0 引 言
煤是一种对应力与应变极其敏感的多孔介质，其孔径分布和孔隙形态对煤储层瓦斯的吸附、储集及运移尤为重要[1]。不同类型构造煤的结构、构造存在着显著的差异，从而导致煤储层物性的差异性，尤其对煤储层的孔渗参数的影响更为显著[2]。不同类型的构造煤具有各自的孔隙结构特征，这直接影响了瓦斯含量及渗透性等煤层储层物性参数[3]。贵州省主要煤田的构造演化都较为复杂，煤体的改造程度不同，构造煤较为发育，而构造煤发育区则是瓦斯突出的危险区[4]。孔隙结构是影响瓦斯赋存、运移以及突出的重要参数[5]，构造作用使其孔隙结构变得更加复杂。压汞法具有理论模型直观和测定孔径范围宽等特点。分形几何学为构造煤的孔隙结构研究提供了方法与思路，杨昌永等[6]通过探究不同破坏程度煤孔隙发育特征得出煤体破坏程度越严重，对煤层气排采越不利；郝晋伟等[7]结合压汞数据对4种构造煤的大孔孔隙的分形特征进行表征：随着构造变形程度的增强，大孔分形维数出现先减小后增大的变化特征；赵迪斐等[8]利用高压压汞对煤体孔隙结构进行定量表征，得出微孔、小孔极为发育，中孔、大孔发育程度相对较低，这样的孔隙结构有利于气体的储集而不利于在储层内的渗流；薛海腾等[9]从分形的角度研究了黔西突出煤的微观孔隙分形特征与其吸附性能及渗透率的关系，得出贵州黔西突出煤孔隙度较低，迂曲度较大；傅雪海等[10]应用压汞法对煤储层孔隙分形特征进行研究，表明煤的孔隙分布具有分形特征，分形维数可定量表征构造煤孔隙的复杂程度。
青龙煤矿属瓦斯突出矿区，发育的构造煤类型多样。目前对构造煤孔隙结构的研究成果很多，但是从不种类型构造煤分析孔隙结构的则很少。基于此，以青龙煤矿构造煤为研究对象，基于压汞法研究其孔隙结构特征，并结合分形维数对孔隙进行定量表征，计算不同类型构造煤孔隙在特定压力段的分维值，分析了构造煤孔隙结构的复杂特征。对于煤层气可采性评价和揭示煤与瓦斯突出危险性具有重要的意义。
1 研究区概况
黔西地区位于上扬子地块南缘，包括黔西南坳陷和滇东—黔中隆起东部2个三级构造单元，东侧为黔南坳陷，南侧为南盘江坳陷。贵州晚古生代二叠纪煤田燕山运动的影响最为强烈，使晚白垩世以前的地层发生褶皱[11]。青龙煤矿隶属黔北煤田，所在区域的大地构造位置在“黔中隆起”腹地，区域内构造形迹以一系列北东或北北东向近于对称的宽缓背、向斜及与之斜交的北东、北西两个方向的断裂构成。青龙矿区北东向的格老寨背斜的北西翼(图1)。青龙井田的主要可采煤层为二叠系龙潭组(P3l)的第二段16、18煤层，岩性以粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主。
图1 研究区大地构造位置[12]
Fig.1 Tectonic location of study area[12]
2 样品与试验
构造煤样品均采自贵州省黔西县青龙煤矿主采煤层，采样过程严格按照煤层煤样采取方法和煤岩样品采取方法进行。样品的制备与观测均在中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点试验室进行，通过煮胶抛光处理后进行显微特征观察，使用显微镜光度计，用单偏光2.5×10倍物镜观测、分析和拍照。高压压汞试验在江苏地质矿产设计研究院完成，试验仪器采用POREMASTER60GT全自动压汞仪，压力0～413 MPa，孔径测量范围为3×10-3～1 000 μm，测试严格按照国家标准GB/T 21650.1—2008进行。
3 试验结果与分析
3.1 构造煤显微变形特征
对8件构造煤样品进行了显微观测，发现诸多构造现象，且研究区的煤岩中宏观裂隙非常发育，在低倍显微镜下可以清晰显示(图2)。
样品6-1与样品6-2为碎裂煤，显微裂隙延伸稳定，裂隙面平直且裂隙宽度变化不大(图2a)。裂隙具有成组性和方向性，裂隙呈雁列状或锯齿状组合发育，裂隙的交切和交错现象使得煤体局部区域发生破碎(图2b)。样品6-3、样品6-4与样品6-5为片状煤，裂隙发育特征主要表现为煤体中有平直稳定的剪切构造裂隙优势发育(图2c)。在变形微弱区内，裂隙发育稀疏(图2d)；在变形强烈区域，煤体可见多组裂隙发育，仍有一组平直稳定的剪切构造裂隙优势发育，且裂隙发育密集，具有方向性和成组性(图2e)。样品6-6为碎斑煤，煤体破碎严重，局部裂隙相交处发育碎斑结构，煤体裂隙发育密集且杂乱，规模较大的裂隙斜交发育，将煤体切割成碎块(图2f)。样品6-7为鳞片煤，煤体变形强烈，主要特征表现为煤体中有弧形剪切裂隙稳定发育以及将煤体切割成鳞块状(图2g)。样品6-8为揉皱煤，其特征主要表现为煤体中发育大量的韧性揉皱变形构造(图2h)，使煤岩组分出现明显的揉皱变形现象，煤体裂隙非常发育，呈弧形弯曲，裂隙之间相互交错，将煤岩组分切割成透镜状或长条状，随裂隙弯曲呈流纹状定向排列。
图2 构造煤微观变形特征
Fig.2 Tectonic coal microscopic deformation characteristics
不同类型的构造煤在显微尺度上表现出了明显的差异性，脆性变形与韧性变形之间特征显著，结合煤样破坏程度和宏观裂隙发育特征等，参考前人构造煤分类方法以及变形机制分类方法[13]，将所采构造煤岩样品分为碎裂煤、片状煤、碎斑煤、鳞片煤和揉皱煤5类(表1)。
表1 构造煤样品清单
Table 1 List of structural coal samples
编号构造煤类型变形机制编号构造煤类型变形机制6-1碎裂煤脆性6-5片状煤脆性6-2碎裂煤脆性6-6碎斑煤脆性6-3片状煤脆性6-7鳞片煤韧性6-4片状煤脆性6-8揉皱煤韧性
3.2 构造煤孔径发育特征
孔径分类方案引入霍多特分类方法，将构造煤的纳米级孔隙分为：亚微孔(孔径<5 nm)、微孔(孔径5～10 nm)、过渡孔(孔径10～100 nm)、中孔(孔径100～1 000 nm)和大孔(孔径>1 000 nm)，同时以100 nm为界将孔隙分为渗流孔(孔径>100 nm)和扩散孔(孔径<100 nm)[14]。
对所采集的煤样进行了压汞测试，观察煤岩中孔隙的发育特征，发现各样品的阶段进汞曲线均有双峰的现象，即在10 nm和1 000 nm两个孔径段出现较高的峰值(图3)，说明研究区构造煤主要发育微孔和大孔。
图3 阶段进汞量与孔径关系
Fig.3 Relationship between stage mercury intake and pore size
碎裂煤6-1和碎裂煤6-2的孔径分布表现为10 nm处峰值发育，说明微孔发育，1 000 nm处峰值较发育，大孔较发育。片状煤6-3的孔径分布表现为10 nm处峰值发育，微孔发育，孔径1 000 nm处峰值亦发育，大孔占有一定比例。片状煤6-4和片状煤6-5的孔径分布均表现为孔径10 nm处峰值发育极突出，微孔最为发育。碎斑煤6-6的孔径分布表现为孔径1 000 nm处峰值极为发育，大孔最为发育，孔径10 nm处峰值较发育，微孔较发育。鳞片煤6-7的孔径分布表现为发育多个峰值，孔径1 000 nm处峰值突出明显，大孔发育，小于100 nm范围内由多个次级峰型发育，说明微孔和过渡孔均有发育。揉皱煤6-8的孔径分布以小于100 nm的孔径均匀分布，微孔和过渡孔发育，孔径1 000 nm处峰值较发育，大孔占有一定比例。
3.3 构造煤孔隙特征
构造煤孔隙是由有效孔隙和孤立孔隙构成，有效孔隙包括开放孔(图4a)和半封闭孔(图4b)2种基本类型，细瓶颈孔(图4c)是一种特殊的半封闭孔[15]。压汞试验的进退汞曲线可以反映煤岩孔隙系统的最大孔容。进汞曲线和退汞曲线形成“孔隙滞后环”，开放孔具压汞滞后环，半封闭孔不具“滞后环”，细瓶颈孔形成“突降”型“滞后环”的退汞曲线[16-17]，不同类型的构造煤具有不同孔隙滞后环特征，通过对煤样的进汞曲线和退汞曲线的分析，可以对孔隙的基本形态及其连通性进行初步评价[17]。
图4 构造煤孔隙形态示意[15]
Fig.4 Pore form schematic of tectonically deformed coal[15]
样品压汞曲线如图5所示，利用不同压力下进退汞曲线的体积差分析孔隙形态，参照李明[13]的分类方法，将构造煤孔隙结构划分为6种类型，即平行型、反S型、尖棱型、M型、双S型和双弧线型，结合该分类方案，较系统的总结了构造煤孔隙结构特征，对比青龙煤矿8个构造煤样压汞曲线，将本次研究所采8个煤岩样品的孔隙形态分为平行型、尖棱型、M型、反S型、双弧线型，且8个样品的进退汞曲线均有不同程度的迟滞现象。
碎裂煤6-1和碎裂煤6-2的压汞曲线分别表现为平行型(图5a)和尖棱型(图5b)，平行型进汞曲线与退汞曲线大部分呈近平行，在相同压力点处进、退汞体积差很小，说明孔隙形态以半封闭孔为主，开放孔比例小。退汞曲线和进汞曲线相似性好，具有很高的退汞效率，表明孔隙连通性好。尖棱型进汞曲线与退汞曲线呈一定锐夹角，退汞释压阶段，在压力大于100 MPa时，退汞曲线和进汞曲线基本重叠，相同压力点孔容差[11]极小，说明微孔孔隙形态以半封闭孔型孔为主，开放孔比例小，随着压力减小，孔容差逐渐增大，说明微孔孔隙形态中开放孔占有一定的比例；当压力降至10 MPa左右时，压汞“滞后环”明显，说明大孔孔隙形态中开放孔比例高。其退汞效率相对较高，孔隙连通性较好。
片状煤6-3的孔径分布的压汞曲线表现为尖棱型(图5c)，退汞释压阶段，在压力大于100 MPa时，退汞曲线与进汞曲线近似重合，相同压力点孔容差极小，说明微孔孔隙形态中半封闭孔发育，开放孔孔隙形态不发育；压力降至10 MPa时，压汞“滞后环”明显增大，说明中孔和大孔孔隙形态以开放孔为主，大部分汞滞留在孔隙内部，孔隙连通性一般。片状煤6-4和片状煤6-5的压汞曲线形态相似，均表现为反S型(图5d，图5e)，进退汞曲线的“滞后环”明显增大，从退汞释压起始，相同压力点的孔容差就开始明显显现，进汞曲线和退汞曲线“滞后环”明显，表明孔隙形态以开放孔为主，孔隙连通性一般。
碎斑煤6-6的压汞曲线表现为双弧线型(图5f)，进汞曲线和退汞曲线均呈下凸的弧形，在压力大于100 MPa时，进汞曲线和退汞曲线存在较小的滞后环，说明微孔中存在少量的开放孔，主要以半封闭孔为主。在压力小于100 MPa时，“滞后环”增大较明显，说明大孔孔隙形态中存在一定数量的细瓶颈孔和开放孔。
鳞片煤6-7压汞曲线表现为M型(图5g)，进汞曲线呈反S形和S形拼接而成M形，退汞曲线从释压开始就偏离进汞曲线，缓慢下降，说明各阶段孔容中开放孔比例较高，参考前人研究成果[17]分析，该现象发生的主要原因是进汞压力突破煤体结构强度极限，使自身半封闭孔连通导致进汞量增加，从而使滞后环开口大幅增加，此类鳞片煤连通性差，煤质松软易碎，可造成瓦斯富集和突出。
揉皱煤6-8的压汞曲线表现为双弧线型(图5h)，进汞曲线和退汞曲线都呈现下凹的弧形，从退汞释压开始，相同压力点的孔容差随压力减小明显增大，滞后环明显，孔隙形态同上，说明孔隙形态主要为半封闭孔和细瓶颈孔，孔隙连通性差。
图5 压汞曲线
Fig.5 Mercury penetration curve
3.4 构造煤分维值计算及结果分析
利用Menger模型的孔隙构建方法对孔隙结构的分形特征进行分析，表达式如下：
D=4+ln(dV/dp)/dp
(1)
式中：D为分形维数；V为压汞试验测得的构造煤孔隙体积，mL/g；p为压汞试验中施加的压力，MPa。
分形维数D用于多孔介质的不规则性和复杂程度，分形维数应介于2～3，当分形维数接近2时，说明孔隙表面趋向二维，接近平面，孔隙表面平滑；当维数接近3时，则说明孔隙表面趋向于三维，接近立体空间，孔隙结构复杂，表面粗糙，即分形维数表征了煤孔隙表面的粗糙度和复杂程度。
压汞试验理论上能对3～106 nm的孔隙进行测试，覆盖了微孔、过渡孔、中孔和大孔范围。由于煤的可压缩性，当压力大于10 MPa时，会导致煤基质压缩变形和空隙破坏[18]，从而导致测试结果的偏差。故本次研究选取压力小于10 MPa，孔径141～208 892 nm测定的数据进行分析，求得构造煤渗流孔孔隙体积的分形维数。
根据压汞试验数据获得的不同类型构造煤孔隙结构的分形特征曲线如图6所示，发现不同类型的构造煤的分形特征曲线均表现出明显的分段现象，划分为两段分别进行线性拟合，分别记为低压段分维值D1(表1)和高压段分维值D2(表2)。总体来看，当进汞压力小于10 MPa时，分形维数介于1.349～3.249，存在分形维数大于3的情况，在物理意义上来说是可能存在的，能够反映煤体的破坏程度[19]。
样品在低压段(0.01～0.69 MPa)的孔径介于1 223～208 892 nm，属于大孔孔径及宏观裂隙。根据Menger模型算得的分形维数，碎裂煤(样品6-1和样品6-2)的分维值分别为2.203和2.215，均值为2.209；片状煤(样品6-3)的分维值为2.366，片状煤(样品6-4)和片状煤(样品6-5)不具备分形特征；碎斑煤(样品6-6)的分维值为2.427；鳞片煤(样品6-7)的分维值为2.142；揉皱煤(样品6-8)的分维值为2.267(图7a)。在脆性变形阶段，随着变形程度增强，分维值呈现递增的趋势，即碎裂煤<片状煤<碎斑煤；在韧性变形阶段，分维值亦呈现出随着变形程度增强分维值增大的特点，即鳞片煤<揉皱煤。
表2 构造煤分形维数低压段计算结果
Table 2 Calculation results of fractal dimension of tectonic coal in low pressure section
样品编号构造煤类型孔径d/nm压力p/MPa分形维数D1拟合度R26-1碎裂煤1 223
表3 构造煤分形维数高压段计算结果
Table 3 Calculation results of tectonic coal fractal dimension in high pressure section
样品编号构造煤类型孔径/nm压力/MPa分维值D2拟合度R26-1碎裂煤141
图6 构造煤分形特征
Fig.6 Fractal characteristics of tectonic coal
样品在高压段(0.31～8.84 MPa)的孔径介于141～2 679 nm，属于中孔和大孔，为渗流孔。碎裂煤(样品6-1和样品6-2)样品在高压段的分维值分别为3.159和3.306，均值为3.233。片状煤(样品6-3、样品6-4和样品6-5)在高压段的分维值介于2.629～2.868，均值为2.774；碎斑煤的分维值为2.961；鳞片煤的分维值为2.834；揉皱煤的分维值为3.123(图7b)。在脆性变形阶段，碎裂煤分形维数最大，孔隙结构较片状煤和碎斑煤更为复杂；在韧性变形阶段，揉皱煤的分形维数相较于鳞片煤大，揉皱煤的孔隙结构更为复杂。
图7 不同类型构造煤分形维数
Fig.7 Fractal dimension of different types of tectonic coal
4 讨 论
对8件构造煤样品进行了显微观测，发现诸多构造现象。研究区的煤岩中宏观裂隙非常发育，在低倍显微镜下可以清晰显示。参考前人研究成果[20]，自成煤期以来，研究区经历过多期次的构造变动。因此，煤岩中裂隙的发育时代具有多期性，裂隙的力学性质具有多重性。不同时代形成的裂隙之间具有错开或限制的现象，早期形成的裂隙会被晚期形成的裂隙错开，晚期形成的裂隙又通常被早期形成的裂隙所限制，此外，裂隙的定向排列与组合也反映出先剪切、后拉张的构造作用。煤岩通常被压扁、拉长，乃至形成揉皱，也反映了研究区受到多期次不同性质的构造应力作用。多期次、不同性质的构造作用，造成了煤岩裂隙发育、完整性被破坏等。同时，伴随构造升降运动，既可以有利于煤层气的不断生成，又可以促进煤层气的运移和聚集，反映了研究区煤层具备了煤层气生、储的物质基础与突出的动力学条件。
通过压汞试验数据分析可以看出，构造煤的孔隙特征与其变形强度关系密切，不同类型的构造煤进退汞曲线差异显著，煤体由脆性到韧性变形过程中，“滞后环”越来越明显，孔隙发育程度逐步提高，孔隙中滞流的汞含量越来越高，随着煤体变形程度的增加，孔隙发育程度提高，孔喉发育，开放孔和细瓶颈孔发育程度提高。碎裂煤以微孔和大孔为主，微孔孔隙形态基本以半封闭孔为主，开放孔比例小，大孔以发育开放孔为主；片状煤主要以微孔发育为主，大孔较发育，孔隙形态均以开放孔为主，半封闭孔较发育；碎斑煤以微孔和大孔发育为主，微孔基本以半封闭孔为主，开放孔主要集中在大孔阶段；鳞片煤微孔较为发育，大孔次之，孔隙形态以半封闭孔为主，存在一定数量的开放孔和细瓶颈孔，孔隙连通性差；揉皱煤微孔极发育，孔隙形态以细瓶颈孔为主，大孔中发育半封闭孔。
基于分形维数分析结果可以看出，当压力处于低压段时，随着构造煤破坏程度的增加，分形维值随构造煤破坏程度呈先增后减再增的变化规律(图7a)，在脆性变形阶段，分形维值变化规律为碎斑煤>片状煤>碎裂煤，随着煤体变形程度的增加，煤体的孔隙结构更加复杂，孔隙表面更加粗糙；在韧性变形阶段，揉皱煤分形维值比鳞片煤分形维值大，随变形程度增强，揉皱煤的孔隙形态要比鳞片煤更复杂；碎斑煤的分形维值最大，说明碎斑煤的孔隙结构较其他类型构造煤的孔隙结构更为复杂，碎斑煤的渗流孔非均质性强于片状煤和碎裂煤，韧性的鳞片煤分形维值最小，表明韧性变形使渗流孔非均质性降低。当压力处于高压段时，随着构造煤破坏程度的增加，分形维数随着煤体的破坏程度增加呈现不规则变化，碎裂煤分形维值大于3，由于碎裂煤孔隙率较大，当进汞压力在10 MPa左右时(对应孔径140 nm左右)，就会导致煤基质压缩变形和孔隙破坏，此时的进汞很大程度上是由于基质压缩引起而非孔隙进汞[21]；在韧性变形阶段，分形维值呈现揉皱煤大于鳞片煤(图7b)，随变形程度增强，揉皱煤的孔隙形态要比鳞片煤更复杂。脆性序列构造煤(碎裂煤、片状煤和碎斑煤)在高压段的分形维值均高于低压段的分形维值，表明脆性变形作用使得纳米孔形态趋于复杂，这与煤体本身发育宏观裂隙有密切关系[14]。韧性序列构造煤随变形程度增强，揉皱煤的分形维数大于鳞片煤的分形维值，可见不论在低压段还是高压段，韧性变形对煤孔隙结构的改造更为明显。总体来看，高压段构造煤分形维值分布范围(2.774～3.233)比低压段构造煤分形维值分布范围(1.349～2.427)高，且高压段存在构造煤分形维值大于3的现象，说明在高压段下，煤体变形程度更复杂，渗流孔复杂程度高，孔隙结构具有较强的非均质性。
5 结 论
1)构造煤类型主要有碎裂煤、片状煤、碎斑煤、鳞片煤和揉皱煤5种，显微尺度上表现出了明显的差异性，煤岩中主要发育微孔和大孔。
2)碎裂煤微孔孔隙形态以半封闭孔为主，大孔以开放孔为主；片状煤微孔和大孔的孔隙形态以发育半封闭孔和开放孔为主；碎斑煤微孔孔隙形态以半封闭孔为主，大孔中开放孔较发育，存在细瓶颈孔；鳞片煤微孔形态以半封闭孔为主，大孔以开放孔和细瓶颈孔为主；揉皱煤微孔和大孔均以半封闭孔和细瓶颈孔发育为主。
3)在低压段(0.01～0.69 MPa)，脆性序列构造煤分形维数变化规律为碎斑煤>片状煤>碎裂煤；韧性序列揉皱煤分形维数大于鳞片煤分形维数。在高压段(0.31～8.84 MPa)，脆性序列构造煤碎裂煤分形维数最大；韧性序列揉皱煤分形维数大于鳞片煤分形维数。高压段分形维数整体高于低压段分形维数，表明高压段煤体变形程度更复杂，渗流孔复杂程度高，孔隙结构具有较强的非均质性。
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