劉 鋒

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

煤層瓦斯在不同尺度孔隙中的運(yùn)移和賦存機(jī)制有很大差別，原生煤體是由有機(jī)物和礦物質(zhì)形成的復(fù)雜多孔介質(zhì)，內(nèi)部蘊(yùn)含著多種尺度、不同成因的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙之間溝通組成一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)狀孔隙團(tuán)簇，是煤體瓦斯吸附傳質(zhì)的主控因素[1-2]。隨著煤孔隙科學(xué)研究的不斷深入，包括微米級(jí)滲流孔和納米級(jí)吸附孔在內(nèi)的煤體多級(jí)孔隙系統(tǒng)得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[3-4]。

關(guān)于原生煤體孔隙結(jié)構(gòu)的理論研究，最早采用壓汞法和氣體吸附法得到了煤體大孔、中孔、介孔和微孔的孔徑分布、比表面積、分形維數(shù)等宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于孔隙形態(tài)及連通性僅通過進(jìn)退汞或吸脫附曲線作定性推理[5-7]。隨后，諸多學(xué)者基于流體填充手段獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同變質(zhì)程度煤體的孔隙發(fā)育情況進(jìn)行了詳細(xì)分析[8-9]。近年來，隨著光學(xué)無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，煤孔隙表觀形貌以圖像的方式被展現(xiàn)出來，單一尺度下的孔隙空間結(jié)構(gòu)重建模型也應(yīng)運(yùn)而生[10-11]。至此，該學(xué)術(shù)領(lǐng)域步入了煤微觀孔隙結(jié)構(gòu)定量精準(zhǔn)研究的新時(shí)代[12-14]。然而，這些研究仍停留在單一尺度層面，利用多種實(shí)驗(yàn)手段的多維尺度孔隙結(jié)構(gòu)探討鮮有報(bào)道，流體填充宏觀分析和無損檢測(cè)圖像識(shí)別相結(jié)合的多級(jí)孔隙發(fā)育模式研究仍需深入。

為此，以原生結(jié)構(gòu)氣煤和焦煤多級(jí)孔隙系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用流體填充技術(shù)（壓汞測(cè)試、低溫N2吸脫附實(shí)驗(yàn)）和無損檢測(cè)技術(shù)（CT 掃描），對(duì)多級(jí)孔隙團(tuán)簇發(fā)育特征進(jìn)行定量分析和圖像識(shí)別，探討多維尺度孔隙的發(fā)育規(guī)律及誘因，圍繞原始煤體微觀孔隙團(tuán)簇發(fā)育特征展開研究，旨在為煤層瓦斯高效開發(fā)提供新的理論觀點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及流程

實(shí)驗(yàn)樣品為原生結(jié)構(gòu)煤，煤質(zhì)為煙煤，分別來自山西省斜溝煤礦和沙曲一礦。煤樣采自未受采動(dòng)影響的煤層，煤樣被破碎、打磨成表面光滑的立方塊，并進(jìn)行干燥和脫氣處理，斜溝礦氣煤（XG）和沙曲一礦焦煤（SQY）樣品長(zhǎng)寬高尺寸分別為4.42 mm×4.78 mm×8.32 mm、5.31 mm×6.28 mm×10.54 mm，煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industrial analysis results of coal samples

經(jīng)過處理的樣品首先用于開展X-ray μCT 掃描測(cè)試，隨后進(jìn)行低溫氮吸脫附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后的煤樣經(jīng)過二次干燥和脫氣后，完成壓汞測(cè)試。

X-ray μCT 掃描測(cè)試采用天津三英Nano Voxel-3000 系列高分辨率X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描儀進(jìn)行，測(cè)試電壓120 kV，測(cè)試電流50 μA，曝光時(shí)間1 000 ms，模式為原位局部掃描，時(shí)間50～60 min。

低溫氮吸脫附實(shí)驗(yàn)采用Micromeritics ASAP-2000 物理化學(xué)吸附儀，實(shí)驗(yàn)溫度77.3 K，相對(duì)平衡壓力p/p0最高0.995，p為被吸附氣體在吸附溫度下平衡時(shí)的壓力，Pa；p0為飽和蒸汽壓力，Pa?？讖綔y(cè)試范圍1.7～300 nm。壓汞測(cè)試采用美國(guó)Micromeritics AutoPore IV 9 500 高性能全自動(dòng)壓汞儀，孔徑測(cè)試范圍0.5 nm～1 000 μm，最大進(jìn)汞壓力228 MPa。

2 多級(jí)孔隙發(fā)育特征

2.1 微米級(jí)滲流孔

基于霍多特孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)，定義滲流孔孔徑大于100 nm，吸附孔孔徑小于100 nm[15]。煤體中的微米級(jí)孔隙組成的復(fù)雜滲流網(wǎng)，是瓦斯氣體運(yùn)移的主要場(chǎng)所，其發(fā)育程度控制著煤層瓦斯流動(dòng)特性，孔徑分布、孔隙體積和比表面積是表征孔隙網(wǎng)發(fā)育特征的重要參數(shù)[16]，從根本上影響著煤層滲透性。

斜溝氣煤（XG）和沙曲一礦焦煤（SQY）的壓汞曲線如圖1。

圖1 壓汞曲線Fig.1 Mercury injection test curves

由圖1 可知，XG 氣煤進(jìn)退汞曲線同屬于Ⅲ類，整體呈3 段式，壓力小于10 Pa 時(shí)進(jìn)汞緩慢，10～30 Pa 范圍幾乎不進(jìn)汞，但當(dāng)壓力大于30 Pa 后進(jìn)汞穩(wěn)定，且速率為先升后緩的趨勢(shì)。具備該類曲線的煤樣孔隙分布不均勻，呈多峰分布，相對(duì)而言中大孔較為發(fā)育。斜溝氣煤孔隙分布更為復(fù)雜。SQY 焦煤進(jìn)退汞曲線較為接近Ⅳ類，進(jìn)汞壓力大于4 kPa 時(shí)進(jìn)汞量直線上升，壓力小于20 kPa壓力段，存在明顯滯后環(huán)，可見從微孔到中大孔范圍內(nèi)的孔隙均具有明顯的開放性和一定的連通性。

滲流孔孔徑分布如圖2，其中，d為孔徑；V為孔體積；S為孔容。

圖2 滲流孔孔徑分布Fig.2 Pore size distribution of seepage pores

由圖2 可知：XG 氣煤滲流孔主峰X1 位于1.067 7 μm，峰值孔體積為0.033 9 cm3/g，孔徑2.714 7～44.320 7 μm 孔容較小；而SQY 焦煤中孔僅占8.93%，峰值明顯消失，大孔占16.44%，在約3.500 1、25.497 3、50.800 5 μm處出現(xiàn)3 個(gè)較低的峰值S1、S2、S3，但孔容也僅為0.002 9、0.004 2、0.002 8 cm3/g?？梢?，SQY 焦煤滲流孔發(fā)育程度遠(yuǎn)低于XG 氣煤，多尺度孔隙的孔容在分布上不再凸顯多極化特征，較差的滲流孔發(fā)育程度勢(shì)必造成孔隙多級(jí)系統(tǒng)失衡，滲流通達(dá)性減弱也將影響瓦斯在深層煤體的賦存。

2.2 納米級(jí)吸附孔

煤體納米級(jí)吸附孔為氣體吸附提供了大量吸附位，吸附孔發(fā)育特征是煤層吸附能力的主控因素之一[17]。采用BJH 理論[18]和DFT 理論[19]對(duì)15～300 nm 和1.5～15 nm 尺度內(nèi)的納米級(jí)吸附孔的孔徑分布進(jìn)行分析。吸附孔孔徑分布（BJH）如圖3。吸附孔孔徑分布（DFT）如圖4，A為孔面積。

圖3 吸附孔孔徑分布（BJH）Fig.3 Pore size distribution of adsorption pores (BJH)

圖4 吸附孔孔徑分布（DFT）Fig.4 Pore size distribution of adsorption pores (DFT)

分析發(fā)現(xiàn)，XG 氣煤15～300 nm 納米級(jí)吸附孔在孔徑60 nm 處存在優(yōu)勢(shì)峰，峰值孔體積為3.84×10-3cm3/g?？兹菡w趨勢(shì)隨孔徑的增加呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)，SQY 焦煤有著類似的孔徑分布特征，表明兩者在15～300 nm 孔徑段具有類似的吸附孔發(fā)育情況：均以60 nm 尺度的介孔為主，是構(gòu)成氣體吸附場(chǎng)所的主要組成部分。

分析可知，孔徑小于15 nm 的吸附孔，在XG 氣煤的發(fā)育兩極分化嚴(yán)重：孔體積在1.5～2 nm 階段逐漸降低，在2～3.2 nm 階段先升高后降低，在4～15 nm 逐漸升高，3～4 nm 孔隙缺失；而SQY焦煤孔體積隨孔徑的增加變化相對(duì)穩(wěn)定，孔徑1.7 nm 存在體積局部峰值（1.26×10-3cm3/g），在2～2.7 nm 階段急劇升高，在6.9～15 nm 處呈雙峰波動(dòng)?？梢姡琒QY 焦煤因變質(zhì)程度的升高，氣孔發(fā)育均衡，是孔徑小于15 nm 吸附孔的主要類型，而變質(zhì)程度相對(duì)較低的XG 氣煤吸附孔發(fā)育均衡性差，且不均勻分布，將導(dǎo)致瓦斯賦存的非均質(zhì)性明顯。

3 全尺度孔隙分布聯(lián)合表征

結(jié)合不同手段的優(yōu)勢(shì)測(cè)孔范圍，進(jìn)一步對(duì)不同煤樣的多級(jí)孔隙發(fā)育特征進(jìn)行了聯(lián)合定量分析，包括1.48 nm～72.35 μm 范圍內(nèi)的微孔、介孔、中孔及大孔。多級(jí)孔隙發(fā)育聯(lián)合表征如圖5。

圖5 多級(jí)孔隙發(fā)育聯(lián)合表征Fig.5 Joint characterization of multistage pore development

分析可知，2 種煤樣吸附孔的孔容相差較小，滲流孔的孔容差別較大。XG 氣煤滲流孔體積為23.37×10-3cm3/g，占88.90%，SQY 焦煤滲流孔體積為4.97×10-3cm3/g，僅占53.70%；XG 氣煤發(fā)育有更廣泛的滲流孔隙，其容積高于SQY 焦煤1 個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢?，XG 氣煤在擁有同等發(fā)育程度吸附孔的同時(shí)，其內(nèi)部亦存在豐富多樣的滲流孔，滲流孔隙在空間上的廣泛發(fā)育，有效溝通了大范圍的吸附孔，從而形成連通程度較好、集吸附-滲流于一體的有效多級(jí)孔隙網(wǎng)絡(luò)，奠定了瓦斯在XG氣煤大量賦存、高效滲流的物理基礎(chǔ)；SQY 焦煤則缺乏溝通吸附空間的有效滲流孔隙，在漫長(zhǎng)的煤化過程中，無法形成供瓦斯賦存的多級(jí)孔隙通道。

4 原生孔隙發(fā)育的非均質(zhì)性

煤多級(jí)孔隙系統(tǒng)具備顯著的分形特征，Menger海綿分形幾何理論可以很好描述滲流孔隙分布的非均質(zhì)性。其中，進(jìn)汞量、進(jìn)汞壓力和滲流孔分形維數(shù)之間滿足Washburn 方程[12-14]：

式中：Qp為壓力p對(duì)應(yīng)的累積進(jìn)汞量，cm3/g；D為煤滲流孔分形維數(shù)；C為常數(shù)。

從式（1）可以看出，lg(-dQp/dp)與lgp為線性關(guān)系，因此孔隙分布存在分形特征，其中，直線斜率記為K，則D=K+4。

滲流孔分形維數(shù)擬合曲線如圖6，其中：Dm1為滲流孔分形維數(shù)；Dm2為吸附孔分形維數(shù)。

圖6 滲流孔分形維數(shù)擬合曲線Fig.6 Fractal dimension fitting curves of seepage pores

由于壓汞對(duì)小于100 nm 的微小孔隙破壞嚴(yán)重，因此用該數(shù)據(jù)描述的微小孔分形維數(shù)存在嚴(yán)重失真。由圖6 分析發(fā)現(xiàn)，XG 氣煤滲流孔分形維數(shù)為2.84，高于SQY 焦煤（2.52）。而從圖5（b）、圖5（d）分析發(fā)現(xiàn)，XG 氣煤滲流孔體積是23.37×10-3cm3/g，約為SQY 焦煤滲流孔體積（4.97×10-3cm3/g）的4.70 倍?？梢?，XG 氣煤大量發(fā)育的滲流孔有著較高的非均質(zhì)性，較大的孔隙體積使得其孔隙團(tuán)簇表現(xiàn)出更加復(fù)雜的空間連通結(jié)構(gòu)，有利于廣泛聯(lián)系納米級(jí)吸附孔，使多級(jí)孔隙網(wǎng)絡(luò)通達(dá)性更強(qiáng)。因此，煤體微米級(jí)滲流孔隙體積優(yōu)勢(shì)是多級(jí)孔隙系統(tǒng)空間非均勻發(fā)育的重要因素。

利用低溫氮吸脫附數(shù)據(jù)計(jì)算納米級(jí)吸附孔的分形維數(shù)，計(jì)算依據(jù)常用的FHH 分形模型[7-9]：

式中：Q為液氮的累積吸附量，cm3/g；α為lnQ與ln[ln(p0/p)]線性擬合直線斜率。

氮?dú)庠诿嚎紫吨械奈浆F(xiàn)象屬于毛細(xì)凝聚效應(yīng)的范疇，分形維數(shù)為：

吸附孔分形維數(shù)擬合如圖7，其中Dn1和Dn2分別為孔隙表面的粗糙程度和孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育的復(fù)雜程度[13]。

圖7 吸附孔分形維數(shù)擬合Fig.7 Fractal dimension fitting curves of adsorption pores

由圖7 分析發(fā)現(xiàn)，XG 氣煤吸附孔分形維數(shù)Dn1為2.69、Dn2為2.08，而SQY 焦煤則較高，分別為2.72 和2.27。而從圖5（b）、圖5（d）分析發(fā)現(xiàn)，SQY 焦煤吸附孔體積是4.29×10-3cm3/g，約為XG 氣煤吸附體積（2.92×10-3cm3/g）的1.47 倍。由此可見，與SQY 焦煤相比，XG 氣煤微孔發(fā)育雖存在缺陷（3～4 nm 微孔甚至不存在），但吸附孔空間分布較為集中、有序。而SQY 焦煤吸附孔發(fā)育較全面，但表面更粗糙，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、均勻性差。因此，煤體納米級(jí)吸附孔越豐富，其孔隙表面不僅更加粗糙，且空間分布不均衡。

5 煤孔隙CT 掃描圖像識(shí)別

X-ray μCT 圖像識(shí)別的基本原理是：X 射線對(duì)于密度不同的物體在穿透時(shí)會(huì)發(fā)生不同的射線強(qiáng)度衰減效應(yīng)，通過采集被測(cè)樣品透射X 射線的強(qiáng)度，能夠定量反映樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)[20]。XG 氣煤和SQY 焦煤2 個(gè)樣品經(jīng)過CT 掃描獲取的灰度圖像，須經(jīng)過中值濾波算法[21]（Median Filter），對(duì)圖像進(jìn)行非線性平滑降噪，增強(qiáng)圖像識(shí)別效果。煤樣斷層掃描切片CT 值分布如圖8，煤樣斷層掃描切片特征位置CT 值如圖9。

圖8 煤樣斷層掃描切片CT 值分布Fig.8 CT values distribution of coal samples scanning sections

圖9 煤樣斷層掃描切片特征位置CT 值Fig.9 CT values of characteristic position of coal samples scanning sections

由圖8 分析可知，XG 氣煤有機(jī)基質(zhì)CT 值介于7 300～7 500 HU，礦物則高于7 700 HU，多為層狀，裂隙填充嚴(yán)重?？琢严禖T 值低于6 800 HU，其中微裂隙平行于礦物條帶，礦物質(zhì)氣孔清晰可見且聚集為帶狀，表現(xiàn)為一系列密集的條狀CT 峰值。SQY 焦煤CT 值較低，有機(jī)基質(zhì)CT 值范圍為2 200～2 700 HU，礦物高于2 900 HU，有極強(qiáng)的自下向上的層狀分布規(guī)律。孔裂隙低于2 000 HU，數(shù)量較少，更多微裂隙被礦物完全填充，但有機(jī)基質(zhì)間氣孔發(fā)育良好。

煤樣斷層掃描切片特征位置CT 值如圖9。圖9 中：B1、B2、D1、D2 分別為煤基質(zhì)特征位置探測(cè)線；B3、B4、D3、D4 分別為礦物區(qū)域特征位置探測(cè)線。

由圖9 分析可知，XG 氣煤微裂隙較少，但孔隙數(shù)量多，礦物均勻分布在有機(jī)基質(zhì)中，少部分聚集。其中，B1 為高氣孔含量區(qū)，其中距起點(diǎn)0.7 μm 處最大，CT 值為6 968 HU。B2 為煤基質(zhì)均勻發(fā)育區(qū)，10.4～18.9 μm 波峰較寬。B3 為礦物聚集區(qū)，主要分3 段：0～14.7 μm、14.7～22.2 μm、22.2～28 μm。B4 為層狀礦物發(fā)育區(qū)，主要位于5.5、9.6、12.9 μm。相對(duì)而言，SQY 焦煤裂隙數(shù)量多、寬度大，礦物分層嚴(yán)重。D3 和D4 區(qū)的礦物含量較高，D3 區(qū)存在2 個(gè)高峰值礦物條帶，分為位于4.1 μm 和6 μm，對(duì)應(yīng)峰值為3 668 HU 和4 562 HU。D1 和D2 都為煤基質(zhì)均勻發(fā)育區(qū)。可見，XG 氣煤孔隙以基質(zhì)氣孔為主，滲流孔的非均質(zhì)特征依賴于成煤時(shí)期的生烴作用，礦物均勻分布于煤基質(zhì)中，沒有在空間結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)多級(jí)孔隙系統(tǒng)的非均質(zhì)性。反之，SQY 焦煤多級(jí)孔隙中礦物孔較多，礦物的高度發(fā)育占據(jù)了基質(zhì)孔隙空間，是導(dǎo)致多級(jí)孔隙不甚發(fā)育、增強(qiáng)非均質(zhì)性的一個(gè)重要的內(nèi)在因素。

6 結(jié) 語

1）XG 氣煤滲流孔占總孔隙的88.90%，遠(yuǎn)高于SQY 焦煤的53.70%。2 種煤樣吸附孔孔容差距較小，均以60 nm 介孔為主，SQY 焦煤吸附孔種類多，XG 氣煤僅缺少3～4 nm 吸附孔?？梢?，變質(zhì)程度較高的SQY 焦煤滲流孔較少、吸附孔豐富，導(dǎo)致多級(jí)孔隙團(tuán)簇發(fā)育失衡。而變質(zhì)程度較低的XG 氣煤滲流孔分布廣泛，吸附孔孔徑缺陷小，發(fā)育均衡的多級(jí)孔隙團(tuán)簇是瓦斯大量賦存、高效滲流的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

2）XG 氣煤滲流孔體積約為SQY 焦煤的4.70 倍，滲流孔分形維數(shù)為SQY 焦煤的1.13 倍。SQY 焦煤吸附孔體積約為XG 氣煤的1.47 倍，分形維數(shù)Dn1和Dn2均高于XG 氣煤?？梢姡琗G 氣煤大量發(fā)育的滲流孔隙團(tuán)簇表現(xiàn)出更加復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)；SQY 焦煤吸附孔隙團(tuán)簇發(fā)育全面，但表面粗糙、均勻性差。因此，多級(jí)孔隙團(tuán)簇體積優(yōu)勢(shì)是其空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非均勻特征的重要因素。

3）X-ray CT 掃描技術(shù)能夠精確識(shí)別煤孔隙發(fā)育的形貌特征。分析表明，XG 氣煤孔隙以基質(zhì)氣孔為主，滲流孔的非均質(zhì)特征依賴于生烴作用，礦物的均勻分布沒有增強(qiáng)多級(jí)孔隙團(tuán)簇的空間非均質(zhì)性。反之，SQY 焦煤礦物的高度發(fā)育占據(jù)了基質(zhì)孔隙空間，是導(dǎo)致多級(jí)孔隙團(tuán)簇發(fā)育差、非均質(zhì)性強(qiáng)的內(nèi)在因素。