1. 前言
我国是全球能源生产和消费大国，其中煤炭是支撑我国国民经济发展的主体能源，是能源安全和经济生产的重要支柱，其高质量发展是我国能源变革的关键。据国家统计局《中国统计年鉴-2023》数据显示，煤炭在未来很长一段时间生产和消费占比依然在50%以上[1]，也就是说煤炭还将保持能源结构中的主体地位。然而我国地质条件复杂，成煤期后地层经历了多期构造叠加改造作用，导致煤层赋存条件和煤体结构遭受破坏，构造煤普遍发育[2] [3]。前人研究表明构造煤最为发育的区域和层位，煤与瓦斯突出危险性也最严重[4]-[6]。随着浅部煤炭资源的枯竭，我国煤矿开采范围和深度不断増加，所面临的地应力及瓦斯压力也逐渐增加，煤体变形也更加复杂[7]。
煤作为具有孔隙和裂隙双孔系统的介质，其孔隙–裂隙的发育程度和连通关系与甲烷的吸附/解吸密切相关[8] [9]。而构造煤在构造应力作用下，导致孔隙系统更加复杂，其孔隙结构对瓦斯赋存、运移影响尤为重要。构造煤储层具有独特的孔隙结构、渗透性和电阻率等特性，这使得煤层气的储量和生产潜力存在较大差异[10] [11]。因此，构造煤孔隙结构的研究对煤层气资源的勘探和开发具有重要的指导作用。
2. 地质背景
二矿位于阳泉市东约5 km处，该矿区东邻大阳泉井田，西接西上庄井田，南部与五矿井田相邻，北部以石太铁路为界。石太线铁路东西贯穿矿区，太石高速公路及307国道等交通网络纵横交错。矿区大地构造属于沁水盆地北端寿阳–阳泉单斜带。二矿的基本井田构造形态为一走向NW、倾向SW的单斜构造，地层起伏较小，次级多期叠加褶皱发育，以NNE-NE向为主，多期褶皱相互叠加改造形成了短轴状、等轴状等叠加褶皱(见图1)。二矿发育地层自下而上包括奥陶系(O)、石炭系(C)、二叠系(T)、第四系(Q)。矿井煤层沉积于晚石炭世和早二叠世。含煤地层由老到新依次为上石炭统太原组，下二叠统山西组。
Figure 1. Structural outline map of the second mine of the Yangquan mining area
图1. 阳泉矿区二矿构造纲要图
3. 样品与实验
3.1. 样品采集及准备
以阳泉矿区二矿15煤主要研究对象，采样过程依据煤层煤样采取方法(GB/T 482-2008)和煤岩样品采取方法(GB/T 19222-2003)进行。采样方式：选取新揭露的典型构造和工作面附近采集实验样品，在选取典型构造之后，以断裂面或褶皱轴部为中心沿构造的不同部位，系统采取不同类型构造煤、顶底板岩样和煤中夹矸等实验样品。在构造变形部位取较为完整的块样，使用地质锤、铁锹在煤壁上挖凿样品，在变质强烈的部位，用塑料盒装取严重破碎煤样。根据样品的宏观变形特征、样品量等因素筛选出不同煤体结构煤样品3块，2块不同变形程度的构造煤(碎裂煤和碎斑煤)，1块原生结构煤作为对比样。
3.2. 实验测试
3.2.1. 压汞法
压汞法是一种有效测定大孔孔径分布的方法。基于汞对固体表面不润湿的特性，通过施加不同压力使水银进入多孔材料孔隙，压力越大则进入的孔径越小。根据压力求出孔径，再由进汞量求得孔体积，进而得出孔径分布曲线和总孔隙体积。本文采用美国Quantachrome公司PoreMaster系列压汞仪(测试压力范围0.007~275 MPa)，取出1 cm大小样品碎粒1~2 g，置于70℃烘箱中干燥12 h；采集压力点108个(单点平衡时间10 s)，测得的孔径范围为207,876~5.37 nm。
3.2.2. 氮气和二氧化碳吸附法
氮气和二氧化碳吸附法是测定介孔和微孔的方法。本文采用贝士德仪器BSD-PH型号全自动高温高压气体吸附仪，分析气为高纯N2 (77 K)。实验流程主要分为称量、干燥脱气和吸附测量3步。首先称量样品，每次称取样品1~2 g。再对样品进行加热和抽真空脱气处理(12 h 105℃)，目的是为了去除煤样中的杂质气体。脱气完成后，将样品放入盛有液氮的杜瓦瓶中，并与仪器分析系统相连。在计算机中设置参数，仪器开始进行吸附和脱附测试过程。二氧化碳吸附法与低温氮气吸附法操作流程基本一样，不再赘述。区别在于低温环境的要求。氮气法使用液氮维持低温，而二氧化碳吸附法则采用冰块水浴，保持样品在0℃的测试环境。
3.2.3. 样品宏观变形特征
1) 原生结构煤
作为本次研究的对比样品，采集到的典型样品编号为E1 (图2)。该样品煤岩组分以亮煤和镜煤为主，光亮型煤，夹有若干条厚约0.5 mm的夹矸，局部夹矸呈透镜状。煤体结构完整，坚硬，几乎无碎块掉落，用手难以捏碎。煤体构造裂隙发育较弱，层理清晰可见，内生裂隙发育。摩擦面不发育，无韧性变形特征。
Figure 2. Macrodeformation characteristics of primary structural coal
图2. 原生结构煤宏观变形特征
2) 碎裂煤
本次采集典型样品编号为E2 (图3)。样品煤岩组分以镜煤和亮煤为主，光亮型煤。镜煤条带发育，含有若干夹矸层，呈薄层状或透镜状发育。煤体结构较为完整、坚硬，基本无碎块掉落，用手难以捏碎。发育三组节理，节理较为平直光滑。层理清晰可见，内生裂隙发育。摩擦面不发育，无韧性变形特征。
Figure 3. Macrodeformation characteristics of fractured coal
图3. 碎裂煤宏观变形特征
3) 碎粒煤
碎粒煤样品编号为E3 (图4)。该样品煤岩组分以亮煤为主，镜煤条带可见。在煤体中可见长约8 cm的呈透镜状淡黄色不明脉体，裂隙难以辨认，仅在局部块体中可见。节理发育密集，延伸不稳定，规模较小，裂隙面较为平整，煤体碎粒化较为严重。层理隐约可见，内生裂隙发育。发育有S2型滑动摩擦面，韧性变形特征弱发育。煤体破碎比较严重，容易掉渣，表面附着有大量煤灰，用手可捏碎为碎块和碎粉。
Figure 4. Macroscopic deformation characteristics of pulverised coal
图4. 碎粒煤宏观变形特征
4. 构造煤孔隙结构特征
4.1. 大孔
构造煤的大孔采用压汞法表征，压汞法是煤体大孔孔隙分析最为常用的方法之一，通过压汞曲线的形态可以有效反映构造煤孔隙发育特征。
从压汞曲线(图5)看出，原生结构煤和构造煤压汞曲线形态各异，且曲线的形态与构造煤变形发育程度之间存在良好的对应关系。原生结构煤和碎裂煤的进退汞曲线形态较为相似，进汞量比较低，最大进汞量都不超过0.1 cm3/g。而碎粒煤样品的最大进汞量明显高于原生结构煤和碎裂煤，最大进汞量达到了0.035 cm3/g，且累计进汞量随着进汞压力的增加呈现持续增长的趋势，指示碎粒煤中不同尺寸大孔段孔隙结构均发育。
李明根据煤样进退汞曲线形态特征，将其分为平行型、反S型、双S型等5种类型[12]。阳泉矿区15煤原生结构煤和构造煤的压汞曲线主要为平行型和双S型。原生结构煤和碎裂煤的进汞曲线与退汞曲线属于平行型，没有“滞后环”现象，这说明原生结构煤和碎裂煤孔隙喉道不甚发育，退汞效率高(原生结构煤89.05%，碎裂煤70.64%)。而强变形的碎粒煤压汞曲线呈现出尖棱状，具有明显的“滞后环”，在初始增压阶段累计进汞量便快速增长，这表明煤体中大孔数量较多，孔隙多为开放孔和细颈瓶孔，强烈构造作用使得煤体产生大量孔隙，但孔隙喉道较发育，孔隙表面粗糙不平，退汞效率低(46.39%)。
由表1可知，原生结构煤和碎裂煤总孔容较低，之间的差值并不大，碎粒煤样品的总孔容显著提高，达到了34.72 × 10−3 cm3/g，差异显得十分明显。不同煤体结构煤各个孔径段阶段孔体积对比显示，从原生结构煤到碎裂煤，100~1000 nm孔径段孔隙增加相对较为明显，而到了碎粒煤，100~1000 nm及1000~10,000 nm孔径段孔体积明显增加，大于50 nm各孔径段孔隙均显著发育。并且随着煤体变形程度的增加，优势孔径段表现出逐渐减小的趋势，原生结构煤孔隙体积主要集中在>10,000 nm孔径段，而碎粒煤100~1000 nm、1000~10,000 nm为优势孔径段。
Figure 5. Incoming and outgoing mercury curves for primary structural and tectonic coals
图5. 原生结构煤和构造煤的进退汞曲线
Table 1. Mercury pressure data results
表1. 压汞数据结果
样品编号 |
煤体结构 |
总孔容 (10−3 cm3/) |
退汞效率 |
各孔径段阶段孔体积(10−3 cm3/g) |
50~100
nm |
100~1000
nm |
1000~10,000 nm |
>10,000
nm |
E1 |
原生煤 |
6.52 |
89.05% |
0.10 |
0.35 |
1.16 |
2.99 |
E2 |
碎裂煤 |
8.87 |
70.64% |
0.30 |
1.36 |
1.03 |
3.59 |
E3 |
碎粒煤 |
34.72 |
46.39% |
2.79 |
11.64 |
10.34 |
4.29 |
4.2. 介孔
本文煤体孔隙介孔段选择氮气吸附法进行表征。由表2，原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤介孔的比表面积分别为0.22 m2/g、0.48 m2/g、1.20 m2/g，孔体积分别为0.001 cm3/g、0.002 cm3/g、0.006 cm3/g，平均孔径分别为12.87 nm、19.09 nm、21.09 nm。从原生结构煤到强变形的碎粒煤，随着煤体变形程度的增加，其介孔段孔隙的孔体积、比表面积和平均孔径都出现了明显的增长。由此表明，煤体的脆性变形对煤基质中介孔的孔隙结构产生了显著影响。
Table 2. Pore structure parameters of different coal body mesoporous segments
表2. 不同煤体介孔段孔隙结构参数
样品编号 |
煤体结构 |
比表面积(m2/g) |
平均孔径(nm) |
孔体积(cm3/g) |
E1 |
原生结构煤 |
0.22 |
12.87 |
0.001 |
E2 |
碎裂煤 |
0.48 |
19.09 |
0.002 |
E3 |
碎粒煤 |
1.20 |
21.09 |
0.006 |
通过三种煤样的介孔段孔径分布图(图6)可以看出，从原生结构煤到构造变形强烈的碎粒煤，孔径分布各有不同，孔径分布曲线上存在多个不同的峰值，所有煤体结构样品2~10 nm孔径段的孔隙均有所发育。原生结构煤>10 nm孔隙段孔隙几乎不发育，随着变形程度的增加，构造煤基质中介孔段孔隙开始逐渐发育。原生结构煤和碎裂煤的介孔孔隙分布连续性差，优势孔径集中度高。而碎粒煤的介孔各阶段孔径均有所发育，尤其是5~10 nm孔径段的孔隙和45~50 nm孔径段孔隙与原生结构煤和碎裂煤相比发育程度较高。整体上，与原生结构煤介孔段孔径分布不均匀相比，碎粒煤介孔孔隙段均有所发育。由此可见，随着煤体变形程度的增加，煤基质内介孔结构趋于连续和均匀分布。
Figure 6. Pore size distribution of mesoporous segments of primary structural and tectonic coals
图6. 原生结构煤和构造煤的介孔段孔径分布图
4.3. 微孔
微孔选择二氧化碳吸附法进行表征。由图7可知，三条曲线的峰值、低谷以及起伏形态大致相同，不同结构类型煤样品的微孔孔径分布曲线大致相似。三种煤样优势孔径集中在0.3~0.8 nm孔径段之间，且随着变形程度的加深，优势孔径向更小的孔径段发育(0.3~0.4 nm)。
此外，由表3可知，原生结构煤、碎裂煤和碎粒煤的微孔段孔体积、比表面积变化并不明显，说明构造变形对于煤的微孔结构影响甚微。
Table 3. Pore structure parameters of coal microporous segments with different coal body structures
表3. 不同煤体结构煤微孔段孔隙结构参数
编号 |
煤体结构 |
孔体积(cm3/g) |
比表面积(m2/g) |
E1 |
原生结构煤 |
0.063 |
197.64 |
E2 |
碎裂煤 |
0.084 |
282.63 |
E3 |
碎粒煤 |
0.068 |
234.71 |
Figure 7. Microporous pore distribution in primary structural and tectonic coals
图7. 原生结构煤和构造煤的微孔孔隙分布
5. 结论
通过对原生结构煤、碎裂煤和碎粒煤进行宏观变形特征分析和全孔径段孔隙结构测试(压汞、低温氮气以及二氧化碳吸附)，取得以下相关成果，归纳如下：
1) 阳泉矿区15煤原生结构煤和构造煤的压汞曲线主要为平行型和双S型。构造煤(尤其是强变形的碎粒煤)的大孔体积显著高于原生结构煤，且随着煤体变形强度的增加，各阶段孔体积都有增加趋势，优势孔径呈现出逐渐减小的趋势，孔隙吼道发育增多，退汞效率下降。
2) 低温氮气吸附数据显示，随着煤体变形程度的增加，煤基质中介孔的孔体积、比表面积和平均孔径都呈增长趋势，其结构趋于连续和均匀分布。
3) 二氧化碳吸附实验表明，原生结构煤、碎裂煤和碎粒煤的微孔段孔体积、比表面积变化并不明显，构造变形对于煤的微孔结构影响甚微。
基金项目
宿州学院博士科研启动基金项目(2021BSK039)；宿州学院博士后科研启动基金项目(2024BSH001)。
NOTES
*通讯作者。