宿縣礦區(qū)祁南礦中煤級(jí)煤高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)研究

向 杰，劉和武，王施鵬，楊越鵬

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

0 引言

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占重要地位，現(xiàn)在及未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，煤炭仍然是我國(guó)能源消費(fèi)的重要組成部分[1]。然而，我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，開采過(guò)程中的各種地質(zhì)災(zāi)害，尤其是瓦斯地質(zhì)災(zāi)害尤為突出。我國(guó)多數(shù)煤田往往經(jīng)歷了多期、不同性質(zhì)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。在構(gòu)造作用下，煤的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、光性特征都將發(fā)生顯著變化，形成不同類型的構(gòu)造煤[2]。構(gòu)造煤的孔-裂隙結(jié)構(gòu)特征研究表明，隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增強(qiáng)，顯微裂隙越發(fā)育，煤中孔隙逐漸增多，煤中孔隙體積和比表面積逐漸增大，開放型孔逐步轉(zhuǎn)化為細(xì)瓶頸型孔，孔隙連通性變差[3-7]。因此，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)往往是煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)地帶，也是煤層氣抽采的不利區(qū)域。

煤的高溫高壓實(shí)驗(yàn)，即在實(shí)驗(yàn)室的模擬條件下開展煤的變形實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)揭示煤的變形微觀機(jī)理及其影響因素具有重要意義。國(guó)際上Bustin等[8]首先對(duì)無(wú)煙煤樣品進(jìn)行了高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高溫和應(yīng)變能可以促進(jìn)煤鏡質(zhì)組反射率(Ro)的變化，同時(shí)變形造成了煤鏡質(zhì)組反射率(Ro)方位的旋轉(zhuǎn)；Ross等[9]進(jìn)行了無(wú)煙煤的高溫高壓石墨化蠕變實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)，周建勛[10]進(jìn)行了不同煤級(jí)煤的高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤的結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)及其影響因素和實(shí)驗(yàn)后的變形顯微構(gòu)造特征展開了系統(tǒng)的討論。姜波[11-12]等進(jìn)行了不同煤級(jí)高溫高壓煤變形實(shí)驗(yàn)，分析了溫度、圍壓等因素對(duì)煤變形的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)變形煤進(jìn)行了X射線衍射研究，探討了實(shí)驗(yàn)變形煤的基本結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)的演化特征。楊光等[13]對(duì)沁水盆地不同煤級(jí)的煤巖進(jìn)行了同步升溫和升壓條件下的高溫高壓煤變形實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)變形后煤的微觀結(jié)構(gòu)特征和變形機(jī)制進(jìn)行了討論。盧方超等[14]選用煤層三個(gè)不同方向煤樣，對(duì)比單軸加載前后煤樣超聲實(shí)驗(yàn)和核磁共振實(shí)驗(yàn)，研究煤孔、裂隙結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形各向異性特征及其對(duì)聲學(xué)參數(shù)的影響。雖然煤的變形實(shí)驗(yàn)取得了較為豐碩的成果，但有關(guān)實(shí)驗(yàn)變形煤的孔-裂隙結(jié)構(gòu)特征分析相對(duì)較為薄弱。本次通過(guò)煤的高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,分析了溫度、應(yīng)變量和應(yīng)變速率對(duì)煤構(gòu)造變形的影響，進(jìn)而探討了實(shí)驗(yàn)變形煤的顯微裂隙和孔隙結(jié)構(gòu)特征及其演化機(jī)理。

1 地質(zhì)背景與樣品

1.1 地質(zhì)背景

實(shí)驗(yàn)樣品采自淮北宿縣礦區(qū)祁南煤礦，祁南煤礦為省屬國(guó)有煤礦，位于安徽省宿州市埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)境內(nèi)，北距宿州市約25 km,南距蚌埠市約70 km。

圖1 宿縣礦區(qū)構(gòu)造綱要圖(引自文獻(xiàn)[15])

淮北煤田構(gòu)造是多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加的結(jié)果，大斷裂交錯(cuò)分布，短軸褶曲構(gòu)造發(fā)育呈現(xiàn)出南北分異、東西分帶的構(gòu)造特征[15]。祁南煤礦位于宿南向斜(圖1)西南部，宿南向斜北部仰起端因受北西向逆掩斷層帶影響而呈不完整的對(duì)稱向斜構(gòu)造；向斜軸向近NS，軸長(zhǎng)約12 km，寬約22 km，核部為二疊系。整體構(gòu)造形態(tài)為一箱狀向斜，東、西兩翼地層走向近NS，南部轉(zhuǎn)折端地層走向近EW，并發(fā)育一系列逆斷層[16-18]。主要含煤地層為二疊系山西組、下石盒子組及上石盒子組，含煤10～25層，可采及局部可采煤層5～11層。

1.2 樣品信息

在祁南煤礦井下6125工作面6#煤層，采集煤體結(jié)構(gòu)保存完整，未受到構(gòu)造作用和采動(dòng)影響的原生結(jié)構(gòu)煤大樣1件，煤級(jí)為為中煤級(jí)氣肥煤，編號(hào)N30。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

2.1 煤高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)

高溫高壓實(shí)驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院煤高溫高壓實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為TRTP2000。對(duì)采集的原生結(jié)構(gòu)煤N30樣品，垂直其層面，均勻鉆取高40 mm左右，直徑25 mm的煤柱樣6件。根據(jù)煤層實(shí)際埋深、地溫梯度情況等情況設(shè)置圍壓、溫度、應(yīng)變速率等實(shí)驗(yàn)條件，淮北宿縣礦區(qū)宿南向斜地溫梯度分布范圍為1.80～3.30℃/hm,平均地溫梯度約2.60℃/hm，宿南向斜核部煤層埋深近2 000 m[19]，并考慮到構(gòu)造作用的熱效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。同時(shí)較高的溫度和壓力條件,一定程度上彌補(bǔ)了應(yīng)變速率的限制。在煤變形實(shí)驗(yàn)之前對(duì)煤樣進(jìn)行預(yù)加載，達(dá)到設(shè)定的溫度和圍壓，其中等速率加載軸壓和圍壓，大小始終相等。之后按照設(shè)定應(yīng)變速率進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)，達(dá)到設(shè)定應(yīng)變量時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行卸壓操作。

2.2 孔裂隙結(jié)構(gòu)測(cè)試

煤樣的顯微裂隙在顯微鏡下觀測(cè)與分析，孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試采用壓汞法和低溫氮吸附法相結(jié)合的方法。壓汞實(shí)驗(yàn)在江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀器為AutoPore Ⅳ-9510型壓汞儀，測(cè)定5nm以上孔容及孔徑分布，低溫氮吸附法實(shí)驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)儀器為Autosorb-LQ3型全自動(dòng)氣體吸附分析儀，測(cè)定孔徑范圍3～300nm。壓汞法是測(cè)定煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的常用方法之一，其原理為：外界無(wú)壓力條件時(shí)，汞不能進(jìn)入到煤孔隙中，當(dāng)對(duì)放入壓汞儀中的樣品逐漸施加壓力時(shí)，汞克服其表面張力，進(jìn)入孔隙中，從而得到壓力與注入汞體積之間的關(guān)系曲線，主要用于孔容的測(cè)定及大孔、中孔孔徑分析。低溫氮吸附原理是：多孔固體表面對(duì)氣體分子有一定的吸附作用，在液氮溫度(77K)下，氮?dú)庠诠腆w表面的吸附量是關(guān)于相對(duì)壓力的函數(shù)，通過(guò)繪制等溫吸附線，求取孔體積，比表面積，孔徑分布等，主要用于孔表面積的測(cè)定及微孔、小孔孔徑分析。

表1 高溫高壓實(shí)驗(yàn)條件一覽表

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品應(yīng)力-應(yīng)變特征

根據(jù)高溫高壓實(shí)驗(yàn)所得應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到實(shí)驗(yàn)變形樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖2)。溫度是影響煤變形和強(qiáng)度的重要因素之一。實(shí)驗(yàn)變形樣品s-5的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在應(yīng)變約9%之前呈近線性變化，此時(shí)煤樣主要產(chǎn)生彈性變形；在應(yīng)變9%之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一輕微的拐點(diǎn)，差異應(yīng)力減小，應(yīng)變?cè)黾?，塑性增?qiáng)。樣品s-1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線位于樣品s-5上側(cè)，產(chǎn)生相同的應(yīng)變量，所需差異應(yīng)力增加，說(shuō)明溫度從100℃上升到200℃時(shí)，煤樣強(qiáng)度發(fā)生顯著下降，塑性蠕變?cè)鰪?qiáng)，此時(shí)煤樣的變形更容易發(fā)生。

從實(shí)驗(yàn)變形樣品s-1～s-4的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，在低應(yīng)變約5%之前，所有樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近線性變化，呈陡傾狀，以彈性變形為主；在應(yīng)變達(dá)到5%后，各煤樣強(qiáng)度演化趨勢(shì)發(fā)生分異，樣品s-2曲線斜率略微變?。粯悠穝-4在應(yīng)變9%時(shí)，出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，差異應(yīng)力迅速減小，應(yīng)變?nèi)匀辉黾樱从沉藰悠穝-4破碎導(dǎo)致強(qiáng)度顯著下降。應(yīng)變速率減小的樣品s-1和s-3的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在應(yīng)變9%時(shí)出現(xiàn)輕微的拐點(diǎn)，反映了煤的力學(xué)行為由脆性向塑性的轉(zhuǎn)變。樣品s-1和s-3的應(yīng)力-應(yīng)變曲線位于樣品s-2和s-4的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下方，在相同的溫度，圍壓條件下，應(yīng)變速率越低，使煤樣發(fā)生相同應(yīng)變所需的差異應(yīng)力越小，顯示了隨著應(yīng)變速率的降低煤的強(qiáng)度減小。

由樣品s-6和樣品s-1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比可知，應(yīng)變量增大為20%時(shí),樣品s-6的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)的更加穩(wěn)定，呈近線性變化，即應(yīng)變與差異應(yīng)力成正比關(guān)系，但由于實(shí)驗(yàn)溫度較低(100℃)，即使應(yīng)變達(dá)到20%，煤的塑性變形依然不顯著。

圖2 實(shí)驗(yàn)變形煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)變形煤顯微裂隙特征

孔隙是吸附態(tài)和游離態(tài)煤層甲烷的主要儲(chǔ)集場(chǎng)所，宏觀裂隙是煤層甲烷運(yùn)移的通道，而顯微裂隙則是溝通孔隙與宏觀裂隙的橋梁[20-21]。

筆者對(duì)所得實(shí)驗(yàn)變形樣品垂直于層理方向磨制光片，并在反射光顯微鏡下進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)變形樣品s-4(圖3-a)、樣品s-2(圖3-b)，顯微結(jié)構(gòu)保存較為完整，近平行排列的橫向卸載裂隙十分發(fā)育，與主應(yīng)力方向平行的張性裂隙少見，主要為與主應(yīng)力方向斜交的剪性裂隙，裂隙長(zhǎng)度長(zhǎng)，延伸較為穩(wěn)定，裂隙面平直，裂隙寬度變化不大，組合簡(jiǎn)單，樣品s-4可見次級(jí)規(guī)模的共軛剪切裂隙發(fā)育。

實(shí)驗(yàn)變形樣品s-1(圖3-c)和樣品s-3(圖3-d)的橫向卸載裂隙不發(fā)育，樣品中出現(xiàn)多組規(guī)模較大的共軛剪切裂隙，裂隙長(zhǎng)度長(zhǎng)，延伸不穩(wěn)定，裂隙面較平直，裂隙寬度變化大，裂隙組合較復(fù)雜。

溫度升高到200℃時(shí)，樣品s-5(圖3-e)出現(xiàn)韌性變形現(xiàn)象，煤體發(fā)生小型寬緩韌性揉皺變形，順層剪切裂隙發(fā)育，近平行排列，碎裂微塊體沿裂隙發(fā)生錯(cuò)位轉(zhuǎn)動(dòng)。顯微裂隙十分發(fā)育，組合復(fù)雜，并可見組分分異效應(yīng)，顯微裂隙在不同組分中發(fā)育具有顯著差異性，可見部分礦物條帶發(fā)生彎曲，褶皺現(xiàn)象。

應(yīng)變量提高為20%時(shí)，與樣品s-1相比，樣品s-6(圖3-f)顯微裂隙發(fā)育方向雜亂，裂隙長(zhǎng)度短，大部分裂隙平直，部分裂隙成彎曲狀，延伸不穩(wěn)定，組合復(fù)雜，將煤體切割成微塊狀。

溫度、圍壓和應(yīng)變量相同時(shí)，應(yīng)變速率越低，實(shí)驗(yàn)變形煤樣的裂隙越發(fā)育，延伸不穩(wěn)定且組合更加復(fù)雜。隨著應(yīng)變速率的降低，實(shí)驗(yàn)變形樣品的變形程度越強(qiáng)，樣品s-4<樣品s-2<樣品s-1<樣品s-3，均為脆性變形碎裂煤。應(yīng)變量增加，顯微裂隙越發(fā)育，組合也更復(fù)雜，煤體破壞嚴(yán)重，脆性變形程度更強(qiáng)，樣品s-6脆性變形碎粒煤。溫度也影響著顯微裂隙發(fā)育情況，溫度上升，有利于煤體發(fā)生韌性變形，脆性變形效應(yīng)減弱，裂隙彎曲，尺寸變小，裂隙數(shù)量增加，樣品s-5為韌性變形揉皺煤。

(a—樣品s-4, b—樣品s-2, c—樣品s-1, d—樣品s-3, e—樣品s-5, f—樣品s-6)圖3 實(shí)驗(yàn)變形樣品顯微裂隙特征

3.3 實(shí)驗(yàn)變形煤孔隙結(jié)構(gòu)特征

煤層中氣體以甲烷為主，以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離與煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。而孔隙影響著煤層甲烷在煤中的吸附、擴(kuò)散、滲流特征，研究煤的孔隙系統(tǒng)及其發(fā)育特征具有重要意義?？紫斗诸惒捎贸Ｓ玫幕舳嗵豙22]的分類方法，即微孔(<10nm)、小孔(過(guò)渡孔，10～100nm)、中孔(100～1 000nm)、大孔(>1 000nm)。

3.3.1 壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)總孔容和不同孔徑孔容分布。實(shí)驗(yàn)變形煤的總孔容和不同孔徑孔容分布如表2所示，溫度100℃，圍壓50MPa，應(yīng)變量10%，應(yīng)變速率為1×10-3s-1的樣品s-4的總孔容為0.173 6cm3/g，之后隨著應(yīng)變速率的降低，實(shí)驗(yàn)變形樣品總孔容呈減少趨勢(shì)，大孔孔容所占比例減少，微孔和小孔孔容所占比例增加，實(shí)驗(yàn)變形樣品s-3的總孔容最小，為0.108 4cm3/g。反映了應(yīng)變速率高有利于大孔及微裂隙的發(fā)育。與樣品s-1相比，溫度增高，樣品s-5總孔容減少至0.108 7cm3/g，大孔和中孔孔容明顯減小，反映了溫度升高對(duì)脆性變形具有一定的抑制作用。樣品s-6與樣品s-1相比，應(yīng)變量從10%增加到20%，總孔容從0.130 5cm3/g增加到0.174 0cm3/g，大孔和小孔孔容增加，微孔和中孔孔容變化小，反映了大的應(yīng)變可以促進(jìn)孔隙的發(fā)育。

表2 實(shí)驗(yàn)變形煤總孔容和不同孔徑孔容分布

備注：(V—孔容，a—比例)。

(2) 孔隙連通性。根據(jù)壓汞曲線可以分析有效孔的孔隙結(jié)構(gòu)，連通性等特征[23-24]。李明[25]根據(jù)進(jìn)退汞曲線將構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)劃分為平行型、反 S型、尖棱型、M 型、雙 S 型和雙弧線型六種類型。

實(shí)驗(yàn)變形煤進(jìn)-退汞曲線如圖4所示，可以將其分為兩類。實(shí)驗(yàn)變形樣品s-4和樣品s-6的壓汞曲線呈雙S型，其進(jìn)汞曲線呈S型，退汞曲線呈反S型，曲線閉合程度相當(dāng)，進(jìn)退汞體積差距大。實(shí)驗(yàn)變形樣品s-1、樣品s-2、 樣品s-3 、樣品s-5 的壓汞曲線相似，呈尖棱型，進(jìn)退汞曲線大部分呈線性變化并相交形成一銳夾角。隨著壓力減少，同一壓力點(diǎn)處的進(jìn)退汞體積差越大，體現(xiàn)了大孔發(fā)育程度高，其他階段孔發(fā)育程度相差不大的特點(diǎn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)變形煤進(jìn)-退汞曲線

結(jié)合其實(shí)驗(yàn)條件分析，在溫度100℃，圍壓50MPa，應(yīng)變量10%時(shí)，隨著樣品s-4、s-2、s-1和s-3應(yīng)變速率的降低，變形程度不斷增強(qiáng)，其退汞效率依次為55.24%、66.60%、67.90%、55.82%，呈先增大后減小的趨勢(shì)，孔隙連通性先變好再變差。溫度上升為200℃時(shí)，樣品s-5的退汞效率為68.47%，較樣品s-1有所上升，但相差不大。應(yīng)變量增加到20%時(shí)，樣品6的退汞效率為54.38%，與樣品s-1相比有明顯的下降，孔隙結(jié)構(gòu)改造更加復(fù)雜，使其孔隙連通性變差。

3.3.2 低溫液氮吸附結(jié)果與分析

(1)孔容及孔比表面積。用BJH原理計(jì)算孔體積及孔徑分布，比表面積通過(guò)BET方程來(lái)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)變形煤樣的低溫液氮吸附孔容和孔比表面積如表3所示。實(shí)驗(yàn)變形煤樣品s-1～s-4的孔容隨應(yīng)變速率的降低有明顯的上升趨勢(shì)，從0.001 2 cm3/g上升到0.001 7 cm3/g，微孔孔容不斷增加，且微孔孔容所占比例上升，從18.7%增加到41.8%。BET孔比表面積，樣品s-4<樣品s-2<樣品s-1<樣品s-3，即隨著應(yīng)變速率的降低而增大，從0.372 m2/g增加到0.779m2/g，比表面積增量明顯。反映應(yīng)變速率越低，對(duì)微孔和小孔的改造程度越高。溫度對(duì)孔容和孔比表面積也有一定影響，溫度上升到200℃時(shí)，樣品s-5的比表面積從0.638m2/g降低到0.293m2/g，孔容從0.001 4cm3/g降低到0.001 0cm3/g，主要由微孔孔容減小所致。應(yīng)變量的大小主要影響微孔孔容所占比例，樣品s-6的孔容和孔比表面積略多于樣品s-1，而樣品s-6微孔孔容所占比例和樣品s-1相比下降明顯，從41.8%下降到28.9%，說(shuō)明隨著應(yīng)變量的增加促進(jìn)了變形煤的孔隙發(fā)育。

表3 低溫液氮吸附孔容及孔比表面積

備注：V—孔容，a—比例，S—孔比表面積

(2)低溫液氮吸附孔隙類型。煤是一種多孔介質(zhì)，低溫液氮吸附回線形態(tài)可以反映其孔隙結(jié)構(gòu)[26-27]。實(shí)驗(yàn)變形煤樣的低溫液氮吸附曲線如圖5所示，可大致分為3類。

Ⅰ類。出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)變形煤樣s-1和s-3中，全程吸附、脫附曲線不重合，且開始時(shí)曲線上升緩慢，呈近平行狀展布，在相對(duì)壓力約0.9時(shí)急劇上升，吸附回線大。這類曲線的最大吸附量最大，反映了孔隙主要為兩端開口的圓筒形孔。

Ⅱ類。出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)變形樣品s-5、樣品s-6中，吸附、脫附曲線不重合，曲線上升緩慢，在相對(duì)壓力約0.9時(shí)急劇上升，吸附回線小。煤中孔隙主要為兩端開口的圓筒形孔，并有一定數(shù)量的一端開口的圓筒形孔。

Ⅲ類。出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)變形樣品s-2和s-4中。與降文萍劃分的H1類類似，吸附與脫附曲線在較低壓力處重合，較小孔徑范圍內(nèi)主要為一端開口的圓筒形孔。吸附回線出現(xiàn)在相對(duì)壓力0.4～1.0的范圍，樣品s-2有輕微拐點(diǎn)出現(xiàn)， 在相對(duì)壓力0.9時(shí)后吸附和脫附曲線急劇上升，說(shuō)明對(duì)應(yīng)較大孔徑的孔，兩端開口的圓筒形孔、墨水瓶形孔占多數(shù)。

圖5 實(shí)驗(yàn)變形煤低溫液氮吸附曲線

3.4 實(shí)驗(yàn)變形煤孔裂隙結(jié)構(gòu)演化分析

實(shí)驗(yàn)變形樣品s-4、樣品s-2、樣品s-1、樣品s-3為脆性變形碎裂煤，樣品s-6為脆性變形碎粒煤，樣品s-5為韌性變形較弱的揉皺煤。在脆性變形階段，隨著煤變形程度的增強(qiáng)，顯微裂隙越發(fā)育，且組合更加復(fù)雜；總孔容呈先增加，后減少，再增加的趨勢(shì)，主要由大孔和中孔孔容變化引起；同時(shí)，微孔孔容和孔比表面積不斷增大，氣體吸附量增多；由退汞效率變化可知，孔隙連通性先變好再變壞；孔隙中兩端開口的圓筒形孔先增多后減少，氣體運(yùn)移情況復(fù)雜。在韌性變形較弱階段，顯微裂隙多呈彎曲狀，延伸不穩(wěn)定；總孔容、微孔孔容和比表面積均有一定的下降，但孔隙連通性有一定的改善，反映了韌性變形較弱時(shí)，對(duì)孔隙的改造有限。

3.5 煤的脆韌性變形機(jī)制

在煤受構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生變形時(shí)，應(yīng)變速率對(duì)煤的脆性及脆韌性變形產(chǎn)生重要影響，應(yīng)變速率越高，煤體易發(fā)生破碎，導(dǎo)致煤體強(qiáng)度下降，裂隙發(fā)育規(guī)則，規(guī)模較大，延伸穩(wěn)定，但對(duì)微孔和小孔的改造有限。應(yīng)變速率降低，煤體塑性增強(qiáng)，顯微裂隙不規(guī)則發(fā)育，且規(guī)模小，改造煤中更小的孔隙，微孔和小孔數(shù)量增多,中孔和大孔數(shù)量減少，比表面積增大，有利于增加氣體吸附量，但孔喉發(fā)育，孔隙連通性差，不利于氣體運(yùn)移。升高溫度可以促進(jìn)煤的脆-韌性轉(zhuǎn)變，溫度達(dá)到一定時(shí)，即使應(yīng)變速率較高，也有可能形成韌性變形煤。應(yīng)變量增大可以使脆性變形或韌性變形程度加劇,有利于顯微裂隙和孔隙發(fā)育，但若要形成韌性變形強(qiáng)烈的揉皺煤、糜棱煤，需要低應(yīng)變速率、高溫度及大應(yīng)變量三個(gè)條件的共同作用。

4 結(jié)論

①本次高溫高壓實(shí)驗(yàn)，采自祁南煤礦的中煤級(jí)原生結(jié)構(gòu)氣肥煤發(fā)生了脆-韌性轉(zhuǎn)變變形。在煤受力變形過(guò)程中，低應(yīng)變速率和高溫度時(shí)，煤的強(qiáng)度下降明顯，有利于煤體發(fā)生變形。

②隨著實(shí)驗(yàn)變形煤變形程度的增大，顯微裂隙不規(guī)則發(fā)育，組合復(fù)雜，總孔容呈波動(dòng)式變化；微孔孔容和比表面積先增大后在韌性變形初級(jí)階段時(shí)減小，同時(shí)孔隙連通性在脆性變形階段先變好后變差，在韌性變形初期有一定程度的改善。

③在煤體受力變形時(shí)，應(yīng)變速率、溫度及應(yīng)變量影響著煤體的孔裂隙結(jié)構(gòu)。應(yīng)變速率越低，對(duì)微孔和小孔的改造越顯著。應(yīng)變量增大可以使脆性變形或韌性變形程度加劇，有利于顯微裂隙和孔隙發(fā)育。溫度可以促進(jìn)煤的脆-韌性轉(zhuǎn)變，溫度達(dá)到一定時(shí)，即使應(yīng)變速率較高，也有可能形成韌性變形煤。