0.   引　　言

近年来，随着国家对煤炭开采的力度不断加大，浅部煤炭资源逐渐枯竭，许多矿区已进入深部开采阶段，随着煤炭开采深度的增加，瓦斯突出与瓦斯爆炸的威胁也日趋强烈^[1-3]，预防和控制煤矿瓦斯重特大事故的发生已成为中国煤矿安全生产中的核心工作^[4-5]。煤是一种复杂的天然多孔性固体物质，吸附能力良好，其内部孔隙结构特征对于煤储层流体赋存和运移起到关键作用^[6-8]。研究煤层孔隙特征对煤矿瓦斯危害的防控和治理有着重要指导意义^[9-11]。多年来，国内外学者在煤微观孔隙结构领域的研究工作已取得了大量成果。程远平等^[12]基于煤中甲烷赋存和运移特性的最新成果，提出一种针对煤和甲烷的系统孔隙分类方法，将孔隙分为不可达孔、填充孔、扩散孔、渗流孔4类；杨昌永等^[13]基于电镜扫描试验，对煤体孔隙形态、孔隙大小及孔隙连通性进行了系统研究，发现不同煤体结构煤中微孔隙成因类型及发育程度有所不同；李祥春等^[14]对不同变质程度煤样进行了孔隙结构表征及其对瓦斯解吸扩散的影响，发现煤质对瓦斯解吸扩散的影响主要与孔隙结构的差异有关；蒋静宇等^[15]对低阶煤的孔隙结构及瓦斯吸附放散特性进行了详细研究，证实了低价煤具有相对较强的瓦斯吸附和放散能力，更易发生瓦斯异常涌出和瓦斯突出；杨明等^[16]对中阶煤的特征参数进行了定量研究，结果表明，中阶煤储层主要以微小孔为主，且随着煤阶的升高吸附孔喉占比增大，渗流孔喉占比减小，孔隙连通性变差，渗透率降低；张文政等^[17]通过显微CT对长焰煤、气焰煤及焦煤进行扫描重构，定量分析了煤体的孔隙数目、孔隙半径等参数，对煤体微观孔隙空间拓扑结构等特征作了深入研究；刘纪坤等^[18]通过压汞和瓦斯吸附解吸试验，着重分析了中低阶煤的孔隙结构对瓦斯吸附的影响；赵健光等^[19]对不同类型构造煤的孔隙结构特征进行了详细研究，发现不同类型的构造煤在显微尺度上表现出了明显的差异性。

上述研究成果从理论分析或室内试验等方面出发，为高瓦斯煤层相关的微观结构特征研究提供了借鉴。然而主要是针对不同煤种或煤阶所开展的试验研究，对于安徽淮南谢桥矿所发生的深部近距离煤层群中某一煤层反复发生瓦斯异常涌出现象的类似情况鲜有研究，笔者以谢桥矿6号煤21216工作面瓦斯异常涌出事故为研究背景，从无损综合表征角度出发，采用扫描电镜（SEM）及低场核磁共振（NMR）的方法研究该煤层与其邻近煤层物性特征及孔隙结构参数，深入讨论煤体孔隙结构对瓦斯吸附及流体运移的影响机制，为深部邻近煤层瓦斯异常涌出现象的机理研究提供一定的理论基础。

1.   样品采集及工业分析

1.1   样品采集

谢桥矿是一座大型高瓦斯突出矿井。矿井属立井多水平多组煤层群开采，主采煤层有5层，分别为4号煤、6号煤、8号煤、11−2号煤、13−1号煤，4号煤和6号煤之间夹含5号煤，6号煤和8号煤中间夹含7号煤，其中5号煤和7号煤不可采。近年来，谢桥矿矿井内发现其主采煤层6号煤在2019—2020年开采期间多次发生瓦斯异常涌出事故，由前期瓦斯监测数据显示：6号煤层监测978个瓦斯压力数据，瓦斯压力在0.036～4.014 MPa，其中P≥0.74 MPa的样品有380个，占样品总数38.9%，在−720 m水平瓦斯含量为6.146 m³/t，−1000 m处水平瓦斯含量为8.833 m³/t；8号煤层监测133个瓦斯压力数据，瓦斯压力在0.028～4.80 MPa，其中P≥0.74 MPa的样品有13个，占样品总数的11.0%，在−720 m处水平瓦斯含量为4.916 m³/t，−1000 m处水平瓦斯含量为6.4 m³/t。由前期监测数据可知，6号煤与8号煤瓦斯压力总体相近，但瓦斯压力大于0.74 MPa的样品占比远超8号煤。

6号煤与8号煤属于深部极近距离煤层，由工程现场实测可知，其瓦斯赋存情况、瓦斯预抽效果、回采过程中采空区瓦斯抽采效果、邻近层瓦斯涌出、及通风状况等条件都极其相似，但仅6号煤多次出现瓦斯异常涌出事故，邻近8号煤从未出现该类事故，由此推断，煤层内部孔隙结构可能存在一定的差异性从而导致瓦斯的异常涌出，鉴于这一现象的特殊性，从微细观角度出发，研究矿区内邻近煤层的内部孔隙结构对瓦斯吸附运移的影响。

样品所采集的煤层为谢桥煤矿6号煤与8号煤，都属于深部高瓦斯突出煤层，煤层间距平均在30 m以内，属于极近距离煤层群，6号煤的工作面回风巷位于8号煤的采空区下方，发生瓦斯异常涌出事故的位置为6号煤21216工作面。6号煤21216空间位置如图1所示，试验煤样采自谢桥煤矿主采煤层6号煤与8号煤的软煤和硬煤。采用底板穿层钻孔密闭取样技术^[20]分别采取3个不同采样位置的硬煤各3份与2个不同位置软煤各2份，总计10个样品，其中编号6号硬煤−1与6号软煤−1为瓦斯涌出异常区域煤样。

图  1  煤层空间位置关系示意

Figure  1.  Schematic diagram of spatial position relationship of coal seams

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1.2   工业分析

将煤样粉碎过筛后选取0.07～0.15 mm煤样各5 g（图2a），采用SX2−10−12N煤有机质工业分析（图2b）对煤样进行水分、灰分、挥发分、固定碳等基础煤质参数测定，结果见表1。

图  2  工业分析样品及仪器

Figure  2.  Industrial analysis samples and instruments

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表  1  试验煤样工业分析

Table  1.  Proximate analysis data of experimental coal samples

煤样	Mad/%	Aad/%	Vdaf/%	FCad/%
6号硬煤−1	1.33	5.85	35.90	35.90
6号硬煤−2	1.24	5.56	32.95	36.38
6号硬煤−3	1.24	5.56	32.95	36.38
6号软煤−1	1.58	13.14	31.52	31.52
6号软煤−2	1.43	18.15	28.75	32.73
8号硬煤−1	1.14	6.04	38.02	38.02
8号硬煤−2	1.08	7.34	36.98	38.88
8号硬煤−3	0.92	6.92	38.67	39.42
8号软煤−1	1.39	39.76	23.93	23.93
8号软煤−2	1.34	38.66	20.14	19.54

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由表1可知，对于异常区域煤体而言，无论硬煤煤样还是软煤煤样，其水分含量均为最高。对于总体硬煤煤样，6号煤水分高于8号煤，挥发分、灰分及固定碳均低于8号煤；对于总体软煤煤样，6号煤水分、挥发分及固定碳高于8号煤，灰分低于8号煤；总体可知6号煤水分高于8号煤，灰分低于8号煤，而挥发分及固定碳则与煤的软硬分层有关。

其中煤的灰分对煤层气的吸附能力会产生一定影响，谢桥矿主采煤层灰分为5.32%～39.76%，平均为14.67%，变化范围大，属于低中灰分煤，煤中瓦斯吸附能力处于较高水平；挥发分是判断煤变质程度的重要指标，谢桥矿主采煤层挥发分为20.14%～38.67%，平均为28.87%，主采煤层为变质程度中等的烟煤。

2.   煤体孔裂隙结构定性表征

通过SEM试验定性表征煤体孔裂隙结构，试验采用Flexsem1000型扫描电镜（图3a），将部分采集煤样打磨为5 mm²左右小煤片（图3b），为了便于观测，对其任意结构面进行精细打磨处理，采用先粗磨后细磨再抛光的方法，将制备好的样品用导电胶粘在样品托上，用酒精进行表面清洗，最后镀金进行观察。

图  3  SEM样品及仪器

Figure  3.  SEM Samples and Instruments

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在扫描电镜试验中通常根据煤的成因划分煤的孔裂隙类型，一般划分为原生孔、后生孔、外生孔、矿物质孔共4大类、进一步划分为气孔、碎粒孔、溶蚀孔、摩擦孔等9小类，并将裂隙划分为外生裂隙和内生裂隙2类^[21]。6号煤及8煤具体孔裂隙发育类型如图4所示，孔裂隙成因见表2。

图  4  扫描电镜下煤中微孔裂隙特征

Figure  4.  Characteristics of microporous cracks in coal under scanning electron microscopy

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表  2  煤层孔裂隙类型及成因

Table  2.  Types and genesis of coal seam pore fractures

煤层	发育孔裂隙类型	成因简述	连通性
6号煤	碎粒孔 摩擦孔	受构造应力破坏形成碎粒间孔隙 受构造应力破坏形成碎粒间孔隙	差 差
	气孔 溶蚀孔	矿物质在水、汽作用下溶蚀形成 受压应力作用面与面摩擦形成	一般 差
	张性裂隙 剪性裂隙	受张应力作用产生 受剪应力作用产生	好 好
8号煤	角砾孔 气孔 铸模孔	受构造应力破坏形成角砾间孔隙 成煤过程中生气、聚气作用形成 矿物质因硬度差异形成印坑	好 一般 差
	张性裂隙 剪性裂隙	受张应力作用产生 受剪应力作用产生	好 好

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1）6号煤微孔裂隙特征。6号煤中可见大量碎粒孔发育、少量气孔、摩擦孔、溶蚀孔共4种纳米级微孔隙发育，其中异常区域煤体主要发育碎粒孔，碎粒呈条状、薄片状或半椭圆状，孔径大小有明显差异，为纳米−微米级，该类孔隙大量发育并分布集中（图4a），不利于流体运移；6号煤未发生事故区域煤体主要发育气孔，主要呈圆形和椭圆形，部分为不规则形，孔径大小为微米级，分布集中但未形成气孔群或气孔窝组织，单个孔隙间基本不连通，部分被碎屑矿物所充填（图4b）；异常区域煤体部分摩擦孔发育在煤体摩擦面，形状多为短线状、沟槽状等，大小不等，孔隙连通性差（图4c）；异常区域煤体发育的溶蚀孔分布分散，主要是煤储层在水汽作用下溶蚀形成，孔径大小不一，形状主要呈椭圆形，大孔−小孔级均存在且孔隙间基本不连通（图4d）。观察发现6号煤中存在剪性裂隙(图4i)与张性裂隙(图4j)2类裂隙。煤层微裂隙的发育程度、连通性和性质决定了煤层的渗透性，进而影响着煤层气的开发及煤层瓦斯的治理，剪性裂主要是受到剪应力作用产生，6号煤部分剪性裂隙表面可见摩擦痕迹和碎粒分布（图4i）；张性裂隙是由张应力作用产生的启开状裂隙，多呈直线状或弯曲状，宽度一般为几微米至几十微米，同时6号煤异常区域煤体可见部分张性裂隙被矿物碎屑所填充（图4j）。

2）8号煤微孔裂隙特征。8号煤中气孔、角砾孔、铸模孔3种纳米级微孔隙发育，以角砾孔发育为主，角砾孔主要呈条状或月牙状、孔径大小不一，为纳米级，发育相对集中，孔中常见少量碎屑矿物质充填，孔隙连通性好且有利于流体的运移（图4e、图4f），8号煤中气孔主要呈单个零星分布，观测中未见气孔群组织，主要形态呈圆形和椭圆形（图4g），8号煤铸模孔发育数量较少，仅在煤体表面发育，孔隙形态多为椭圆形、部分呈圆形及椭球形，这类孔隙对流体运移作用不大，孔隙连通性差，均为死孔（图4h）。观测发现8号煤层中存在剪性裂隙(图4k)与张性裂隙(图4i)2类裂隙，裂隙中矿物充填情况较少，同时8号煤可见部分裂隙−孔隙联通系统(图4i)，有利于流体渗流。

综上所述，谢桥矿主采煤层孔隙裂隙均大量发育，孔隙发育为瓦斯的赋存提供了条件，相较于未发生事故区域及8号煤，6号煤异常区域碎粒孔大量发育，说明其煤体碎粒糜棱化程度高，煤体受构造应力影响内部破坏较严重，且孔隙发育紊乱，在流体运移时，破碎矿物颗粒易于滚动，从而堵塞流体通道，导致煤层渗透性变差。6号软煤−1中部分发育受水汽作用产生的溶蚀孔，推测与工业分析中6号软煤−1水分含量偏高有关，该类孔隙连通性差，不利于流体渗流；6号硬煤−1裂隙中矿物充填情况严重，在流体运移情况下易堵住渗流通道。总之，6号煤异常区域煤体孔隙结构更为发育；孔隙裂隙间矿物充填情况严重。相较于未发生事故区域和8号煤来说不利于流体的运移，煤层的内部结构必将影响其渗透性。

3.   煤体孔裂隙结构定量表征

3.1   NMR测试T₂谱图分布特征

进一步通过NMR试验定量表征煤体孔隙结构特征，深入探讨煤层内部孔隙结构对于煤层渗透性影响，由于NMR试验所需样品特殊性，仅对6号硬煤−1、6号硬煤−2、8号硬煤−1三个样品进行试验，分别用编号Y−6−1、Y−6−2、Y−8−1代替，试验采用MesoMR23−060H−Ⅰ型中尺寸核磁共振分析仪（图5a），共振频率：21.67 568 MHz，磁体类型：永磁体，磁场强度：0.5 T。样品预处理：采用线切割将不同煤层硬煤煤样制备成直径25 mm，长度50 mm的圆柱形煤样（图5b）；在真空装置中进行抽真空6 h，然后在10 MPa压力下，对煤样进行饱水处理24 h。测试流程：采用饱水−离心联测法，先对水饱和煤样开展核磁共振试验；然后对样品进行离心试验至质量变化小于万分之一后再次进行核磁共振试验。

图  5  核磁共振样品及仪器

Figure  5.  NMR samples and instruments

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NMR试验主要是通过检测煤体孔裂隙中流体的T₂弛豫时间来获取煤体中不同尺度孔裂隙的分布特征^[22]。孔隙中流体共存在3种横向弛豫机制，三者关系可以表示为

式中：T_2B为体弛豫时间，s；T_2S为表面弛豫时间，s；T_2D为扩散作用引起的弛豫时间，s；试验环境采用均匀磁场，因此不考虑自由弛豫时间以及扩散弛豫时间，仅考虑表面弛豫时间T_2S，所以式（1）可简化为

式中：S为孔隙表面积，µm²；V为孔隙体积，µm³，ρ₂为横向弛豫强度，µm/ms。对于煤体，其孔隙结构大多为球状孔隙或柱状管道孔隙，式（2）还可进一步转化为

式中：r为孔隙半径，nm；F_S为几何形状因子，（其中狭缝型、球形、圆柱形孔隙F_S分别取1，2，3），r进一步可表示为

对于同种煤ρ₂恒定，F_S恒定，因此r与T₂呈正比关系，比值越大所对应弛豫时间T₂也越长，所对应的孔隙体积也越大，这是应用低场核磁共振技术进行煤体孔隙结构定量表征的理论基础^[23]。

按照规定的测试程序使用低场核磁共振系统对6号煤和8号煤的煤样进行T₂谱图测试，T₂谱图结果如图6所示。通过对比煤样的饱和水与残余水2种状态下的T₂谱图可区分吸附孔、过渡孔及游离孔3类孔隙，吸附孔是瓦斯的储层空间，而过渡孔及游离孔则是瓦斯流动的通道。100%饱水煤样的T₂谱可反映所有可检测到的孔隙信号，而残余水煤样的T₂谱图则可反映全部吸附孔和部分过渡孔的信号，另一方面吸附孔、过渡孔、游离孔三者在核磁共振谱上会呈现不同的孔隙峰值，由此可将三者区分开。

图  6  试验煤样T₂谱分布

Figure  6.  Distribution of T₂ spectrum of experimental coal sample

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根据图6a可知，Y−6−1饱水煤样T₂谱图为3峰结构，由1个主峰及2个较小连续分布的小峰组成，谱峰范围从小到大分布在0.01～1.00，10～100，100～1000 ms，主峰峰值在0.3 ms附近，属于吸附孔发育范围，其典型特征为离心后T₂图谱基本无变化，因为其孔径范围较小，内部束缚流体在离心作用下难以被甩出；过渡孔的峰值主要分布在23 ms附近，表现特点为峰值比吸附孔隙峰值小且离心前后部分谱峰消失；游离孔的峰值主要分布在333 ms附近，其表现特点为该峰在离心T₂图中谱峰值消失。根据煤样T₂图谱分析结果，由峰的个数、分布、连续性可反映煤样中各级孔隙发育情况，Y−6−1在 0.01～1.00 ms段T₂图谱面积占比高于50%，表明其内部吸附孔大量发育，且主峰与次峰间存在明显间断，2个次峰连续发育，表明其吸附孔与过渡孔间连通性较差、过渡孔与游离孔间连通性较好。

根据图6b和图6c可知，Y−6−2饱水煤样T₂谱图为3峰结构，峰谱峰值分布在0.3、6.8、240.9 ms附近，Y−8−1饱水煤样T₂谱图同样为3峰结构，谱峰峰值从小到大分布在0.3、8.0、107 ms附近，对比Y−6−1 T₂谱图发现，3个煤样主峰峰值均在0.3左右，表明煤体均以吸附孔发育为主，但Y−6−2与Y−8−1在0.01～1.00 ms段T₂谱面积均低于Y−6−1，表明其吸附孔发育程度均低于Y−6−1，同时Y−6−2与Y−8−1 T₂图谱主峰与次峰之间只出现短暂间隔，表明相较于Y−6−1，其吸附孔与过渡孔间连通性更好。2个次峰连续发育，表明其过渡孔与游离孔间连通性较好。

3.2   NMR测试孔径分布

从煤样的100%饱水状态T₂弛豫时间谱可知3个区域煤体均以吸附孔发育为主，为了更详尽地了解煤体中微观孔径分布差异，利用式（4）计算煤样微小孔径与弛豫时间之间的换算关系，统计煤样孔径分布的具体范围及比例，并假设煤样的孔隙形态为球状孔隙，取F_S=3，最后得到如图7a、图7b、图7c所示的孔径半径分布，为了更直观体现，将孔径半径分布进一步转化为孔径分布柱状图（图7d、图7e、图7f） 。根据霍多特的孔径分类方法^[24]，将煤孔隙分为大孔（>1 μm）、中孔（0.1～1.0 μm）、小孔（0.01～0.10 μm）、微孔（<0.01 μm）具体孔径尺寸对应比例见表3。

图  7  试验煤样孔径分布

Figure  7.  Pore size distribution of experimental coal samples

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表  3  各类孔径尺寸对应比例

Table  3.  Corresponding proportions of various aperture sizes

煤样	孔径区间占比/%
	微孔（0～0.01 μm ）	小孔（>0.01～0.10 μm）	中孔（>0.1～1.0 μm）	大孔（>1 μm）
Y−6−1	55.6585	10.6522	5.4142	28.2765
Y−6−2	49.0186	13.8105	7.5423	29.6287
Y−8−1	48.2199	10.4826	11.8853	29.4122

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由图7d及表3可知，Y−6−1主要以微孔为主，其占比达到55.658 5%，中小孔占比为16.066 4%、大孔占比为28.276 5%。其中分布在0.0025～0.0100 μm的微孔在总孔隙区间内占比最高，占孔径总体积41.127 1%。由图7e及表3可知，Y−6−2孔径分布主要以微孔为主，其占比达到49.018 6%，中小孔及大孔占比分别为21.352 8%、29.628 7%，其中分布在0.0025～0.0100 μm的微孔在总孔隙区间内占比最高，占孔径总体积的35.5080%。由图7f及表3可知，Y−8−1主要以微孔为主，其占比达到48.219 99%，中小孔及大孔占比分别为22.367 9%、24.499 6%，其中分布在0.0025～0.0100 μm的微孔在总孔隙区间内占比最高，占孔径总体积35.313 9%。

通过3个煤样对比分析来看，3个煤样中微孔和大孔均占有更高比例，中小孔次之，其中6号煤未发生瓦斯异常涌出区域煤体孔径分布与邻近8号煤表现出较高一致性，但其异常区域煤样表现出在0.0025～0.0100 μm孔径区间内的微孔异常发育，中小孔相对不发育的特点；煤体瓦斯扩散能力与煤体结构和吸附能力相关，前人研究证明微孔孔隙体积及比表面积大小是煤微观结构影响瓦斯放散初速度的主要参量^[25]，因此6号煤异常区域煤体瓦斯放散速度大于未发生事故区域及其邻近煤层。同时煤体微孔是瓦斯吸附和储存的主要空间。而中小孔是瓦斯扩散和缓慢渗流的通道，对于3个区域煤体而言，6号煤异常区域煤体表现出微孔异常发育，中小孔相对不发育的特点，所以在同等条件下，6号煤异常区域煤体吸附瓦斯能力强于其余2处，结合电镜扫描试验结论来看，6号煤碎粒孔大量发育，孔裂隙间矿物充填情况严重，瓦斯不易于扩散，孔隙发育紊乱且孔隙连通性差，更易发生瓦斯富集，而瓦斯放散初速度更大，因此，在受采动影响下6号煤异常区域煤体更易发生瓦斯的异常涌出或突出灾害事故。

3.3   孔径分布对孔隙率及渗透率影响

孔隙率是表征煤储层渗流条件的重要参数且与核磁信号量存在线性相关关系^[26]，通过用水对标准孔隙率样品进行标定，可得到核磁信号量与孔隙率的线性表达式：

其中，k为标定系数，φ为饱水核磁孔隙率，%；H为单位体积煤样的累计核磁信号量，图8为试验所得孔隙率标线，利用饱和水煤样获得的孔隙率标线，再根据式（5）可计算出煤样核磁孔隙率。

图  8  水定标孔隙率曲线

Figure  8.  Water calibration porosity curve

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孔隙率可分为总孔隙率、有效孔隙率和残余孔隙率，通过先饱水再离心联测的方法，可准确测出煤体的总孔隙率、残余孔隙率及有效孔隙率，其值分别对应为累计T₂饱水图谱的峰值、累计T₂离心图谱峰值及两者之差；其中有效孔隙率即煤中可流动流体孔隙率，对于煤层气的渗透具有极重要的作用。核磁共振法在测定有效孔隙率时，具有无损、快速的特点且存在其特有的T₂截止值T_2C，是计算煤中自由流体饱和度与束缚流体饱和度的关键参数^[27]。图9为饱水−离心联测有效孔隙曲线。根据图9进一步地将孔隙率划分为总孔隙率$\varphi $、有效（可动流体）孔隙率$\varphi_{\mathrm{F}} $和残余（束缚流体）孔隙率$\varphi_{\mathrm{B}} $再用以下式反算I_FF及I_BV：

图  9  饱水−离心联测有效孔隙率曲线

Figure  9.  Effective porosity curves of saturation centrifuge combined measurement

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式中： I_BV为束缚流体饱和度，%；I_FF为自由流体饱和度，%。

煤岩体的核磁共振渗透率模型主要有自由流体模型与平均流体模型2种^[28]，考虑本文中所选煤样孔隙−裂隙双重发育，故选择自由流体模型，表达式如下：

式中：K为核磁渗透率，μm²，C为与地层有关的系数。

通过离心前后累计孔隙率曲线可得出T_2C、有效孔隙率及核磁渗透率等（表4）。

表  4  基于NMR-T_2C法煤样孔隙率及渗透率

Table  4.  Porosity and permeability of coal samples based on NMR T_2C method

煤样	核磁 孔隙率φ/%	可动流体 孔隙率φF/%	束缚流体 孔隙率φB/%	T2 截止值/ms	自由流体 饱和度IFF/%	束缚流体 饱和度IBV/%	核磁渗透率 K/10−3μm 2
Y−6−1	1.60	0.57	1.03	0.77	35.81	64.19	0.013
Y−6−2	1.45	0.63	0.82	0.70	43.73	56.27	0.016
Y−8−1	1.51	0.74	0.77	0.55	49.05	50.95	0.030

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从表4可看出，Y−6−1 T_2C最高，T_2C为束缚流体与可动流体的界限阈值，因此在瓦斯异常涌出部位也呈现出束缚流体饱和度最大，可流动饱和度最低的特点，结合弛豫时间反映出的孔径信息来看主要与该处煤体微孔相对异常发育，孔隙连通性差有关。

由表4可看出Y−6−1核磁孔隙率最高，但其有效孔隙率及渗透率却最小，这与电镜扫描试验中发现Y−6−1煤样碎粒孔大量发育，孔隙发育紊乱，不利于流体运移的特点呈现出较高一致性，结合上文孔径分布信息绘制微孔占比与有效孔隙率关系曲线及中小孔占比与有效孔隙率关系曲线如图10所示，发现有效孔隙率与煤体微孔占比呈现负相关关系，其R²=0.687，与煤体中小孔占比呈现正相关关系，其R²=0.735，因此，煤体孔径分布会影响煤体有效孔隙率的大小，尤其是中小孔的占比；绘制有效孔隙率与核磁渗透率之间关系曲线如图11所示，结果表明二者呈显著正相关性，其R²高达0.929，而所测得孔隙率与渗透率之间并不存在该种关系，说明有效孔隙率能够有效表征煤体的渗透能力，影响煤体渗透率的并非煤体孔隙率，而是煤体的有效孔隙率，即煤体中在一定压力下相互连通的，允许流体在其中流动的孔隙；孔径分布是通过影响煤体有效孔隙率，进一步影响煤层渗透率的，因此，在针对深部高瓦斯煤层的瓦斯抽过程中可采取水力压裂、深孔预裂爆破等措施增大煤中中小孔数量来增大煤体渗透率，从而达到改善煤中甲烷的渗流和运移条件的目的。

图  10  有效孔隙率随孔径占比关系曲线

Figure  10.  Curve of effective porosity as a function of pore size proportion

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图11 渗透率与有效孔隙率关系曲线

Figure  11.  Relationship curve between permeability and effective porosity

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结合表1的工业分析绘制有效孔隙率与煤质参数间关系曲线（图12），发现有效孔隙率与煤体水分呈负相关关系，R²=0.981，主要原因可能为煤体内水分会占用其流体运移通道导致有效孔隙率降低，同时与固定碳含量呈正相关关系， 因此有效孔隙率不仅直接影响煤层渗透率大小，也与煤质参数存在一定关系，在一定程度上可作为评价煤体性质的指标之一。

图  12  有效孔隙率与煤质参数关系曲线

Figure  12.  Relationship curve of effective porosity with coal quality parameters

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4.   结　　论

1）探明了深部邻近煤层瓦斯异常涌出的微观机制，不同区域煤体孔裂隙发育类型、孔径分布及孔隙连通性存在一定差异，6号煤异常区域煤体微孔异常发育，但中小孔占比低于未发生事故区域煤体与邻近8号煤，且孔裂隙间矿物充填情况严重，孔隙连通性差，为瓦斯吸附提供了良好条件，但瓦斯不易扩散，更易形成瓦斯富集，同时瓦斯放散初速度更大，在受到采动影响时更易发生瓦斯异常涌出或突出事故。

2）根据饱水−离心联测法，确定了各煤样有效孔隙率及渗透率，发现6号煤异常区域煤体渗透率及有效孔隙率均低于未发生事故区域与邻近8号煤；进一步分析煤体内孔径占比发现，煤体有效孔隙率与微孔占比成负相关关系，与中小孔占比成正相关关系，与煤体渗透率呈显著正相关性，煤体孔径分布是通过影响煤体有效孔隙率进而影响煤体渗透率。

3）有效孔隙率直接影响煤层渗透率大小，同时与煤体水分含量呈负相关关系，与煤体固定碳含量成正相关关系，在一定程度上可作为评价煤体性质的指标之一。