 400 MPa。煤样的孔容、比表面积、孔隙度和渗透 率和孔结构的测试和分析方法依据张大伟[14]的测试 方法进行。分析结果见表 1。 2.2 孔隙结构特征 从表 1 中可以看出，阜康矿区煤层的比表面积为 825.45 m2/g， 平均18.67 m2/g； 孔容为0.035 40.069 1 cm3/g， 平均 0.05 cm3/g；孔隙率平均值为 5.68，以微孔和 表 1 孔容和比表面积及压汞实验结果 Table 1 Results of pore volume, surface area and pressure mercury 不同孔径孔容所占比例/ 样品编号 孔容/ cm3g-1 比表面积/ m2g-1 Rmax/ 镜质组/ 孔隙度/ 渗透率/ 10-3μm2 大孔 中孔 小孔 微孔 1 0.053 8 8.426 0.46 71.3 5.96 2.30 10.27 8.22 43.15 38.36 2 0.061 4 10.812 0.67 45.6 6.88 8.08 18.56 43.23 30.13 3 0.066 8 24.548 0.68 47.8 7.57 7.30 19.69 25.64 47.37 4 0.069 1 25.449 0.69 50.8 7.78 5.67 22.52 28.19 43.62 5 0.049 5 22.67 0.52 88.3 5.57 1.45 8.72 8.03 27.06 56.19 6 0.044 7 22.918 0.51 86.2 5.04 0.90 3.58 6.92 30.31 59.19 7 0.047 1 23.867 0.69 45.6 5.31 0.32 4.40 6.02 29.86 59.72 8 0.044 0 19.452 0.64 64.74 5.50 2.85 12.03 7.77 27.32 52.88 9 0.042 4 8.008 0.65 82.4 4.76 1.10 12.59 6.47 42.45 38.49 10 0.037 1 19.018 0.65 81.2 4.48 0.02 3.78 5.23 30.81 60.17 11 0.035 4 17.102 0.65 83.1 4.62 0.84 7.59 5.70 28.80 57.91 12 0.040 3 21.751 0.46 72.5 4.64 0.01 3.85 4.62 30.51 61.03 平均值 0.05 18.67 0.61 69.99 5.68 1.09 7.32 9.98 32.28 50.42 注孔隙类型的孔径范围，微孔＜10 nm、小孔 10100 nm、中孔 1001 000 nm、大孔＞1 000 nm 小孔所占比例最大图 2，中孔和大孔所占比例很 小。与前人对低阶煤孔隙的研究结果[15]对比，阜康 矿区煤层微孔和小孔发育，有利于瓦斯吸附以及煤 层气的聚集。 ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 2 阜康矿区煤层孔隙类型和分布 Fig.2 Porosity type and distribution of Fukang mining area 2.3 煤层孔隙发育的控制因素 煤中不同显微组分孔隙的发育程度有较大差 别，在镜质组中以小孔和微孔为主，阜康矿区 7 个 煤矿镜质组的体积分数平均为 69.99。对测试数据 分析发现，微小孔隙的发育程度随着镜质组含量的 增高而增高，这说明煤层中镜质组的含量对微孔和 小孔具有控制作用图 3。 对数据进一步研究发现，煤的孔隙度与中孔含 量相关性较强，与其他因素的相关性较差，孔隙度 随着中孔含量的升高明显增大图 4， 说明中孔对孔 隙度具有控制作用。观察表 1 数据发现，阜康矿区 图 3 微小孔与镜质组体积分数的关系 Fig.3 The influence of micro-pore on Vitrinite 图 4 孔隙度与中孔体积分数的关系 Fig.4 The influence of mesopore on porosity 主采煤层的孔隙率随着反射率的增大呈上升趋势， 即随着煤化程度的加深，煤样中的孔隙孔容增大。 2.4 比表面积分布特征 假设煤中孔隙为圆柱形孔，从孔容分布可以计 算比表面积分布。根据 Rootare 等[16]的研究，应用 孔模型可从压力-体积曲线计算出进汞孔的比表面 积。通过软件计算得到不同孔径比表面积结果表 2。 表 2 不同孔径比表面积分布特征表 Table 2 The distribution characteristics of the different pore surface area table 区域 样品编号 大孔 中孔 小孔 微孔 1 0.05 0.47 30.42 69.06 2 0.06 1.29 29.36 69.29 3 0.00 0.87 9.31 89.81 4 0.00 1.08 11.27 87.65 西部 5 0.00 0.24 10.15 89.61 6 0.00 0.25 10.78 88.97 7 0.00 0.21 11.04 88.75 中部 8 0.03 0.27 10.91 88.79 9 0.36 0.02 27.91 71.71 10 0.00 0.15 11.25 88.59 11 0.00 0.19 11.10 88.70 东部 12 0.00 0.16 11.16 88.68 平均值 0.04 0.43 15.39 84.13 根据表2中数据绘制直方图5， 从图中可以看出， 在不同孔径的分布中， 微孔的比表面积远大于其他孔 径的比表面积， 比例大于 69； 其次小孔比例为 10 左右；大孔和中孔比表面积所占的比例最小。 煤中甲烷主要以吸附状态存在于煤层中，比表 面积直接影响煤中甲烷的吸附性。 3 阜康矿区煤储层裂隙发育特征 3.1 外生裂隙发育特征及分布 根据行业标准 MT/T 9682005 煤裂隙描述方 法将阜康矿区煤储层裂隙划分为巨型、大型、中 型、小型、微型 5 种裂隙规模。八道湾组煤层分布 于整个阜康矿区， 而西山窑组煤层主要分布于西部。 图 5 孔比表面积分布直方图 Fig.5 The distribution histogram of pore surface area 根据井下观察记录表 3，八道湾组煤层外生裂 隙常见大型与中型裂隙，以剪裂隙为主。矿区西部八 道湾煤层裂隙组合以平行排列为主，连通性中等，裂 隙发育；中部八道湾煤层以短裂纹状、孤立分散的裂 ChaoXing 第 2 期 李月云等 阜康矿区煤的孔隙与裂隙特征 83 隙组为主，裂隙连通性差；东部八道湾煤层主要以平 行排列和网状裂隙为主，连通性中等，裂隙较发育。 阜康矿区东中西部地质构造、煤体结构、煤岩成分等 有差别，八道湾组煤层外生裂隙发育程度东部大于西 部和中部。 表 3 煤层裂隙发育程度评价表 Table 3 uation of fracture development in coal seams 区域 密度/ 条cm–1 长度/m 裂隙级别 连通性 裂隙发育 程度 0.3 1 巨型 中 发育 0.2 1 中型 中 发育 0.6 1 中型 中 极发育 东部 0.6 1 小型 中 发育 3.2 内生裂隙发育特征及分布 从阜康矿区 13 个矿井井下取样， 并进行煤岩宏 观观测，观测结果如表 4 所示。 煤体结构Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类分别为原生结构煤、 碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤。阜康矿区八道湾组煤层 煤化程度为气煤至气肥煤，宏观煤岩类型以光亮型 为主，内生裂隙较发育。西山窑组煤层主要集中在 矿区西部，其煤层煤化程度为长焰煤至气煤，内生 裂隙发育，总体以光亮型煤为主。 由表 4 可知，西山窑组煤层内生裂隙密度大于 八道湾组煤层。 矿区中部八道湾组煤层条带不清晰， 裂隙连通性不好，中部很多煤矿无法计量内生裂隙 密度。 八道湾煤层较西山窑煤层处在地层更深部位， 受到更强烈的垂直和水平地应力作用，内生裂隙被 压实，裂隙密度、宽度和长度减小。 表 4 阜康矿区煤样宏观观测结果表 Table 4 The macroscopic observations of coal samples of Fukang coal mine area 地层 区位 煤岩 类型 煤体结构 连通性 内生裂隙密度/ 条10cm-1 光亮煤 Ⅰ 好 30 半暗煤 Ⅱ 中 51 半暗煤 Ⅱ 差 36 半暗煤 Ⅱ 差 30 西山 窑组 西部 光亮煤 Ⅰ 好 30 半亮煤 Ⅱ 中 中部 半亮煤 Ⅱ、Ⅲ 中 西部 光亮煤 Ⅱ 好 20 光亮煤 Ⅰ 好 34 光亮煤 Ⅱ 好 11 半亮煤 Ⅱ 好 5 半亮煤 Ⅱ 差 八道 湾组 东部 半亮煤 Ⅱ 好 50 3.3 显微裂隙发育特征及分布 显微裂隙观察所用实验仪器为 Axioskop40 偏 光显微镜， 煤岩光片制备依据GB/T 167732008 煤 岩分析样品制备方法完成，且在样品抛光后，放 置干燥器中干燥 10 h。煤样显微裂隙观测结果如 表 5 所示，从表中可以看出，阜康矿区煤储层显微 裂隙以张性裂隙为主，为构造应力产生的裂隙。西 山窑组裂隙宽度在 121 μm，且裂隙密度较密，其 中 1 号样品中，局部裂隙宽度达到 21 μm，但填充 物较多，连通性中等，2 号构造煤样品虽然无填充 物，但是裂隙大多隔断，孤立分散，连通性较差。 表 5 显微裂隙统计结果 Table 5 The statistical results of micro-fractures 样品 编号 地层 区位 镜质组体积分数/ 密度/条cm-1 宽度/μm 填充情况 连通性 1 西部 50.2 100 121 少量填充局部填充较多 中 2 西山 窑组 西部 52.3 灰分大、分布不均、不便统计 38 极少量 差 3 西部 77.8 140 110 少量填充 中 4 西部 88.3 180 16 基本无填充 中 5 中部 45.6 60 14 无填充 差 6 东部 82.4 80 16 少量填充 中 7 八道 湾组 东部 72.5 71 224 局部填充较多 中 八道湾组煤储层裂隙密度为 60180 条/cm，平 均 110 条/cm，其中 3 号和 4 号煤样的裂隙密度分 别为 140 条/cm 和 180 条/cm。 矿区东部裂隙宽度大于 西部，其中 7 号煤样的局部裂隙宽度达到 24 μm，但 密度小于西部， 且东部煤层显微裂隙中填充物较多， 裂隙连通性和西部差不多，为中等。这说明，阜康 ChaoXing 84 煤田地质与勘探 第 45 卷 矿区东部和西部的裂隙发育程度总体较高，煤储层 的渗透性较好，有利于煤层气的开发。而煤中填充 物质对裂隙发育不利，降低煤储层裂隙的连通性。 4 结 论 a. 阜康矿区煤层微孔和小孔发育，孔容和比表 面积较大，有利于煤层气的吸附和解吸。本区裂隙 发育具有非均质性，矿区西部裂隙最为发育，东部 次之，中部不发育。 b. 煤岩组分中镜质组的增加会使微小孔增多， 有利于煤层气的吸附；中孔孔容对孔隙度具有控制 作用。 c. 阜康矿区煤层的孔隙率随着镜质体反射率 的增大呈增大的趋势，即随着煤化程度的加深，煤 样中的孔隙、孔容增大。 d. 八道湾组煤层全区发育， 煤层内生裂隙主要 受煤化程度的控制，外生裂隙发育程度受地质构造 的控制，区域上有规律性的变化。 参考文献 [1] 吴建国，汤达祯，李松，等. 云南恩洪地区煤储层孔裂隙特征 及孔渗性分析[J]. 煤田地质与勘探，2012，40429–33. 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