典型孔结构模型及分布

煤的液氮等温吸附实验原理符合孔隙材料吸附和凝聚的理论（严继民等，1979）。因此，可以根据煤的吸附和脱附曲线特征来判断孔隙的形态，从而确定不同的孔隙模型。通过对我国重点矿区内121件煤样的液氮吸附测试结果的分析发现，我国煤的吸附孔的典型（吸/脱附）曲线类型主要可分为四种典型类型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）和一种异常类型（V）。

类型Ⅰ以淮北煤田任楼矿8号煤层的RL8-1号（图2.22）为典型，该类样品的吸/脱附特点是：吸附线稳定上升，并在后半段上升速度加快；脱附线存在明显的滞后环，且在相对压力（P/P0）约为0.5处存在明显的急剧下降段（图2.22a）。类型Ⅰ所代表的孔隙结构以微孔发育为主，孔隙形态一般为口小肚大的“细颈瓶”型毛细孔。在吸附时，由于煤中的微孔发育，因此气体的吸附曲线比较平稳，并在相对压力接近1时发生凝聚现象，气体吸附量迅速增高；当相对压力降低发生解吸时，由于细颈里的凝聚液已将瓶体内的液体封住，尽管相对压力已近似达到与瓶体内半径相应的值，但它们还是不能蒸发出来，随着相对压力继续降低，细颈处开始蒸发，因气液界面为半球形，故发生蒸发时的相对压力与凝聚时不同，在细颈处就产生了吸附回线，待到细颈处液体蒸发完毕，相对压力远低于瓶体内吸附质蒸发时所要求的相对压力值，此时骤然蒸发出瓶中全部凝聚液（陈萍等，2001）。显然此类孔一定会产生吸附回线且回线形态具有一个急剧下降的拐点G（图2.22a）。据大量的实验分析发现，回线的拐点一般都在相对压力0.5附近。根据Kelvin方程，求得该压力点对应的孔径约为4nm，也就是说这种“细颈瓶”的瓶口半径一般在4nm。

图2.22 典型Ⅰ类吸附孔隙特征

具备类型Ⅰ曲线的煤岩样品一般比表面积和孔体积都较大，而平均孔径非常小，本研究中所测的比表面一般都在1.5m2/g以上，孔体积一般都在2.0mL/g以上，而平均孔径一般都在5nm左右。这是由于该类孔隙的比表面积和孔体积的贡献主要来自于微孔（图2.22b），而微孔具有非常高的比表面积和微孔体积。该类孔隙对煤层气的吸附和储集非常有利，但可能会增加煤层气解吸和扩散的难度。

类型Ⅱ以大同煤田王卞庄矿WBZ6号样（图2.23）为典型，该类样品的吸/脱附特点是：吸附线稳定上升，并在后半段上升速度加快；脱线存在明显的滞后环，但并未出现如类型Ⅰ的典型的平台段。类型Ⅱ所代表的孔隙结构以微孔发育为主，孔隙形态多为开放型的圆筒孔或平板孔。在吸附时，由于煤中的微孔发育，气体的吸附曲线比较平稳；当相对压力降低发生解吸时，由于开放型的孔隙会造成孔发生凝聚时的相对压力比发生蒸发时的要大的情况（陈萍等，2001），因此产生滞后回线。类型Ⅱ与类型Ⅰ的主要区别在于回线的形态和产生回线的原因不同。

图2.23 典型Ⅱ类吸附孔隙特征

具备类型Ⅱ曲线的煤岩样品一般比表面积和孔体积都较大，本研究中所测的该类孔隙的比表面积一般都在1.5m2/g以上，孔体积一般都在2.0mL/g以上，而平均孔径一般都在8nm左右，孔隙对比表面和孔体积的贡献主要来自于微孔（图2.23b）。该类孔隙为典型的透气性好的微孔隙，因此对煤层气的吸附、解吸和扩散均有利。

类型Ⅲ以沁水盆地沁新矿的QYQX2-3号样（图2.24）为典型，该类样品的吸/脱附特点是：吸附线在相对压力小于0.9时几乎不上升，而在相对压力接近1时急剧上升；脱附线始终和吸附线平行，并未出现滞后环。类型Ⅲ所代表的孔隙结构以小孔发育为主，微孔不太发育，孔隙形态多为一端封闭的平行板孔及尖劈形孔。这些孔形的孔发生凝聚和蒸发时，气液两相界面都是相同的半球状弯月面，因而凝聚与蒸发都在同一相对压力下进行，因此仅具此两种孔形结构的煤不会产生吸附回线。

图2.24 典型Ⅲ类吸附孔隙特征

具备类型Ⅲ曲线的煤岩样品一般比表面积和孔体积都较小，本研究中所测的该类孔隙的比表面积一般都在1.5m2/g以下，孔体积一般都在1.0mL/g以下，而平均孔径一般都在9nm以上，孔隙对比表面和孔体积的贡献主要来自于小孔（图2.24b）。由于小孔本身的比表面积和微孔体积都较微孔小，所以该类孔隙的吸附和储集能力弱，但是该类孔隙的透气性好，较有利于煤层气的解吸和扩散。

类型Ⅳ以平顶山煤田八矿BK4号样（图2.25）为典型，该类样品的吸/脱附与类型Ⅲ相似，但吸/脱附线相比类型Ⅲ上升/下降幅度大，同时吸/脱附线之间存在微弱的滞后环。类型Ⅳ所代表的孔为典型的“双峰”孔隙结构，即小孔和微孔含量均较高，两者对煤的比表面积和孔体积的贡献为在约0.3nm和50nm处先后出现两个峰值（图2.25b）。这种孔为透气性较好的平行板孔及尖劈形孔。

图2.25 典型Ⅳ类吸附孔隙特征

具备类型Ⅳ曲线的煤岩样品一般孔体积较大，而比表面积较小，同时两者的相关性非常差。对煤层气的解吸和扩散较来说，一方面这种孔隙的透气性好，有利于气体解吸；另一方面这种“双峰”孔隙结构会影响气体的扩散性能。对煤层气的吸附和储集来讲也存在两种情况：当微、小孔两种孔隙以微孔对比表面贡献较大时对煤层气的吸附有利，反之则不然。

另外，除以上四类常见的典型孔隙外，煤的液氮吸附实验中还发现其他复杂的孔隙类型。如某些煤的吸/脱附行为会出现随压力增高吸附量降低的“倒吸”现象，或随压力降低吸附量增加的异常现象，又如某些煤在同一相对压力点下会出现解吸量大于吸附量的反常现象，再如某些样品的吸/脱附曲线存在非常明显的的滞后环且最终回线并不能闭合等。如上所述的均是煤的液氮实验中的异常现象，说明这种异常复杂孔隙结构的煤已经给煤的吸/解吸附研究带来显著的影响。这里将所有这些异常的曲线类型归为第Ⅴ类。

根据上述分类模型，笔者对我国华北地区重点矿区的实测的吸附孔类型进行了归类分析，结果如表2.8，表2.9和图2.26所示。五个类型中，Ⅰ类、Ⅲ类和Ⅳ类在各矿区内较普遍，说明整个华北地区内煤的吸附孔隙类型较全：既存在以微孔为主的“细颈瓶”孔，又存在以小孔为主的一端封闭的平板状孔，同时还存在微孔和小孔两级发育的“双峰孔”；Ⅱ类孔仅在大同、淮南和淮北三个煤田发育，说明这种连通性好的微孔在整个华北地区各矿区内发育较少；Ⅴ类孔在焦作煤田和沁水盆地非常发育，反映这两个地区煤的微、小孔的孔隙结构非常复杂。大同煤田主要为Ⅰ类和Ⅱ类孔，说明该区内微孔非常发育；荥巩煤田、平顶山煤田、安鹤煤田和淮南煤田的Ⅳ类孔较多，说明该区煤的“双峰”孔特别发育，这种孔隙可能引起煤层气解吸的“瓶颈”问题。

图2.26 华北地区各矿区五类吸附曲线的样品数