基于壓汞法對(duì)黔西青龍礦構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究

趙健光，王 猛，馬如英，阿斯亞·巴克，高星月

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山西 大同 037000)

0 引 言

煤是一種對(duì)應(yīng)力與應(yīng)變極其敏感的多孔介質(zhì)，其孔徑分布和孔隙形態(tài)對(duì)煤儲(chǔ)層瓦斯的吸附、儲(chǔ)集及運(yùn)移尤為重要[1]。不同類型構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造存在著顯著的差異，從而導(dǎo)致煤儲(chǔ)層物性的差異性，尤其對(duì)煤儲(chǔ)層的孔滲參數(shù)的影響更為顯著[2]。不同類型的構(gòu)造煤具有各自的孔隙結(jié)構(gòu)特征，這直接影響了瓦斯含量及滲透性等煤層儲(chǔ)層物性參數(shù)[3]。貴州省主要煤田的構(gòu)造演化都較為復(fù)雜，煤體的改造程度不同，構(gòu)造煤較為發(fā)育，而構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)則是瓦斯突出的危險(xiǎn)區(qū)[4]?？紫督Y(jié)構(gòu)是影響瓦斯賦存、運(yùn)移以及突出的重要參數(shù)[5]，構(gòu)造作用使其孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。壓汞法具有理論模型直觀和測(cè)定孔徑范圍寬等特點(diǎn)。分形幾何學(xué)為構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)研究提供了方法與思路，楊昌永等[6]通過探究不同破壞程度煤孔隙發(fā)育特征得出煤體破壞程度越嚴(yán)重，對(duì)煤層氣排采越不利；郝晉偉等[7]結(jié)合壓汞數(shù)據(jù)對(duì)4種構(gòu)造煤的大孔孔隙的分形特征進(jìn)行表征：隨著構(gòu)造變形程度的增強(qiáng)，大孔分形維數(shù)出現(xiàn)先減小后增大的變化特征；趙迪斐等[8]利用高壓壓汞對(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征，得出微孔、小孔極為發(fā)育，中孔、大孔發(fā)育程度相對(duì)較低，這樣的孔隙結(jié)構(gòu)有利于氣體的儲(chǔ)集而不利于在儲(chǔ)層內(nèi)的滲流；薛海騰等[9]從分形的角度研究了黔西突出煤的微觀孔隙分形特征與其吸附性能及滲透率的關(guān)系，得出貴州黔西突出煤孔隙度較低，迂曲度較大；傅雪海等[10]應(yīng)用壓汞法對(duì)煤儲(chǔ)層孔隙分形特征進(jìn)行研究，表明煤的孔隙分布具有分形特征，分形維數(shù)可定量表征構(gòu)造煤孔隙的復(fù)雜程度。

青龍煤礦屬瓦斯突出礦區(qū)，發(fā)育的構(gòu)造煤類型多樣。目前對(duì)構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的研究成果很多，但是從不種類型構(gòu)造煤分析孔隙結(jié)構(gòu)的則很少?；诖耍郧帻埫旱V構(gòu)造煤為研究對(duì)象，基于壓汞法研究其孔隙結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合分形維數(shù)對(duì)孔隙進(jìn)行定量表征，計(jì)算不同類型構(gòu)造煤孔隙在特定壓力段的分維值，分析了構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特征。對(duì)于煤層氣可采性評(píng)價(jià)和揭示煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

黔西地區(qū)位于上揚(yáng)子地塊南緣，包括黔西南坳陷和滇東—黔中隆起東部2個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，東側(cè)為黔南坳陷，南側(cè)為南盤江坳陷。貴州晚古生代二疊紀(jì)煤田燕山運(yùn)動(dòng)的影響最為強(qiáng)烈，使晚白堊世以前的地層發(fā)生褶皺[11]。青龍煤礦隸屬黔北煤田，所在區(qū)域的大地構(gòu)造位置在“黔中隆起”腹地，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造形跡以一系列北東或北北東向近于對(duì)稱的寬緩背、向斜及與之斜交的北東、北西兩個(gè)方向的斷裂構(gòu)成。青龍礦區(qū)北東向的格老寨背斜的北西翼(圖1)。青龍井田的主要可采煤層為二疊系龍?zhí)督M(P3l)的第二段16、18煤層，巖性以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置[12]Fig.1 Tectonic location of study area[12]

2 樣品與試驗(yàn)

構(gòu)造煤樣品均采自貴州省黔西縣青龍煤礦主采煤層，采樣過程嚴(yán)格按照煤層煤樣采取方法和煤巖樣品采取方法進(jìn)行。樣品的制備與觀測(cè)均在中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行，通過煮膠拋光處理后進(jìn)行顯微特征觀察，使用顯微鏡光度計(jì)，用單偏光2.5×10倍物鏡觀測(cè)、分析和拍照。高壓壓汞試驗(yàn)在江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院完成，試驗(yàn)儀器采用POREMASTER60GT全自動(dòng)壓汞儀，壓力0～413 MPa，孔徑測(cè)量范圍為3×10-3～1 000 μm，測(cè)試嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21650.1—2008進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 構(gòu)造煤顯微變形特征

對(duì)8件構(gòu)造煤樣品進(jìn)行了顯微觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)諸多構(gòu)造現(xiàn)象，且研究區(qū)的煤巖中宏觀裂隙非常發(fā)育，在低倍顯微鏡下可以清晰顯示(圖2)。

樣品6-1與樣品6-2為碎裂煤，顯微裂隙延伸穩(wěn)定，裂隙面平直且裂隙寬度變化不大(圖2a)。裂隙具有成組性和方向性，裂隙呈雁列狀或鋸齒狀組合發(fā)育，裂隙的交切和交錯(cuò)現(xiàn)象使得煤體局部區(qū)域發(fā)生破碎(圖2b)。樣品6-3、樣品6-4與樣品6-5為片狀煤，裂隙發(fā)育特征主要表現(xiàn)為煤體中有平直穩(wěn)定的剪切構(gòu)造裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育(圖2c)。在變形微弱區(qū)內(nèi)，裂隙發(fā)育稀疏(圖2d)；在變形強(qiáng)烈區(qū)域，煤體可見多組裂隙發(fā)育，仍有一組平直穩(wěn)定的剪切構(gòu)造裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育，且裂隙發(fā)育密集，具有方向性和成組性(圖2e)。樣品6-6為碎斑煤，煤體破碎嚴(yán)重，局部裂隙相交處發(fā)育碎斑結(jié)構(gòu)，煤體裂隙發(fā)育密集且雜亂，規(guī)模較大的裂隙斜交發(fā)育，將煤體切割成碎塊(圖2f)。樣品6-7為鱗片煤，煤體變形強(qiáng)烈，主要特征表現(xiàn)為煤體中有弧形剪切裂隙穩(wěn)定發(fā)育以及將煤體切割成鱗塊狀(圖2g)。樣品6-8為揉皺煤，其特征主要表現(xiàn)為煤體中發(fā)育大量的韌性揉皺變形構(gòu)造(圖2h)，使煤巖組分出現(xiàn)明顯的揉皺變形現(xiàn)象，煤體裂隙非常發(fā)育，呈弧形彎曲，裂隙之間相互交錯(cuò)，將煤巖組分切割成透鏡狀或長(zhǎng)條狀，隨裂隙彎曲呈流紋狀定向排列。

圖2 構(gòu)造煤微觀變形特征Fig.2 Tectonic coal microscopic deformation characteristics

不同類型的構(gòu)造煤在顯微尺度上表現(xiàn)出了明顯的差異性，脆性變形與韌性變形之間特征顯著，結(jié)合煤樣破壞程度和宏觀裂隙發(fā)育特征等，參考前人構(gòu)造煤分類方法以及變形機(jī)制分類方法[13]，將所采構(gòu)造煤巖樣品分為碎裂煤、片狀煤、碎斑煤、鱗片煤和揉皺煤5類(表1)。

表1 構(gòu)造煤樣品清單

3.2 構(gòu)造煤孔徑發(fā)育特征

孔徑分類方案引入霍多特分類方法，將構(gòu)造煤的納米級(jí)孔隙分為：亞微孔(孔徑<5 nm)、微孔(孔徑5～10 nm)、過渡孔(孔徑10～100 nm)、中孔(孔徑100～1 000 nm)和大孔(孔徑>1 000 nm)，同時(shí)以100 nm為界將孔隙分為滲流孔(孔徑>100 nm)和擴(kuò)散孔(孔徑<100 nm)[14]。

對(duì)所采集的煤樣進(jìn)行了壓汞測(cè)試，觀察煤巖中孔隙的發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)各樣品的階段進(jìn)汞曲線均有雙峰的現(xiàn)象，即在10 nm和1 000 nm兩個(gè)孔徑段出現(xiàn)較高的峰值(圖3)，說明研究區(qū)構(gòu)造煤主要發(fā)育微孔和大孔。

圖3 階段進(jìn)汞量與孔徑關(guān)系Fig.3 Relationship between stage mercury intake and pore size

碎裂煤6-1和碎裂煤6-2的孔徑分布表現(xiàn)為10 nm處峰值發(fā)育，說明微孔發(fā)育，1 000 nm處峰值較發(fā)育，大孔較發(fā)育。片狀煤6-3的孔徑分布表現(xiàn)為10 nm處峰值發(fā)育，微孔發(fā)育，孔徑1 000 nm處峰值亦發(fā)育，大孔占有一定比例。片狀煤6-4和片狀煤6-5的孔徑分布均表現(xiàn)為孔徑10 nm處峰值發(fā)育極突出，微孔最為發(fā)育。碎斑煤6-6的孔徑分布表現(xiàn)為孔徑1 000 nm處峰值極為發(fā)育，大孔最為發(fā)育，孔徑10 nm處峰值較發(fā)育，微孔較發(fā)育。鱗片煤6-7的孔徑分布表現(xiàn)為發(fā)育多個(gè)峰值，孔徑1 000 nm處峰值突出明顯，大孔發(fā)育，小于100 nm范圍內(nèi)由多個(gè)次級(jí)峰型發(fā)育，說明微孔和過渡孔均有發(fā)育。揉皺煤6-8的孔徑分布以小于100 nm的孔徑均勻分布，微孔和過渡孔發(fā)育，孔徑1 000 nm處峰值較發(fā)育，大孔占有一定比例。

3.3 構(gòu)造煤孔隙特征

構(gòu)造煤孔隙是由有效孔隙和孤立孔隙構(gòu)成，有效孔隙包括開放孔(圖4a)和半封閉孔(圖4b)2種基本類型，細(xì)瓶頸孔(圖4c)是一種特殊的半封閉孔[15]。壓汞試驗(yàn)的進(jìn)退汞曲線可以反映煤巖孔隙系統(tǒng)的最大孔容。進(jìn)汞曲線和退汞曲線形成“孔隙滯后環(huán)”，開放孔具壓汞滯后環(huán)，半封閉孔不具“滯后環(huán)”，細(xì)瓶頸孔形成“突降”型“滯后環(huán)”的退汞曲線[16-17]，不同類型的構(gòu)造煤具有不同孔隙滯后環(huán)特征，通過對(duì)煤樣的進(jìn)汞曲線和退汞曲線的分析，可以對(duì)孔隙的基本形態(tài)及其連通性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)[17]。

圖4 構(gòu)造煤孔隙形態(tài)示意[15]Fig.4 Pore form schematic of tectonically deformed coal[15]

樣品壓汞曲線如圖5所示，利用不同壓力下進(jìn)退汞曲線的體積差分析孔隙形態(tài)，參照李明[13]的分類方法，將構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)劃分為6種類型，即平行型、反S型、尖棱型、M型、雙S型和雙弧線型，結(jié)合該分類方案，較系統(tǒng)的總結(jié)了構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)特征，對(duì)比青龍煤礦8個(gè)構(gòu)造煤樣壓汞曲線，將本次研究所采8個(gè)煤巖樣品的孔隙形態(tài)分為平行型、尖棱型、M型、反S型、雙弧線型，且8個(gè)樣品的進(jìn)退汞曲線均有不同程度的遲滯現(xiàn)象。

碎裂煤6-1和碎裂煤6-2的壓汞曲線分別表現(xiàn)為平行型(圖5a)和尖棱型(圖5b)，平行型進(jìn)汞曲線與退汞曲線大部分呈近平行，在相同壓力點(diǎn)處進(jìn)、退汞體積差很小，說明孔隙形態(tài)以半封閉孔為主，開放孔比例小。退汞曲線和進(jìn)汞曲線相似性好，具有很高的退汞效率，表明孔隙連通性好。尖棱型進(jìn)汞曲線與退汞曲線呈一定銳夾角，退汞釋壓階段，在壓力大于100 MPa時(shí)，退汞曲線和進(jìn)汞曲線基本重疊，相同壓力點(diǎn)孔容差[11]極小，說明微孔孔隙形態(tài)以半封閉孔型孔為主，開放孔比例小，隨著壓力減小，孔容差逐漸增大，說明微孔孔隙形態(tài)中開放孔占有一定的比例；當(dāng)壓力降至10 MPa左右時(shí)，壓汞“滯后環(huán)”明顯，說明大孔孔隙形態(tài)中開放孔比例高。其退汞效率相對(duì)較高，孔隙連通性較好。

片狀煤6-3的孔徑分布的壓汞曲線表現(xiàn)為尖棱型(圖5c)，退汞釋壓階段，在壓力大于100 MPa時(shí)，退汞曲線與進(jìn)汞曲線近似重合，相同壓力點(diǎn)孔容差極小，說明微孔孔隙形態(tài)中半封閉孔發(fā)育，開放孔孔隙形態(tài)不發(fā)育；壓力降至10 MPa時(shí)，壓汞“滯后環(huán)”明顯增大，說明中孔和大孔孔隙形態(tài)以開放孔為主，大部分汞滯留在孔隙內(nèi)部，孔隙連通性一般。片狀煤6-4和片狀煤6-5的壓汞曲線形態(tài)相似，均表現(xiàn)為反S型(圖5d，圖5e)，進(jìn)退汞曲線的“滯后環(huán)”明顯增大，從退汞釋壓起始，相同壓力點(diǎn)的孔容差就開始明顯顯現(xiàn)，進(jìn)汞曲線和退汞曲線“滯后環(huán)”明顯，表明孔隙形態(tài)以開放孔為主，孔隙連通性一般。

碎斑煤6-6的壓汞曲線表現(xiàn)為雙弧線型(圖5f)，進(jìn)汞曲線和退汞曲線均呈下凸的弧形，在壓力大于100 MPa時(shí)，進(jìn)汞曲線和退汞曲線存在較小的滯后環(huán)，說明微孔中存在少量的開放孔，主要以半封閉孔為主。在壓力小于100 MPa時(shí)，“滯后環(huán)”增大較明顯，說明大孔孔隙形態(tài)中存在一定數(shù)量的細(xì)瓶頸孔和開放孔。

鱗片煤6-7壓汞曲線表現(xiàn)為M型(圖5g)，進(jìn)汞曲線呈反S形和S形拼接而成M形，退汞曲線從釋壓開始就偏離進(jìn)汞曲線，緩慢下降，說明各階段孔容中開放孔比例較高，參考前人研究成果[17]分析，該現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是進(jìn)汞壓力突破煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限，使自身半封閉孔連通導(dǎo)致進(jìn)汞量增加，從而使滯后環(huán)開口大幅增加，此類鱗片煤連通性差，煤質(zhì)松軟易碎，可造成瓦斯富集和突出。

揉皺煤6-8的壓汞曲線表現(xiàn)為雙弧線型(圖5h)，進(jìn)汞曲線和退汞曲線都呈現(xiàn)下凹的弧形，從退汞釋壓開始，相同壓力點(diǎn)的孔容差隨壓力減小明顯增大，滯后環(huán)明顯，孔隙形態(tài)同上，說明孔隙形態(tài)主要為半封閉孔和細(xì)瓶頸孔，孔隙連通性差。

圖5 壓汞曲線Fig.5 Mercury penetration curve

3.4 構(gòu)造煤分維值計(jì)算及結(jié)果分析

利用Menger模型的孔隙構(gòu)建方法對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征進(jìn)行分析，表達(dá)式如下：

D=4+ln(dV/dp)/dp

(1)

式中：D為分形維數(shù)；V為壓汞試驗(yàn)測(cè)得的構(gòu)造煤孔隙體積，mL/g；p為壓汞試驗(yàn)中施加的壓力，MPa。

分形維數(shù)D用于多孔介質(zhì)的不規(guī)則性和復(fù)雜程度，分形維數(shù)應(yīng)介于2～3，當(dāng)分形維數(shù)接近2時(shí)，說明孔隙表面趨向二維，接近平面，孔隙表面平滑；當(dāng)維數(shù)接近3時(shí)，則說明孔隙表面趨向于三維，接近立體空間，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面粗糙，即分形維數(shù)表征了煤孔隙表面的粗糙度和復(fù)雜程度。

壓汞試驗(yàn)理論上能對(duì)3～106nm的孔隙進(jìn)行測(cè)試，覆蓋了微孔、過渡孔、中孔和大孔范圍。由于煤的可壓縮性，當(dāng)壓力大于10 MPa時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤基質(zhì)壓縮變形和空隙破壞[18]，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的偏差。故本次研究選取壓力小于10 MPa，孔徑141～208 892 nm測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，求得構(gòu)造煤滲流孔孔隙體積的分形維數(shù)。

根據(jù)壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的不同類型構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征曲線如圖6所示，發(fā)現(xiàn)不同類型的構(gòu)造煤的分形特征曲線均表現(xiàn)出明顯的分段現(xiàn)象，劃分為兩段分別進(jìn)行線性擬合，分別記為低壓段分維值D1(表1)和高壓段分維值D2(表2)?？傮w來看，當(dāng)進(jìn)汞壓力小于10 MPa時(shí)，分形維數(shù)介于1.349～3.249，存在分形維數(shù)大于3的情況，在物理意義上來說是可能存在的，能夠反映煤體的破壞程度[19]。

樣品在低壓段(0.01～0.69 MPa)的孔徑介于1 223～208 892 nm，屬于大孔孔徑及宏觀裂隙。根據(jù)Menger模型算得的分形維數(shù)，碎裂煤(樣品6-1和樣品6-2)的分維值分別為2.203和2.215，均值為2.209；片狀煤(樣品6-3)的分維值為2.366，片狀煤(樣品6-4)和片狀煤(樣品6-5)不具備分形特征；碎斑煤(樣品6-6)的分維值為2.427；鱗片煤(樣品6-7)的分維值為2.142；揉皺煤(樣品6-8)的分維值為2.267(圖7a)。在脆性變形階段，隨著變形程度增強(qiáng)，分維值呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，即碎裂煤<片狀煤<碎斑煤；在韌性變形階段，分維值亦呈現(xiàn)出隨著變形程度增強(qiáng)分維值增大的特點(diǎn)，即鱗片煤<揉皺煤。

表2 構(gòu)造煤分形維數(shù)低壓段計(jì)算結(jié)果

表3 構(gòu)造煤分形維數(shù)高壓段計(jì)算結(jié)果

圖6 構(gòu)造煤分形特征Fig.6 Fractal characteristics of tectonic coal

樣品在高壓段(0.31～8.84 MPa)的孔徑介于141～2 679 nm，屬于中孔和大孔，為滲流孔。碎裂煤(樣品6-1和樣品6-2)樣品在高壓段的分維值分別為3.159和3.306，均值為3.233。片狀煤(樣品6-3、樣品6-4和樣品6-5)在高壓段的分維值介于2.629～2.868，均值為2.774；碎斑煤的分維值為2.961；鱗片煤的分維值為2.834；揉皺煤的分維值為3.123(圖7b)。在脆性變形階段，碎裂煤分形維數(shù)最大，孔隙結(jié)構(gòu)較片狀煤和碎斑煤更為復(fù)雜；在韌性變形階段，揉皺煤的分形維數(shù)相較于鱗片煤大，揉皺煤的孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

圖7 不同類型構(gòu)造煤分形維數(shù)Fig.7 Fractal dimension of different types of tectonic coal

4 討 論

對(duì)8件構(gòu)造煤樣品進(jìn)行了顯微觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)諸多構(gòu)造現(xiàn)象。研究區(qū)的煤巖中宏觀裂隙非常發(fā)育，在低倍顯微鏡下可以清晰顯示。參考前人研究成果[20]，自成煤期以來，研究區(qū)經(jīng)歷過多期次的構(gòu)造變動(dòng)。因此，煤巖中裂隙的發(fā)育時(shí)代具有多期性，裂隙的力學(xué)性質(zhì)具有多重性。不同時(shí)代形成的裂隙之間具有錯(cuò)開或限制的現(xiàn)象，早期形成的裂隙會(huì)被晚期形成的裂隙錯(cuò)開，晚期形成的裂隙又通常被早期形成的裂隙所限制，此外，裂隙的定向排列與組合也反映出先剪切、后拉張的構(gòu)造作用。煤巖通常被壓扁、拉長(zhǎng)，乃至形成揉皺，也反映了研究區(qū)受到多期次不同性質(zhì)的構(gòu)造應(yīng)力作用。多期次、不同性質(zhì)的構(gòu)造作用，造成了煤巖裂隙發(fā)育、完整性被破壞等。同時(shí)，伴隨構(gòu)造升降運(yùn)動(dòng)，既可以有利于煤層氣的不斷生成，又可以促進(jìn)煤層氣的運(yùn)移和聚集，反映了研究區(qū)煤層具備了煤層氣生、儲(chǔ)的物質(zhì)基礎(chǔ)與突出的動(dòng)力學(xué)條件。

通過壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，構(gòu)造煤的孔隙特征與其變形強(qiáng)度關(guān)系密切，不同類型的構(gòu)造煤進(jìn)退汞曲線差異顯著，煤體由脆性到韌性變形過程中，“滯后環(huán)”越來越明顯，孔隙發(fā)育程度逐步提高，孔隙中滯流的汞含量越來越高，隨著煤體變形程度的增加，孔隙發(fā)育程度提高，孔喉發(fā)育，開放孔和細(xì)瓶頸孔發(fā)育程度提高。碎裂煤以微孔和大孔為主，微孔孔隙形態(tài)基本以半封閉孔為主，開放孔比例小，大孔以發(fā)育開放孔為主；片狀煤主要以微孔發(fā)育為主，大孔較發(fā)育，孔隙形態(tài)均以開放孔為主，半封閉孔較發(fā)育；碎斑煤以微孔和大孔發(fā)育為主，微孔基本以半封閉孔為主，開放孔主要集中在大孔階段；鱗片煤微孔較為發(fā)育，大孔次之，孔隙形態(tài)以半封閉孔為主，存在一定數(shù)量的開放孔和細(xì)瓶頸孔，孔隙連通性差；揉皺煤微孔極發(fā)育，孔隙形態(tài)以細(xì)瓶頸孔為主，大孔中發(fā)育半封閉孔。

基于分形維數(shù)分析結(jié)果可以看出，當(dāng)壓力處于低壓段時(shí)，隨著構(gòu)造煤破壞程度的增加，分形維值隨構(gòu)造煤破壞程度呈先增后減再增的變化規(guī)律(圖7a)，在脆性變形階段，分形維值變化規(guī)律為碎斑煤>片狀煤>碎裂煤，隨著煤體變形程度的增加，煤體的孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，孔隙表面更加粗糙；在韌性變形階段，揉皺煤分形維值比鱗片煤分形維值大，隨變形程度增強(qiáng)，揉皺煤的孔隙形態(tài)要比鱗片煤更復(fù)雜；碎斑煤的分形維值最大，說明碎斑煤的孔隙結(jié)構(gòu)較其他類型構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，碎斑煤的滲流孔非均質(zhì)性強(qiáng)于片狀煤和碎裂煤，韌性的鱗片煤分形維值最小，表明韌性變形使?jié)B流孔非均質(zhì)性降低。當(dāng)壓力處于高壓段時(shí)，隨著構(gòu)造煤破壞程度的增加，分形維數(shù)隨著煤體的破壞程度增加呈現(xiàn)不規(guī)則變化，碎裂煤分形維值大于3，由于碎裂煤孔隙率較大，當(dāng)進(jìn)汞壓力在10 MPa左右時(shí)(對(duì)應(yīng)孔徑140 nm左右)，就會(huì)導(dǎo)致煤基質(zhì)壓縮變形和孔隙破壞，此時(shí)的進(jìn)汞很大程度上是由于基質(zhì)壓縮引起而非孔隙進(jìn)汞[21]；在韌性變形階段，分形維值呈現(xiàn)揉皺煤大于鱗片煤(圖7b)，隨變形程度增強(qiáng)，揉皺煤的孔隙形態(tài)要比鱗片煤更復(fù)雜。脆性序列構(gòu)造煤(碎裂煤、片狀煤和碎斑煤)在高壓段的分形維值均高于低壓段的分形維值，表明脆性變形作用使得納米孔形態(tài)趨于復(fù)雜，這與煤體本身發(fā)育宏觀裂隙有密切關(guān)系[14]。韌性序列構(gòu)造煤隨變形程度增強(qiáng)，揉皺煤的分形維數(shù)大于鱗片煤的分形維值，可見不論在低壓段還是高壓段，韌性變形對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)的改造更為明顯?？傮w來看，高壓段構(gòu)造煤分形維值分布范圍(2.774～3.233)比低壓段構(gòu)造煤分形維值分布范圍(1.349～2.427)高，且高壓段存在構(gòu)造煤分形維值大于3的現(xiàn)象，說明在高壓段下，煤體變形程度更復(fù)雜，滲流孔復(fù)雜程度高，孔隙結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。

5 結(jié) 論

1)構(gòu)造煤類型主要有碎裂煤、片狀煤、碎斑煤、鱗片煤和揉皺煤5種，顯微尺度上表現(xiàn)出了明顯的差異性，煤巖中主要發(fā)育微孔和大孔。

2)碎裂煤微孔孔隙形態(tài)以半封閉孔為主，大孔以開放孔為主；片狀煤微孔和大孔的孔隙形態(tài)以發(fā)育半封閉孔和開放孔為主；碎斑煤微孔孔隙形態(tài)以半封閉孔為主，大孔中開放孔較發(fā)育，存在細(xì)瓶頸孔；鱗片煤微孔形態(tài)以半封閉孔為主，大孔以開放孔和細(xì)瓶頸孔為主；揉皺煤微孔和大孔均以半封閉孔和細(xì)瓶頸孔發(fā)育為主。

3)在低壓段(0.01～0.69 MPa)，脆性序列構(gòu)造煤分形維數(shù)變化規(guī)律為碎斑煤>片狀煤>碎裂煤；韌性序列揉皺煤分形維數(shù)大于鱗片煤分形維數(shù)。在高壓段(0.31～8.84 MPa)，脆性序列構(gòu)造煤碎裂煤分形維數(shù)最大；韌性序列揉皺煤分形維數(shù)大于鱗片煤分形維數(shù)。高壓段分形維數(shù)整體高于低壓段分形維數(shù)，表明高壓段煤體變形程度更復(fù)雜，滲流孔復(fù)雜程度高，孔隙結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。