Question

煤质特征及与煤层气富集

Answer 1

2.2.1 煤的变质程度与煤层气富集

影响煤层含气量的内在煤质因素有煤阶、煤质（显微组分）、水分和矿物质含量等，但最主要的为煤的变质程度，其次为煤的显微组分等。如鄂尔多斯盆地东缘地区石炭－二叠纪煤田，从北到南变质程度增高，在埋深等基本地质条件相当的情况下，北部长焰煤、气煤（R°＝0.56%～0.80%）的平均甲烷含量2.42m³/t，中部焦煤（R°＝1.2%～1.6%）为11.20m³/t，南部瘦贫煤（R°＝1.6%～2.0%）为16.97m³/t。又如我国著名的煤层气富集区（如晋城、焦作、阳泉、湘中、湘东南等）均分布在高变质的无烟煤地区，也反映了煤变质程度对煤层含气量的影响。

由于就煤的任何生气阶段都足以满足煤层的吸附气量，因此随煤变质程度增加，煤的累计生气量确实增大，但这并不是其含气量增高的主要原因。煤层含气量随煤变质程度增高而增大的原因主要有：①煤变质程度影响煤吸附气的能力，在其他条件相同时，煤层吸附能力随煤变质程度增高而增加（图2.18）；但是当煤层进入超变质阶段（无烟煤1号曲线）之后，吸附能力迅速下降，甲烷吸附量几乎为0（图2.19）。②煤阶是影响割理发育的主要因素，通常低煤阶的煤割理不甚发育，到烟煤阶系列时割理发育，并且割理面最密集的发生在低挥发分烟煤阶附近。煤在R°＝1.3%左右时，割理密度最大，约为60条/5cm。

Law等学者曾专题研究过割理间距（或割理频率），认为割理频率（割理数/线性单元）与煤阶存在函数关系。割理频率从褐煤到中等挥发分烟煤随煤阶升高而增大，然后到无烟煤时随煤阶上升而下降，形成一条钟形曲线（图2.19）。

值得注意的是，煤的变质程度除与其埋藏史有关外，局部热力作用（如火成岩活动）会加速一定区域煤层的热变质，鄂尔多斯盆地东部紫金山地区、沁水盆地南部地区和南方六盘水地区的煤层都是经受热变质的煤层。

2.2.2 韩城矿区煤质特征

2.2.2.1 元素分析

根据煤的元素分析资料，本区2^＃、3^＃、5^＃、11^＃精煤C_daf含量为80.06%～92.16%，一般为88.03%～91.10%。其中11^＃煤C_daf含量偏低，一般为80.06%～89.06%。各煤层的H_daf含量比较接近，变化在4.08%～4.40%。N_daf各煤层含量一般在1.5%以下，其中11^＃煤层为1.0%左右。各煤层C_daf含量一般为2.10%～2.70%。

图2.18 不同变质程度的煤岩吸附等温曲线变化特征

（据张胜利等，1997）

图2.19 不同煤阶甲烷吸附量演化图

（据赵庆波等，1997）

对比分析南北区元素分析资料，北区下峪口井田各煤层的H_daf、N_daf、O_daf含量一般略高于南区象山井田，其中H_daf含量平均高出0.19%，N_daf平均高出0.03%，O_daf平均高出0.15%左右。

2.2.2.2 工业分析

据煤的工业分析资料，研究区2^＃煤层原煤灰分为7.12%～38.9%，平均20.44%，3^＃煤层原煤灰分为4.79%～39.17%，平均18.96%；5^＃煤层原煤灰分为8.87%～37.78%，平均18.76%，11^＃煤层原煤灰分为5.28%～39.51%，平均23.38%。垂向上，不同煤层间相比，3^＃、5^＃煤层平均灰分最低，11^＃煤层平均灰分最高，2^＃煤层平均灰分介于两者之间；横向上，不同区域之间，各煤层灰分变化情况是，北区各煤层平均灰分均低于南区相应煤层。北区2^＃、3^＃及11^＃煤层平均灰分分别为9.93%，17.58%及22.36%，南区则分别为21.36%，21.22%及24.18%。

研究区2^＃煤层平均挥发分产率为17.08%，3^＃煤层平均为15.15%，5^＃煤层平均为13.28%，11^＃煤层平均为14.73%。不同煤层间，除5^＃煤层外，垂向上均具有自上而下挥发分产率降低的规律。横向上不同区域间相比，南区各煤层的平均挥发分产率均低于北区相应煤层。在南区2^＃、3^＃及11^＃煤层平均挥发分产率分别为16.01%，14.45%及13.74%，在北区则分别为17.45%，15.58%及15.91%。纵向上各煤层挥发分产率均具有随着煤层埋藏增加，由浅而深逐渐降低的趋势。

2.2.2.3 宏观煤岩特征

研究区煤均属腐植煤类的中高煤级烟煤。根据相对平均光泽类型划分煤岩类型，各煤层宏观煤岩特征如下：

2^＃煤层以半光亮型煤为主，部分井田出现光亮型煤区，半暗型煤和暗淡型煤含量少，这与显微煤岩定量的情况基本一致。具条带状结构，层状构造明显，具水平层理。

3^＃煤层以半亮型煤和暗淡型煤为主，其次为光亮型和半暗淡型煤。显微组分中，丝炭化组分和半丝炭化组分含量一般在10%左右，高于2^＃煤。在4303－2煤样中见到大量方解石细脉。

5^＃煤层主要是半光亮型煤，其次为暗淡型煤，具条带状结构，水平层理发育。在煤层的中下部断续分布有黄铁矿结核层。煤中方解石含量较高。部分样点方解石含量达5.40%。该煤层较为疏松。

不同井田11^＃煤层煤岩类型有所不同。在象山煤矿和下峪口矿以半光亮型煤为主，次为暗淡型煤，下峪口井田边部局部煤层以半暗煤为主；桑树坪矿以光亮煤为主，暗淡型煤次之；马沟渠煤矿，四种煤岩类型均有产出，半光亮型煤为主，次为半暗型、暗淡型和光亮型煤。11^＃煤层比较坚硬，可能与灰分含量偏高有关。

总之，2^＃、3^＃、5^＃煤层基本以半光亮型煤为主，其中象山井田较下峪口井田各煤层光亮型煤所占比例稍高。宏观煤岩特征在微组分上有较明显的反映。

2.2.2.4 显微煤岩特征

研究区太原组煤的显微组分以镜质组为主，惰质组次之，壳质组含量极少，矿物组分中黄铁矿含量较高。山西组煤的显微组分同样以镜质组为主，但矿物组分中黄铁矿含量较少，而石英、粘土等矿物含量较高。

矿区不同煤层和不同区域煤的显微组分存在一定差异。南区3^＃煤层，镜质组平均含量87.01%，其中以无结构镜质体为主，结构镜质体很少，并见有粘土充填。丝质组和半丝质组平均含量7.25%，此外还含有少量的粗粒体和碎屑丝质体，一般含量均在1%以下，未见壳质组分。5^＃煤层镜质组平均含量为83%，以无结构均质体为主，半丝质组、丝质组含量为7.1%，并以结构丝质体为特点，胞腔的长轴为0.04～0.12mm，胞腔中部分为粘土矿物充填，碎屑丝质体极少。11^＃煤层镜质组平均含量为78.10%，丝质组、半丝质组平均含量为10.75%，粘土矿物含量少。综观南区各煤层，镜质组含量以3^＃煤层最高，次为5^＃煤层，11^＃煤层相对最低，相反，丝质体含量11^＃煤层最高。

北区2^＃煤层镜质组平均含量为84.85%，丝质组和半丝质组含量为4.74%，镜质体主要以无结构镜质体为主，半镜质体和丝质体多具结构细胞特征，在相当多的煤光薄片中，观察到排列整齐的细胞组织，细胞壁呈亮黄色，胞腔中见有粘土充填物，3^＃煤层镜质组含量平均85.19%，以无结构镜质体为主，丝质组和半丝质组含量为3.3%，大部分为碎片状，在部分煤样中还含有很少量的粗粒体、碎屑丝质体和极少量的壳质组。粗粒体呈椭圆形，内部不显结构，含量1%左右。碎屑丝质体常呈棱角状碎片，含量约为1.2%，壳质组含量极少，在少数煤样中可见到大孢子，含量仅0.2%。此外，还观察到浑圆体和单孢菌类体等。无机组分中，方解石含量较高，达4%～8%，呈脉状形式存在。11^＃煤层镜质组含量平均为80.51%，次为丝质组和半丝质组，含量平均为7.19%，粗粒体含量极少。无机组分中，粘土呈分散状态存在，黄铁矿以颗粒分散状态分布，颗粒平均粒径3.1μm左右。

综观北区各煤层镜质组含量以3^＃煤层最高，次为2^＃煤层，11^＃煤层相对较低。

从南北区对比来看，各煤层均由镜质组（包括半镜质组）及丝质组（包括半丝质组）组成。其中以镜质组为主要成分，含有极少量的壳质组和粗粒体。壳质组含量极低与本区煤层有机显微组分处于中高煤级演化阶段，壳质组分解消失有一定关系。从3^＃和11^＃煤层来看，3^＃煤层在南区的镜质组平均含量略低于北区，相反丝质体含量略高于北区。11^＃煤层正好相反，镜质体平均含量为北区高南区低，丝质体为南区高，北区低。

此外，据对北区受构造作用较显著的3^＃煤层煤样镜下观察，这类煤中残留的细胞被压偏拉长，呈定向排列，细胞长轴平均9.3～12.4μm。最长达124μm，被粘土矿物充填。还可观察到挤碎的棱角状丝质体和半丝质体碎片，这可能成为北区构造强烈部位煤层气渗透性降低的原因之一。

2.2.2.5 煤岩显微组分反射率

煤岩显微组分的反射率受煤化程度和煤岩组分的控制。随着煤化程度的加深，煤镜质体逐渐增大，煤的光学异向性增强。即使在同一煤级的煤中，由于不同的显微组分在化学组成和结构上的不同，它们的反射率值也存在差异。下面分区介绍煤岩显微组分反射率的变化情况。

南区象山井田，煤镜质组平均最大反射率为1.68%～1.81%，最小值1.39%，最大值2.40%，标准差0.12%。与国内同类煤岩组分反射率标准值R°_max相一致。丝质组最大平均反射率为2.32%～2.80%，最小值1.95%，最大值3.28%，标准差0.14%。马沟渠井田煤岩镜质组平均最大反射率为1.56%～1.83%。总体南区各煤层煤岩镜质组平均最大反射率变化不大。

北区下峪口井田，煤岩镜质组平均最大反射率为1.39%～1.73%，最小值1.32%，最大值1.89%，标准差0.07%；丝质组平均最大反射率为2.29%～2.38%，最小值为1.90%，最大值为2.76%。桑树坪井田，镜质组平均最大反射率为1.50%～1.63%，最小值为1.35%，最大值为1.99%。燎原井田镜质组平均最大反射率为1.49%～1.84%，最小值 1.20%，最大值 2.05%，标准差为 0.11%。北区镜质组平均最大反射率为1.49%～1.84%，最小值1.20%，最大值2.05%，标准差为0.11%。总体北区镜质组平均最大反射率低于南区，而且由下峪口井田向桑树坪井田方向煤岩镜质组反射率逐渐变小。

从理论上分析，镜质组反射率值在1.30%～2.0%的范围内，有可能形成有工业价值的煤层气藏。对于南区的象山和北区的下峪口井田，煤岩镜质组反射率虽有差异，但各煤层镜质体反射率均处在这个范围内，具有较好的产气条件。丝质组反射率对研究煤层气没有直接的关系，但它与镜质组反射率的变化有明显的一致性，因此，丝质组反射率可作为煤层气评定的参考数值。

2.2.2.6 显微组分与孔隙特征

在煤化作用过程中，煤的孔隙率、孔容、内表面积等有关参数均发生有规律的变化。从总的变化趋势看，孔容、中孔、大孔体积随变质程度的增高而降低，微孔和小孔体积的内表面积逐渐增高。在中高煤级阶段的焦、瘦、贫煤段，镜质组反射率R°_max处在1.30%～2.0%的范围内，显示出煤的微、小孔发育，内表面积增大的特点。

在煤岩组分中，丝质组分含量越高，煤的孔隙率越大。同时孔隙率还取决于丝质组胞腔结构的保存情况和被其他物质的充填程度。从丝质组分胞腔结构看。细胞胞腔在构造作用下被定向拉长，且排列整齐，胞腔仅有少部分被粘土充填，这种残留结构在3^＃、5^＃煤中多个样点被观察到。由于北区下峪口井田3^＃煤层丝质组含量高于南区象山井田，因此，北区3^＃煤层中孔和大孔孔隙率较南区大。镜质组在中高煤级段以小孔、微孔为主，南区象山井田3^＃煤镜质组含量高于北区，预计南区3^＃煤层小孔和微孔孔隙率较北区大。南区5^＃煤与北区2^＃煤显微组分含量相近，但均低于南区3^＃煤层镜质组含量，故它们的孔隙率应较南区3^＃煤层为高，本区壳质组含量极少，壳质组孔隙不发育。一般丝质组分具有好的细胞腔通道，当被无机组分充填或被破坏，有可能成为不利于气体流动的因素。北区可能具有这类不利因素。

无机组分对孔隙的影响不可忽视，煤中的矿物组分主要充填于大孔和中孔中，对微孔和小孔影响不大。本区煤中矿物组分主要是粘土矿物，其次为黄铁矿和方解石。粘土矿物以分散的形式存在，胞腔中可观察到部分粘土充填。黄铁矿以星点状分布在煤中，对孔隙充填影响较小。方解石以微细脉状充填于后生裂隙之中，对细胞腔几乎没有影响。本区11^＃煤层灰分含量较其他煤层为高，故灰分对11^＃煤层渗透性的不良影响要较别的煤层为大。