周 睿，程曉之，蘇偉偉，朱 蕾

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014399）

地質(zhì)構(gòu)造作為影響瓦斯賦存的主要因素[1-2]，不僅直接控制瓦斯的生成環(huán)境，而且影響煤體的孔隙結(jié)構(gòu)及吸附解吸特征[3-4]。其中，逆斷層作為一種常見的地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)形式，受水平應(yīng)力擠壓而成的特點往往導(dǎo)致其具有一定的壓扭性和封閉性，對煤體內(nèi)部瓦斯起到封閉作用，造成構(gòu)造影響區(qū)域內(nèi)煤體透氣性較差，瓦斯運移相對困難，進(jìn)而造成瓦斯積聚[5-8]。大量煤炭開采實踐表明，逆斷層構(gòu)造區(qū)一直是瓦斯災(zāi)害發(fā)生的重點區(qū)域[9-12]，因此，研究逆斷層構(gòu)造影響區(qū)域煤體孔隙結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附解吸特征，對于開展礦井瓦斯災(zāi)害綜合防治、保障煤礦安全高效生產(chǎn)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義[13-19]。可以看出，目前的研究一般不對造成煤體影響的構(gòu)造類別進(jìn)行劃分，直接分析構(gòu)造煤的相關(guān)特征，但由于各種構(gòu)造在形成過程中應(yīng)力作用不同，導(dǎo)致其孔隙結(jié)構(gòu)以及瓦斯吸附吸解規(guī)律難免存在一定的差別；同時在逆斷層不同影響程度下煤層的孔隙結(jié)構(gòu)以及瓦斯吸附吸解規(guī)律呈現(xiàn)怎樣的規(guī)律也需要分析。因此，有必要針對逆斷層不同影響程度下的煤層孔隙結(jié)構(gòu)以及瓦斯吸附吸解規(guī)律進(jìn)行有針對性的研究，探尋逆斷層影響區(qū)域內(nèi)煤體瓦斯相關(guān)特征。

1 試驗礦區(qū)地質(zhì)條件及煤樣采集

1.1 試驗礦區(qū)地質(zhì)條件

貴州新春煤礦位于貴州省桐梓縣城以西，設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a，服務(wù)年限62年。礦井主采C5煤層，煤層厚度為1.50～2.87 m，煤層傾角3°～12°。1503工作面位于礦井東南部，采深300～420 m，采煤方法為走向長壁采煤法。1503工作面回采區(qū)域存在F4逆斷層，斷層傾角60°，長度195 m，斷距0～6 m，平均4 m。為了分析逆斷層對煤層瓦斯賦存的影響，在1105底抽巷布置5個瓦斯含量測點，1503工作面示意圖如圖1。

圖1 1503工作面示意圖Fig.1 Diagram of 1503 working face

將井下測試的瓦斯解吸量、實驗室測試的瓦斯殘存量以及推算的瓦斯損失量三者相加，可求出煤體原始瓦斯含量，瓦斯含量測試結(jié)果見表1。

表1 瓦斯含量測試結(jié)果Table 1 Test results of gas content

由表1可以看出，測點4到測點1，瓦斯含量表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，瓦斯含量在測點1最大，達(dá)到13.24 m3/t，在測點4最小，僅為8.56 m3/t。

1.2 煤樣采集與制備

在1503回采工作面區(qū)域距離F4逆斷層分別為10 m和40 m位置選取煤樣，標(biāo)記為K3和K2，在不受F4逆斷層影響的回風(fēng)斜井區(qū)域選取煤樣（距離逆斷層約200 m），標(biāo)記為K1。采樣后立即進(jìn)行密封保存，并送至煤礦安全技術(shù)國家重點試驗室制備，以防止煤樣氧化和水分的蒸發(fā)。煤樣加工處理的方法和制備試樣的規(guī)范性將直接影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確程度，針對不同的試驗，制取的煤樣也有不同的要求，為了開展煤體微觀結(jié)構(gòu)、孔容、比表面積和瓦斯吸附解吸試驗，需要選擇制備不同特征參數(shù)的煤樣。其中針對低溫液氮吸附試驗，采用60～80目（180～250 μm）的篩網(wǎng)篩選煤樣，每個煤樣稱重50 g，然后在真空干燥箱中以80℃的溫度干燥6 h后，放入磨口瓶中加簽密封備用；針對煤體吸附解吸試驗，采用1～3 mm的篩網(wǎng)篩選煤樣，每個煤樣稱重400 g，然后在真空干燥箱中以80℃的溫度干燥6 h后，放入磨口瓶中加簽密封備用。

2 逆斷層影響區(qū)域煤體孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.1 低溫液氮吸附試驗結(jié)果

比表面積和孔隙分布是評價多孔材料活性、吸附等多種性能的重要參數(shù)，測試中普遍采用液氮在較低溫度下發(fā)生物理吸附的特性來進(jìn)行測定，試驗采用煤礦安全技術(shù)國家重點試驗室的ASAP2020M比表面及孔徑分析儀進(jìn)行測試。在3個位置分別選取煤樣2份，共6份，編號分別為K3YD-1和K3YD-2，K2YD-1和K2YD-2、K1YD-1和K1YD-2、每份6 g，煤樣孔隙結(jié)構(gòu)低溫液氮吸附測試結(jié)果見表2。

表2 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)低溫液氮吸附測試結(jié)果Table 2 Test results of low temperature liquid nitrogen adsorption on pore structure of coal samples

通過表2可以看出，6個試樣各孔徑段孔容以中孔和小孔為主、比表面積基本以小孔為主。受逆斷層構(gòu)造影響，K1YD-1和K2YD-2的孔容和比表面積均最小，K2YD-1、K2YD-2和K3YD-1、K3YD-2試樣的孔容和比表面積均有一定程度的增加，并且受逆斷層構(gòu)造影響最為嚴(yán)重的K3YD-1、K3YD-2試樣的孔容和比表面積最大；因此可以得出，逆斷層構(gòu)造對煤體的孔容和比表面積有一定影響，并且與逆斷層越近，影響程度越大。其中6個試樣的微孔的比表面積分別為19.46%、17.37%、13.99%、14.48%、3.04%、1.28%，得出隨著逆斷層影響程度的增加，試樣微孔的比表面積占比有均一定程度的提高，結(jié)合前人研究[20]，微小孔作為煤體的主要吸附孔之一，其比表面積占比的改變將直接影響著瓦斯吸附的能力。通過以上分析可以看出，逆斷層構(gòu)造不僅通過構(gòu)造應(yīng)力改變了煤層的賦存條件，提高了煤體中的裂隙發(fā)育程度，同時增加了煤體的孔容和比表面積，從而對煤體瓦斯的吸附、解吸等特性造成影響。

2.2 煤層孔隙類型

3組試樣低溫液氮吸附回歸曲線如圖2。

圖2 3組試樣低溫液氮吸附回歸曲線Fig.2 Regression curves of liquid nitrogen adsorption in three groups of samples

由圖2可以看出，在初始階段液氮吸附量逐漸增加，這是由于微孔孔隙中氮氣分子開始填充造成的；之后吸附曲線開始增長，表明氮氣分子在煤樣孔隙表面完成了單分子層吸附后開始多分子層吸附，當(dāng)相對壓力p/po接近于1時（p為氮氣分壓，po為液氮溫度下氮氣的飽和蒸氣壓），吸附速率變快，液氮吸附量顯著增加，吸附曲線近似成一條上升的直線，表明孔隙內(nèi)部發(fā)生了毛細(xì)凝聚。并且，同一壓力條件下，K3YD-1和K3YD-2煤樣的氮吸附量最大，K1YD-1和K1YD-2煤樣的吸附量較小，驗證了煤樣的比面積越大，吸附量越大的變化規(guī)律。3種煤樣在相對壓力為0.4～0.5的區(qū)域內(nèi)均存在輕微的拐點，說明煤樣中存在墨水瓶孔，孔隙系統(tǒng)復(fù)雜。

3 逆斷層影響區(qū)域煤體瓦斯吸附解吸特征

在逆斷層構(gòu)造影響下，煤體的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙特征、比表面積、孔容等參數(shù)均將發(fā)生一定改變，這些變化在工程應(yīng)用中的直觀體現(xiàn)即是改變了煤體的瓦斯吸附解吸特征，如果煤體瓦斯吸附能力增大，意味著瓦斯含量更高，發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害的危險性隨之加大。因此，在3個位置分別選取K3XF、K2XF和K1XF共3組試樣開展瓦斯吸附解吸規(guī)律研究。

3.1 瓦斯吸附特征

為了研究逆斷層構(gòu)造對煤體試樣吸附瓦斯性能的影響，注入初始瓦斯壓力2.50 MPa，3組試樣吸附瓦斯曲線變化規(guī)律如圖3，3組試樣瓦斯吸附計算結(jié)果見表3。

圖3 3組試樣吸附瓦斯曲線變化規(guī)律Fig.3 Gas adsorption curves of three samples

表3 瓦斯吸附計算結(jié)果Table 3 Calculation results of gas adsorption

綜合圖3和表3可以得出，初始注入相同的瓦斯量后，煤樣開始吸附瓦斯，罐體內(nèi)游離瓦斯量逐漸減少，顯示壓力逐漸降低，但3組試樣在不同階段的吸附瓦斯速率和吸附瓦斯累計量具有明顯差異；并且K3XF、K2XF和K1XF試樣最終吸附瓦斯平衡后壓力分別為1.07、1.45、1.67 MPa，下降幅度分別為57.2%、42.0%和33.2%，距離逆斷層最近的K3XF試樣吸附瓦斯量最大，吸附速率最快，同時達(dá)到吸附平衡時間最短，表明其吸附性能相對最強(qiáng)；不受逆斷層構(gòu)造影響的K1XF試樣吸附瓦斯量最小，吸附速率最慢，同時達(dá)到吸附平衡時間最長，表明其吸附性能相對最弱。因此可以看出，3組試樣雖為同一煤田的同號煤層，但因與逆斷層構(gòu)造距離不同，其受逆斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響強(qiáng)度也不盡相同，距離斷層越近，煤體受構(gòu)造應(yīng)力作用越突出，造成煤體破壞程度越大，煤體內(nèi)的比表面積和體內(nèi)有效溝通的孔隙或裂隙越發(fā)育，進(jìn)而影響煤對瓦斯的吸附能力。

3.2 瓦斯解吸特征

分別在0.6、1.0、2.0 MPa 3種瓦斯壓力條件下開始瓦斯解吸試驗，不同初始吸附平衡壓力下瓦斯吸附/解吸數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同初始吸附平衡壓力下瓦斯吸附/解吸數(shù)據(jù)Table 4 Gas adsorption/desorption data under different initial adsorption equilibrium pressures

由表4可以看出，隨著瓦斯吸附平衡壓力的升高，吸附瓦斯量越大，同時其前60 min的瓦斯累計解吸量也越大，但累計解吸率相對越小。以K2XF煤樣為例，其在初始瓦斯吸附平衡壓力分別為0.60、1.00、2.00 MPa的條件下，吸附瓦斯量分別為6.65、11.77、15.08 m3/t，前60 min累計瓦斯解吸量分別為4.66、7.59、9.11 m3/t，而累計解吸率卻從70.08%下降至60.41%，前60 min累計瓦斯解吸率變化規(guī)律異于瓦斯吸附量和瓦斯解吸量的變化規(guī)律，由此說明煤體內(nèi)儲存的瓦斯壓力越大并不能直接反應(yīng)到單位時間內(nèi)的瓦斯解吸程度，該試樣由于受到逆斷層構(gòu)造應(yīng)力的改造，原有封閉型孔隙被打開，比表面積增大，瓦斯吸附量隨之增加，而解吸率指標(biāo)的異常證明封閉孔隙雖被打開，能夠允許瓦斯分子進(jìn)入孔隙內(nèi)部，但其孔隙網(wǎng)絡(luò)并沒有實現(xiàn)充分疏通，解吸程度仍受到一定抑制，其解吸率存在延緩現(xiàn)象。

K2XF試樣在不同平衡壓力下前60 min的解吸規(guī)律如圖4。由圖4可以看出，吸附平衡壓力對試樣的瓦斯解吸具有明顯的影響，試樣隨著瓦斯平衡壓力增加，同時段內(nèi)瓦斯解吸量均增大，試樣的瓦斯解吸初速度與平衡壓力成正比，即壓力越高，解吸初速度越大。

圖4 K2XF試樣在不同平衡壓力下前60 min解吸規(guī)律Fig.4 Desorption rule of K2XF sample in the first 60 minutes under different equilibrium pressures

3組試樣不同平衡壓力下前60 min瓦斯解吸規(guī)律如圖5。由圖5可以得出，3組試樣的瓦斯解吸量均隨著平衡壓力的升高而增大，并且當(dāng)瓦斯解吸量達(dá)到一定值時，其解吸速度逐漸降低，解吸曲線趨于平緩，瓦斯解吸量趨于飽和。在相同的解吸平衡壓力下，K3XF試樣的瓦斯解吸量相對最大，解吸性能相對最強(qiáng)；K1XF試樣的瓦斯解吸量相對最小，解吸性能相對最弱；說明距離逆斷層構(gòu)造越近，破壞越嚴(yán)重，煤體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)被改造的程度越大，進(jìn)而導(dǎo)致了煤體解吸量的提高。并且，測試結(jié)果揭示出不同試樣在相同初始瓦斯吸附平衡壓力下，瓦斯吸附量越大，前60 min的累計瓦斯解吸量也越大，累計瓦斯解吸率也越大。可以得出，煤體距離逆斷層越近，受到影響越為顯著，其瓦斯吸附和解吸的能力均得到增強(qiáng)；而不受逆斷層影響的原始煤體，其瓦斯吸附和解吸的能力相對較弱。吸附瓦斯量是反映煤體吸附能力最直觀的定量指標(biāo)，比表面積是決定吸附瓦斯量的微觀指標(biāo)，逆斷層附近試樣孔隙特性的變化雖不能改變煤的變質(zhì)程度，但構(gòu)造應(yīng)力作用能夠打開煤體封閉孔隙，提高有效比表面積，擴(kuò)大煤層有效吸附位，進(jìn)而促升煤樣吸附瓦斯量；另外，逆斷層構(gòu)造應(yīng)力宏觀上的改造也促使煤體內(nèi)孔隙疏通，提升內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性，從累計解吸量和累計解吸率指標(biāo)可以看出，煤體距離逆斷層越近，煤的破壞程度越高，煤體內(nèi)的孔隙連通性能越好，越有利于瓦斯解吸。

圖5 3組試樣不同平衡壓力下前60 min瓦斯解吸規(guī)律Fig.5 Gas desorption rules of three samples in the first 60 minutes under different equilibrium pressures

4 結(jié)語

1）選取與逆斷層不同距離煤體開展低溫液氮試驗，得出逆斷層構(gòu)造改變了煤體裂隙發(fā)育程度，導(dǎo)致煤體部分封閉孔隙打開，增加了煤體的孔容和比表面積，并且隨著與逆斷層距離的較小，逆斷層對煤體孔容和比表面積的作用越來越大；通過觀測煤樣吸附回歸曲線得出，3種煤樣在相對壓力為0.4～0.5的區(qū)域存在拐點，說明煤樣中存在墨水瓶孔，孔隙系統(tǒng)較為復(fù)雜。

2）選取與逆斷層不同距離煤體開展瓦斯吸附試驗，得出同一煤層因與逆斷層構(gòu)造距離不同，導(dǎo)致其瓦斯吸附性能也不同，其中與逆斷層最近的煤體瓦斯吸附性能相對最強(qiáng)，瓦斯吸附瓦斯量最大，吸附速率最快，同時達(dá)到吸附平衡時間最短，而距離逆斷層最遠(yuǎn)的煤體不受逆斷影響，瓦斯吸附性能相對最弱。

3）選取與逆斷層不同距離煤體開展瓦斯解吸試驗，得出瓦斯解吸量均隨著平衡壓力的升高而增大，并且當(dāng)瓦斯解吸量達(dá)到一定值時，其解吸速度逐漸降低，解吸曲線趨于平緩，瓦斯解吸量趨于飽和。在相同的解吸平衡壓力下，距離逆斷層最近的煤體破壞越嚴(yán)重，煤體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)被改造的程度越大，進(jìn)而導(dǎo)致了煤體解吸量的提高，造成瓦斯解吸量相對最大，解吸性能相對最強(qiáng)。