煤层组成及孔裂结构
煤层气开发地质学理论与方法
第一章绪论主要内容：本章主要论述了煤层气开发地质学研究的目的与意义，以及煤层气勘探的开发的现状。
从多个方面分析了我国煤层气的储量、勘探、开发等情况，深入细致的描述了目前我国使用煤层气、利用煤层气的状况，同时也对未来我国煤层气开采的发展和利用做了一定的分析和研究。
第二章煤的物质组成及其基本物理化学性质主要内容：一、煤的物质组成1、煤储层固态物质组成（1）宏观煤岩组成煤是一种有机岩类，包括三种成因类型：①主要来源于高等植物的腐殖煤；②主要由低等生物形成的腐泥煤；③介于前两者之间的腐殖腐泥煤。
宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成的单位，宏观煤岩组成是根据肉眼所观察到的煤的光泽、颜色、硬度、脆度、断口、形态等特征区分的煤岩成分及其组合类型。
（2）显微煤岩组成显微煤岩组成包括有机显微组分和无机显微组分—矿物质。
在光学显微镜下能够识别的煤的基本有机成分，称为有机显微组分，是由植物残体转变而来的显微组分。
无机显微组分指显微镜下观察到的煤中矿物质。
2、煤中的水和气（1）煤中的水煤中的液相是指存在的水。
煤中水存在于煤孔隙—裂隙中，其形态分为液态水、固态水（2）煤中的气煤层中赋存的气态物质就是煤层气，主要化学组分为甲烷、二氧化碳、氮气、重烃气等。
二、煤化作用及煤层气的形成1、煤化作用成煤作用是原始煤物质最终转化成煤的全部作用，它分成两个相继的阶段：从成煤原始物质的堆积，经生物化学作用直到泥炭的形成，称为泥炭化作用阶段；当泥炭形成后，由于沉积盆地的沉降，泥炭被埋藏于深处，在温度、压力增高等物理、化学作用下，形成褐煤、、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程，称为煤化作用阶段，包括成岩作用阶段和变质作用阶段。
2、煤化作用特点及煤化程度指标（1）煤化作用特点①增碳化趋势②结构单一化趋势③结构致密化和定向排列趋势（反光性增强）④煤显微组分性质的均一性趋势⑤煤化作用的不可逆性⑥煤化作用发展的阶段性和非线性（2）煤化程度指标煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标，不同煤化阶段中各种指标变化的显著性各不相同。
第一章 煤、煤层、煤系、煤田
2）直接顶 位于伪顶之上，多为粉砂岩、泥 岩，厚约1-2m，采煤回柱后能自行垮落。 3）老顶 位于直接顶之上，多为砂岩、石灰 岩，厚度较大，强度也大，采煤后长时期不 易自行垮落，只发生沉降。
2、 底板
位于煤层下方一定距离的岩层。
分为二种：
1）直接底 直接伏于煤层之下的岩层，多
见炭质泥岩，常几十厘米厚。
概念—— 高等植物遗体在泥炭沼泽中经受
复杂的生物化学、物理化学作用转变为泥
炭的过程叫泥炭化作用。
它分为二个阶段：
①第一阶段：在沼泽浅部植物遗体受氧 化、分解。 ②第二阶段：随积水深度增加，氧化环境 被还原环境代替，产生腐植酸和 沥青质，形成泥炭。
泥炭——黄褐、黑褐色，无光泽、质地疏
松状物质，风干可作燃料，也可作化 工原料和肥料。
6、 导电性
指煤传导电流的能力，以电阻率
表示，它与煤的变质程度密切相关。
褐煤多孔隙、湿度大、电阻率低； 烟煤电阻率大，是不良导体；
无烟煤电阻率小，具良好的导电性。
四、煤岩成分和煤岩类型
1.宏观煤岩成分
煤岩成分指肉眼能见到的煤的基本组成单位， 又称为宏观煤岩类型，即丝炭、镜煤、暗煤、亮 煤。 丝炭 灰黑色，形如木炭，具明显的纤维状结构和 丝绢光泽； 疏松、多孔、硬度小、脆度大、易染指； 没有粘结性、吸氧性强、易氧化自燃、 易成煤尘； 在煤层中多呈几毫米厚的扁平透镜体， 数量不多，但分布广。
四、煤层形态
层状
似层状
不规则状
五、煤层厚度及其变化原因
（一）煤层厚度的分类
总厚度：是煤层顶、底板之间各煤 分层和夹石层厚度的总和； 有益厚度：指煤层顶、底板之间 各煤分层厚度的总和；
可采厚度 ：指在现代经济技Байду номын сангаас件
煤地质学基础(2)(中国矿业大学 孟召平)
2009年1月中石化华东石油局 煤层气培训班讲稿孟召平 中国矿业大学(北京)第一部分:煤地质学基础第一节 煤炭及煤层气资源分布 第二节 煤田地质学概况及研究进展 第三节 煤的形成 第四节 煤层厚度及其变化分析 第五节 第六节 第七节 第八节 聚煤盆地基本类型 煤的物质组成 煤质分析及煤的分类 煤化作用及煤的变质类型第九节 煤成烃的研究第四节 煤层厚度及其变化分析基本概念 煤层结构及顶底板 煤层厚度的变化的原因 煤层厚度稳定性评价1、基本概念煤层是自然界中由植物遗体转变而成的成层可燃 沉积矿产, 由有机质和混入的矿物质所组成。
煤层是含煤岩系中有机质集中分布的部分,在含煤 岩系中常常赋存于一定的层位,与其它共生的岩石 类型构成特定的沉积序列。
煤层厚度是指煤层顶底板岩石之间的垂直距离。
根据煤层结构，煤层厚度可分为总厚度、有益厚 度和可采厚度。
煤层总厚度是顶底板之间 各煤分层和夹层厚度的总 和； 有益厚度是指煤层顶底板 之间各煤分层厚度的总和; 可采厚度是指在现代经济 技术条件下适于开采的煤 层厚度。
按照国家目前有关技术政策，根据煤种、产 状、开采方式和不同地区的资源情况等规定 的可采厚度的下限标准，称为最低可采厚度。
达到最低可采厚度以上的煤层，称可采煤层。
不同煤层的厚度有很大差 别，薄者仅数厘米，称煤 线，厚者可达二百多米。
考虑到开采方法的不同，可 采煤层的厚度可分为五个厚 度级： 煤厚0.3～0.5米为极薄煤层 0.5～1．3米为薄煤层 1．3～3.5米为中厚煤层 3.5～8.0米为厚煤层 大于8米的为巨厚煤层。
2、煤层结构及顶底板 煤层的结构煤层包含煤分层和岩石 夹层 , 不含夹石层者 称为简单结构煤层 含有夹石层者，则称 为复杂结构煤层。
煤层中的岩石夹层俗称夹矸。
夹矸一般为粘土岩、炭质泥岩或粉砂岩，有时为 石灰、硅质岩、油页岩、细砂岩或砾岩。
如我国广西晚二叠世含煤岩系的煤层中见有灰岩 透镜体 , 富集海相动物化石。
矿井瓦斯涌出
第二章矿井瓦斯涌出 煤层与围岩属于孔隙 — 裂隙结构体。
当煤层 遭受采动影响导致煤层内存在瓦斯压力差时，煤 层中就会出现瓦斯由高压的地点流向低压的地 点。
瓦斯在煤层孔隙裂隙中的流动过程是非常复 杂的。
同时，煤层孔隙与裂隙的闭合程度对地应 力的作用也很敏感，地应力增高时，其闭合程度 增大，透气性变小，而地应力降低 ( 卸压 ) 时，裂 隙伸张，透气性系数可以增大几个数量级。
安全工程学院 李忠辉安全工程学院 李忠辉§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律1．煤层瓦斯流场分类 概念：煤层内瓦斯流动空间的范围称为流场。
在流场 内，瓦斯呈现流动，可用流向、流速与压力来描述。
1) 按流向分类 单向流动：只有一个 方向有流速，其它两 个方向流速为零。
如 薄及中厚煤层中的煤 巷周围煤壁内的瓦斯 流动。
安全工程学院 李忠辉§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律(2)径向流场：在x、y、z 三维空间内，在两个方 向有分速度，第三个方 向的分速度为零。
并且 其等瓦斯压力线平行煤 壁呈近似同心圆形。
例 如石门、竖井、钻孔垂 直穿透煤层时的流场。
安全工程学院 李忠辉§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律(3)球向流场：在x、y、z三维空间内，在三个方向都 有分速度，并且其等压力线近似为球面。
例如钻孔或 石门刚进入煤层时以及采落的煤块从其中涌出瓦斯的 流动都属于这一类 。
2钻孔/巷道 3等压线 1煤层实际井巷煤壁内 的瓦斯流场是复 杂的，是几种流 场的综合。
安全工程学院 李忠辉§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律2)按稳定性分类 按流场在时间上有无变化，可分为稳定和非 稳定两类。
¾稳定流场：流场中任何一点的流速、流向和瓦 斯压力均不随时间变化。
¾非稳定流场：流场中的流速、流向或瓦斯压力 中至少有一参数随时间变化。
煤层暴露初期的瓦斯流场都是非稳定流场(因为 瓦斯源来自于流场煤体本身所含的瓦斯 )，其煤体 瓦斯含量或瓦斯压力随时间而变化。
高煤阶煤孔隙结构及分形特征
高煤阶煤孔隙结构及分形特征李振;邵龙义;侯海海;郭双庆;赵升;姚铭檑;阎纯忠【摘要】高煤阶煤与中低煤阶煤在孔隙结构特征方面存在明显差异,分形理论为定量描述高煤阶煤储层孔隙特征提供了有效手段.基于扫描电镜、压汞实验和孔渗测试,以华北地区最大镜质体反射率(R0.max)在1.9％～2.95％之间的9个煤样为研究对象,采用分段回归的方法对各样品进行不同孔径段分形维数计算,并讨论了孔隙结构分形维数与孔隙体积百分比、Ro,max、孔隙度和渗透率的关系.结果表明,高煤阶煤微小孔发育,半封闭孔含量较高,孔隙连通性一般,且孔隙结构具有明显的分段分形特征,同一煤样的超大孔(孔隙半径r＞5 μm)、大孔(0.5 μm＜r＜5 μm)、中孔(0.05μm＜r＜0.5μm)和微小孔(r ＜0.05 tμm)的分形维数依次减小;各煤样超大孔、大孔、中孔分形维数均随Ro.max增加而增加,随对应孔隙体积百分比增加而减小;孔隙度或渗透率与超大孔、大孔和中孔、微小孔分形维数分别呈二次相关、线性正相关、负相关;各分形区间分形维数分布的偏度和峰度与孔隙度或渗透率分别呈高度正相关和负相关,这为高煤阶煤孔隙度、渗透率提供了理想的线性方程(y=ax+b)预测模型.%Significant differences exist in pore structures between highrank coals and medium-low rank coals,and the principle of fractal geometry is an effective tool for quantitatively describing pore characteristics of high rank coal reservoirs.The experiments comprising scanning electron microscopy,mercury intrusion,porosity and permeability testing were performed on nine coal samples (R from 1.9％ to 2.95％) from North China.The pore fractal dimensions of samples were calculated using the subsection regression method and the relationships between the pore fractal dimension and different parameters including pore volumepercent,coal degree of metamorphism,porosity and permeability were discussed.The results show that coal samples are characterized by abundant micro-ascopores,relatively high semi-closed porecontent,general pore connectivity and clearly piecewise fractal dimensions.For each sample,fractal dimensions of supermacropore (pore radius r ＞5 μm),macropore (0.5 μm ＜ r ＜5 μm),mesopore (0.05 μm ＜ r ＜0.5 μm) and micro-ascopore (r ＜0.05 μm) decrease in turn.In addition,fractal dimensions of these pores except micro-ascopores increase with the increasing R and decreasing pore volume percent for all samples.The correlations between coal porosity (or permeability) and fractal dimensions of supermacropore,macropore and mesopore,micro-ascopore present as quadratic,linearly positive and linearly negative curves,respectively.The skewness and kurtosis of fractal dimension distribution for each sample are positively and negatively associated with porosity or permeability respectively.Meanwhile,based on skewness and kurtosis,the prediction models of linear equations (y =ax + b) can be used to predict porosity and permeability of high rank coals.【期刊名称】《现代地质》【年(卷),期】2017(031)003【总页数】11页(P595-605)【关键词】高煤阶煤;孔隙结构;分形维数;压汞实验【作者】李振;邵龙义;侯海海;郭双庆;赵升;姚铭檑;阎纯忠【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;河南省煤田地质局三队,河南郑州450046;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;河南省煤田地质局三队,河南郑州450046【正文语种】中文【中图分类】P618.11;TE122.2煤储层具有复杂的孔裂隙系统和很强的非均质性[1-2]，同时煤中的孔裂隙系统跨越的空间尺度大，影响着煤中气体的吸附和运移[3-5]。
神东矿区大采高易自燃煤层自燃因素及分析———以察哈素煤矿3-1煤层为例
由基浓度生成 速 度 大, 说 明 镜 煤 的 自 燃 倾 向 性 大.
丝炭的自燃倾向性小.壳质组的着火点温度高,自
燃倾向性就低,但在煤温较高时,会发生强烈热解
反应.
神府煤田不同类型煤岩组成 及 其 着 火 点 如 表 ２
所示.镜煤着火点温度 为 ２９０℃ ,丝 炭 的 着 火 点 温
度在 ３５０℃ ,随着煤中惰性 组 的 增 加,着 火 点 温 度
响表现在:煤炭自燃倾向性随着煤的变质程度增高
煤层赋存特征,确定主要影响煤炭自燃的内在因素
而降低,挥发分越高,煤炭自燃性就越高.随着煤
为煤化程度、煤岩成分、含水量、含硫量、煤层孔
化程度的增大,结构单元中芳香环数增加,结构致
隙特性、煤层瓦斯含量等.
密,对气态氧较活泼的侧链和含氧官能团减少甚至
消失,煤 的 抗 氧 化 能 力 增 强. 据 统 计, 中 国 北 方
５３
４０
半暗煤
３０
暗煤
的长焰煤和不粘煤的燃点最低,其次是气煤、肥煤
不同煤岩组分煤的着火点温度不同,体现了煤
７２
半亮煤
神
府
煤
煤,无烟煤的燃点最高.在烟煤中以煤化程度最低
１ 煤层煤种属不粘煤和少量长焰煤,燃点较低.
２
４ 煤岩组分的物化性质对煤自燃的影响
９２
亮煤
化程度 来 看, 泥 炭 的 燃 点 最 低, 其 次 是 褐 煤 和 烟
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矿井瓦斯涌出及瓦斯喷出
dm描 （ 单D述 位Fdidc气 时kcl）体 间d于扩 内t1散 通8现 过55象 垂年的 直发宏 于现观 扩的规 散。律方包，向括这的两是单个生位内理截容学面：家积（菲的1）克扩在散
式中：dm——微单元上的瓦斯扩散物量质流，量m（3/称m为2；扩散通量Diffusion flux，用J表示）
煤层瓦斯含量： W（m3/t）
相对瓦斯涌出量： q（m3/t）
煤层中包含的游离瓦斯和吸附瓦斯总量。
开采煤层的瓦斯涌出量。q=（W0-Wc）<W0 邻近煤层的瓦斯涌出量。q=ηm0/m（W0-Wc） 围岩的瓦斯涌出量。
单一煤层开采时，q<W； 煤层群（含瓦斯围岩）开采时，q<W，或q=W，或q>W。
二、瓦斯涌出量及其主要影响因素
15m
V=0.5m/s
V=2.2m/s
30m
450%% 310%% 200.5%% 109.2%% 5% 1%
二、瓦斯涌出量及其主要影响因素
4. 回采工作面的瓦斯涌出
回采工作面瓦斯涌出构成：本煤层、邻近层、采空区的瓦斯。
二、瓦斯涌出量及其主要影响因素
5. 影响瓦斯涌出的主要因素
（1）自然因素
① 煤层和围岩的瓦斯含量
一、煤层瓦斯流动基本规律
3. 瓦斯渗流运动及达西定律（Dacy Law）
瓦斯在小孔(>1μm)以上的孔隙或裂隙内的运移，可能有两种形 式：层流与紊流，层流又分为线性渗透层流与非线性渗透层流，各 服从不同的规律。
低雷诺区 （Re<1~10）
线性层流：粘滞力占 优势，符合达西定律。
中雷诺区 非线性层流：服从 （Re：10~100） 非线性渗流定律。
第五章煤体结构与构造煤
二、构造煤分布
2 顺煤层剪切带——构造煤分布范围广
顺煤层剪切带是指沿煤层发育的剪切面与煤层以小角度 相交或者近于平行的剪切带。顺层剪切带也叫逆掩断层、 顺层断层、缓倾角断层、层滑构造等。
图3-59 平顶山矿区东部戊9-10煤层顺层剪切带
38
二、构造煤分布 （1）与煤层产状一致的顺煤层剪切带
12
（2）宏观煤岩类型
烟煤宏观煤岩类型的划分
13
2 煤的原生结构和构造
煤的原生结构是由成煤原始物质及成煤环境所形成的结构。 煤的宏观结构指宏观煤岩成分的形态、大小、排列方式所表 现的特征。 条带结构:
1、细条带，1~3mm 2、中条带， 3~5mm
3、宽条带，大于5mm
14
2 煤的原生结构和构造
21
3 显微煤岩组分与类型 显微结构：
镜质组、壳质组、惰质组
22
3 显微煤岩组分与类型
显微镜下显微组分分层排列，界限清晰。原生结构煤的 煤岩成分、结构、构造、内生裂隙清晰可辨。
a b c
原 生 结 构 煤
d
e
f
23
二、构造煤及其煤岩学特征 构 造 煤 结 构 类 型 分 类
原生结构煤 煤 结 构 类 型 构造煤 粉粒结构
呈现棱角状块 体，但块体间 已有相对位移
可捻搓 成cm、 mm级碎 粒 易捻搓 成mm级 碎粒或 煤粉 极易捻 搓成粉 末或粉 尘
0.8～ 0.3
10～15
过渡
Ⅲ
碎 粒 煤 糜 棱 煤
煤被揉搓捻碎 、主要粒级在 1mm以上 煤被揉搓捻碎 的更细小，主 要粒级在 1mm以下
构造镜面 发育
＜0.3
＞15
构造煤 粉砂岩