色连二矿低变质程度煤层孔裂隙及其分形特性

疏义国，胡继松

(淮河能源西部煤电集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

煤是一种多孔介质，根据直径大小，煤中孔隙可分为微孔、小孔、中孔和大孔[1]，而煤中的裂隙则由内生和外生裂隙构成。微孔和小孔是瓦斯吸附的主要空间，而大孔、中孔以及煤体中的裂隙则形成了瓦斯输送的通道，二者相辅相成，成为瓦斯储存和抽采的必要组成部分[2]。同时，煤中的孔裂隙较多时，其比表面积较大，吸氧能力也较强，因而对自然发火也有一定的影响[3，4]。

煤体中的裂隙与成煤过程中遭遇的地质构造运动具有一定的关系[5]，而煤体中的孔隙则与煤的变质程度等多个因素相关[6]。不同的煤储层，虽然煤的变质程度相关不大，但煤体中的孔裂隙特性可能相差较大[7]，因而对于不同块段内的煤层，应该对其孔裂隙特性进行系统的研究。本文对变质程度低的色连二矿2号煤层孔裂隙特性进行系统研究，掌握其分布特性，为瓦斯抽采和抑制低温氧化与自然发火提供基础资料，并为鄂尔多斯东胜矿区安全高效开采提供借鉴。

1 煤层赋存情况

色连二矿地面标高+1421～+1500m，2号煤层标高+1095～+1150m，为变质程度较低的长焰煤，其干燥无灰基挥发分达39%。2号煤层距上覆3号煤层20.31～28.93m，煤层厚度变化较大，煤层中部与东部为1.5～1.9m，而西部1.9～2.9m。2号煤层煤层倾角0°～2°，平均值为1°，煤层内断层较少，煤层赋存条件较简单。2号煤层自然发火期较短，为20～41d，平均30d，属易自燃煤层。

由于2号煤层直接顶为1m左右的泥岩，关键层为较坚硬的3m厚中粒砂岩，为瓦斯赋存提供了条件，在2号煤层开采过程中，经常发生瓦斯异常涌出；同时，由于该煤层孔隙率较大、吸氧特性较好等原因，自然发火期较短，因而，必须对该煤层的孔裂隙特性进行系统研究，为矿井的安全生产提供基础支撑。

2 煤层裂隙统计分析

根据前苏联矿业研究所和苏现波[7]对煤的破坏程度的分类，把2号煤层的煤样分为：I类非破坏煤、Ⅱ类破坏煤、Ⅲ类强烈破坏煤、Ⅳ类粉碎煤，以及Ⅴ类粉末煤。

通过对2号煤层内部507条大中型煤层裂隙进行分析，见表1，可以发现，在2号煤层东部节理与裂隙发育可以分为两类，分别为N25°W和N65°E两个方向，多为共轭节理，且其角度多为60°左右，节理与裂隙中多为挥发性物质。裂隙发育频率均匀，为0.7～1.8条/m，一般1.1条/m。

宏观上，按照煤中裂隙的延展长度可分为6个级别，见表2。

根据统计分析，2号煤层中Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级裂隙最多，不同类别煤中的裂隙发育和延展特性不同。在Ⅱ类菱形包裹煤样中，裂隙呈鱼网状分布，每个包裹体由8个面包裹起来，大包裹体(一般30～40cm)包裹着小的包裹体，包裹体的表面为具有挥发性组分的裂隙面。在Ⅳ类粉碎煤和Ⅴ类粉末煤中裂隙密度大、几何尺寸小，因而难以观测。在Ⅲ类煤样中，裂隙呈近似于平行的方式呈现，裂隙的密度也较大，裂隙与层理之间的角度较小，在这类煤中，裂隙充分发育、密度大，因而难以观测。

表1 煤样裂隙数量

表2 宏观裂隙分级

通过对2号煤层内大量裂隙的观测发现，对于Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级裂隙，随级别的增大，裂隙的数量也不断增大，但其延展长度不断降低。

微观上，通过显微镜测定，2号煤层裂隙宽度较小，为3～350μm，通常为7～50μm，因而裂隙的压实性较好。对于一些被方解石矿化的煤样，其裂隙宽度为1.5～2.5mm。煤中裂隙呈平直、分叉、羽状、齿状、缝合状等多样性发育。

通过煤层裂隙统计可以发现，矿区内宏观裂隙相对较少，说明矿区在成煤过程中受到地质构造作用较小，煤层赋存相对较均匀、稳定，不存在与地面及其他地层相沟通的大型裂隙，因而存在瓦斯异常赋存区、自然倾向性异常区的可能性也较低。

3 煤的孔隙特征实验研究

采用美国Micromeritics公司研发的ASAP2460孔隙与比表面积测试系统，可对0.3～500nm范围内的纳米级孔的孔隙度和比表面积进行测定[8]。煤样的粒度为0.18～0.25mm，采用高压容量法进行液氮吸附实验，液氮的纯度为99.99%。

3.1 测试结果

利用液氮吸附实验对2号煤层井田范围内Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类煤的煤样进行测试分析，结果见表3和表4，煤样孔裂隙容积的测试曲线和液氮吸附曲线如图1、图2所示。

表3 孔容实验结果均值

表4 比表面积实验结果均值

图1 不同煤的孔容曲线

通过实验发现，Ⅱ类煤中微孔及超微孔的总数及其占比较小。煤样破碎程度越高，微孔及超微孔总数及煤样比表面积越大。Ⅴ类煤的煤样孔容和比表面积分别达到了1964×10-5cm3/g和4804×10-3m2/g，分别是Ⅱ类煤的8.2倍和9.3倍、是Ⅲ类煤的27.3倍和29.8倍、是Ⅳ类煤的8.5倍和8.52倍。表明煤层所经历的构造运动越多、越严重，煤体孔容和比表面积越大，煤中孔隙的连通性也越好。这些孔裂隙可以为气体提供运移通道，同时也提高了煤的吸氧能力，由于该煤层内煤的挥发分较高，因而对煤的低温氧化与自然发火带来不利影响。

图2 各类煤吸附回线

从图2中的煤样吸附回线可以看出，四类煤的氮吸附回线的基本形式大致相同，说明了煤体中孔、裂隙的结构形式具有一定的相似性。各煤样在相对压力P/P0(即平衡蒸汽压力/同温度下吸附质饱和蒸汽压力)小于0.5时呈以单分子层吸附为主的吸附状态，相对压力P/P0处于0.5～0.9区间时呈以多分子层吸附为主的吸附状态，而当P/P0>0.9时，呈现出以毛细管凝聚现象为主的吸附状态，各曲线的形态和转折点大致相似，反应了各煤样具有相似的物理属性。

然而，随着煤的破碎性提高，煤样的吸附容积不断提高，且以Ⅴ类煤为最大，Ⅳ类煤次之，Ⅲ类煤再次之，Ⅱ类煤最小。说明煤中孔隙的连通性逐渐增大，原本封闭的孔隙相互贯通而形成半封闭甚至贯穿型孔隙。特别是当P/P0>0.9时，由于Ⅴ类煤中的纳米级微孔较多，使其在这一阶段的吸附容积显著高于其他类型煤。同时，由于各类煤中相对封闭的孔的容积不同，使得吸附回线中吸附曲线和脱附曲线之间的宽度也产生变化，即，Ⅴ类煤中的封闭孔的容积较大，因而吸附回线中吸附曲线和脱附曲线之间的宽度也较大，Ⅳ类煤次之，Ⅲ类煤再次之，Ⅱ类煤最小。

研究发现，在孔容测试结果中(表3)，5～10nm的纳米级孔的孔容随破碎程度的提高而增大，且呈现出D1型吸附回线(图2)。各类煤样的吸附回线中的解吸线在相对压力值为0.5左右时形成拐点，迅速与吸附线重合，说明煤样中含有大量孔径为3nm左右的细颈型裂隙。

通过对比色连二矿各类煤的孔隙率与吸附回线可以看出，随着煤的破碎程度的提高，微孔所占比例提高，使得过渡孔及2.5nm以下孔所占的比例下降，煤样中的比表面积提高，从而对气体的吸附与储存能力也相应的提高。

3.2 比表面积和孔容随孔径分布的关系

利用BJH方程，获得各类煤样的比表面积增加量和孔容增加量随孔径分布的变化关系，如图3、图4所示。

图3 比表面积增加量随孔径分布的关系

图4 孔容增加量随孔径分布的关系

从表3、表4和图3、图4可以看出，煤样的破碎程度越高，孔容越大，微孔所占的比例越大，且煤样的比表面积也越大，说明比表面积增量与孔容增量具有相关性，Ⅴ类煤孔容的增量最大，Ⅳ类煤再次，Ⅱ类煤最小。对于Ⅱ类煤，其孔容与比表面积的增量随着煤阶的变化不大；但随着煤样破碎程度提高，在构造应力作用下，煤体结构破坏，再加上新形成的开放性裂隙，使得内部的可挥发性组分能够挥发出来，形成新的微孔和超微孔，导致煤样的平均孔径显著降低，微孔和超微孔占比上升，并以Ⅴ类为最大，但这些孔的连通性相较于Ⅱ类煤差。

相对于Ⅱ类煤，Ⅴ类煤的孔隙多集中于平均孔径小于50nm的微孔，并在平均孔径50nm左右时，微孔的占比达到峰值。对于平均孔径小于30nm的微孔，孔容增量相对于比表面积增量更加集中(图4)。对于平均孔径大于50nm的孔隙，孔容与比表面积增量的变化分别呈现增大和降低两个相反的趋势，说明在构造应力作用下，小孔占比较大，增大了煤样的比表面积，使煤样吸附甲烷和氧的能力增强。

4 煤中孔隙的分形特性

4.1 计算方法

分形理论为零碎的孔隙特性数据提供了一种新的研究方法[11]，其中较为常用的模型计算方法为海绵模型。该模型是在Wash burn方程的基础上建立起来[12]，首先构建注氮体积与平衡蒸汽压力之间关系函数：

ln(∂Vp/∂p)=ln(γ×pDn-4)

(1)

在此基础上推导出分形维数Dn：

Dn=(ln(∂Vp/∂p)-lnγ)/lnp+4

(2)

令λ=ln(∂Vp/∂p)/lnpln(∂Vp/∂p)，则分形维数Dn：

Dn=λ+4

(3)

式中，p为平衡蒸汽压力，MPa；Vp为某一孔径的孔隙在压力p下的注氮量，mL；γ为无量纲常数。

4.2 分形维数响应

通过分形维数计算发现，色连二矿2号煤层孔隙特性分形维数位于2.35～2.76，分形维数与各类煤样的之间的关系如图5所示。由图5可知，Ⅱ类煤的维数较小，各测算样本计算结果差别较小，而Ⅲ类和Ⅳ类则有显著差异；Ⅴ类的分形维数值相对较大，但与Ⅲ类和Ⅳ类相比，各测算样本计算结果差别也较小。说明，随着煤样破碎程度的增大，分形维数不断增大，各测算样本计算结果差别也不断增大，而对于Ⅴ类煤，由于煤样呈粉末状态，趋同性较好，分形维数的测算结果的差别反而不大。

图5 分形维数与煤样破碎程度的关系

4.3 分形维数结构性特征

利用分形维数与孔隙结构特性之间的映射关系可分析煤样孔隙结构特性。由前文可知，煤样的孔容主要分布在1.95～14.54mm3/g，占纳米孔总孔容的74%～83%。由图4可知，各煤样的孔容及孔隙率与其分形维数均呈指数关系，当Dn<2.6时，其数值呈离散聚集分布，但仍具有较明显的趋势性，当Dn>2.6时，各数值与拟合线的具有较好的趋同性[13-15]。

煤样的孔容及孔隙度与其分形维数关系如图6所示，图6表明，煤体的分形维数在不同破碎程度煤样中孔隙结构特性的配置作用。破碎程度较低的煤，总孔容较低，其分形维数亦较低，而破碎程度较高的煤则相反，但由于其容易被压实，因而尽管其总孔容较高，但透气性并不好。

图6 煤样的孔容及孔隙率与其分形维数的关系

过渡孔与煤体的渗流特性密切相关，其与分形维数之间的关系如图7所示，当Dn<2.6时，过渡孔占总孔容的比例较高，而随着Dn增大，过渡孔的孔容占比逐渐降低，这说明随着煤体破碎程度的增加，过渡孔比例逐渐降低而变成输气能力较好的扩散孔。同时，随着Dn增大，孔径小于10nm的纳米级孔的总孔容降低，反映了其储气能力有所下降。

图7 分形维数与过渡孔孔容比的关系

4.4 参数分析

Dn与平均孔径、比表面积及最大吸附量的关系如图8所示。随着煤样破碎程度的提高，Dn增大，煤中孔隙结构变得更加复杂，平均孔径降低，比表面积增大。

图8 Dn与平均孔径、比表面积及最大吸附量的关系

通过计算可以发现，Ⅴ类煤的分形维数最大值2.76，表明Ⅴ类煤的孔裂隙充分发育且复杂，相应的，其比表面积及吸附甲烷和氧的能力亦最大。同时Ⅴ类煤中平均孔径在30nm以下的孔隙充分发育，吸附量达到了8.936mL/g，其吸附回线中吸附过程曲线与解吸过程曲线区分明显，如图2(d)所示；而Ⅱ类煤则相反，其最大吸附量仅为1.239mL/g。

色连二矿2号煤层煤体松软，开采后采空区遗煤多为Ⅴ类煤，煤体破碎严重，分形维数高，比表面积大，吸附氧的能力强，自然发火期短，给矿井安全生产带来了隐患。

5 结 论

1)Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级裂隙发育较充分，且随级别的增大，裂隙的数量也不断增大，但其延展长度不断降低。2号煤层裂隙呈多样性发育，且压实性较好，裂隙宽度为3～350μm，通常为7～50μm，而对于一些被方解石矿化的煤样，其裂隙宽度为1.5～2.5mm。

2)煤样的破碎程度越高，微孔及超微孔的总数及煤样的比表面积越大。Ⅴ类煤的煤样孔容和比表面积分别是Ⅱ类煤的8.2倍和9.3倍、Ⅲ类煤的27.3倍和29.8倍、Ⅳ类煤的8.5倍和8.52倍。煤中孔裂隙可以为煤层气提供运移的通道，同时也扩大了比表面积，提高了煤的吸氧能力，再加上该煤层内煤的挥发分较高，因而对煤的低温氧化与自然发火带来不利影响。

3)色连二矿2号煤层的四类煤的氮吸附回线基本形式大致相同，反映了各煤样具有相似的物理属性。随着煤的破碎性的提高，煤样的吸附容积和吸附回线中吸附曲线和脱附曲线之间的宽度不断增大，且以Ⅴ类煤为最大，Ⅳ类煤次之，Ⅲ类煤再次之，Ⅱ类煤最小。

4)随着煤体破碎程度的增大，其孔隙分形维数不断增大，以Dn=2.6为拐点，当Dn<2.6时，过渡孔占主要地位，煤体的储气能力亦较强，渗流能力则较弱；当Dn>2.6时，过渡孔的占比逐渐下降，渗流能力随之加强，但储气能力则不同程度的下降。随着分形维数增高，比表面积增大，吸附氧的能力增强，导致发火期变短，给矿井安全生产带来了隐患。