构造煤微观孔隙结构形态学特征及定量分析

王士路，张开仲，杜联营，韩希伟，王 明

(1.山东省深部冲击地压灾害评估工程实验室，山东 青岛 266404；2.山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266404；3.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008；4.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250104；5.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003)

0 引 言

中国煤储层资源以深部赋存环境为主，由于地质开采条件面临“三高一低”特征，煤与瓦斯突出事故时有发生[1]。影响突出孕育的因素通常与储层复杂地质构造特征有关，直接或间接影响着煤层埋深、瓦斯赋存、围岩透气性等。事实上，绝大多数突出事故发生在地质构造变形带，地质构造是突出发生的重要控制因素[2-4]。通常在突出易发区发育着一定厚度的弱粘结的构造软煤带，其经历漫长大地构造演化而导致物理结构破碎或内部化学成分根本性改变[5-6]。目前大量研究主要从区域地质[7]、构造应力[8]及粉化破碎[9]等宏观角度入手探讨构造煤与突出之间内在关系，缺少从微观结构方面的深入研究。

构造变形作用会从根本上影响煤体孔裂隙微观结构，其多尺度演化特征会从本质上影响到煤储层瓦斯气体的存在状态、赋存规律和运移行为[10]。研究煤的微观形态学结构对探索构造煤储层的突出倾向性等机理具有重要指导意义。煤的微观形态学结构主要有表观形貌、孔径分布、连通性、孔形、曲折度、孔喉比等形态特征参数[11]。构造煤的微观结构形态学特征决定其内部孔裂隙发育程度、力学破坏行为和瓦斯快速放散特性等，厘清构造煤和原生煤的微观孔隙形态特征的本质差异性是十分有必要的。

前人通过大量研究认为，构造变形应力的作用方式和演化路径的不同，会影响变形煤在储层内的分布规律及发育特性，从而演化成各种结构变形特征的构造煤[12-13]。煤储层的多尺度特征决定了多种流动形态，微观孔裂隙结构尺度的表征作为一项重要基础研究工作，一直以来都是评价瓦斯流动特性的关键，目前针对微观形态结构表征的研究逐步地开始从宏观尺度向介观和微观尺度发展[14-15]。由于煤储层宏观尺度割理系统的低均质性和微观孔裂隙网络的高复杂性，早期研究针对微观形态结构的表征缺乏精细定量化研究，而随着现代分析测试技术和高科技观测手段被广泛应用于煤岩性质研究，以扫描电镜(SEM)[16]、核磁共振(NMR)[17]、计算机微断层扫描(CT)[18]等光电辐射技术，及气体吸附法(N2和CO2)[19]、压汞法(MIP)[20]等流体流态法，逐步针对煤体微观结构的多尺度形态和空间结构响应开展一系列研究。然而，多数文献针对构造煤的孔裂隙结构表征多局限于单一尺度或常规分析手段，缺少系统性全尺度定量分析，且研究多集中于传统表面特性参数。因此，为了全方面系统实现孔隙全尺度形态结构的精细化表征，本文通过原子力显微镜和流态法分别探讨煤体表观三维形貌、孔隙发育程度、全尺度孔径分布、形态结构参数、连通特性等，从本质上揭示原生煤和构造煤的微观结构差异性及对瓦斯运移的影响。

1 煤样制备与实验方法

1.1 实验煤样

为从表观形貌及孔隙形态学角度研究构造煤微观多尺度结构，本文实验所用煤样分别从山西晋城大宁煤矿和安徽宿州祁南煤矿选取高变质程度无烟煤(原生煤和构造煤)和中等变质程度气肥煤(原生煤和构造煤)，从井下新鲜煤壁采集后迅速密封并运送至样品室保存。根据本文实验测试项目需要对样品进行破碎和筛分，从而获得相应的样品粒径范围如下：多元物性参数测定(<0.074 mm，0.074～0.2 mm，0.2～0.25 mm，煤颗粒)、原子力显微镜(1～3 cm，煤块)、压汞法(1～3 mm，煤颗粒)、物理吸附法(0.2～0.25 mm，煤颗粒)。

其中，多元物性参数测定主要有工业分析(水分、灰分和挥发分)、吸附常数(极限吸附量等)、坚固性系数和瓦斯放散初速度。根据《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)，煤的工业分析测定采用长沙开元仪器公司生产的 5E-MAG6600全自动工业分析仪；遵循《煤甲烷吸附量测定方法》(MT/T 752—1997)，吸附常数测定采用重庆煤科院生产的 HCA高压容量法瓦斯吸附装置进行测试；坚固性系数(GB/T 23561.12—2010)和瓦斯放散初速度(AQ 1080—2009)测定同样遵循国家或行业标准执行。

表1和表2展示了不同变质程度原生煤和构造煤的多元物性参数测试结果。从表中可以看出，大宁高阶煤的水分含量整体高于祁南中阶煤，但具有较低的灰分含量，可能是由于祁南煤样内存在更多无机矿物成分；大宁高阶煤的吸附常数VL明显高于祁南中阶煤，且瓦斯放散初速度Δp也呈现类似规律，主要是与煤化程度有关。2种变质程度构造煤的VL和Δp均略高于相应原生煤，说明构造作用促进煤的极限吸附量和气体瞬间解吸能力的增强；而构造煤的坚固性系数相比原生煤明显降低，也表明构造煤体的质地松软且容易破碎，导致结构强度降低。

表1 煤样的工业分析结果

表2 煤样的基础物性参数

1.2 实验装置与方法

煤作为复杂的多孔介质体，其内部孔隙结构多尺度特征具有从大分子微晶单元的微观纳米级到煤基质单元的宏观毫米级[21]。为了从根本上厘清构造煤形态物理结构对气体运移的微观控制机制，有必要对微米级以下的孔径分布进行人为划分来更深入研究孔隙结构形态特征。目前受到广泛学者认同的多孔介质表征分类方案是由国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)提出的微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、大孔(>50 nm)的孔隙划分方案[22]，如图1所示。

图1 基于AFM和流态法的全尺度孔隙形态表征方案

为了全方面系统实现孔隙全尺度结构的精细化表征，本文运用原子力显微镜(AFM)和流态法来开展原生煤和构造煤中几纳米至几百微米的多维形态结构特征研究。AFM主要是通过具备弹性变形的纳米级探针来扫描煤样粗糙表面并探测形态结构信息，同时利用光电探测装置记录形变数据，最终运用Nano Scope软件生成构造煤三维表观形貌图像，测量精度可低至1 nm以下。采用来自德国Bruker公司生产的 Dimension Icon型原子力显微镜，通过轻敲模式来记录样品表观形貌的高低起伏变化规律，测试前煤样需经过氩离子抛光处理。

流态法是以压汞法和物理吸附法为主的测试分析技术，也是表征复杂多孔介质微观孔隙结构最有效普遍的方法。其中，压汞法采用美国Quantachrome公司的PoreMaster 33型全自动压汞仪，考虑到高压汞在流体侵入过程中对孔隙结构造成损伤或压缩影响，选取较低汞压力范围(<29.8 MPa)对应的大孔(>50 nm)来着重表征微纳米尺度孔隙形态结构[23]。对于小于50 nm孔隙结构来说，通过美国Quantachrome公司研发的Autosorb iQ2型气体吸附分析仪，N2(77 K)吸附和CO2(273 K)吸附分别用来精确分析介孔段(几纳米至几百纳米)和微孔段(0.35～1.5 nm)等纳米结构形态信息。

N2(77K)吸附对介孔段孔隙形态结构的分析是基于Kelvin方程的BJH模型来开展的，通过BJH-N2可以更可靠地实现几十纳米至几百纳米范围的表征，但无法精准表征10 nm以下介孔；这里，利用基于分子动力学的QSDFT来补充测定2～30 nm的介孔(DFT-N2)，而DFT-CO2则主要表征0.35～1.5 nm的微孔。所以，综合运用基于AFM和流态法等分析技术能够全方位地研究原生煤和构造煤的全尺度孔隙形态学结构。

2 原生煤和构造煤表观形态结构的原子力显微镜研究

2.1 表面微观形态特性的定性研究

图2展示了基于AFM的大宁高阶原生煤和构造煤表面微观三维形貌特征图像，从图中可以看出原生煤表观三维性质主要是以几百纳米的圆形或椭圆形大孔在基质表面发育为主，说明煤化作用和生烃过程促使煤体产生更多开放型变质孔，表观形貌整体起伏度较低，孔隙发育较为规则；构造煤的表观三维性质呈现出高度不规则且起伏程度较高的形貌特征，纳米级孔隙系统消失，取而代之的是沟壑状的局部微裂隙条带分布，粗糙程度较高，这表明构造作用已经对煤体表面产生了脆性变形破坏，导致表观结构出现揉皱、碎裂等构造特征，引起表观规则形貌朝向不规则的凹凸起伏特性转换。尽管基于AFM的三维形貌图可以在一定程度上定性描述表观性质，但仍需要开展不同方向的横截面来揭示表观起伏性质及垂直形态特征。

图2 原生煤(a)和构造煤(b)的表面微观三维形貌

为此，针对原生煤和构造煤的三维形貌特征图选取“上→下”、“左→右”、“左上→右下”、“左下→右上”4个方向的切割轮廓对应的剖面图进行研究，如图3和图4所示。从原生煤的剖面形态图可以看出，绝对多数孔径范围处在50～400 nm之间，主要以圆柱形或圆锥形的大孔发育；孔壁相对光滑圆润，局部可以观察到有少量纳米孔发育；通过高度落差可以判断孔深最大约为45 nm，孔宽最长约为1 μm。

图3 原生煤表观横截面孔隙形态结构分析

图4 构造煤表观横截面孔隙形态结构分析

从构造煤的剖面形态图可以发现，脆性构造作用促使煤基质表面产生大尺度微米级孔隙结构，孔深和孔长分别在2 μm和60 nm左右，这些孔隙系统增强了构造煤整体的面孔隙率，更有利于气体的扩散和渗流；构造变形改造了表观三维性质，促使其粗糙程度进一步增大，通过仔细研究横截面形态图可以看出，大量纳米级微孔占据在孔隙的内外壁面，共同组成了气体的储集空间；整体表观形貌展现出更加混沌无序特性。

2.2 基于AFM的三维表观形貌特征的定量分析

为了从精细化和定量化角度探究三维表观形貌特征，进一步有效区分原生煤和构造煤在表面形貌信息方面的差异性，通过搜集三维离散采样数据点来获取体现样品表观粗糙程度的定量参数，着重反映煤基质表观探针扫描点数据的形貌特征、统计规律及偏离幅度。表征样品表观三维粗糙程度的定量参数有

1)最大高度差。描述样品表面最高波峰到最低波谷的距离差值，分别选取采样区内5个最大波峰和波谷数据点的算术平均值

(1)

式中Dpi为最高波峰位置，nm；Dvi为最低波谷位置，nm。

2)均方根粗糙度。描述样品表面采样区数据点偏离基准面的距离均方根值，选取若干采集数据点与基准面进行偏离量均方根算术处理

(2)

式中D(Xi,Yj)为采样区表面偏移高度，nm。

3)表面偏斜度。描述样品表观轮廓偏移基准面的系统对称度。当偏斜度为0时，样品扫描区凹凸起伏情况相当；当偏斜度低于0时，采样区表观形貌存在较多波谷；当偏斜度高于0时，采样区表观形貌存在更多波峰

(3)

式中M,N为样品采样区内XY平面的离散采样数据。

4)表面峭度。描述样品表面高度值的集中或离散特征，反映表观形貌平坦程度。当表面峭度小于3时，采样区表观形貌相对平坦；当表面峭度大于3时，采样区表观形貌相对存在更多的波峰和波谷。

(4)

5)形状因子。描述样品表面孔隙形态边界的圆润或尖锐程度，以圆形作为最大值。利用图像处理软件内颗粒分析功能对样品扫描表观区域内“凹陷”空洞的识别与分析，通过识别二维投影周长与二维投影面积来获取孔隙形状因子数学表达式

(5)

式中S为样品采样区内识别孔隙投影面积；C为采样区识别孔隙投影周长。

基于上述公式，通过计算就得到原生煤和构造煤的AFM表观形态参数，见表3。从表中可以发现，大宁原生煤的最大高度差为67.91 nm，而构造煤为142.3 nm，表面构造作用导致煤基质表面大尺度孔隙更加发育，这也与图2展示的规律相符；大宁构造煤均方根粗糙度大小与原生煤相差不大，但从表面偏斜度和表面峭度看出，原生煤和构造煤表面均主要以波峰形式存在，且构造煤由于存在更多波峰和波谷，其凹凸程度更高于原生煤，这可能是脆性变形作用引起煤体出现剪切或揉皱变形，促使整体表观轮廓起伏程度提高而导致粗糙程度增加；从孔隙形状因子可以看出，原生煤的孔隙形状更加圆润，而构造煤则相对更加尖锐，这也证明构造应力作用导致采样区内表观形貌出现更多因挤压或揉搓而演化形成不规则孔隙。

表3 原生煤和构造煤的AFM表观形态参数

3 基于流态法的原生煤和构造煤微观孔隙形态结构定量表征

3.1 基于压汞法和物理吸附法的孔隙结构全尺度孔径分布规律

煤作为复杂多孔介质，其微观孔裂隙结构通过其多尺度特征来控制储层瓦斯的赋存规律及传输特性，而研究气体运移路径和流动模式的关键在于厘定煤的孔径分布。煤的全尺度孔隙结构可以从微晶单元的纳米级至基质单元的毫米级，不同尺度的孔隙结构内气体的存在状态和流动形式也不尽相同。为了系统全面地表征不同尺度下的孔隙结构发育情况，本文研究通过对祁南原生煤和构造煤的微孔、介孔和大孔各自的孔容(TPV)和比表面积(SSA)分别进行计算和汇总，见表4。

表4 基于流态法的原生煤和构造煤的孔容与比表面积测定

从表4中看出，不论是原生煤还是构造煤，相对于介孔和大孔，微孔对孔容和比表面积起到主要贡献作用，说明微孔是决定瓦斯在煤体内赋存和扩散的关键通道。通过CO2(273 K)测微孔结果发现，构造煤微孔的孔容和比表面积相比于原生煤出现略微减小的趋势，表明构造变形作用对微孔阶段的损伤不明显；对于N2(77 K)测介孔结果来说，构造煤的孔容相比原生煤，从0.004 3 cc/g增加到0.016 2 cc/g，增幅达4倍左右，而比表面积从0.385 m2/g大幅增加到4.319 m2/g，增幅达10倍左右，由此可见构造作用对介孔的影响较大；对于压汞法测大孔结果，构造煤的孔容和比表面积也出现小幅提升，分别增加了0.008 8 cc/g和1.459 m2/g。整体来说，构造应力对介孔敏感程度高于大孔，而对微孔敏感程度最低。

图5展示了基于压汞法的原生煤和构造煤中介孔阶段和大孔阶段的孔径分布情况，从图中可以看出，原生煤和构造煤阶段进汞量随孔径变化曲线均出现双峰现象，峰值对应的孔径在6 nm和1 000 nm左右，而孔径范围在30～70 nm之间的孔隙相对不发育；构造煤和原生煤的孔径分布曲线增长规律基本保持一致；构造煤的最可几孔径出现在1 100 nm左右，其对应阶段进汞量远高于原生煤，而构造作用对100 nm以下的阶段进汞量影响较小，这也证明了构造变形对煤中尺度较小的孔隙改造不明显。

图5 基于压汞法的原生煤和构造煤阶段进汞量随孔径变化情况

基于N2(77 K)的物理吸附法主要通过BJH-N2和DFT-N2来表征介孔阶段和大孔阶段的孔径分布，能够得到表征范围的高可信度和高准确性，尤其对于10～30 nm区间内的2种曲线具有较好的重合度。对于BJH-N2来说，原生煤所对应的介孔主要集中在2～6 nm之间，如图6所示，而构造煤的孔径分布曲线提升显著；对于DFT-N2来说，构造煤的介孔阶段主要分布在3～32 nm之间，并明显高于原生煤，这都说明构造作用促使小尺度的介孔更加发育。基于CO2(273 K)的物理吸附法主要通过DFT-CO2来表征0.35～1.5 nm微孔阶段的孔径分布情况，从图6中可以发现，构造作用对微孔范围的影响程度很小，构造煤的微孔孔径分布甚至出现降低的情况，这表明构造变形可能仅在一定程度上决定大分子晶格排列及方向，无法影响到微孔孔容的增减趋势。

图6 物理吸附法分析原生煤和构造煤的孔径分布情况

3.2 原生煤和构造煤微观孔隙结构形态特征及连通性分析

为了进一步从机理上探讨煤体微观形态特征参数，如孔隙连通性、孔形、孔喉比、曲折度等，本文将深入研究压汞曲线和液氮吸附曲线来反映祁南中阶原生煤和构造煤的孔隙形态学结构差异性。对于压汞曲线来说，进退汞过程中累计进汞量随压力的变化会产生不同步现象，这种汞滞后环现象可以用“接触角”理论和“墨水瓶”理论来解释。事实上，汞侵入过程中部分汞分子会进入具有孔喉的孔腔之中，在退汞过程中由于限制型孔喉存在而无法顺利流出，所以滞后环曲线是可以间接反映孔隙结构的网络连通性。

图7展示了基于压汞法的原生煤和构造煤的累计进汞量随压力变化关系，从图中可以看出进退汞曲线均呈现出内弧面形状，可能归因于煤中存在着大量控制整体连通特性的开放型和半开放型孔隙结构。按照孔隙形态特征和连通性分类，如图8所示，煤中孔隙可以分成有效孔(无限制孔喉的通孔①和半开放孔③)、无效孔(有限制孔喉的交联孔②和半开放孔④)、死孔(封闭孔⑤)。其中，有效孔可以认定为能够顺利退汞的孔隙类型，无效孔是容易导致汞滞留的孔隙类型，有效孔和无效孔都属于与外界连通的孔隙配置(死孔除外)，两者总孔容事实上对应着压汞曲线的累计进汞量(总进汞量)，而有效孔的总孔容对应着退汞曲线(总退汞量)，因而进退汞曲线之间的滞后环代表着无效孔的总孔容。

由此可知，从图7能够发现祁南中阶原生煤在构造作用后总孔容从0.025 6 cc/g增加到0.044 6 cc/g，而其中有效孔的孔容从原生煤的0.019 7 cc/g增加到构造煤的0.033 1 cc/g，因而原生煤中有效孔占总体比例，相比构造煤，从76.95%降低至74.21%，表明构造作用促进了无效孔比例的增多，这可能会引起瓦斯自由运移空间降低，储层圈闭气体能力提升。综合来看，构造作用会抑制煤体内有效运移空间的发育，这可能是由于存在大量发育的限制型孔喉配置的交联孔和半开放孔导致的。

图7 原生煤和构造煤进退汞曲线及液氮吸附曲线

从外，基于压汞法的进退汞曲线及孔径分布还可以获得原生煤和构造煤的孔喉比和孔隙曲折度等形态结构参数，如图8所示。对于孔喉比来说，煤中微观孔隙存在众多由狭窄喉道和宽大腔体共同构成的限制型孔喉配置关系，这与压汞法滞后环的产生是密不可分的；从形态学角度分析，压汞法进汞曲线的形成取决于进汞压力突破喉道孔口的能力，而退汞曲线的形成既与喉道有关又与孔隙腔体有关，按照此逻辑，孔喉比事实上可以近似类比为进汞压力和退汞压力之比，如图8所示。对于孔隙曲折度来说，前提是需要将全部孔隙形态结构假定成圆柱形孔，因而曲折度可以表征为进汞过程中起点至重点的最短距离与实际流体侵入运移路径的比值，如图8所示。

基于此，从图8可以明显看出，孔喉比在受到构造作用影响后从1.045降低至0.937，说明孔隙网络结构的非均匀性减小，流体运移难度变小；构造煤的曲折度为2.204，相比原生煤的2.215也呈现减小趋势，表明流体实际运移路径缩短，有效通道内的汞更容易向外排出，促进了流体运移效率提升。整体来说，构造煤相比原生煤具有更小的孔喉比和曲折度，孔腔和喉道差异性较小，实际运移路径减少，汞更容易向外排出，导致构造煤的孔隙形态结构更加简单化。

图8 孔隙连通性及形态学结构参数的获取

除此之外，图7展示了原生煤和构造煤的N2(77 K)吸附脱附曲线，根据IUPAC对物理吸附等温线的最新分类标准，该煤样的孔隙形态特征呈现Ⅳ(a)类和 Ⅱ类标准曲线融合，表明该样品本身是由微孔、介孔和大孔共同组成的复杂无序碳材料；通过观察整条曲线发现，该过程先后经历了微孔填充、单层吸附、多层吸附和毛细凝聚4个阶段，结合脱附曲线同样能看出滞后环现象，依据IUPAC对物理吸附滞后环的分类标准，该样品微观形态结构中可能有圆柱形孔、狭缝形孔、墨水瓶形孔等存在；滞后环现象的产生取决于煤体内广泛存在的收缩型孔腔喉道配置关系，即孔隙堵塞效应(pore blocking effect)，从图7可以看出，原生煤和构造煤的液氮吸附滞后环形态特征截然不同，说明构造作用可能从本质上改变了孔隙形态结构特征，促使产生更多限制性孔隙配置关系，抑制气体由内向外有效运移。

4 结 论

1)构造作用会提高煤中气体极限吸附量，促使煤结构整体强度下降，增强气体瞬间解吸能力。通过三维表观形貌定性和定量分析表明构造煤相比原生煤呈现更多凹凸不平的条带状不规则微裂隙，脆性构造导致整体形貌体现更加无序混沌特性；原生煤的孔隙内壁相对光滑圆润，而构造煤则更粗糙尖锐。

2)不论是原生煤还是构造煤，微孔对孔容和比表面积起到主要贡献作用；对于大孔来说，构造煤的孔容和比表面积也小幅提升了0.008 8 cc/g和1.459 m2/g，对于介孔来说，构造煤的孔容和比表面积分别增加约4倍和10倍，对于微孔来说，构造作用对其改变不显著。相似结果同样也在孔径分布规律上反映出来。

3)通过压汞曲线及滞后环发现，构造作用导致无效孔比例增多，抑制气体有效运移途径，主要是导致以交联孔和半开放孔构成的限制型孔喉配置结构增多，同时促使孔喉比降低约10%，曲折度整体降低约0.5%，导致构造煤孔隙形态结构简单化；液氮吸附曲线表明，微观形态结构中存在圆柱形孔、狭缝形孔、墨水瓶形孔等，构造作用可能从本质上改变了孔隙形态特征。