逆斷層區(qū)域煤體孔隙結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附解吸特征研究

周 睿，程曉之，蘇偉偉，朱 蕾

（1.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014399）

地質(zhì)構(gòu)造作為影響瓦斯賦存的主要因素[1-2]，不僅直接控制瓦斯的生成環(huán)境，而且影響煤體的孔隙結(jié)構(gòu)及吸附解吸特征[3-4]。其中，逆斷層作為一種常見的地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)形式，受水平應(yīng)力擠壓而成的特點(diǎn)往往導(dǎo)致其具有一定的壓扭性和封閉性，對(duì)煤體內(nèi)部瓦斯起到封閉作用，造成構(gòu)造影響區(qū)域內(nèi)煤體透氣性較差，瓦斯運(yùn)移相對(duì)困難，進(jìn)而造成瓦斯積聚[5-8]。大量煤炭開采實(shí)踐表明，逆斷層構(gòu)造區(qū)一直是瓦斯災(zāi)害發(fā)生的重點(diǎn)區(qū)域[9-12]，因此，研究逆斷層構(gòu)造影響區(qū)域煤體孔隙結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附解吸特征，對(duì)于開展礦井瓦斯災(zāi)害綜合防治、保障煤礦安全高效生產(chǎn)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義[13-19]。可以看出，目前的研究一般不對(duì)造成煤體影響的構(gòu)造類別進(jìn)行劃分，直接分析構(gòu)造煤的相關(guān)特征，但由于各種構(gòu)造在形成過(guò)程中應(yīng)力作用不同，導(dǎo)致其孔隙結(jié)構(gòu)以及瓦斯吸附吸解規(guī)律難免存在一定的差別；同時(shí)在逆斷層不同影響程度下煤層的孔隙結(jié)構(gòu)以及瓦斯吸附吸解規(guī)律呈現(xiàn)怎樣的規(guī)律也需要分析。因此，有必要針對(duì)逆斷層不同影響程度下的煤層孔隙結(jié)構(gòu)以及瓦斯吸附吸解規(guī)律進(jìn)行有針對(duì)性的研究，探尋逆斷層影響區(qū)域內(nèi)煤體瓦斯相關(guān)特征。

1 試驗(yàn)礦區(qū)地質(zhì)條件及煤樣采集

1.1 試驗(yàn)礦區(qū)地質(zhì)條件

貴州新春煤礦位于貴州省桐梓縣城以西，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a，服務(wù)年限62年。礦井主采C5煤層，煤層厚度為1.50～2.87 m，煤層傾角3°～12°。1503工作面位于礦井東南部，采深300～420 m，采煤方法為走向長(zhǎng)壁采煤法。1503工作面回采區(qū)域存在F4逆斷層，斷層傾角60°，長(zhǎng)度195 m，斷距0～6 m，平均4 m。為了分析逆斷層對(duì)煤層瓦斯賦存的影響，在1105底抽巷布置5個(gè)瓦斯含量測(cè)點(diǎn)，1503工作面示意圖如圖1。

圖1 1503工作面示意圖Fig.1 Diagram of 1503 working face

將井下測(cè)試的瓦斯解吸量、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的瓦斯殘存量以及推算的瓦斯損失量三者相加，可求出煤體原始瓦斯含量，瓦斯含量測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 瓦斯含量測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of gas content

由表1可以看出，測(cè)點(diǎn)4到測(cè)點(diǎn)1，瓦斯含量表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)，瓦斯含量在測(cè)點(diǎn)1最大，達(dá)到13.24 m3/t，在測(cè)點(diǎn)4最小，僅為8.56 m3/t。

1.2 煤樣采集與制備

在1503回采工作面區(qū)域距離F4逆斷層分別為10 m和40 m位置選取煤樣，標(biāo)記為K3和K2，在不受F4逆斷層影響的回風(fēng)斜井區(qū)域選取煤樣（距離逆斷層約200 m），標(biāo)記為K1。采樣后立即進(jìn)行密封保存，并送至煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室制備，以防止煤樣氧化和水分的蒸發(fā)。煤樣加工處理的方法和制備試樣的規(guī)范性將直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，針對(duì)不同的試驗(yàn)，制取的煤樣也有不同的要求，為了開展煤體微觀結(jié)構(gòu)、孔容、比表面積和瓦斯吸附解吸試驗(yàn)，需要選擇制備不同特征參數(shù)的煤樣。其中針對(duì)低溫液氮吸附試驗(yàn)，采用60～80目（180～250 μm）的篩網(wǎng)篩選煤樣，每個(gè)煤樣稱重50 g，然后在真空干燥箱中以80℃的溫度干燥6 h后，放入磨口瓶中加簽密封備用；針對(duì)煤體吸附解吸試驗(yàn)，采用1～3 mm的篩網(wǎng)篩選煤樣，每個(gè)煤樣稱重400 g，然后在真空干燥箱中以80℃的溫度干燥6 h后，放入磨口瓶中加簽密封備用。

2 逆斷層影響區(qū)域煤體孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.1 低溫液氮吸附試驗(yàn)結(jié)果

比表面積和孔隙分布是評(píng)價(jià)多孔材料活性、吸附等多種性能的重要參數(shù)，測(cè)試中普遍采用液氮在較低溫度下發(fā)生物理吸附的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)采用煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室的ASAP2020M比表面及孔徑分析儀進(jìn)行測(cè)試。在3個(gè)位置分別選取煤樣2份，共6份，編號(hào)分別為K3YD-1和K3YD-2，K2YD-1和K2YD-2、K1YD-1和K1YD-2、每份6 g，煤樣孔隙結(jié)構(gòu)低溫液氮吸附測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)低溫液氮吸附測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of low temperature liquid nitrogen adsorption on pore structure of coal samples

通過(guò)表2可以看出，6個(gè)試樣各孔徑段孔容以中孔和小孔為主、比表面積基本以小孔為主。受逆斷層構(gòu)造影響，K1YD-1和K2YD-2的孔容和比表面積均最小，K2YD-1、K2YD-2和K3YD-1、K3YD-2試樣的孔容和比表面積均有一定程度的增加，并且受逆斷層構(gòu)造影響最為嚴(yán)重的K3YD-1、K3YD-2試樣的孔容和比表面積最大；因此可以得出，逆斷層構(gòu)造對(duì)煤體的孔容和比表面積有一定影響，并且與逆斷層越近，影響程度越大。其中6個(gè)試樣的微孔的比表面積分別為19.46%、17.37%、13.99%、14.48%、3.04%、1.28%，得出隨著逆斷層影響程度的增加，試樣微孔的比表面積占比有均一定程度的提高，結(jié)合前人研究[20]，微小孔作為煤體的主要吸附孔之一，其比表面積占比的改變將直接影響著瓦斯吸附的能力。通過(guò)以上分析可以看出，逆斷層構(gòu)造不僅通過(guò)構(gòu)造應(yīng)力改變了煤層的賦存條件，提高了煤體中的裂隙發(fā)育程度，同時(shí)增加了煤體的孔容和比表面積，從而對(duì)煤體瓦斯的吸附、解吸等特性造成影響。

2.2 煤層孔隙類型

3組試樣低溫液氮吸附回歸曲線如圖2。

圖2 3組試樣低溫液氮吸附回歸曲線Fig.2 Regression curves of liquid nitrogen adsorption in three groups of samples

由圖2可以看出，在初始階段液氮吸附量逐漸增加，這是由于微孔孔隙中氮?dú)夥肿娱_始填充造成的；之后吸附曲線開始增長(zhǎng)，表明氮?dú)夥肿釉诿簶涌紫侗砻嫱瓿闪藛畏肿訉游胶箝_始多分子層吸附，當(dāng)相對(duì)壓力p/po接近于1時(shí)（p為氮?dú)夥謮?，po為液氮溫度下氮?dú)獾娘柡驼魵鈮海剿俾首兛?，液氮吸附量顯著增加，吸附曲線近似成一條上升的直線，表明孔隙內(nèi)部發(fā)生了毛細(xì)凝聚。并且，同一壓力條件下，K3YD-1和K3YD-2煤樣的氮吸附量最大，K1YD-1和K1YD-2煤樣的吸附量較小，驗(yàn)證了煤樣的比面積越大，吸附量越大的變化規(guī)律。3種煤樣在相對(duì)壓力為0.4～0.5的區(qū)域內(nèi)均存在輕微的拐點(diǎn)，說(shuō)明煤樣中存在墨水瓶孔，孔隙系統(tǒng)復(fù)雜。

3 逆斷層影響區(qū)域煤體瓦斯吸附解吸特征

在逆斷層構(gòu)造影響下，煤體的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙特征、比表面積、孔容等參數(shù)均將發(fā)生一定改變，這些變化在工程應(yīng)用中的直觀體現(xiàn)即是改變了煤體的瓦斯吸附解吸特征，如果煤體瓦斯吸附能力增大，意味著瓦斯含量更高，發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害的危險(xiǎn)性隨之加大。因此，在3個(gè)位置分別選取K3XF、K2XF和K1XF共3組試樣開展瓦斯吸附解吸規(guī)律研究。

3.1 瓦斯吸附特征

為了研究逆斷層構(gòu)造對(duì)煤體試樣吸附瓦斯性能的影響，注入初始瓦斯壓力2.50 MPa，3組試樣吸附瓦斯曲線變化規(guī)律如圖3，3組試樣瓦斯吸附計(jì)算結(jié)果見表3。

圖3 3組試樣吸附瓦斯曲線變化規(guī)律Fig.3 Gas adsorption curves of three samples

表3 瓦斯吸附計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of gas adsorption

綜合圖3和表3可以得出，初始注入相同的瓦斯量后，煤樣開始吸附瓦斯，罐體內(nèi)游離瓦斯量逐漸減少，顯示壓力逐漸降低，但3組試樣在不同階段的吸附瓦斯速率和吸附瓦斯累計(jì)量具有明顯差異；并且K3XF、K2XF和K1XF試樣最終吸附瓦斯平衡后壓力分別為1.07、1.45、1.67 MPa，下降幅度分別為57.2%、42.0%和33.2%，距離逆斷層最近的K3XF試樣吸附瓦斯量最大，吸附速率最快，同時(shí)達(dá)到吸附平衡時(shí)間最短，表明其吸附性能相對(duì)最強(qiáng)；不受逆斷層構(gòu)造影響的K1XF試樣吸附瓦斯量最小，吸附速率最慢，同時(shí)達(dá)到吸附平衡時(shí)間最長(zhǎng)，表明其吸附性能相對(duì)最弱。因此可以看出，3組試樣雖為同一煤田的同號(hào)煤層，但因與逆斷層構(gòu)造距離不同，其受逆斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響強(qiáng)度也不盡相同，距離斷層越近，煤體受構(gòu)造應(yīng)力作用越突出，造成煤體破壞程度越大，煤體內(nèi)的比表面積和體內(nèi)有效溝通的孔隙或裂隙越發(fā)育，進(jìn)而影響煤對(duì)瓦斯的吸附能力。

3.2 瓦斯解吸特征

分別在0.6、1.0、2.0 MPa 3種瓦斯壓力條件下開始瓦斯解吸試驗(yàn)，不同初始吸附平衡壓力下瓦斯吸附/解吸數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同初始吸附平衡壓力下瓦斯吸附/解吸數(shù)據(jù)Table 4 Gas adsorption/desorption data under different initial adsorption equilibrium pressures

由表4可以看出，隨著瓦斯吸附平衡壓力的升高，吸附瓦斯量越大，同時(shí)其前60 min的瓦斯累計(jì)解吸量也越大，但累計(jì)解吸率相對(duì)越小。以K2XF煤樣為例，其在初始瓦斯吸附平衡壓力分別為0.60、1.00、2.00 MPa的條件下，吸附瓦斯量分別為6.65、11.77、15.08 m3/t，前60 min累計(jì)瓦斯解吸量分別為4.66、7.59、9.11 m3/t，而累計(jì)解吸率卻從70.08%下降至60.41%，前60 min累計(jì)瓦斯解吸率變化規(guī)律異于瓦斯吸附量和瓦斯解吸量的變化規(guī)律，由此說(shuō)明煤體內(nèi)儲(chǔ)存的瓦斯壓力越大并不能直接反應(yīng)到單位時(shí)間內(nèi)的瓦斯解吸程度，該試樣由于受到逆斷層構(gòu)造應(yīng)力的改造，原有封閉型孔隙被打開，比表面積增大，瓦斯吸附量隨之增加，而解吸率指標(biāo)的異常證明封閉孔隙雖被打開，能夠允許瓦斯分子進(jìn)入孔隙內(nèi)部，但其孔隙網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)充分疏通，解吸程度仍受到一定抑制，其解吸率存在延緩現(xiàn)象。

K2XF試樣在不同平衡壓力下前60 min的解吸規(guī)律如圖4。由圖4可以看出，吸附平衡壓力對(duì)試樣的瓦斯解吸具有明顯的影響，試樣隨著瓦斯平衡壓力增加，同時(shí)段內(nèi)瓦斯解吸量均增大，試樣的瓦斯解吸初速度與平衡壓力成正比，即壓力越高，解吸初速度越大。

圖4 K2XF試樣在不同平衡壓力下前60 min解吸規(guī)律Fig.4 Desorption rule of K2XF sample in the first 60 minutes under different equilibrium pressures

3組試樣不同平衡壓力下前60 min瓦斯解吸規(guī)律如圖5。由圖5可以得出，3組試樣的瓦斯解吸量均隨著平衡壓力的升高而增大，并且當(dāng)瓦斯解吸量達(dá)到一定值時(shí)，其解吸速度逐漸降低，解吸曲線趨于平緩，瓦斯解吸量趨于飽和。在相同的解吸平衡壓力下，K3XF試樣的瓦斯解吸量相對(duì)最大，解吸性能相對(duì)最強(qiáng)；K1XF試樣的瓦斯解吸量相對(duì)最小，解吸性能相對(duì)最弱；說(shuō)明距離逆斷層構(gòu)造越近，破壞越嚴(yán)重，煤體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)被改造的程度越大，進(jìn)而導(dǎo)致了煤體解吸量的提高。并且，測(cè)試結(jié)果揭示出不同試樣在相同初始瓦斯吸附平衡壓力下，瓦斯吸附量越大，前60 min的累計(jì)瓦斯解吸量也越大，累計(jì)瓦斯解吸率也越大?？梢缘贸?，煤體距離逆斷層越近，受到影響越為顯著，其瓦斯吸附和解吸的能力均得到增強(qiáng)；而不受逆斷層影響的原始煤體，其瓦斯吸附和解吸的能力相對(duì)較弱。吸附瓦斯量是反映煤體吸附能力最直觀的定量指標(biāo)，比表面積是決定吸附瓦斯量的微觀指標(biāo)，逆斷層附近試樣孔隙特性的變化雖不能改變煤的變質(zhì)程度，但構(gòu)造應(yīng)力作用能夠打開煤體封閉孔隙，提高有效比表面積，擴(kuò)大煤層有效吸附位，進(jìn)而促升煤樣吸附瓦斯量；另外，逆斷層構(gòu)造應(yīng)力宏觀上的改造也促使煤體內(nèi)孔隙疏通，提升內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性，從累計(jì)解吸量和累計(jì)解吸率指標(biāo)可以看出，煤體距離逆斷層越近，煤的破壞程度越高，煤體內(nèi)的孔隙連通性能越好，越有利于瓦斯解吸。

圖5 3組試樣不同平衡壓力下前60 min瓦斯解吸規(guī)律Fig.5 Gas desorption rules of three samples in the first 60 minutes under different equilibrium pressures

4 結(jié)語(yǔ)

1）選取與逆斷層不同距離煤體開展低溫液氮試驗(yàn)，得出逆斷層構(gòu)造改變了煤體裂隙發(fā)育程度，導(dǎo)致煤體部分封閉孔隙打開，增加了煤體的孔容和比表面積，并且隨著與逆斷層距離的較小，逆斷層對(duì)煤體孔容和比表面積的作用越來(lái)越大；通過(guò)觀測(cè)煤樣吸附回歸曲線得出，3種煤樣在相對(duì)壓力為0.4～0.5的區(qū)域存在拐點(diǎn)，說(shuō)明煤樣中存在墨水瓶孔，孔隙系統(tǒng)較為復(fù)雜。

2）選取與逆斷層不同距離煤體開展瓦斯吸附試驗(yàn)，得出同一煤層因與逆斷層構(gòu)造距離不同，導(dǎo)致其瓦斯吸附性能也不同，其中與逆斷層最近的煤體瓦斯吸附性能相對(duì)最強(qiáng)，瓦斯吸附瓦斯量最大，吸附速率最快，同時(shí)達(dá)到吸附平衡時(shí)間最短，而距離逆斷層最遠(yuǎn)的煤體不受逆斷影響，瓦斯吸附性能相對(duì)最弱。

3）選取與逆斷層不同距離煤體開展瓦斯解吸試驗(yàn)，得出瓦斯解吸量均隨著平衡壓力的升高而增大，并且當(dāng)瓦斯解吸量達(dá)到一定值時(shí)，其解吸速度逐漸降低，解吸曲線趨于平緩，瓦斯解吸量趨于飽和。在相同的解吸平衡壓力下，距離逆斷層最近的煤體破壞越嚴(yán)重，煤體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)被改造的程度越大，進(jìn)而導(dǎo)致了煤體解吸量的提高，造成瓦斯解吸量相對(duì)最大，解吸性能相對(duì)最強(qiáng)。