劉彥偉，張 帥，左偉芹，韓紅凱，徐 鵬

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

軟硬煤孔隙結(jié)構(gòu)差異是研究軟硬煤吸附、解吸、滲流差異性產(chǎn)生機(jī)理和理論模型的關(guān)鍵物性特征。煤中氣體主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存在煤的孔隙中，研究煤的孔隙特征一直以來(lái)都作為一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究工作，為煤層氣資源評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。但是煤儲(chǔ)層具有復(fù)雜的孔裂隙系統(tǒng)和很強(qiáng)的非均質(zhì)性，同時(shí)煤是一種復(fù)雜多孔介質(zhì)，它的孔隙跨越的空間尺度大，影響著煤中氣體的吸附和運(yùn)移。因此研究不同煤體結(jié)構(gòu)的孔隙特征，有助于了解因煤體結(jié)構(gòu)不同引起的煤儲(chǔ)層差異，為不同煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育地區(qū)的煤礦瓦斯災(zāi)害防治、煤層氣資源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)提供有價(jià)值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù)。

目前，煤的孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試方法中常用物理法包括氣體吸附法、壓汞法(MIP)、掃描電鏡法(SEM)、小角度X射線散射法(SAXS)、顯微CT法、核磁共振法(NMR)等，其中液氮吸附法和壓汞法的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，受周?chē)h(huán)境因素影響較小，可對(duì)孔隙內(nèi)部特征進(jìn)行表征，得到了廣泛使用。文獻(xiàn)[1-3]采用顯微鏡法測(cè)試了構(gòu)造煤納米級(jí)孔隙隨煤階的變化規(guī)律，結(jié)果表明變質(zhì)程度越高的煤樣，微孔孔容所占比例越高。文獻(xiàn)[4-7]通過(guò)壓汞和低溫液氮吸附試驗(yàn)分析了不同煤體構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明構(gòu)造煤中孔隙類(lèi)型主要以圓筒形、墨水瓶形和狹縫平板形為主。文獻(xiàn)[8-11]基于低場(chǎng)核磁共振試驗(yàn)和低溫液氮吸附試驗(yàn)研究了不同煤階的孔隙分布特征，結(jié)果表明煤階越高，微孔越發(fā)育，且甲烷在較小孔隙內(nèi)的弛豫更快。文獻(xiàn)[12-14]通過(guò)小角X射線散射試驗(yàn)研究了不同變形程度構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明隨著構(gòu)造煤的變形程度增強(qiáng)，煤中微孔比例增加，孔隙表面分形維數(shù)增大，強(qiáng)構(gòu)造變形煤的孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較高，滲透率較低。文獻(xiàn)[15-16]聯(lián)合二氧化碳吸附以及小角中子散射技術(shù)分析了煤的孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明煤中孔隙吸附瓦斯最重要的孔徑為10 nm以下的孔隙，不同孔徑范圍的孔隙吸附瓦斯的機(jī)理不同，而且煤中含有相當(dāng)多的封閉孔、導(dǎo)致部分瓦斯無(wú)法滲透至外界。

孫麗娟等[17]基于低溫液氮吸附試驗(yàn)分析了不同的軟硬煤結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明煤對(duì)瓦斯吸附的本質(zhì)是瓦斯分子與煤大分子結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果。張春旺等[18]選取不同煤礦中不同煤樣，通過(guò)壓汞試驗(yàn)和高壓等溫吸附試驗(yàn)，分析不同變質(zhì)程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征，探討了孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)瓦斯賦存和運(yùn)移規(guī)律的影響。宋昱等[19]選取中低變質(zhì)程度原生煤及典型序列構(gòu)造煤樣品，基于高壓壓汞、低溫液氮吸附試驗(yàn)，并結(jié)合Menger 模型、Sierpinski模型、熱力學(xué)分形模型和地毯模型，發(fā)現(xiàn)了原生煤及典型序列構(gòu)造煤的納米孔隙結(jié)構(gòu)分形特征。郝晉偉等[20]采用低溫CO2吸附法、低溫N2吸附法和壓汞法等測(cè)試了不同試驗(yàn)煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)，分析了構(gòu)造煤中不同尺度孔隙的分形特征。文獻(xiàn)[21]基于低溫液氮吸附試驗(yàn)，分析了低煤階煤的孔隙結(jié)構(gòu)及其與分形維數(shù)的關(guān)系。張文靜等[22]研究了不同變質(zhì)、變形程度和機(jī)制對(duì)煤層氣的吸附/解吸影響。

煤的孔徑范圍非常廣，而任何一種試驗(yàn)方法由于其試驗(yàn)原理或試驗(yàn)條件的局限只能適應(yīng)于測(cè)量某一階段的孔徑范圍[23-25]。因此，筆者通過(guò)壓汞法、低溫液氮吸附法、二氧化碳吸附法、小角X射線散射法研究構(gòu)造變形作用下不同變質(zhì)程度煤樣的全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)差異特征，并對(duì)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)原理、適用條件進(jìn)行分析，得到每一種試驗(yàn)方法的合理測(cè)量范圍，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成了基于數(shù)據(jù)融合的煤全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)集成測(cè)定和表征方法；同時(shí)按照IUPAC對(duì)孔隙的劃分依據(jù)，即封閉孔、微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(>50 nm)的孔隙分類(lèi)方法分析不同變質(zhì)程度的軟硬煤全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)的差異性。

1 試 驗(yàn)

1.1 煤樣的制備

試驗(yàn)選用的是九里山礦區(qū)的無(wú)煙煤，根據(jù)煤層所受構(gòu)造作用的不同，分別為九里山軟煤和硬煤。平頂山礦區(qū)的貧瘦煤，平頂山軟煤和硬煤。煤樣基本信息見(jiàn)表1。

表1 煤樣基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal samples

1.2 壓汞試驗(yàn)

本次壓汞試驗(yàn)使用的是AutoPoreⅣ9505型壓汞儀，壓汞法可測(cè)的孔徑上下限分別受最低填充壓力和最高填充壓力限制，最低和最高填充壓力分別是0.003 447 MPa和228 MPa，能夠測(cè)量的孔直徑為5.5～360 000 nm。粉末膨脹儀容積為5.999 5 mL，計(jì)算機(jī)控點(diǎn)式測(cè)量，高壓段選取壓力點(diǎn)36個(gè)，每點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間10 s，測(cè)試樣品質(zhì)量10 g左右。選擇純凈煤樣，統(tǒng)一破碎至2 mm左右，篩分。在真空烘箱內(nèi)烘干樣品，60 ℃烘干12 h。烘干后樣品避免重新暴露于大氣中。裝入膨脹儀中抽真空至壓力小于6.67 Pa時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

1.3 液氮吸附試驗(yàn)

液氮吸附試驗(yàn)使用的儀器型號(hào)為V-sorb 2008 TP，試驗(yàn)溫度為77.3 K，可測(cè)的孔徑為0.25～30 000 nm，P/P0準(zhǔn)確為0.01～0.995，P為吸附平衡時(shí)氣相的壓力，P0為氣體在吸附溫度時(shí)的飽和蒸氣壓。將煤樣粉碎，選取粒徑0.25 mm的煤樣，用天平稱量1～2 g，105 ℃烘干8 h，待煤樣冷卻后，在77.35 K溫度下，進(jìn)行測(cè)試。

1.4 二氧化碳吸附試驗(yàn)

二氧化碳吸附試驗(yàn)使用的儀器型號(hào)為V-sorb 2008 TP，試驗(yàn)溫度為273.15 K，可測(cè)孔徑為0～2.5 nm。試驗(yàn)樣品質(zhì)量約為2.5 g，煤樣粒徑為0.25 mm，煤樣在150 ℃真空加熱4 h，待煤樣冷卻后，在273 K下，進(jìn)行測(cè)試。

1.5 小角X射線散射試驗(yàn)

小角X射線散射試驗(yàn)使用的儀器型號(hào)為NANOSTAR型小角X射線散射儀，儀器最大功率為30 W，電壓為50 kV，電流為0.6 mA，線光束X射線波長(zhǎng)為0.154 nm，測(cè)試時(shí)間為600 s，可測(cè)孔徑為1～100 nm。試驗(yàn)樣品質(zhì)量為1 g，散射強(qiáng)度I(q)經(jīng)吸收和背景校正后，進(jìn)行消模糊處理(狹縫修正)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 軟硬煤進(jìn)退汞曲線差異

4組煤樣的進(jìn)退汞曲線對(duì)比如圖1所示，從圖中可以看出，平頂山軟硬煤進(jìn)汞曲線有著相似的規(guī)律，即進(jìn)汞壓力小于0.01 MPa時(shí)，軟硬煤進(jìn)汞量上升較快，在0.01～10 MPa內(nèi)，進(jìn)汞量增加較緩慢。而軟煤的進(jìn)汞量一直在平穩(wěn)增加，當(dāng)壓力在2.8～10 MPa，軟煤的進(jìn)汞量大于硬煤。這說(shuō)明在本次壓汞試驗(yàn)測(cè)量的孔徑范圍內(nèi)，即>100 nm時(shí)，軟煤各個(gè)階段的孔隙在總孔隙中占得比例相對(duì)比較平均，而硬煤只有較大孔徑的孔隙占總比例較大，中間的孔隙占總孔隙的比例較小。

圖1 軟硬煤進(jìn)退汞曲線Fig.1 Curves of intrusion and extrusion of soft and hard coal

對(duì)比軟硬煤進(jìn)汞和退汞曲線可以看出，硬煤退汞曲線緊挨進(jìn)汞曲線，兩者差值很小，而軟煤退汞曲線與進(jìn)汞曲線分離明顯，且隨著退汞壓力的減小，兩者差值愈加明顯。軟煤滯后性明顯大于硬煤，這說(shuō)明軟煤比硬煤擁有更多的開(kāi)放孔和墨水瓶型孔，導(dǎo)致軟煤的連通度高于硬煤。

2.2 液氮吸附曲線差異

當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)為兩端開(kāi)口的圓筒管狀孔、平板狀孔、墨水瓶型孔、槽形孔、裂縫形孔等開(kāi)放性或半開(kāi)放性透氣孔結(jié)構(gòu)時(shí)，能夠產(chǎn)生滯后環(huán)。吸附-脫附曲線是計(jì)算比表面積、孔容和孔徑分布最基本的數(shù)據(jù)，煤樣因孔隙結(jié)構(gòu)和透氣性不同，造成吸附-脫附曲線的差別，其形狀直接與煤樣孔隙的大小和多少有密切關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。

圖2 軟硬煤低溫液氮吸附曲線Fig.2 Cryogenics liquid nitrogen of adsorption hysteresis loop of soft and hard coal

軟硬煤低溫液氮吸附回線如圖2所示，其中4組煤樣均屬于H3型，但平頂山軟硬煤與九里山硬煤滯后環(huán)較小，說(shuō)明連通性較差，存在很多半封閉孔，如楔形孔，或一端封閉的圓柱形孔和狹縫型孔。九里山軟煤的滯后環(huán)屬于H3型，滯后環(huán)較大，說(shuō)明存在較多的兩邊開(kāi)口的狹縫型孔和圓柱形孔等開(kāi)放性孔，連通性好。

從吸附曲線來(lái)看，平頂山軟硬煤吸附量在相對(duì)壓力小于0.8之前上升緩慢，在相對(duì)壓力大于0.8后急劇增加，且相對(duì)壓力越接近1，吸附量上升越明顯。脫附從吸附曲線來(lái)看，平頂山軟硬煤吸附量在相對(duì)壓力小于0.8之前上升緩慢，在相對(duì)壓力大于0.8后急劇增加，且相對(duì)壓力越接近1，吸附量上升越明顯。脫附曲線隨相對(duì)壓力的減小而下降，而由于特殊類(lèi)型如墨水瓶型孔的存在，會(huì)使得脫附曲線在下降過(guò)程中出現(xiàn)拐點(diǎn)，平頂山軟硬煤和九里山軟煤的脫附曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)相對(duì)壓力分別為0.43、0.46、0.44。拐點(diǎn)出現(xiàn)后，脫附曲線下降趨勢(shì)不明顯且基本與吸附曲線重合，說(shuō)明此時(shí)的孔隙結(jié)構(gòu)以一端封閉的孔為主。

在對(duì)比軟硬煤吸附-脫附曲線差異中發(fā)現(xiàn)，在煤形成過(guò)程中，構(gòu)造應(yīng)力不僅降低了煤的堅(jiān)固程度，還破壞了煤體原有的孔隙結(jié)構(gòu)，使孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)育，連通性更好，增加了煤體的孔隙率，使軟煤中開(kāi)放性孔隙比例大幅增加；而煤化作用也導(dǎo)致了不同變質(zhì)程度煤的滯后環(huán)的差異。

2.3 小角X射線散射試驗(yàn)討論

2.3.1 軟硬煤孔容差異

Porod定律指出散射曲線遵循如下規(guī)律：

I(q)=Kq-4

(1)

軟硬煤Porod曲線如圖3所示，2組軟硬煤Porod曲線在高散射矢量區(qū)均呈正斜率的直線，即產(chǎn)生了正偏離，其中平頂山軟硬煤的Porod曲線基本重合，九里山軟硬煤Porod曲線隨著散射矢量的增強(qiáng)逐漸分離，且硬煤的Porod曲線在軟煤的上方。

圖3 軟硬煤Porod曲線Fig.3 Porod curves of soft and hard coal

對(duì)于正偏離Porod定律的情況，根據(jù)模糊數(shù)據(jù)方法進(jìn)行偏離校正，圖4為Porod曲線正偏離校正后對(duì)應(yīng)的Guinier曲線。如圖4所示，散射矢量q與孔徑呈正相關(guān)，而散射強(qiáng)度I(q)與孔隙發(fā)育程度呈正相關(guān)，也就是說(shuō)，散射矢量越小，孔徑越小，散射強(qiáng)度越大，孔隙越發(fā)育。

圖4 軟硬煤Guinier曲線Fig.4 Guinier curves of soft and hard coal

軟硬煤孔徑分布如圖5所示，總體來(lái)看，在可測(cè)范圍內(nèi)，軟硬煤孔容均呈波浪式分布，且軟煤各階段孔容均大于硬煤。具體來(lái)說(shuō)，孔徑越小，軟硬煤孔容差距越大，這一現(xiàn)象在九里山軟硬煤樣品上反映得更為明顯，以九里山軟硬煤為例來(lái)看，5～10 nm兩者差距明顯，隨著孔徑的增大，兩者差距越來(lái)越小，甚至出現(xiàn)在部分孔徑階段范圍內(nèi)，硬煤孔容大于軟煤的現(xiàn)象。

圖5 軟硬煤孔徑分布Fig.5 Pore size distribution of soft and hard coal

2.3.2 軟硬煤孔比表面積差異

小角X射線散射測(cè)得的比表面積包括開(kāi)放孔和封閉孔，結(jié)合液氮吸附測(cè)得的比表面積數(shù)據(jù)，可得到封閉孔的信息。液氮吸附法測(cè)量微孔面積均由BET理論計(jì)算而得，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 比表面積測(cè)定結(jié)果Table 2 Determination results of the surface area

孔徑范圍在2～100 nm，用液氮吸附法測(cè)量微孔面積，結(jié)果顯示軟煤微孔面積要大于硬煤，但是用小角X射線散射法測(cè)量微孔面積，結(jié)果顯示軟硬煤微孔面積基本相同，這是因?yàn)橐旱椒y(cè)量的只是開(kāi)放孔，而小角X射線散射法測(cè)量的全部孔隙，包括開(kāi)放孔和封閉孔。據(jù)此可估測(cè)，小角X射線散射法測(cè)量的結(jié)果減去液氮吸附法測(cè)量的結(jié)果可得封閉孔的面積。可以從表中看到，平頂山軟硬煤和九里山軟硬煤封閉孔面積分別占總孔面積的89.69%、91.30%和82.16%、95.31%，硬煤封閉孔面積占總孔面積的比例大于硬煤，而軟硬煤在總孔面積上是相同的。因此，從硬煤到軟煤的變化過(guò)程中，占總孔面積絕大部分的封閉孔由于受到構(gòu)造應(yīng)力等外力的作用，逐漸轉(zhuǎn)變成開(kāi)放孔，在總孔面積不變的情況下，開(kāi)放孔面積增大，封閉孔面積減小。

3 軟硬煤全孔徑差異性分析

當(dāng)壓力大于10 MPa(孔徑約為100 nm)時(shí)的進(jìn)汞量應(yīng)歸因于煤體的壓縮，因此用壓汞法測(cè)量孔徑小于100 nm的孔隙是不可靠的。由于液氮吸附法不存在壓縮問(wèn)題，更適合用于測(cè)量孔徑小于100 nm的孔隙，但由于活化擴(kuò)散效應(yīng)以及測(cè)量誤差原因，液氮吸附法不易于測(cè)量孔徑小于2 nm的孔隙，所以液氮吸附法測(cè)量的孔徑范圍大于2 nm。二氧化碳吸附法成為更適合測(cè)量孔徑小于2 nm的方法，由于不具有明顯的擴(kuò)散限制，且具有比氮?dú)夥肿痈⑿〉姆肿又睆?，二氧化碳具有更快的擴(kuò)散速度，而且273 K下二氧化碳具有較高的飽和壓力(3.485 3 MPa)，使得在較低的壓力下采集數(shù)據(jù)更加容易，同時(shí)微孔的充填主要在低壓下完成。因此，壓汞法、液氮吸附法和二氧化碳吸附法分別測(cè)量>100 nm、2～100 nm和<2 nm的孔隙結(jié)構(gòu)信息，且可以用小角X射線散射試驗(yàn)作為補(bǔ)充，去測(cè)量煤中封閉孔的孔隙結(jié)構(gòu)。將壓汞法、液氮吸附法、二氧化碳吸附法和小角X射線散射得到的數(shù)據(jù)融合，從而可以得到不同變質(zhì)程度的軟硬煤全孔徑的準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.1 軟硬煤全孔徑分析

結(jié)合壓汞法、液氮吸附法和二氧化碳吸附法測(cè)得的>100 nm、2～100 nm和≤2 nm的孔隙結(jié)構(gòu)信息，根據(jù)IUPAC的標(biāo)準(zhǔn)，分析軟硬煤全孔孔隙結(jié)構(gòu)差異性。平頂山煤樣全孔孔容分布如圖6所示，累計(jì)孔容在全孔范圍內(nèi)均大于硬煤。從階段孔容分布來(lái)看，小于10 nm的軟硬煤階段孔容基本相同，10～100 nm內(nèi)軟煤稍大于硬煤，大于100 nm軟煤階段孔容明顯大于硬煤，大孔孔容比硬煤大了41.3%，大孔孔容占階段孔容差距比例最大。

圖6 平頂山煤孔容分布Fig.6 Pore volume distribution of Pingdingshan

九里山煤樣全孔孔容分布如圖7所示，累計(jì)孔容在全孔范圍內(nèi)均大于硬煤。從階段孔容分布來(lái)看，大孔范圍內(nèi)，硬煤的階段孔容明顯大于軟煤，隨著孔徑的減小，硬煤階段孔容迅速降低，最后被軟煤階段孔容超越；中孔范圍內(nèi)，軟煤階段孔容均大于硬煤；微孔范圍內(nèi)，軟硬煤階段孔容基本相同?？偪兹莺鸵?jiàn)表3，軟煤總孔容比硬煤大36.85%。軟煤微孔(≤2 m)、中孔(2～50 m)、大孔(>50 m)孔容相對(duì)硬煤均有增加，反映構(gòu)造作用對(duì)煤體破壞到了微孔，增加最顯著的是大孔。

圖7 九里山煤孔容分布Fig.7 Pore volume distribution of Jiulishan

4組煤樣的孔容分布如圖6和圖7所示。軟煤曲線大致相似，都是在大孔區(qū)，中孔區(qū)緩慢增大，微孔區(qū)曲線急速增大；而硬煤曲線比較相似，九里山硬煤較平頂山硬煤而言，在大孔初期就急速增大?？梢钥闯?，由于變質(zhì)程度的不同，九里山軟煤的累計(jì)孔容比平頂山軟煤更大一些。九里山軟煤的總孔容比平頂山的大了10.89%，九里山硬煤總孔容比平頂山的大了15.5%，見(jiàn)表3。說(shuō)明高變質(zhì)程度的硬煤比低變質(zhì)程度的總孔容增大的幅度是大于軟煤的。通過(guò)2種軟硬煤階段孔容比的差值可知，九里山中孔的孔容差值最大，說(shuō)明構(gòu)造作用對(duì)于九里山煤的中孔孔容發(fā)育影響最大，對(duì)于平頂山煤的大孔孔容發(fā)育影響最大。就構(gòu)造作用而言，九里山軟硬煤總孔容之間的差值與平頂山軟硬煤相近，說(shuō)明構(gòu)造作用對(duì)于不同變質(zhì)程度的煤總孔容的影響都大致相同；就變質(zhì)程度來(lái)說(shuō)，不同變質(zhì)程度的軟硬煤總孔容之間的差值相近，說(shuō)明煤化作用對(duì)于軟硬煤總孔容的影響基本一致。

表3 軟硬煤全孔孔容分布Table.3 Pore area distribution of soft and hard coal

3.2 軟硬煤全孔表面積分析

4組煤樣的累計(jì)孔比表面積如圖8所示，大孔范圍內(nèi)，軟硬煤累計(jì)孔比表面積均很??；中孔范圍內(nèi)，軟煤累計(jì)孔比表面積稍大于硬煤，但軟硬煤在中孔范圍內(nèi)還是很??；在微孔范圍內(nèi)，軟硬煤類(lèi)孔比表面積均迅速增大，但軟煤增速大于硬煤，導(dǎo)致最終軟煤的累計(jì)孔比表面積大于硬煤。平頂山軟煤孔比表面積比硬煤大了9.07%。其中軟煤微孔、中孔和大孔孔比表面積分別占總孔比表面積的97.99%、1.79%和0.22%(表4)。硬煤微孔、中孔和大孔孔比表面積分別占總孔比表面積的99.04%、0.86%和0.10%；九里山軟煤總孔比表面積比硬煤大了15.45%。其中軟煤微孔、中孔和大孔孔比表面積分別占總孔比表面積的98.69%、1.16%和0.15%。硬煤微孔、中孔和大孔孔比表面積分別占總孔比表面積的99.61%、0.35%和0.04%。軟煤不僅在總孔比表面積上大于硬煤，且在微孔、中孔、大孔范圍內(nèi)的孔比表面積均大于硬煤。軟硬煤中微孔孔比表面積占總孔比表面積比例最大，可達(dá)97.99%以上，中孔次之，大孔孔比表面積占總孔比表面比例最小，軟煤硬煤在孔比表面積上的差距主要表現(xiàn)在微孔范圍內(nèi)，說(shuō)明構(gòu)造作用對(duì)變質(zhì)程度高的煤的微孔表面積影響更大，使得其發(fā)育更好。

圖8 軟硬煤孔比表面積分布Fig.8 Pore area distribution of soft and hard coal

軟硬煤孔比表面積分布如圖8所示。平頂山與九里山煤的孔比表面積曲線大致相似，都是在大孔區(qū)，中孔區(qū)基本不變，微孔區(qū)曲線急速增大。九里山軟煤的總孔面積是平頂山軟煤的2倍，九里山硬煤的總孔面積是平頂山硬煤的1.9倍(表4)。通過(guò)平頂山與九里山軟硬煤階段孔比表面積比的差值可知，九里山軟煤與平頂山軟煤的微孔比表面積比都是小于硬煤的，其中平頂山差值最大為1.95%；而中孔的微孔比表面積都是大于硬煤的。說(shuō)明構(gòu)造作用對(duì)于平頂山煤的微孔比表面積影響較小，以至于軟煤的微孔比表面積所占比例變??；對(duì)中孔的比表面積影響最大，軟煤的中孔比表面積比大了0.93%。九里山的規(guī)律與平頂山的大致相似。就變質(zhì)程度而言，九里山軟硬煤總孔面積之間的差值比平頂山軟硬煤大了30.213 6 m2/g，說(shuō)明煤化作用對(duì)于高變質(zhì)軟硬煤總孔面積的影響更大一些；就構(gòu)造應(yīng)力作用來(lái)說(shuō)，不同變質(zhì)程度的軟煤總孔容之間的差值比硬煤大了30.213 6 m2/g，說(shuō)明煤化作用對(duì)于軟硬煤總孔容的影響基本一致。

表4 軟硬煤全孔比表面積分布Table 4 Complete pore area distribution of soft and hard coal

4 結(jié) 論

1)提出了一種煤全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合的測(cè)定方法，該方法可測(cè)量的孔徑范圍為0.4～360 000 nm，且大幅增加了測(cè)定數(shù)據(jù)的可靠性，為煤全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律、煤層瓦斯運(yùn)移規(guī)律與機(jī)理奠定物性基礎(chǔ)，為更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性和評(píng)價(jià)煤層氣開(kāi)發(fā)可行性奠定物性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)軟煤總孔體積大于硬煤，軟硬煤中大孔孔容所占比例最大，且兩者階段孔容的差異性主要在于中孔和大孔階段，其中中孔差距最為明顯。硬煤在受構(gòu)造應(yīng)力作用的過(guò)程中，較大孔徑的孔隙被構(gòu)造應(yīng)力破壞、擠壓成較小孔徑的孔隙，導(dǎo)致軟煤的大孔孔容和微孔孔比表面積遠(yuǎn)大于硬煤。軟煤孔容相對(duì)硬煤均有增加，反映構(gòu)造作用對(duì)煤體破壞到了微孔，增加最顯著的是大孔。

3)煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育過(guò)程中，構(gòu)造作用對(duì)于高變質(zhì)程度煤的中孔孔容發(fā)育影響最大，對(duì)于低變質(zhì)程度煤的大孔孔容發(fā)育影響最大。而構(gòu)造作用對(duì)于低變質(zhì)程度煤的微孔比表面積影響較小，以至于軟煤的微孔比表面積所占比例變?。粚?duì)中孔的比表面積影響最大。

4)煤中含有大量的封閉孔，硬煤在受構(gòu)造應(yīng)力作用轉(zhuǎn)變成軟煤時(shí)，封閉孔受到構(gòu)造應(yīng)力等外力的作用，逐漸轉(zhuǎn)變成開(kāi)放孔，在總孔面積基本不變的情況下，開(kāi)放孔總孔面積增大，封閉孔總孔面積減小。