構造煤微觀孔隙結構形態學特征及定量分析

王士路，張開仲，杜聯營，韓希偉，王 明

(1.山東省深部沖擊地壓災害評估工程實驗室，山東 青島 266404；2.山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 青島 266404；3.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008；4.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 濟南 250104；5.河南理工大學 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003)

0 引 言

中國煤儲層資源以深部賦存環境為主，由于地質開采條件面臨“三高一低”特征，煤與瓦斯突出事故時有發生[1]。影響突出孕育的因素通常與儲層復雜地質構造特征有關，直接或間接影響著煤層埋深、瓦斯賦存、圍巖透氣性等。事實上，絕大多數突出事故發生在地質構造變形帶，地質構造是突出發生的重要控制因素[2-4]。通常在突出易發區發育著一定厚度的弱粘結的構造軟煤帶，其經歷漫長大地構造演化而導致物理結構破碎或內部化學成分根本性改變[5-6]。目前大量研究主要從區域地質[7]、構造應力[8]及粉化破碎[9]等宏觀角度入手探討構造煤與突出之間內在關系，缺少從微觀結構方面的深入研究。

構造變形作用會從根本上影響煤體孔裂隙微觀結構，其多尺度演化特征會從本質上影響到煤儲層瓦斯氣體的存在狀態、賦存規律和運移行為[10]。研究煤的微觀形態學結構對探索構造煤儲層的突出傾向性等機理具有重要指導意義。煤的微觀形態學結構主要有表觀形貌、孔徑分布、連通性、孔形、曲折度、孔喉比等形態特征參數[11]。構造煤的微觀結構形態學特征決定其內部孔裂隙發育程度、力學破壞行為和瓦斯快速放散特性等，厘清構造煤和原生煤的微觀孔隙形態特征的本質差異性是十分有必要的。

前人通過大量研究認為，構造變形應力的作用方式和演化路徑的不同，會影響變形煤在儲層內的分布規律及發育特性，從而演化成各種結構變形特征的構造煤[12-13]。煤儲層的多尺度特征決定了多種流動形態，微觀孔裂隙結構尺度的表征作為一項重要基礎研究工作，一直以來都是評價瓦斯流動特性的關鍵，目前針對微觀形態結構表征的研究逐步地開始從宏觀尺度向介觀和微觀尺度發展[14-15]。由于煤儲層宏觀尺度割理系統的低均質性和微觀孔裂隙網絡的高復雜性，早期研究針對微觀形態結構的表征缺乏精細定量化研究，而隨著現代分析測試技術和高科技觀測手段被廣泛應用于煤巖性質研究，以掃描電鏡(SEM)[16]、核磁共振(NMR)[17]、計算機微斷層掃描(CT)[18]等光電輻射技術，及氣體吸附法(N2和CO2)[19]、壓汞法(MIP)[20]等流體流態法，逐步針對煤體微觀結構的多尺度形態和空間結構響應開展一系列研究。然而，多數文獻針對構造煤的孔裂隙結構表征多局限于單一尺度或常規分析手段，缺少系統性全尺度定量分析，且研究多集中于傳統表面特性參數。因此，為了全方面系統實現孔隙全尺度形態結構的精細化表征，本文通過原子力顯微鏡和流態法分別探討煤體表觀三維形貌、孔隙發育程度、全尺度孔徑分布、形態結構參數、連通特性等，從本質上揭示原生煤和構造煤的微觀結構差異性及對瓦斯運移的影響。

1 煤樣制備與實驗方法

1.1 實驗煤樣

為從表觀形貌及孔隙形態學角度研究構造煤微觀多尺度結構，本文實驗所用煤樣分別從山西晉城大寧煤礦和安徽宿州祁南煤礦選取高變質程度無煙煤(原生煤和構造煤)和中等變質程度氣肥煤(原生煤和構造煤)，從井下新鮮煤壁采集后迅速密封并運送至樣品室保存。根據本文實驗測試項目需要對樣品進行破碎和篩分，從而獲得相應的樣品粒徑范圍如下：多元物性參數測定(<0.074 mm，0.074～0.2 mm，0.2～0.25 mm，煤顆粒)、原子力顯微鏡(1～3 cm，煤塊)、壓汞法(1～3 mm，煤顆粒)、物理吸附法(0.2～0.25 mm，煤顆粒)。

其中，多元物性參數測定主要有工業分析(水分、灰分和揮發分)、吸附常數(極限吸附量等)、堅固性系數和瓦斯放散初速度。根據《煤的工業分析方法》(GB/T 212—2008)，煤的工業分析測定采用長沙開元儀器公司生產的 5E-MAG6600全自動工業分析儀；遵循《煤甲烷吸附量測定方法》(MT/T 752—1997)，吸附常數測定采用重慶煤科院生產的 HCA高壓容量法瓦斯吸附裝置進行測試；堅固性系數(GB/T 23561.12—2010)和瓦斯放散初速度(AQ 1080—2009)測定同樣遵循國家或行業標準執行。

表1和表2展示了不同變質程度原生煤和構造煤的多元物性參數測試結果。從表中可以看出，大寧高階煤的水分含量整體高于祁南中階煤，但具有較低的灰分含量，可能是由于祁南煤樣內存在更多無機礦物成分；大寧高階煤的吸附常數VL明顯高于祁南中階煤，且瓦斯放散初速度Δp也呈現類似規律，主要是與煤化程度有關。2種變質程度構造煤的VL和Δp均略高于相應原生煤，說明構造作用促進煤的極限吸附量和氣體瞬間解吸能力的增強；而構造煤的堅固性系數相比原生煤明顯降低，也表明構造煤體的質地松軟且容易破碎，導致結構強度降低。

表1 煤樣的工業分析結果

表2 煤樣的基礎物性參數

1.2 實驗裝置與方法

煤作為復雜的多孔介質體，其內部孔隙結構多尺度特征具有從大分子微晶單元的微觀納米級到煤基質單元的宏觀毫米級[21]。為了從根本上厘清構造煤形態物理結構對氣體運移的微觀控制機制，有必要對微米級以下的孔徑分布進行人為劃分來更深入研究孔隙結構形態特征。目前受到廣泛學者認同的多孔介質表征分類方案是由國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)提出的微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、大孔(>50 nm)的孔隙劃分方案[22]，如圖1所示。

圖1 基于AFM和流態法的全尺度孔隙形態表征方案

為了全方面系統實現孔隙全尺度結構的精細化表征，本文運用原子力顯微鏡(AFM)和流態法來開展原生煤和構造煤中幾納米至幾百微米的多維形態結構特征研究。AFM主要是通過具備彈性變形的納米級探針來掃描煤樣粗糙表面并探測形態結構信息，同時利用光電探測裝置記錄形變數據，最終運用Nano Scope軟件生成構造煤三維表觀形貌圖像，測量精度可低至1 nm以下。采用來自德國Bruker公司生產的 Dimension Icon型原子力顯微鏡，通過輕敲模式來記錄樣品表觀形貌的高低起伏變化規律，測試前煤樣需經過氬離子拋光處理。

流態法是以壓汞法和物理吸附法為主的測試分析技術，也是表征復雜多孔介質微觀孔隙結構最有效普遍的方法。其中，壓汞法采用美國Quantachrome公司的PoreMaster 33型全自動壓汞儀，考慮到高壓汞在流體侵入過程中對孔隙結構造成損傷或壓縮影響，選取較低汞壓力范圍(<29.8 MPa)對應的大孔(>50 nm)來著重表征微納米尺度孔隙形態結構[23]。對于小于50 nm孔隙結構來說，通過美國Quantachrome公司研發的Autosorb iQ2型氣體吸附分析儀，N2(77 K)吸附和CO2(273 K)吸附分別用來精確分析介孔段(幾納米至幾百納米)和微孔段(0.35～1.5 nm)等納米結構形態信息。

N2(77K)吸附對介孔段孔隙形態結構的分析是基于Kelvin方程的BJH模型來開展的，通過BJH-N2可以更可靠地實現幾十納米至幾百納米范圍的表征，但無法精準表征10 nm以下介孔；這里，利用基于分子動力學的QSDFT來補充測定2～30 nm的介孔(DFT-N2)，而DFT-CO2則主要表征0.35～1.5 nm的微孔。所以，綜合運用基于AFM和流態法等分析技術能夠全方位地研究原生煤和構造煤的全尺度孔隙形態學結構。

2 原生煤和構造煤表觀形態結構的原子力顯微鏡研究

2.1 表面微觀形態特性的定性研究

圖2展示了基于AFM的大寧高階原生煤和構造煤表面微觀三維形貌特征圖像，從圖中可以看出原生煤表觀三維性質主要是以幾百納米的圓形或橢圓形大孔在基質表面發育為主，說明煤化作用和生烴過程促使煤體產生更多開放型變質孔，表觀形貌整體起伏度較低，孔隙發育較為規則；構造煤的表觀三維性質呈現出高度不規則且起伏程度較高的形貌特征，納米級孔隙系統消失，取而代之的是溝壑狀的局部微裂隙條帶分布，粗糙程度較高，這表明構造作用已經對煤體表面產生了脆性變形破壞，導致表觀結構出現揉皺、碎裂等構造特征，引起表觀規則形貌朝向不規則的凹凸起伏特性轉換。盡管基于AFM的三維形貌圖可以在一定程度上定性描述表觀性質，但仍需要開展不同方向的橫截面來揭示表觀起伏性質及垂直形態特征。

圖2 原生煤(a)和構造煤(b)的表面微觀三維形貌

為此，針對原生煤和構造煤的三維形貌特征圖選取“上→下”、“左→右”、“左上→右下”、“左下→右上”4個方向的切割輪廓對應的剖面圖進行研究，如圖3和圖4所示。從原生煤的剖面形態圖可以看出，絕對多數孔徑范圍處在50～400 nm之間，主要以圓柱形或圓錐形的大孔發育；孔壁相對光滑圓潤，局部可以觀察到有少量納米孔發育；通過高度落差可以判斷孔深最大約為45 nm，孔寬最長約為1 μm。

圖3 原生煤表觀橫截面孔隙形態結構分析

圖4 構造煤表觀橫截面孔隙形態結構分析

從構造煤的剖面形態圖可以發現，脆性構造作用促使煤基質表面產生大尺度微米級孔隙結構，孔深和孔長分別在2 μm和60 nm左右，這些孔隙系統增強了構造煤整體的面孔隙率，更有利于氣體的擴散和滲流；構造變形改造了表觀三維性質，促使其粗糙程度進一步增大，通過仔細研究橫截面形態圖可以看出，大量納米級微孔占據在孔隙的內外壁面，共同組成了氣體的儲集空間；整體表觀形貌展現出更加混沌無序特性。

2.2 基于AFM的三維表觀形貌特征的定量分析

為了從精細化和定量化角度探究三維表觀形貌特征，進一步有效區分原生煤和構造煤在表面形貌信息方面的差異性，通過搜集三維離散采樣數據點來獲取體現樣品表觀粗糙程度的定量參數，著重反映煤基質表觀探針掃描點數據的形貌特征、統計規律及偏離幅度。表征樣品表觀三維粗糙程度的定量參數有

1)最大高度差。描述樣品表面最高波峰到最低波谷的距離差值，分別選取采樣區內5個最大波峰和波谷數據點的算術平均值

(1)

式中Dpi為最高波峰位置，nm；Dvi為最低波谷位置，nm。

2)均方根粗糙度。描述樣品表面采樣區數據點偏離基準面的距離均方根值，選取若干采集數據點與基準面進行偏離量均方根算術處理

(2)

式中D(Xi,Yj)為采樣區表面偏移高度，nm。

3)表面偏斜度。描述樣品表觀輪廓偏移基準面的系統對稱度。當偏斜度為0時，樣品掃描區凹凸起伏情況相當；當偏斜度低于0時，采樣區表觀形貌存在較多波谷；當偏斜度高于0時，采樣區表觀形貌存在更多波峰

(3)

式中M,N為樣品采樣區內XY平面的離散采樣數據。

4)表面峭度。描述樣品表面高度值的集中或離散特征，反映表觀形貌平坦程度。當表面峭度小于3時，采樣區表觀形貌相對平坦；當表面峭度大于3時，采樣區表觀形貌相對存在更多的波峰和波谷。

(4)

5)形狀因子。描述樣品表面孔隙形態邊界的圓潤或尖銳程度，以圓形作為最大值。利用圖像處理軟件內顆粒分析功能對樣品掃描表觀區域內“凹陷”空洞的識別與分析，通過識別二維投影周長與二維投影面積來獲取孔隙形狀因子數學表達式

(5)

式中S為樣品采樣區內識別孔隙投影面積；C為采樣區識別孔隙投影周長。

基于上述公式，通過計算就得到原生煤和構造煤的AFM表觀形態參數，見表3。從表中可以發現，大寧原生煤的最大高度差為67.91 nm，而構造煤為142.3 nm，表面構造作用導致煤基質表面大尺度孔隙更加發育，這也與圖2展示的規律相符；大寧構造煤均方根粗糙度大小與原生煤相差不大，但從表面偏斜度和表面峭度看出，原生煤和構造煤表面均主要以波峰形式存在，且構造煤由于存在更多波峰和波谷，其凹凸程度更高于原生煤，這可能是脆性變形作用引起煤體出現剪切或揉皺變形，促使整體表觀輪廓起伏程度提高而導致粗糙程度增加；從孔隙形狀因子可以看出，原生煤的孔隙形狀更加圓潤，而構造煤則相對更加尖銳，這也證明構造應力作用導致采樣區內表觀形貌出現更多因擠壓或揉搓而演化形成不規則孔隙。

表3 原生煤和構造煤的AFM表觀形態參數

3 基于流態法的原生煤和構造煤微觀孔隙形態結構定量表征

3.1 基于壓汞法和物理吸附法的孔隙結構全尺度孔徑分布規律

煤作為復雜多孔介質，其微觀孔裂隙結構通過其多尺度特征來控制儲層瓦斯的賦存規律及傳輸特性，而研究氣體運移路徑和流動模式的關鍵在于厘定煤的孔徑分布。煤的全尺度孔隙結構可以從微晶單元的納米級至基質單元的毫米級，不同尺度的孔隙結構內氣體的存在狀態和流動形式也不盡相同。為了系統全面地表征不同尺度下的孔隙結構發育情況，本文研究通過對祁南原生煤和構造煤的微孔、介孔和大孔各自的孔容(TPV)和比表面積(SSA)分別進行計算和匯總，見表4。

表4 基于流態法的原生煤和構造煤的孔容與比表面積測定

從表4中看出，不論是原生煤還是構造煤，相對于介孔和大孔，微孔對孔容和比表面積起到主要貢獻作用，說明微孔是決定瓦斯在煤體內賦存和擴散的關鍵通道。通過CO2(273 K)測微孔結果發現，構造煤微孔的孔容和比表面積相比于原生煤出現略微減小的趨勢，表明構造變形作用對微孔階段的損傷不明顯；對于N2(77 K)測介孔結果來說，構造煤的孔容相比原生煤，從0.004 3 cc/g增加到0.016 2 cc/g，增幅達4倍左右，而比表面積從0.385 m2/g大幅增加到4.319 m2/g，增幅達10倍左右，由此可見構造作用對介孔的影響較大；對于壓汞法測大孔結果，構造煤的孔容和比表面積也出現小幅提升，分別增加了0.008 8 cc/g和1.459 m2/g。整體來說，構造應力對介孔敏感程度高于大孔，而對微孔敏感程度最低。

圖5展示了基于壓汞法的原生煤和構造煤中介孔階段和大孔階段的孔徑分布情況，從圖中可以看出，原生煤和構造煤階段進汞量隨孔徑變化曲線均出現雙峰現象，峰值對應的孔徑在6 nm和1 000 nm左右，而孔徑范圍在30～70 nm之間的孔隙相對不發育；構造煤和原生煤的孔徑分布曲線增長規律基本保持一致；構造煤的最可幾孔徑出現在1 100 nm左右，其對應階段進汞量遠高于原生煤，而構造作用對100 nm以下的階段進汞量影響較小，這也證明了構造變形對煤中尺度較小的孔隙改造不明顯。

圖5 基于壓汞法的原生煤和構造煤階段進汞量隨孔徑變化情況

基于N2(77 K)的物理吸附法主要通過BJH-N2和DFT-N2來表征介孔階段和大孔階段的孔徑分布，能夠得到表征范圍的高可信度和高準確性，尤其對于10～30 nm區間內的2種曲線具有較好的重合度。對于BJH-N2來說，原生煤所對應的介孔主要集中在2～6 nm之間，如圖6所示，而構造煤的孔徑分布曲線提升顯著；對于DFT-N2來說，構造煤的介孔階段主要分布在3～32 nm之間，并明顯高于原生煤，這都說明構造作用促使小尺度的介孔更加發育。基于CO2(273 K)的物理吸附法主要通過DFT-CO2來表征0.35～1.5 nm微孔階段的孔徑分布情況，從圖6中可以發現，構造作用對微孔范圍的影響程度很小，構造煤的微孔孔徑分布甚至出現降低的情況，這表明構造變形可能僅在一定程度上決定大分子晶格排列及方向，無法影響到微孔孔容的增減趨勢。

圖6 物理吸附法分析原生煤和構造煤的孔徑分布情況

3.2 原生煤和構造煤微觀孔隙結構形態特征及連通性分析

為了進一步從機理上探討煤體微觀形態特征參數，如孔隙連通性、孔形、孔喉比、曲折度等，本文將深入研究壓汞曲線和液氮吸附曲線來反映祁南中階原生煤和構造煤的孔隙形態學結構差異性。對于壓汞曲線來說，進退汞過程中累計進汞量隨壓力的變化會產生不同步現象，這種汞滯后環現象可以用“接觸角”理論和“墨水瓶”理論來解釋。事實上，汞侵入過程中部分汞分子會進入具有孔喉的孔腔之中，在退汞過程中由于限制型孔喉存在而無法順利流出，所以滯后環曲線是可以間接反映孔隙結構的網絡連通性。

圖7展示了基于壓汞法的原生煤和構造煤的累計進汞量隨壓力變化關系，從圖中可以看出進退汞曲線均呈現出內弧面形狀，可能歸因于煤中存在著大量控制整體連通特性的開放型和半開放型孔隙結構。按照孔隙形態特征和連通性分類，如圖8所示，煤中孔隙可以分成有效孔(無限制孔喉的通孔①和半開放孔③)、無效孔(有限制孔喉的交聯孔②和半開放孔④)、死孔(封閉孔⑤)。其中，有效孔可以認定為能夠順利退汞的孔隙類型，無效孔是容易導致汞滯留的孔隙類型，有效孔和無效孔都屬于與外界連通的孔隙配置(死孔除外)，兩者總孔容事實上對應著壓汞曲線的累計進汞量(總進汞量)，而有效孔的總孔容對應著退汞曲線(總退汞量)，因而進退汞曲線之間的滯后環代表著無效孔的總孔容。

由此可知，從圖7能夠發現祁南中階原生煤在構造作用后總孔容從0.025 6 cc/g增加到0.044 6 cc/g，而其中有效孔的孔容從原生煤的0.019 7 cc/g增加到構造煤的0.033 1 cc/g，因而原生煤中有效孔占總體比例，相比構造煤，從76.95%降低至74.21%，表明構造作用促進了無效孔比例的增多，這可能會引起瓦斯自由運移空間降低，儲層圈閉氣體能力提升。綜合來看，構造作用會抑制煤體內有效運移空間的發育，這可能是由于存在大量發育的限制型孔喉配置的交聯孔和半開放孔導致的。

圖7 原生煤和構造煤進退汞曲線及液氮吸附曲線

從外，基于壓汞法的進退汞曲線及孔徑分布還可以獲得原生煤和構造煤的孔喉比和孔隙曲折度等形態結構參數，如圖8所示。對于孔喉比來說，煤中微觀孔隙存在眾多由狹窄喉道和寬大腔體共同構成的限制型孔喉配置關系，這與壓汞法滯后環的產生是密不可分的；從形態學角度分析，壓汞法進汞曲線的形成取決于進汞壓力突破喉道孔口的能力，而退汞曲線的形成既與喉道有關又與孔隙腔體有關，按照此邏輯，孔喉比事實上可以近似類比為進汞壓力和退汞壓力之比，如圖8所示。對于孔隙曲折度來說，前提是需要將全部孔隙形態結構假定成圓柱形孔，因而曲折度可以表征為進汞過程中起點至重點的最短距離與實際流體侵入運移路徑的比值，如圖8所示。

基于此，從圖8可以明顯看出，孔喉比在受到構造作用影響后從1.045降低至0.937，說明孔隙網絡結構的非均勻性減小，流體運移難度變小；構造煤的曲折度為2.204，相比原生煤的2.215也呈現減小趨勢，表明流體實際運移路徑縮短，有效通道內的汞更容易向外排出，促進了流體運移效率提升。整體來說，構造煤相比原生煤具有更小的孔喉比和曲折度，孔腔和喉道差異性較小，實際運移路徑減少，汞更容易向外排出，導致構造煤的孔隙形態結構更加簡單化。

圖8 孔隙連通性及形態學結構參數的獲取

除此之外，圖7展示了原生煤和構造煤的N2(77 K)吸附脫附曲線，根據IUPAC對物理吸附等溫線的最新分類標準，該煤樣的孔隙形態特征呈現Ⅳ(a)類和 Ⅱ類標準曲線融合，表明該樣品本身是由微孔、介孔和大孔共同組成的復雜無序碳材料；通過觀察整條曲線發現，該過程先后經歷了微孔填充、單層吸附、多層吸附和毛細凝聚4個階段，結合脫附曲線同樣能看出滯后環現象，依據IUPAC對物理吸附滯后環的分類標準，該樣品微觀形態結構中可能有圓柱形孔、狹縫形孔、墨水瓶形孔等存在；滯后環現象的產生取決于煤體內廣泛存在的收縮型孔腔喉道配置關系，即孔隙堵塞效應(pore blocking effect)，從圖7可以看出，原生煤和構造煤的液氮吸附滯后環形態特征截然不同，說明構造作用可能從本質上改變了孔隙形態結構特征，促使產生更多限制性孔隙配置關系，抑制氣體由內向外有效運移。

4 結 論

1)構造作用會提高煤中氣體極限吸附量，促使煤結構整體強度下降，增強氣體瞬間解吸能力。通過三維表觀形貌定性和定量分析表明構造煤相比原生煤呈現更多凹凸不平的條帶狀不規則微裂隙，脆性構造導致整體形貌體現更加無序混沌特性；原生煤的孔隙內壁相對光滑圓潤，而構造煤則更粗糙尖銳。

2)不論是原生煤還是構造煤，微孔對孔容和比表面積起到主要貢獻作用；對于大孔來說，構造煤的孔容和比表面積也小幅提升了0.008 8 cc/g和1.459 m2/g，對于介孔來說，構造煤的孔容和比表面積分別增加約4倍和10倍，對于微孔來說，構造作用對其改變不顯著。相似結果同樣也在孔徑分布規律上反映出來。

3)通過壓汞曲線及滯后環發現，構造作用導致無效孔比例增多，抑制氣體有效運移途徑，主要是導致以交聯孔和半開放孔構成的限制型孔喉配置結構增多，同時促使孔喉比降低約10%，曲折度整體降低約0.5%，導致構造煤孔隙形態結構簡單化；液氮吸附曲線表明，微觀形態結構中存在圓柱形孔、狹縫形孔、墨水瓶形孔等，構造作用可能從本質上改變了孔隙形態特征。