李 陽(yáng)，張玉貴，張 浪，侯金玲

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

煤屬于多孔介質(zhì)，其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑分布從毫米級(jí)到納米級(jí)不等[1-2]，不同尺度的孔隙控制著煤層氣的吸附解吸、擴(kuò)散與滲流等過程[3]。因此，研究煤層不同尺度的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣資源評(píng)價(jià)以及勘探開發(fā)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤層孔隙結(jié)構(gòu)表征方面進(jìn)行了大量的研究，形成了以圖像分析法和流體注入法為主的2類測(cè)量和表征方法[4]。利用X射線衍射、掃描電鏡以及CT成像技術(shù)等圖像分析方法能夠直接觀測(cè)到煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及連通性，但獲得的孔徑分布數(shù)據(jù)在數(shù)理統(tǒng)計(jì)方面缺乏代表性，很難做到定量分析[5-6]。而被廣泛應(yīng)用的氣體吸附實(shí)驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn)等流體注入方法具有測(cè)量范圍廣、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但此類方法受測(cè)試原理限制，不同實(shí)驗(yàn)測(cè)試的孔隙范圍各異，僅能表征某一尺度的孔隙分布，無(wú)法全面反映煤巖孔隙結(jié)構(gòu)特征[7]。壓汞-氮吸附法是較為常用的聯(lián)合測(cè)試方法，其中壓汞實(shí)驗(yàn)的測(cè)試范圍較廣，理論上可以覆蓋納米級(jí)和微米級(jí)(按IUPAC劃分)等多個(gè)尺度的孔隙，但在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)50 nm以下的孔隙測(cè)定不夠全面、準(zhǔn)確;低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)則主要用于測(cè)試納米級(jí)孔隙(<50 nm)，但由于氮?dú)獾幕罨瘮U(kuò)散效應(yīng)，無(wú)法測(cè)試到<2 nm的孔隙[8-9]。受限與上述實(shí)驗(yàn)手段，目前的孔隙研究主要集中于大孔和中孔(IUPAC分類)，對(duì)微孔涉及較少，缺少系統(tǒng)的煤層孔隙結(jié)構(gòu)全孔徑段(微孔-中孔-大孔)表征方法。

基于上述認(rèn)識(shí)，筆者在利用壓汞-低溫N2吸附法測(cè)試大孔、介孔(>2 nm)的基礎(chǔ)上，引入能夠有效測(cè)量微孔(<2 nm)結(jié)構(gòu)的CO2吸附方法對(duì)煤層樣品的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，利用多種尺度的測(cè)試方法對(duì)煤的孔隙大小進(jìn)行了全孔徑段聯(lián)合表征研究，探討了構(gòu)造煤演化對(duì)孔隙形成的影響。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

1.1 樣品概況

實(shí)驗(yàn)樣品為貧瘦煤，采自潞安礦區(qū)二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤層。在井下采取4種煤體結(jié)構(gòu)類型煤樣(據(jù)文獻(xiàn)[10]特征)，分別為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，詳見表1。

表1 煤樣與煤體結(jié)構(gòu)類型Table 1 Samples of coal and types of coal body structure

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次研究為獲得不同尺度孔隙的分布特征，采用壓汞實(shí)驗(yàn)、低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)和CO2吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)煤中不同尺度的孔隙進(jìn)行測(cè)試。

1.2.1壓汞實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)康塔公司的PoreMaster-60型壓汞法孔分析儀，測(cè)試范圍為3.5～106nm?；赪ashburn公式測(cè)定不同壓力下注入煤孔隙中的汞體積，得到汞壓力與注入汞體積之間的關(guān)系曲線，再由曲線分析獲得相關(guān)孔隙數(shù)據(jù)。

1.2.2低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)

低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)法利用飽和溫度條件下氮?dú)庠诠腆w表面發(fā)生物理吸附和毛管凝結(jié)的原理來進(jìn)行測(cè)試。本次使用美國(guó)康塔公司的Quadrasorb SI型孔分析儀，在液氮飽和溫度(77 K)下進(jìn)行測(cè)試，通過改變壓力獲取N2等溫吸附-解吸曲線，實(shí)驗(yàn)過程中相對(duì)壓力為0.001～0.995，再由曲線分析獲得相關(guān)孔隙數(shù)據(jù)。

1.2.3低溫CO2吸附實(shí)驗(yàn)

低溫CO2吸附實(shí)驗(yàn)法同低溫N2吸附的原理近似，但由于CO2氣體分子更小擴(kuò)散速率更快，在飽和溫度(273 K)下具有更高的飽和壓力，能夠?qū)ξ⒖走M(jìn)行測(cè)試。使用美國(guó)康塔公司的Quadrasorb SI型孔分析儀，在液態(tài)CO2飽和溫度(273 K)下進(jìn)行測(cè)試，相對(duì)壓力為0.05～0.99，由CO2氣體吸附等溫曲線分析獲得相關(guān)孔隙數(shù)據(jù)。

2 壓汞法試驗(yàn)結(jié)果與分析

壓汞法應(yīng)用于顆粒樣品時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顆粒間空隙進(jìn)汞(與麻皮效應(yīng)的成因相似)[11]，本次研究中參考文獻(xiàn)[12]的方法對(duì)顆粒間空隙進(jìn)汞進(jìn)行了剔除，并計(jì)算了孔容、孔比表面積(表2)，繪制了孔徑分布圖(圖1)。壓汞實(shí)驗(yàn)主要對(duì)煤樣介孔和大孔階段的孔隙特征進(jìn)行了分析。從孔容分布來看，所有煤樣的孔容分布密度函數(shù)整體上均隨著孔徑的減小而增大，增幅在孔徑<100 nm時(shí)開始快速增高，在5 nm左右達(dá)到最大值，對(duì)于孔比表面積也存在類似的規(guī)律。這說明構(gòu)造煤的孔容和孔比表面積主要分布在介孔階段，其中介孔孔容占總孔容的65.70%～87.12%，介孔孔比表面積占總孔比表面積的95.18%～99.37%。

表2 基于修正后壓汞數(shù)據(jù)的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征Table 2 Characteristics of pore structure of coal samples based on revised mercury injection data

注:采用IUPAC分類方案，Vz和Sz分別為總孔容與總孔比表面積;V1為孔徑<2 nm孔容;V2為孔徑2～50 nm孔容，V3為孔徑>50 nm孔容;S1為孔徑<2 nm孔比表面積;S2為孔徑2～50 nm孔比表面積，S3為孔徑>50 nm孔比表面積,下表同。

圖1 煤樣壓汞法孔容和比表面積分布Fig.1 Pore volume distribution and pore surface area distribution of coal samples based on mercury injection

3 吸附法試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 低溫N2吸附法分析

傳統(tǒng)的BJH和BET模型對(duì)含微孔材料的分析存在較大誤差，低估孔徑可達(dá)20%以上[13-14]。本次研究采用DFT模型，其準(zhǔn)確性已經(jīng)通過其他獨(dú)立實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，并被ISO和IUPAC組織推薦用于表征微孔、介孔的分布[13-14]。從試驗(yàn)結(jié)果來看，4個(gè)樣品的孔容和孔比表面積幾乎全部分布在介孔階段(IUPAC分類)，僅S2樣品的孔容和孔比表面積在微孔階段稍有分布(圖2)，分別占總孔容的0.78%，總孔比表面積的2.77%(表3)。

圖2 低溫N2吸附法煤樣孔容和比表面積分布Fig.2 Pore volume distribution and pore surface area distribution of coal samples based on N2 adsorption

表3 基于低溫N2吸附數(shù)據(jù)的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征Table 3 Characteristics of pore structure of coal samples based on N2 adsorption data

3.2 低溫CO2吸附法分析

采用DFT模型對(duì)低溫CO2吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并按照IUPAC分類方案，計(jì)算試驗(yàn)樣品的孔容、孔比表面積分布情況(表4、圖3)。煤樣的孔容和孔比表面積分布密度函數(shù)整體上均隨著孔徑的減小，表現(xiàn)出“增-減-增-減”的波動(dòng)，增幅在孔徑0.6 nm左右時(shí)達(dá)到最大。

表4 基于低溫CO2吸附數(shù)據(jù)的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征Table 4 Characteristics of pore structure of coal samples based on CO2 adsorption data

圖3 低溫CO2吸附法煤樣孔容和比表面積分布Fig.3 Pore volume distribution and pore surface area distribution of coal samples based on CO2 adsorption

4 多尺度測(cè)試方法聯(lián)合表征構(gòu)造煤全孔徑段孔隙特征

煤中孔隙在大小上跨越多個(gè)尺度，從微孔到大孔均有廣泛分布，采用壓汞法、吸附法等單一測(cè)試方法僅能對(duì)某一階段的孔徑進(jìn)行分析，難以對(duì)煤的全孔徑段孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。聯(lián)合壓汞法、低溫N2吸附法及CO2吸附法等測(cè)試方法是對(duì)煤的全孔徑段孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的有效方法，但這3種方法的數(shù)據(jù)在何處進(jìn)行銜接尚需進(jìn)行討論。

4.1 聯(lián)合表征方法

從測(cè)試原理和計(jì)算模型來看，上述3種方法均有各自的優(yōu)勢(shì)孔徑段，能夠?qū)υ摱蔚目紫督Y(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確表征。因此，考慮以此入手對(duì)各測(cè)試方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。根據(jù)前文分析(1.2.3節(jié))，CO2氣體是理想的微孔測(cè)試介質(zhì)，在273 K下進(jìn)行CO2吸附試驗(yàn)，可以有效表征2 nm以下的微孔分布特征。低溫N2吸附方法對(duì)于介孔(2～50 nm)的測(cè)試精度較高，對(duì)于微孔和大孔卻難以準(zhǔn)確表征。壓汞法理論上能夠?qū)?.5～106nm的孔隙進(jìn)行測(cè)試(據(jù)PoreMaster-60型壓汞儀參數(shù))，覆蓋了介孔和大孔分布。但由于煤的可壓縮性，當(dāng)進(jìn)汞壓力>10 MPa時(shí)(對(duì)應(yīng)孔徑140 nm左右)，會(huì)導(dǎo)致煤基質(zhì)壓縮變形和孔隙破壞，引起誤差，且進(jìn)汞壓力越高誤差越大[15-16]。因此，需要對(duì)部分壓汞數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮性修正。

結(jié)合上述分析，不妨以低溫CO2吸附法表征2 nm以下微孔，用低溫N2吸附法表征2～50 nm的介孔，用經(jīng)過壓縮性修正的壓汞法數(shù)據(jù)表征50 nm以上的大孔，將上述測(cè)試方法的數(shù)據(jù)分別在2,50 nm處進(jìn)行銜接。

4.2 壓汞數(shù)據(jù)的壓縮性修正

壓汞法的高壓段數(shù)據(jù)(>10 MPa)由于受到煤基質(zhì)壓縮性影響，不能反映真實(shí)的孔容情況，需要通過壓縮系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正[17]:

(1)

式中，,VPi為進(jìn)汞壓力Pi對(duì)應(yīng)的修正后孔容，cm3/g;VCPi為進(jìn)汞壓力Pi對(duì)應(yīng)的孔容測(cè)試值，cm3/g;Pi為需修正數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞壓力，MPa;Vm為煤基質(zhì)體積，cm3/g;Vm(Pi)為隨進(jìn)汞壓力發(fā)生變化后的煤基質(zhì)體積，cm3/g;Z為煤基質(zhì)壓縮系數(shù);ΔVP為進(jìn)汞壓力數(shù)據(jù)中需修正階段(>10 MPa)對(duì)應(yīng)的累積孔容值，通過低溫N2吸附法獲得，cm3/g;ΔP為高壓階段數(shù)據(jù)中最高進(jìn)汞壓力與最低進(jìn)汞壓力的差值，MPa;K為一常數(shù)，為高壓階段(>10 MPa)斜率，通常利用高壓段進(jìn)汞壓力與進(jìn)汞量數(shù)據(jù)線性回歸獲得(圖4)。

圖4 進(jìn)汞曲線高壓段線性回歸Fig.4 Linear regression of high pressure segment of mercury injection curves

根據(jù)前述分析，壓汞數(shù)據(jù)主要用于表征50 nm以上的孔隙，因此利用式(1)對(duì)進(jìn)汞壓力10 MPa以上，且孔徑大于50 nm的壓汞數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，孔容及孔比表面積數(shù)據(jù)見表5。

表5 壓汞數(shù)據(jù)壓縮性修正情況Table 5 Compression correction of mercury pressure data

注:V3為孔徑>50 nm孔隙的測(cè)試孔容;S3為孔徑>50 nm孔隙的測(cè)試孔比表面積;Vx3為孔徑>50 nm孔隙的修正后孔容;Sx3為孔徑>50 nm孔隙的修正后孔比表面積。

4.3 煤中孔隙的全孔徑段表征

將CO2吸附數(shù)據(jù)、低溫N2吸附數(shù)據(jù)及修正后的壓汞數(shù)據(jù)分別在2,50 nm處進(jìn)行銜接，統(tǒng)計(jì)了煤樣的全孔徑段孔容、孔比表面積(表6)，并繪制了孔容、孔比表面積分布圖(圖5)。

4個(gè)試驗(yàn)樣品的孔容均主要分布在微孔階段，孔容的分布密度函數(shù)隨著孔徑的增大具有“先增-后減”的整體變化趨勢(shì)，在0.3～0.6 nm孔徑段函數(shù)增幅逐漸加大，并在0.6 nm左右取得最大值，在此之后孔容分布密度函數(shù)逐漸減少，并伴隨有局部的增減起伏。這表明試驗(yàn)煤樣在0.6 nm左右孔徑對(duì)應(yīng)的孔容量最大，具有該孔徑的孔最多或者孔隙長(zhǎng)度最長(zhǎng)。結(jié)合表6中數(shù)據(jù)，煤樣的孔容主要分布在微孔階段，大孔次之，而介孔最少，說明孔長(zhǎng)或孔數(shù)目在分布上具有微孔>大孔>介孔的規(guī)律。

煤樣的孔比表面積分布與孔容分布具有類似的特征，孔比表面積分布密度函數(shù)整體上隨著孔徑的增大而先增大后減小，在0.6 nm左右取得最大值，隨后增幅逐漸減小。因此，在0.6 nm處對(duì)應(yīng)的孔比表面積最大。由表6中數(shù)據(jù)來看，4個(gè)煤樣的孔比表面積基本全部來自微孔，占總孔比表面積的99%以上，其次為介孔，大孔最少。

表6 煤樣全孔徑段孔隙結(jié)構(gòu)特征Table 6 Pore structure characteristics of full pore diameter section of coal samples

圖5 煤樣全孔徑段孔容和比表面積分布特征Fig.5 Pore volume and pore surface area distribution character of full pore diameter section of coal samples

4.4 構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)演化特征

構(gòu)造煤的破壞程度與其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征之間表現(xiàn)出較為明顯的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)表6中數(shù)據(jù)，原生結(jié)構(gòu)煤的孔容為0.062 7 cm3/g，而糜棱煤和碎粒煤的總孔容為0.080 5～0.084 6 cm3/g，孔容較原生結(jié)構(gòu)煤增加較多，碎裂煤的總孔容則與原生結(jié)構(gòu)煤較為接近。構(gòu)造煤的總孔容整體上隨著煤體破壞程度的增強(qiáng)而逐漸增大。

隨著煤體破壞程度增強(qiáng),煤中大孔、介孔及微孔孔容值均逐漸增大，其中大孔孔容值的增大最為明顯，其孔容值分布曲線與總孔容值分布曲線的形態(tài)也極為接近(圖6(a));同時(shí)，隨著破壞程度的增加，煤的大孔孔容比逐漸增高，微孔孔容比逐漸降低，介孔孔容比變化較小幾乎可以忽略(圖6(b))。綜合上述分析，隨著煤破壞程度的增強(qiáng)，構(gòu)造煤總孔容的增加主要是由于煤中大孔數(shù)量或大孔孔長(zhǎng)增加引起的，微孔和介孔的變化較小，這說明構(gòu)造變形對(duì)煤孔容的改造主要體現(xiàn)在大孔階段。

結(jié)合表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨著破壞程度的增加，煤的總孔比表面積值和微孔孔比表面積值逐漸增大，而介孔與大孔孔比表面積數(shù)據(jù)則沒有明顯變化(圖7(a))。各孔徑段的孔比表面積中，微孔孔比表面積占總孔比表面積的比例高達(dá)99%以上，大孔和介孔的孔比表面積則不到1%(圖7(b))。結(jié)合孔容演化規(guī)律，雖然微孔數(shù)量或孔長(zhǎng)的增加較少，但其孔比表面積的增幅最為顯著，是構(gòu)造煤孔比表面積隨破壞程度增加的主要來源，這進(jìn)一步說明了微孔對(duì)孔比表面積的貢獻(xiàn)最大。

圖6 煤的破壞程度與孔容的關(guān)系Fig.6 Relation of destruction degree of tectonic coal and pore volume

圖7 煤的破壞程度與孔比表面積的關(guān)系Fig.7 Relation of destruction degree of tectonic coal and pore surface area

5 構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)演化機(jī)理的探討

構(gòu)造煤演化過程中，孔隙結(jié)構(gòu)受大分子結(jié)構(gòu)變化和物理結(jié)構(gòu)變形等多因素耦合作用，產(chǎn)生了較為復(fù)雜的變化。隨著煤的破壞程度增強(qiáng)，構(gòu)造煤不同孔徑段孔隙的演化具有明顯分異，大孔和微孔孔容的增幅較為明顯，而介孔孔容的增幅則幾乎可以忽略。同時(shí)，孔比表面積也具有類似的演化特征，但由于微孔比表面積占總孔比表面積的絕對(duì)多數(shù)(99%以上)，所以其他孔徑段數(shù)據(jù)的變化不甚明顯。故本次主要討論孔容的變化情況。

構(gòu)造煤演化過程中，大孔的變化最為明顯，隨著破壞程度增強(qiáng)，大孔孔容增幅顯著。究其原因，構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤體破壞變形、相互摩擦形成角礫、碎粒及摩擦面等結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了大量角礫孔、碎?？准澳Σ量椎韧馍紫叮@些孔隙大小多在100～10 000 nm，均處于大孔階段，導(dǎo)致大孔孔容增幅明顯[18]。其中碎裂煤(S3)中多發(fā)育角礫孔，孔徑多分布在100～10 000 nm，而碎?？?、摩擦孔則多在碎粒煤(S2)和糜棱煤(S1)中發(fā)育，孔徑分布在100～5 000 nm，這與孔容密度分布函數(shù)在大孔階段的峰值相對(duì)應(yīng)(圖5)。因此，隨著煤體破壞程度的增加，構(gòu)造煤中的大孔孔容急劇上升。

構(gòu)造煤中的介孔主要由鏈間孔和分子間孔組成，其演化受控于煤的支鏈和芳香環(huán)片層等大分子堆疊結(jié)構(gòu)。一方面，煤變形破壞了分子鏈和芳香環(huán)片層，致使煤的大分子堆疊結(jié)構(gòu)趨于紊亂，鏈間孔和分子間孔隨著煤的破壞逐漸增加;另一方面，構(gòu)造變形引起煤的變質(zhì)程度相對(duì)增高，煤中部分支鏈合成為芳香環(huán)而減少，大分子結(jié)構(gòu)更加緊密有序分子間距縮小，導(dǎo)致鏈間孔和分子間孔減少，部分抵消了構(gòu)造變形帶來的介孔增長(zhǎng)，使得介孔孔容增幅較小[19]。

構(gòu)造煤微孔的構(gòu)成與介孔類似，是由煤中大分子結(jié)構(gòu)堆砌所形成的較小孔隙，除此之外還包含有一些層間孔。其演化過程也具有相似的特征，隨著煤的破壞變形，煤中大分子結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)、支鏈等斷裂、脫落，產(chǎn)生氣體，形成部分微孔;同時(shí)，煤的芳香環(huán)片層增大、間距減小，芳香片層間相互錯(cuò)位堆積，使層間孔增多[20-21]。因此，受煤中支鏈、芳香層片的大小以及芳香片層間的排列方式等控制，隨著破壞程度增大，煤中微孔也相應(yīng)增多。

6 結(jié) 論

(1)利用壓汞法和吸附法分別對(duì)構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試，受測(cè)試原理的限制，無(wú)法憑單一測(cè)試方法完整表征煤的孔隙結(jié)構(gòu)。提出了構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)全孔徑段多尺度表征方法，在2,50 nm等處將吸附法和壓汞法的優(yōu)勢(shì)孔徑段數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，利用CO2吸附法表征構(gòu)造煤微孔(<2 nm)，低溫N2吸附法表征介孔(2 nm～50 nm)，用壓汞法數(shù)據(jù)表征大孔(>50 nm)，可以從不同尺度有效表征構(gòu)造煤的微米—納米級(jí)孔隙特征。

(2)煤的孔容和孔比表面積主要分布在微孔階段，孔徑分布密度函數(shù)在0.3～0.6 nm孔徑段增速最大，在0.6 nm左右時(shí)的孔隙孔容量和孔比表面積達(dá)到最大，煤中孔容和孔比表面積的分布存在微孔>大孔>介孔的規(guī)律。

(3)構(gòu)造煤的總孔容、大孔孔容、介孔孔容、微孔孔容、大孔孔容比及介孔孔容比均隨煤破壞程度增大而增大，而微孔孔容比隨煤破壞程度增大而減小，各階段孔容和孔容比的變化幅度存在大孔>微孔>介孔的規(guī)律;構(gòu)造煤的總孔比表面積和微孔孔比表面積隨著煤破壞程度的增大而增大，介孔和大孔孔容變化極小;構(gòu)造煤煤體變形對(duì)孔容和孔比表面積的影響具有分異性，其中孔容的增幅主要體現(xiàn)在大孔階段，孔比表面積的增幅則主要體現(xiàn)在微孔階段。

(4)構(gòu)造煤中大孔的演化主要受煤中角礫孔、碎?？准澳Σ量椎韧馍紫队绊?構(gòu)造煤中介孔的演化則主要受控于煤的支鏈、芳香環(huán)片層等大分子堆疊結(jié)構(gòu)及分子間距離;而構(gòu)造煤中微孔的演化則主要受煤中芳香層片的大小以及芳香片層間的排列方式等控制。