要惠芳，康志勤，李偉

（太原理工大學(xué)）

0 引言

構(gòu)造煤是原生結(jié)構(gòu)煤在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的具有新生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征的變形煤，可根據(jù)變形特征劃分為不同類型[1-5]。琚宜文等[6]提出了既適合于煤層氣開(kāi)發(fā)又適合煤與瓦斯突出防治的構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)-成因分類方案，該方案以構(gòu)造煤的手標(biāo)本或鉆井煤心為尺度，將構(gòu)造煤分為3個(gè)序列10個(gè)類型：脆性變形序列，包括碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、碎粉煤、片狀煤和薄片煤；韌性變形序列，包括揉皺煤、糜棱煤和韌性結(jié)構(gòu)煤；脆韌性過(guò)渡型變形系列，由鱗片煤構(gòu)成。

構(gòu)造煤具有強(qiáng)度低、滲透率低、應(yīng)力敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)。研究表明，構(gòu)造煤對(duì)煤與瓦斯突出影響重大[7-8]；同時(shí)構(gòu)造煤對(duì)煤層氣地面開(kāi)采也有很大影響，經(jīng)常導(dǎo)致出粉煤、卡鉆等事故，構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)甚至被視為煤層氣開(kāi)發(fā)的禁區(qū)[9]。實(shí)際上，一定碎裂程度的構(gòu)造煤常具有含氣量高、割理發(fā)育的特點(diǎn)，因此，在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)尋找有利的煤層氣資源地質(zhì)背景，將構(gòu)造應(yīng)力作用下煤結(jié)構(gòu)的演化、儲(chǔ)集層物性特征和控氣地質(zhì)條件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，將有望在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)發(fā)現(xiàn)煤層氣資源。

中國(guó)大多數(shù)含煤盆地經(jīng)歷了多期次構(gòu)造作用的疊加改造[10-11]，使煤體結(jié)構(gòu)遭受不同程度變形，形成了不同類型的構(gòu)造煤[12]。本文以鄂爾多斯盆地東緣渭北韓城地區(qū)的煤巖樣品為研究對(duì)象，通過(guò)掃描電鏡、顯微CT觀測(cè)和壓汞、低溫液氮吸附等實(shí)驗(yàn)方法對(duì)構(gòu)造煤變形和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對(duì)塊狀構(gòu)造煤進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，以期揭示構(gòu)造煤儲(chǔ)氣機(jī)理，為構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

本文研究樣品采自鄂爾多斯盆地東緣渭北韓城地區(qū)煤礦井下石炭系太原組11號(hào)和5號(hào)煤層、二疊系山西組 3號(hào)煤層及少量鉆孔巖心，構(gòu)造煤類型包括脆性變形的碎裂煤、碎粒煤，脆韌性過(guò)渡型的鱗片煤和韌性變形的糜棱煤（見(jiàn)表1）。

表1 不同類型構(gòu)造煤樣品參數(shù)及孔隙結(jié)構(gòu)定量檢測(cè)結(jié)果

對(duì)井下采礦面和手標(biāo)本進(jìn)行樣品宏觀變形特征觀察。在TESCAN公司VEGA\LMU掃描電鏡下對(duì)鍍金樣品進(jìn)行微觀變形特征觀察，掃描電鏡加速電壓為20 kV，樣品束流10～20 pc，束斑尺寸50 nm。

構(gòu)造煤的孔隙定量表征采用低溫氮?dú)馕?、微米CT和壓汞相結(jié)合的方法，不同方法表征的孔徑分布段不同[13-14]。低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)主要用于表征納米孔隙的分布特征，其實(shí)驗(yàn)流程為：將10～20 g粒徑為1～2 mm的樣品經(jīng)過(guò)高溫抽真空處理后，以純度大于99.999%的氮?dú)鉃槲劫|(zhì)，采用ASAP 2020全自動(dòng)比表面及孔徑分析儀，在低溫（?196 ℃）和低壓（小于0.127 MPa）條件下測(cè)量平衡蒸汽壓下樣品表面的氮?dú)馕搅亢兔摳搅?，根?jù)BET方程計(jì)算煤巖比表面積；在假定孔隙是圓柱形模型的情況下，根據(jù)脫附等溫線，應(yīng)用BJH理論和Kelvin方程，可得到孔徑分布[15-16]。

微米CT主要用于觀察煤樣中孔徑大于1 μm的孔隙結(jié)構(gòu)，采用儀器為美國(guó)生產(chǎn)的Xradia X射線微米CT。實(shí)驗(yàn)流程為：首先將3～5 mm的煤樣經(jīng)X射線照射獲得不同角度的二維圖像，然后采用 Xradia ExamineRT Workstation軟件對(duì) CT掃描獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以得到3D數(shù)字模型，計(jì)算出不同孔徑的孔隙分布。

壓汞法利用外加壓力使汞克服表面張力進(jìn)入孔隙從而測(cè)得其孔徑分布信息[17-19]。測(cè)量?jī)x器為美國(guó)麥克爾公司9410型全自動(dòng)壓汞儀，儀器可自動(dòng)記錄進(jìn)汞飽和度、排驅(qū)壓力。實(shí)驗(yàn)進(jìn)汞壓力最高達(dá)49.97 MPa，對(duì)應(yīng)的最小孔隙半徑約15 nm。實(shí)驗(yàn)前，所有煤樣在75 ℃下干燥48 h。

本文通過(guò)綜合運(yùn)用顯微CT、壓汞法、低溫氮吸附法分別獲得不同類型構(gòu)造煤滲流孔（孔徑大于100 nm）和吸附孔（孔徑小于100 nm）的孔隙分布特征，從不同尺度研究了不同煤體的孔隙結(jié)構(gòu)。壓汞法和低溫氮吸附法可以獲得孔隙比表面積、總孔容、孔徑分布、各階段孔徑所占的孔容比例及平均中值孔徑等參數(shù)[20-21]，從孔隙結(jié)構(gòu)的分布形態(tài)可以判斷煤體對(duì)煤層氣的儲(chǔ)集能力和運(yùn)移能力[22-24]。

構(gòu)造煤的甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)在太原理工大學(xué)自主研制的吸附解吸儀上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，樣品未進(jìn)行干燥和飽和水處理，實(shí)驗(yàn)流程為：先測(cè)定裝載塊狀煤樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)的自由體積，然后充注 2.4 MPa壓力的甲烷氣體，斷開(kāi)氣源，記錄不同時(shí)間由于吸附產(chǎn)生的壓降，直到壓力不再降低、達(dá)到飽和吸附時(shí)記錄對(duì)應(yīng)壓力的飽和吸附量。

2 構(gòu)造煤變形特征

2.1 構(gòu)造煤宏觀變形特征

構(gòu)造煤由于發(fā)生了構(gòu)造變形，其宏觀煤巖類型、條帶狀結(jié)構(gòu)、構(gòu)造裂隙、揉皺和破碎性等方面都與原生結(jié)構(gòu)煤有明顯區(qū)別，總體表現(xiàn)為原生層狀、條帶狀結(jié)構(gòu)被破壞，煤中有機(jī)質(zhì)和礦物成分受構(gòu)造變形影響定向排列明顯，煤顆粒變細(xì)，揉皺構(gòu)造發(fā)育。

碎裂煤層理較完整，條帶狀結(jié)構(gòu)較明顯，穿層裂隙發(fā)育，煤巖層常被切成小碎塊，煤質(zhì)較硬，用手可掰成1～3 cm碎塊，基本保持在2 cm左右。有時(shí)見(jiàn)構(gòu)造擦痕，擦痕面上常形成裂隙網(wǎng)，煤巖層間可見(jiàn)錯(cuò)動(dòng)（見(jiàn)圖1a）。

碎粒煤以半暗煤為主，構(gòu)造擦痕發(fā)育，常形成光亮鏡面、階步。煤體上發(fā)現(xiàn)“X型”剪節(jié)理，煤被切成楔狀、條狀。層間滑移明顯，發(fā)生順層剪切，煤被切割成尖棱狀、楔狀細(xì)小顆粒。煤質(zhì)松軟，手拭強(qiáng)度低，可捏成粉末或小于1 mm顆粒（見(jiàn)圖1b）。

華西醫(yī)院原黨委書(shū)記鄭尚維告訴記者，參與培訓(xùn)的學(xué)員利用中午休息時(shí)間，觀看了九院的內(nèi)部錄像帶，當(dāng)看到一代又一代科學(xué)家們，幾十年隱姓埋名在條件極其惡劣的深山和沙漠中開(kāi)展研發(fā)工作，用青春撐起國(guó)家脊梁時(shí)，所有學(xué)員都眼含熱淚，影片結(jié)束后，學(xué)員們?nèi)w起立，掌聲經(jīng)久不息。

鱗片煤原生結(jié)構(gòu)消失，受不同方向剪切作用影響破碎成鱗片狀，整體常呈薄餅形態(tài)。構(gòu)造擦痕順層發(fā)育，鱗片上下可見(jiàn)清晰的光亮滑移面，間距均小于1 cm。受韌性剪切作用，顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)、牽引彎曲，形成微褶皺，S型彎曲。煤質(zhì)軟，手掰可成厚度小于1 mm碎片，灰分較高時(shí)，硬度稍加強(qiáng)，但仍呈小鱗片（見(jiàn)圖1c）。

糜棱煤光澤較暗，以暗淡煤為主，煤巖成分不易區(qū)分，可呈鱗片狀、碎粉狀。揉皺構(gòu)造發(fā)育，形成褶曲，煤層中夾有透鏡狀矸石，呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，連續(xù)夾矸出現(xiàn)小腸狀褶皺，可見(jiàn)構(gòu)造擦痕和滑動(dòng)鏡面，手拭強(qiáng)度低，手捏呈粉末，與夾矸揉搓混合而稍有強(qiáng)度，亦可捏成碎粒狀、粉末狀（見(jiàn)圖1d）。

2.2 構(gòu)造煤微觀變形特征

構(gòu)造煤微觀特征可通過(guò)掃描電鏡觀察。

碎裂煤原生結(jié)構(gòu)保留，條帶狀結(jié)構(gòu)明顯，可見(jiàn)礦物條帶，絲質(zhì)體條帶受壓，胞腔孔變扁，顯示定向排列。層理、內(nèi)生裂隙發(fā)育，張性裂隙發(fā)育，相互交叉且呈開(kāi)啟狀，部分裂隙被礦物充填。煤發(fā)生脆性變形出現(xiàn)貝殼狀斷口，煤被切成碎裂狀，裂隙交會(huì)處呈角礫，破碎角礫間呈現(xiàn)一定位移和錯(cuò)開(kāi)，角礫大小100 μm左右（見(jiàn)圖2a）。

碎粒煤保留微細(xì)層結(jié)構(gòu)，層理不連續(xù)，延伸一定長(zhǎng)度后就成為楔狀。煤顆粒之間發(fā)生明顯位移，受壓發(fā)生彎曲。受脆性剪切變形影響，剪切裂隙發(fā)育，煤被切割成板條狀、楔狀、碎粒狀，且煤顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)。層面發(fā)生順層剪切，煤被切成鱗片狀，鱗片厚度約10 μm，呈棱角狀。煤顆粒表面擦痕發(fā)育，有時(shí)呈魚(yú)刺狀，構(gòu)造摩擦面出現(xiàn)，形成摩擦孔。可見(jiàn)階梯狀斷口（見(jiàn)圖2b）。

鱗片煤受強(qiáng)烈剪切作用，煤被切割成鱗片狀，并定向排列，鱗片上下擦痕發(fā)育。煤中鱗片狀顆粒發(fā)生彎曲，揉皺絲質(zhì)體被壓扁，定向排列后揉皺。構(gòu)造摩擦面、脫落膜發(fā)育，形成摩擦孔、微裂隙（見(jiàn)圖2c）。

圖2 典型構(gòu)造煤微觀變形掃描電鏡照片

糜棱煤在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，呈細(xì)小鱗片、糜棱質(zhì)，鱗片定向排列。鏡質(zhì)體發(fā)生破碎并定向排列，呈細(xì)條帶狀產(chǎn)出。煤韌性剪切揉皺，具S-C構(gòu)造，擠壓破碎呈鱗片。具滑移面，糜棱煤鱗片間滑移明顯，礦物質(zhì)受滑動(dòng)作用影響而呈薄膜。煤中擦痕、摩擦面發(fā)育（見(jiàn)圖2d）。小于10 nm孔隙的比例分別為7.7%、12.4%、25.4%、51.5%。糜棱煤中微孔發(fā)育是其孔隙比表面積增大的主要原因，最終會(huì)導(dǎo)致煤吸附甲烷能力的增強(qiáng)。

3 構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)表征

3.1 低溫氮吸附與孔徑小于10 nm的煤孔隙分布特征

低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著構(gòu)造煤變形程度的增大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，主要表現(xiàn)為孔容、孔隙比表面積和孔徑小于10 nm孔隙的比例從碎裂煤、碎粒煤到鱗片煤和糜棱煤逐漸增大（見(jiàn)表1、圖3），4種變形煤孔容均值分別為0.001 7 mL/g、0.002 1 mL/g、0.004 1 mL/g和0.010 7 mL/g，孔隙比表面積均值分別為 0.185 m2/g、0.272 m2/g、0.791 m2/g和 3.639 m2/g，

圖3 構(gòu)造煤孔徑小于10 nm孔的孔容和比表面積相關(guān)圖

由吸附和凝聚理論可知，低溫氮吸附回線的形狀反映了一定的孔隙結(jié)構(gòu)[32-34]。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于脆性變形序列的碎裂煤和碎粒煤，在整個(gè)相對(duì)壓力段，吸附、解吸分支基本保持平行而不存在明顯的滯后環(huán)（見(jiàn)圖4a、4b）；對(duì)于脆韌性變形序列鱗片煤和韌性變形序列糜棱煤，吸附回線特點(diǎn)是吸附、解吸分支在相對(duì)壓力0.5左右出現(xiàn)明顯的滯后環(huán)（見(jiàn)圖4c、4d）。按照De Boer[35]提出的劃分方案，碎裂煤和碎粒煤吸附回線具有B型回線特征；而鱗片煤和糜棱煤具有B型和D型回線特征，反映孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，微孔主要為一端封閉型，而大孔則既有封閉型又有開(kāi)放型，隨著韌性變形程度加強(qiáng)，開(kāi)放型孔和細(xì)頸瓶形孔數(shù)量增多，表現(xiàn)為回線的拐點(diǎn)更加明顯。實(shí)際上，煤孔隙類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氮?dú)馕?脫附曲線產(chǎn)生的滯后環(huán)應(yīng)該是以某種類型孔隙為主體、多種類型孔隙復(fù)合的結(jié)果。

圖4 構(gòu)造煤低溫氮吸附回線圖（V—孔容；p/p0—相對(duì)壓力）

3.2 微米CT檢測(cè)與煤中孔徑大于1 μm孔隙分布特征

微米CT技術(shù)可以直觀檢測(cè)到構(gòu)造煤中孔徑大于1 μm的滲流孔隙，通過(guò)軟件可以得出其孔隙分布特征（見(jiàn)表1）。結(jié)果表明，不同類型構(gòu)造煤孔徑均以1～5 μm為主，原生結(jié)構(gòu)煤和不同類型變形煤1～5 μm孔隙數(shù)量所占比例為73.01%～89.57%。隨構(gòu)造變形程度增強(qiáng)，碎粒孔、微裂隙在碎粒煤中大量出現(xiàn)，導(dǎo)致5～10 μm和大于10 μm孔隙數(shù)量顯著升高，分別從原生結(jié)構(gòu)煤的14.58%和0.27%提高到25.54%和1.45%。脆韌性變形的鱗片煤和韌性變形糜棱煤則因強(qiáng)烈的剪切變形導(dǎo)致大量微觀孔發(fā)育，大于5 μm孔隙減少，1～5 μm孔隙大量增加，糜棱煤中 1～5 μm 孔隙比例可高達(dá)89.57%，5～10 μm和大于10 μm孔隙比例分別減少到9.91%和0.39%（見(jiàn)表1）。

3.3 壓汞實(shí)驗(yàn)與孔隙連通性

壓汞實(shí)驗(yàn)可以反映孔徑大于100 nm構(gòu)造煤的孔隙特征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著構(gòu)造變形程度的增大，最大進(jìn)汞飽和度逐漸增大，退汞效率逐漸降低（見(jiàn)表1）；碎裂煤、碎粒煤以大、中孔為主，滲流孔占主導(dǎo)地位；鱗片煤、糜棱煤以微孔為主，吸附孔占主導(dǎo)地位。

構(gòu)造煤壓汞曲線分析表明：碎裂煤進(jìn)汞曲線與退汞曲線近平行，進(jìn)汞量最小，進(jìn)汞飽和度平均為32.3%，退汞效率最高，平均為88.9%，表明滲流孔含量較少，孔隙連通性差。碎粒煤進(jìn)汞曲線與退汞曲線呈分離狀，進(jìn)汞量較小，進(jìn)汞飽和度平均為38.6%，退汞效率較高，平均為68.8%，吸附孔較發(fā)育，而滲流孔含量相對(duì)碎裂煤增加，孔隙間連通性增強(qiáng)。鱗片煤進(jìn)汞曲線與退汞曲線分離度加大，進(jìn)汞量較大，進(jìn)汞飽和度平均為45.1%，退汞效率較高，平均為67.3%，吸附孔占據(jù)主導(dǎo)地位，且常產(chǎn)生“瓶頸”現(xiàn)象，這種孔隙結(jié)構(gòu)中滲流孔內(nèi)部連通性較好，但滲流孔與吸附孔之間的連通性差。糜棱煤壓汞滯后環(huán)最寬，進(jìn)汞量最大，進(jìn)汞飽和度平均為65.8%，退汞效率最低，平均為50.7%，孔間連通性較好（見(jiàn)圖5）。

圖5 構(gòu)造煤壓汞曲線組合圖

4 構(gòu)造煤甲烷吸附特征

從煤的飽和甲烷吸附實(shí)驗(yàn)可以看出，單位質(zhì)量原生結(jié)構(gòu)煤甲烷吸附量?jī)H為糜棱煤、碎裂煤和鱗片煤的1/1.96、1/2.22和1/2.50，從原生結(jié)構(gòu)到脆性變形和脆韌性變形煤，隨構(gòu)造變形強(qiáng)度增大，煤對(duì)甲烷的吸附能力呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì)（見(jiàn)表2）。而韌性變形糜棱煤甲烷吸附量較脆韌性變形鱗片煤和脆性變形碎裂煤低，這主要是受實(shí)驗(yàn)條件所限，在對(duì)塊狀煤的甲烷吸附實(shí)驗(yàn)中，甲烷僅能吸附在塊狀煤體表面，很難進(jìn)入內(nèi)部微孔隙中，這對(duì)糜棱煤的影響較碎裂煤和鱗片煤大，導(dǎo)致糜棱煤吸附量較碎裂煤和鱗片煤小。但是，糜棱煤顆粒表面粗糙，煤顆粒表面積大，因此其吸附量仍高于原生結(jié)構(gòu)煤。氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)表明，糜棱煤吸附量最高（見(jiàn)圖4），這與其大量發(fā)育微孔有關(guān)。

表2 甲烷氣體吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)研究脆性變形的碎裂煤、碎粒煤，脆韌性變形的鱗片煤和韌性變形的糜棱煤變形、孔隙結(jié)構(gòu)和吸附特征，取得以下認(rèn)識(shí)：碎裂煤、碎粒煤原始層理可辨，由剪切作用形成的煤顆粒較粗（1～3 cm），脆韌性變形的鱗片煤和韌性變形糜棱煤煤巖原始層理和結(jié)構(gòu)均被破壞，由剪切、層間滑動(dòng)、揉皺形成的煤顆粒較細(xì)，構(gòu)造變形造成的定向排列明顯；隨著構(gòu)造煤變形程度的增大，孔容、孔隙比表面積和微孔的比例從碎裂煤、碎粒煤到鱗片煤、糜棱煤逐漸增大，孔隙連通性增強(qiáng)，煤對(duì)甲烷的吸附能力呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。構(gòu)造煤煤巖結(jié)構(gòu)、孔隙-裂隙系統(tǒng)共同制約了煤對(duì)甲烷的吸附能力。

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