色連二礦低變質(zhì)程度煤層孔裂隙及其分形特性

疏義國，胡繼松

(淮河能源西部煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

煤是一種多孔介質(zhì)，根據(jù)直徑大小，煤中孔隙可分為微孔、小孔、中孔和大孔[1]，而煤中的裂隙則由內(nèi)生和外生裂隙構(gòu)成。微孔和小孔是瓦斯吸附的主要空間，而大孔、中孔以及煤體中的裂隙則形成了瓦斯輸送的通道，二者相輔相成，成為瓦斯儲存和抽采的必要組成部分[2]。同時，煤中的孔裂隙較多時，其比表面積較大，吸氧能力也較強(qiáng)，因而對自然發(fā)火也有一定的影響[3，4]。

煤體中的裂隙與成煤過程中遭遇的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動具有一定的關(guān)系[5]，而煤體中的孔隙則與煤的變質(zhì)程度等多個因素相關(guān)[6]。不同的煤儲層，雖然煤的變質(zhì)程度相關(guān)不大，但煤體中的孔裂隙特性可能相差較大[7]，因而對于不同塊段內(nèi)的煤層，應(yīng)該對其孔裂隙特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文對變質(zhì)程度低的色連二礦2號煤層孔裂隙特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，掌握其分布特性，為瓦斯抽采和抑制低溫氧化與自然發(fā)火提供基礎(chǔ)資料，并為鄂爾多斯東勝礦區(qū)安全高效開采提供借鑒。

1 煤層賦存情況

色連二礦地面標(biāo)高+1421～+1500m，2號煤層標(biāo)高+1095～+1150m，為變質(zhì)程度較低的長焰煤，其干燥無灰基揮發(fā)分達(dá)39%。2號煤層距上覆3號煤層20.31～28.93m，煤層厚度變化較大，煤層中部與東部為1.5～1.9m，而西部1.9～2.9m。2號煤層煤層傾角0°～2°，平均值為1°，煤層內(nèi)斷層較少，煤層賦存條件較簡單。2號煤層自然發(fā)火期較短，為20～41d，平均30d，屬易自燃煤層。

由于2號煤層直接頂為1m左右的泥巖，關(guān)鍵層為較堅硬的3m厚中粒砂巖，為瓦斯賦存提供了條件，在2號煤層開采過程中，經(jīng)常發(fā)生瓦斯異常涌出；同時，由于該煤層孔隙率較大、吸氧特性較好等原因，自然發(fā)火期較短，因而，必須對該煤層的孔裂隙特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，為礦井的安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)支撐。

2 煤層裂隙統(tǒng)計分析

根據(jù)前蘇聯(lián)礦業(yè)研究所和蘇現(xiàn)波[7]對煤的破壞程度的分類，把2號煤層的煤樣分為：I類非破壞煤、Ⅱ類破壞煤、Ⅲ類強(qiáng)烈破壞煤、Ⅳ類粉碎煤，以及Ⅴ類粉末煤。

通過對2號煤層內(nèi)部507條大中型煤層裂隙進(jìn)行分析，見表1，可以發(fā)現(xiàn)，在2號煤層?xùn)|部節(jié)理與裂隙發(fā)育可以分為兩類，分別為N25°W和N65°E兩個方向，多為共軛節(jié)理，且其角度多為60°左右，節(jié)理與裂隙中多為揮發(fā)性物質(zhì)。裂隙發(fā)育頻率均勻，為0.7～1.8條/m，一般1.1條/m。

宏觀上，按照煤中裂隙的延展長度可分為6個級別，見表2。

根據(jù)統(tǒng)計分析，2號煤層中Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級裂隙最多，不同類別煤中的裂隙發(fā)育和延展特性不同。在Ⅱ類菱形包裹煤樣中，裂隙呈魚網(wǎng)狀分布，每個包裹體由8個面包裹起來，大包裹體(一般30～40cm)包裹著小的包裹體，包裹體的表面為具有揮發(fā)性組分的裂隙面。在Ⅳ類粉碎煤和Ⅴ類粉末煤中裂隙密度大、幾何尺寸小，因而難以觀測。在Ⅲ類煤樣中，裂隙呈近似于平行的方式呈現(xiàn)，裂隙的密度也較大，裂隙與層理之間的角度較小，在這類煤中，裂隙充分發(fā)育、密度大，因而難以觀測。

表1 煤樣裂隙數(shù)量

表2 宏觀裂隙分級

通過對2號煤層內(nèi)大量裂隙的觀測發(fā)現(xiàn)，對于Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級裂隙，隨級別的增大，裂隙的數(shù)量也不斷增大，但其延展長度不斷降低。

微觀上，通過顯微鏡測定，2號煤層裂隙寬度較小，為3～350μm，通常為7～50μm，因而裂隙的壓實(shí)性較好。對于一些被方解石礦化的煤樣，其裂隙寬度為1.5～2.5mm。煤中裂隙呈平直、分叉、羽狀、齒狀、縫合狀等多樣性發(fā)育。

通過煤層裂隙統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)內(nèi)宏觀裂隙相對較少，說明礦區(qū)在成煤過程中受到地質(zhì)構(gòu)造作用較小，煤層賦存相對較均勻、穩(wěn)定，不存在與地面及其他地層相溝通的大型裂隙，因而存在瓦斯異常賦存區(qū)、自然傾向性異常區(qū)的可能性也較低。

3 煤的孔隙特征實(shí)驗(yàn)研究

采用美國Micromeritics公司研發(fā)的ASAP2460孔隙與比表面積測試系統(tǒng)，可對0.3～500nm范圍內(nèi)的納米級孔的孔隙度和比表面積進(jìn)行測定[8]。煤樣的粒度為0.18～0.25mm，采用高壓容量法進(jìn)行液氮吸附實(shí)驗(yàn)，液氮的純度為99.99%。

3.1 測試結(jié)果

利用液氮吸附實(shí)驗(yàn)對2號煤層井田范圍內(nèi)Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類煤的煤樣進(jìn)行測試分析，結(jié)果見表3和表4，煤樣孔裂隙容積的測試曲線和液氮吸附曲線如圖1、圖2所示。

表3 孔容實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值

表4 比表面積實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值

圖1 不同煤的孔容曲線

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ⅱ類煤中微孔及超微孔的總數(shù)及其占比較小。煤樣破碎程度越高，微孔及超微孔總數(shù)及煤樣比表面積越大。Ⅴ類煤的煤樣孔容和比表面積分別達(dá)到了1964×10-5cm3/g和4804×10-3m2/g，分別是Ⅱ類煤的8.2倍和9.3倍、是Ⅲ類煤的27.3倍和29.8倍、是Ⅳ類煤的8.5倍和8.52倍。表明煤層所經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動越多、越嚴(yán)重，煤體孔容和比表面積越大，煤中孔隙的連通性也越好。這些孔裂隙可以為氣體提供運(yùn)移通道，同時也提高了煤的吸氧能力，由于該煤層內(nèi)煤的揮發(fā)分較高，因而對煤的低溫氧化與自然發(fā)火帶來不利影響。

圖2 各類煤吸附回線

從圖2中的煤樣吸附回線可以看出，四類煤的氮吸附回線的基本形式大致相同，說明了煤體中孔、裂隙的結(jié)構(gòu)形式具有一定的相似性。各煤樣在相對壓力P/P0(即平衡蒸汽壓力/同溫度下吸附質(zhì)飽和蒸汽壓力)小于0.5時呈以單分子層吸附為主的吸附狀態(tài)，相對壓力P/P0處于0.5～0.9區(qū)間時呈以多分子層吸附為主的吸附狀態(tài)，而當(dāng)P/P0>0.9時，呈現(xiàn)出以毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象為主的吸附狀態(tài)，各曲線的形態(tài)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)大致相似，反應(yīng)了各煤樣具有相似的物理屬性。

然而，隨著煤的破碎性提高，煤樣的吸附容積不斷提高，且以Ⅴ類煤為最大，Ⅳ類煤次之，Ⅲ類煤再次之，Ⅱ類煤最小。說明煤中孔隙的連通性逐漸增大，原本封閉的孔隙相互貫通而形成半封閉甚至貫穿型孔隙。特別是當(dāng)P/P0>0.9時，由于Ⅴ類煤中的納米級微孔較多，使其在這一階段的吸附容積顯著高于其他類型煤。同時，由于各類煤中相對封閉的孔的容積不同，使得吸附回線中吸附曲線和脫附曲線之間的寬度也產(chǎn)生變化，即，Ⅴ類煤中的封閉孔的容積較大，因而吸附回線中吸附曲線和脫附曲線之間的寬度也較大，Ⅳ類煤次之，Ⅲ類煤再次之，Ⅱ類煤最小。

研究發(fā)現(xiàn)，在孔容測試結(jié)果中(表3)，5～10nm的納米級孔的孔容隨破碎程度的提高而增大，且呈現(xiàn)出D1型吸附回線(圖2)。各類煤樣的吸附回線中的解吸線在相對壓力值為0.5左右時形成拐點(diǎn)，迅速與吸附線重合，說明煤樣中含有大量孔徑為3nm左右的細(xì)頸型裂隙。

通過對比色連二礦各類煤的孔隙率與吸附回線可以看出，隨著煤的破碎程度的提高，微孔所占比例提高，使得過渡孔及2.5nm以下孔所占的比例下降，煤樣中的比表面積提高，從而對氣體的吸附與儲存能力也相應(yīng)的提高。

3.2 比表面積和孔容隨孔徑分布的關(guān)系

利用BJH方程，獲得各類煤樣的比表面積增加量和孔容增加量隨孔徑分布的變化關(guān)系，如圖3、圖4所示。

圖3 比表面積增加量隨孔徑分布的關(guān)系

圖4 孔容增加量隨孔徑分布的關(guān)系

從表3、表4和圖3、圖4可以看出，煤樣的破碎程度越高，孔容越大，微孔所占的比例越大，且煤樣的比表面積也越大，說明比表面積增量與孔容增量具有相關(guān)性，Ⅴ類煤孔容的增量最大，Ⅳ類煤再次，Ⅱ類煤最小。對于Ⅱ類煤，其孔容與比表面積的增量隨著煤階的變化不大；但隨著煤樣破碎程度提高，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤體結(jié)構(gòu)破壞，再加上新形成的開放性裂隙，使得內(nèi)部的可揮發(fā)性組分能夠揮發(fā)出來，形成新的微孔和超微孔，導(dǎo)致煤樣的平均孔徑顯著降低，微孔和超微孔占比上升，并以Ⅴ類為最大，但這些孔的連通性相較于Ⅱ類煤差。

相對于Ⅱ類煤，Ⅴ類煤的孔隙多集中于平均孔徑小于50nm的微孔，并在平均孔徑50nm左右時，微孔的占比達(dá)到峰值。對于平均孔徑小于30nm的微孔，孔容增量相對于比表面積增量更加集中(圖4)。對于平均孔徑大于50nm的孔隙，孔容與比表面積增量的變化分別呈現(xiàn)增大和降低兩個相反的趨勢，說明在構(gòu)造應(yīng)力作用下，小孔占比較大，增大了煤樣的比表面積，使煤樣吸附甲烷和氧的能力增強(qiáng)。

4 煤中孔隙的分形特性

4.1 計算方法

分形理論為零碎的孔隙特性數(shù)據(jù)提供了一種新的研究方法[11]，其中較為常用的模型計算方法為海綿模型。該模型是在Wash burn方程的基礎(chǔ)上建立起來[12]，首先構(gòu)建注氮體積與平衡蒸汽壓力之間關(guān)系函數(shù)：

ln(?Vp/?p)=ln(γ×pDn-4)

(1)

在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出分形維數(shù)Dn：

Dn=(ln(?Vp/?p)-lnγ)/lnp+4

(2)

令λ=ln(?Vp/?p)/lnpln(?Vp/?p)，則分形維數(shù)Dn：

Dn=λ+4

(3)

式中，p為平衡蒸汽壓力，MPa；Vp為某一孔徑的孔隙在壓力p下的注氮量，mL；γ為無量綱常數(shù)。

4.2 分形維數(shù)響應(yīng)

通過分形維數(shù)計算發(fā)現(xiàn)，色連二礦2號煤層孔隙特性分形維數(shù)位于2.35～2.76，分形維數(shù)與各類煤樣的之間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，Ⅱ類煤的維數(shù)較小，各測算樣本計算結(jié)果差別較小，而Ⅲ類和Ⅳ類則有顯著差異；Ⅴ類的分形維數(shù)值相對較大，但與Ⅲ類和Ⅳ類相比，各測算樣本計算結(jié)果差別也較小。說明，隨著煤樣破碎程度的增大，分形維數(shù)不斷增大，各測算樣本計算結(jié)果差別也不斷增大，而對于Ⅴ類煤，由于煤樣呈粉末狀態(tài)，趨同性較好，分形維數(shù)的測算結(jié)果的差別反而不大。

圖5 分形維數(shù)與煤樣破碎程度的關(guān)系

4.3 分形維數(shù)結(jié)構(gòu)性特征

利用分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)特性之間的映射關(guān)系可分析煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特性。由前文可知，煤樣的孔容主要分布在1.95～14.54mm3/g，占納米孔總孔容的74%～83%。由圖4可知，各煤樣的孔容及孔隙率與其分形維數(shù)均呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)Dn<2.6時，其數(shù)值呈離散聚集分布，但仍具有較明顯的趨勢性，當(dāng)Dn>2.6時，各數(shù)值與擬合線的具有較好的趨同性[13-15]。

煤樣的孔容及孔隙度與其分形維數(shù)關(guān)系如圖6所示，圖6表明，煤體的分形維數(shù)在不同破碎程度煤樣中孔隙結(jié)構(gòu)特性的配置作用。破碎程度較低的煤，總孔容較低，其分形維數(shù)亦較低，而破碎程度較高的煤則相反，但由于其容易被壓實(shí)，因而盡管其總孔容較高，但透氣性并不好。

圖6 煤樣的孔容及孔隙率與其分形維數(shù)的關(guān)系

過渡孔與煤體的滲流特性密切相關(guān)，其與分形維數(shù)之間的關(guān)系如圖7所示，當(dāng)Dn<2.6時，過渡孔占總孔容的比例較高，而隨著Dn增大，過渡孔的孔容占比逐漸降低，這說明隨著煤體破碎程度的增加，過渡孔比例逐漸降低而變成輸氣能力較好的擴(kuò)散孔。同時，隨著Dn增大，孔徑小于10nm的納米級孔的總孔容降低，反映了其儲氣能力有所下降。

圖7 分形維數(shù)與過渡孔孔容比的關(guān)系

4.4 參數(shù)分析

Dn與平均孔徑、比表面積及最大吸附量的關(guān)系如圖8所示。隨著煤樣破碎程度的提高，Dn增大，煤中孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，平均孔徑降低，比表面積增大。

圖8 Dn與平均孔徑、比表面積及最大吸附量的關(guān)系

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，Ⅴ類煤的分形維數(shù)最大值2.76，表明Ⅴ類煤的孔裂隙充分發(fā)育且復(fù)雜，相應(yīng)的，其比表面積及吸附甲烷和氧的能力亦最大。同時Ⅴ類煤中平均孔徑在30nm以下的孔隙充分發(fā)育，吸附量達(dá)到了8.936mL/g，其吸附回線中吸附過程曲線與解吸過程曲線區(qū)分明顯，如圖2(d)所示；而Ⅱ類煤則相反，其最大吸附量僅為1.239mL/g。

色連二礦2號煤層煤體松軟，開采后采空區(qū)遺煤多為Ⅴ類煤，煤體破碎嚴(yán)重，分形維數(shù)高，比表面積大，吸附氧的能力強(qiáng)，自然發(fā)火期短，給礦井安全生產(chǎn)帶來了隱患。

5 結(jié) 論

1)Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級裂隙發(fā)育較充分，且隨級別的增大，裂隙的數(shù)量也不斷增大，但其延展長度不斷降低。2號煤層裂隙呈多樣性發(fā)育，且壓實(shí)性較好，裂隙寬度為3～350μm，通常為7～50μm，而對于一些被方解石礦化的煤樣，其裂隙寬度為1.5～2.5mm。

2)煤樣的破碎程度越高，微孔及超微孔的總數(shù)及煤樣的比表面積越大。Ⅴ類煤的煤樣孔容和比表面積分別是Ⅱ類煤的8.2倍和9.3倍、Ⅲ類煤的27.3倍和29.8倍、Ⅳ類煤的8.5倍和8.52倍。煤中孔裂隙可以為煤層氣提供運(yùn)移的通道，同時也擴(kuò)大了比表面積，提高了煤的吸氧能力，再加上該煤層內(nèi)煤的揮發(fā)分較高，因而對煤的低溫氧化與自然發(fā)火帶來不利影響。

3)色連二礦2號煤層的四類煤的氮吸附回線基本形式大致相同，反映了各煤樣具有相似的物理屬性。隨著煤的破碎性的提高，煤樣的吸附容積和吸附回線中吸附曲線和脫附曲線之間的寬度不斷增大，且以Ⅴ類煤為最大，Ⅳ類煤次之，Ⅲ類煤再次之，Ⅱ類煤最小。

4)隨著煤體破碎程度的增大，其孔隙分形維數(shù)不斷增大，以Dn=2.6為拐點(diǎn)，當(dāng)Dn<2.6時，過渡孔占主要地位，煤體的儲氣能力亦較強(qiáng)，滲流能力則較弱；當(dāng)Dn>2.6時，過渡孔的占比逐漸下降，滲流能力隨之加強(qiáng)，但儲氣能力則不同程度的下降。隨著分形維數(shù)增高，比表面積增大，吸附氧的能力增強(qiáng)，導(dǎo)致發(fā)火期變短，給礦井安全生產(chǎn)帶來了隱患。