逆断层区域煤体孔隙结构及瓦斯吸附解吸特征研究

周 睿，程晓之，苏伟伟，朱 蕾

（1.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014399）

地质构造作为影响瓦斯赋存的主要因素[1-2]，不仅直接控制瓦斯的生成环境，而且影响煤体的孔隙结构及吸附解吸特征[3-4]。其中，逆断层作为一种常见的地质构造表现形式，受水平应力挤压而成的特点往往导致其具有一定的压扭性和封闭性，对煤体内部瓦斯起到封闭作用，造成构造影响区域内煤体透气性较差，瓦斯运移相对困难，进而造成瓦斯积聚[5-8]。大量煤炭开采实践表明，逆断层构造区一直是瓦斯灾害发生的重点区域[9-12]，因此，研究逆断层构造影响区域煤体孔隙结构及瓦斯吸附解吸特征，对于开展矿井瓦斯灾害综合防治、保障煤矿安全高效生产具有很强的指导意义[13-19]。可以看出，目前的研究一般不对造成煤体影响的构造类别进行划分，直接分析构造煤的相关特征，但由于各种构造在形成过程中应力作用不同，导致其孔隙结构以及瓦斯吸附吸解规律难免存在一定的差别；同时在逆断层不同影响程度下煤层的孔隙结构以及瓦斯吸附吸解规律呈现怎样的规律也需要分析。因此，有必要针对逆断层不同影响程度下的煤层孔隙结构以及瓦斯吸附吸解规律进行有针对性的研究，探寻逆断层影响区域内煤体瓦斯相关特征。

1 试验矿区地质条件及煤样采集

1.1 试验矿区地质条件

贵州新春煤矿位于贵州省桐梓县城以西，设计生产能力90万t/a，服务年限62年。矿井主采C5煤层，煤层厚度为1.50～2.87 m，煤层倾角3°～12°。1503工作面位于矿井东南部，采深300～420 m，采煤方法为走向长壁采煤法。1503工作面回采区域存在F4逆断层，断层倾角60°，长度195 m，断距0～6 m，平均4 m。为了分析逆断层对煤层瓦斯赋存的影响，在1105底抽巷布置5个瓦斯含量测点，1503工作面示意图如图1。

图1 1503工作面示意图Fig.1 Diagram of 1503 working face

将井下测试的瓦斯解吸量、实验室测试的瓦斯残存量以及推算的瓦斯损失量三者相加，可求出煤体原始瓦斯含量，瓦斯含量测试结果见表1。

表1 瓦斯含量测试结果Table 1 Test results of gas content

由表1可以看出，测点4到测点1，瓦斯含量表现出逐渐增大的变化趋势，瓦斯含量在测点1最大，达到13.24 m3/t，在测点4最小，仅为8.56 m3/t。

1.2 煤样采集与制备

在1503回采工作面区域距离F4逆断层分别为10 m和40 m位置选取煤样，标记为K3和K2，在不受F4逆断层影响的回风斜井区域选取煤样（距离逆断层约200 m），标记为K1。采样后立即进行密封保存，并送至煤矿安全技术国家重点试验室制备，以防止煤样氧化和水分的蒸发。煤样加工处理的方法和制备试样的规范性将直接影响试验结果的准确程度，针对不同的试验，制取的煤样也有不同的要求，为了开展煤体微观结构、孔容、比表面积和瓦斯吸附解吸试验，需要选择制备不同特征参数的煤样。其中针对低温液氮吸附试验，采用60～80目（180～250 μm）的筛网筛选煤样，每个煤样称重50 g，然后在真空干燥箱中以80℃的温度干燥6 h后，放入磨口瓶中加签密封备用；针对煤体吸附解吸试验，采用1～3 mm的筛网筛选煤样，每个煤样称重400 g，然后在真空干燥箱中以80℃的温度干燥6 h后，放入磨口瓶中加签密封备用。

2 逆断层影响区域煤体孔隙结构特征

2.1 低温液氮吸附试验结果

比表面积和孔隙分布是评价多孔材料活性、吸附等多种性能的重要参数，测试中普遍采用液氮在较低温度下发生物理吸附的特性来进行测定，试验采用煤矿安全技术国家重点试验室的ASAP2020M比表面及孔径分析仪进行测试。在3个位置分别选取煤样2份，共6份，编号分别为K3YD-1和K3YD-2，K2YD-1和K2YD-2、K1YD-1和K1YD-2、每份6 g，煤样孔隙结构低温液氮吸附测试结果见表2。

表2 煤样孔隙结构低温液氮吸附测试结果Table 2 Test results of low temperature liquid nitrogen adsorption on pore structure of coal samples

通过表2可以看出，6个试样各孔径段孔容以中孔和小孔为主、比表面积基本以小孔为主。受逆断层构造影响，K1YD-1和K2YD-2的孔容和比表面积均最小，K2YD-1、K2YD-2和K3YD-1、K3YD-2试样的孔容和比表面积均有一定程度的增加，并且受逆断层构造影响最为严重的K3YD-1、K3YD-2试样的孔容和比表面积最大；因此可以得出，逆断层构造对煤体的孔容和比表面积有一定影响，并且与逆断层越近，影响程度越大。其中6个试样的微孔的比表面积分别为19.46%、17.37%、13.99%、14.48%、3.04%、1.28%，得出随着逆断层影响程度的增加，试样微孔的比表面积占比有均一定程度的提高，结合前人研究[20]，微小孔作为煤体的主要吸附孔之一，其比表面积占比的改变将直接影响着瓦斯吸附的能力。通过以上分析可以看出，逆断层构造不仅通过构造应力改变了煤层的赋存条件，提高了煤体中的裂隙发育程度，同时增加了煤体的孔容和比表面积，从而对煤体瓦斯的吸附、解吸等特性造成影响。

2.2 煤层孔隙类型

3组试样低温液氮吸附回归曲线如图2。

图2 3组试样低温液氮吸附回归曲线Fig.2 Regression curves of liquid nitrogen adsorption in three groups of samples

由图2可以看出，在初始阶段液氮吸附量逐渐增加，这是由于微孔孔隙中氮气分子开始填充造成的；之后吸附曲线开始增长，表明氮气分子在煤样孔隙表面完成了单分子层吸附后开始多分子层吸附，当相对压力p/po接近于1时（p为氮气分压，po为液氮温度下氮气的饱和蒸气压），吸附速率变快，液氮吸附量显著增加，吸附曲线近似成一条上升的直线，表明孔隙内部发生了毛细凝聚。并且，同一压力条件下，K3YD-1和K3YD-2煤样的氮吸附量最大，K1YD-1和K1YD-2煤样的吸附量较小，验证了煤样的比面积越大，吸附量越大的变化规律。3种煤样在相对压力为0.4～0.5的区域内均存在轻微的拐点，说明煤样中存在墨水瓶孔，孔隙系统复杂。

3 逆断层影响区域煤体瓦斯吸附解吸特征

在逆断层构造影响下，煤体的微观结构、孔隙特征、比表面积、孔容等参数均将发生一定改变，这些变化在工程应用中的直观体现即是改变了煤体的瓦斯吸附解吸特征，如果煤体瓦斯吸附能力增大，意味着瓦斯含量更高，发生煤与瓦斯突出灾害的危险性随之加大。因此，在3个位置分别选取K3XF、K2XF和K1XF共3组试样开展瓦斯吸附解吸规律研究。

3.1 瓦斯吸附特征

为了研究逆断层构造对煤体试样吸附瓦斯性能的影响，注入初始瓦斯压力2.50 MPa，3组试样吸附瓦斯曲线变化规律如图3，3组试样瓦斯吸附计算结果见表3。

图3 3组试样吸附瓦斯曲线变化规律Fig.3 Gas adsorption curves of three samples

表3 瓦斯吸附计算结果Table 3 Calculation results of gas adsorption

综合图3和表3可以得出，初始注入相同的瓦斯量后，煤样开始吸附瓦斯，罐体内游离瓦斯量逐渐减少，显示压力逐渐降低，但3组试样在不同阶段的吸附瓦斯速率和吸附瓦斯累计量具有明显差异；并且K3XF、K2XF和K1XF试样最终吸附瓦斯平衡后压力分别为1.07、1.45、1.67 MPa，下降幅度分别为57.2%、42.0%和33.2%，距离逆断层最近的K3XF试样吸附瓦斯量最大，吸附速率最快，同时达到吸附平衡时间最短，表明其吸附性能相对最强；不受逆断层构造影响的K1XF试样吸附瓦斯量最小，吸附速率最慢，同时达到吸附平衡时间最长，表明其吸附性能相对最弱。因此可以看出，3组试样虽为同一煤田的同号煤层，但因与逆断层构造距离不同，其受逆断层构造应力的影响强度也不尽相同，距离断层越近，煤体受构造应力作用越突出，造成煤体破坏程度越大，煤体内的比表面积和体内有效沟通的孔隙或裂隙越发育，进而影响煤对瓦斯的吸附能力。

3.2 瓦斯解吸特征

分别在0.6、1.0、2.0 MPa 3种瓦斯压力条件下开始瓦斯解吸试验，不同初始吸附平衡压力下瓦斯吸附/解吸数据见表4。

表4 不同初始吸附平衡压力下瓦斯吸附/解吸数据Table 4 Gas adsorption/desorption data under different initial adsorption equilibrium pressures

由表4可以看出，随着瓦斯吸附平衡压力的升高，吸附瓦斯量越大，同时其前60 min的瓦斯累计解吸量也越大，但累计解吸率相对越小。以K2XF煤样为例，其在初始瓦斯吸附平衡压力分别为0.60、1.00、2.00 MPa的条件下，吸附瓦斯量分别为6.65、11.77、15.08 m3/t，前60 min累计瓦斯解吸量分别为4.66、7.59、9.11 m3/t，而累计解吸率却从70.08%下降至60.41%，前60 min累计瓦斯解吸率变化规律异于瓦斯吸附量和瓦斯解吸量的变化规律，由此说明煤体内储存的瓦斯压力越大并不能直接反应到单位时间内的瓦斯解吸程度，该试样由于受到逆断层构造应力的改造，原有封闭型孔隙被打开，比表面积增大，瓦斯吸附量随之增加，而解吸率指标的异常证明封闭孔隙虽被打开，能够允许瓦斯分子进入孔隙内部，但其孔隙网络并没有实现充分疏通，解吸程度仍受到一定抑制，其解吸率存在延缓现象。

K2XF试样在不同平衡压力下前60 min的解吸规律如图4。由图4可以看出，吸附平衡压力对试样的瓦斯解吸具有明显的影响，试样随着瓦斯平衡压力增加，同时段内瓦斯解吸量均增大，试样的瓦斯解吸初速度与平衡压力成正比，即压力越高，解吸初速度越大。

图4 K2XF试样在不同平衡压力下前60 min解吸规律Fig.4 Desorption rule of K2XF sample in the first 60 minutes under different equilibrium pressures

3组试样不同平衡压力下前60 min瓦斯解吸规律如图5。由图5可以得出，3组试样的瓦斯解吸量均随着平衡压力的升高而增大，并且当瓦斯解吸量达到一定值时，其解吸速度逐渐降低，解吸曲线趋于平缓，瓦斯解吸量趋于饱和。在相同的解吸平衡压力下，K3XF试样的瓦斯解吸量相对最大，解吸性能相对最强；K1XF试样的瓦斯解吸量相对最小，解吸性能相对最弱；说明距离逆断层构造越近，破坏越严重，煤体内孔隙结构被改造的程度越大，进而导致了煤体解吸量的提高。并且，测试结果揭示出不同试样在相同初始瓦斯吸附平衡压力下，瓦斯吸附量越大，前60 min的累计瓦斯解吸量也越大，累计瓦斯解吸率也越大。可以得出，煤体距离逆断层越近，受到影响越为显著，其瓦斯吸附和解吸的能力均得到增强；而不受逆断层影响的原始煤体，其瓦斯吸附和解吸的能力相对较弱。吸附瓦斯量是反映煤体吸附能力最直观的定量指标，比表面积是决定吸附瓦斯量的微观指标，逆断层附近试样孔隙特性的变化虽不能改变煤的变质程度，但构造应力作用能够打开煤体封闭孔隙，提高有效比表面积，扩大煤层有效吸附位，进而促升煤样吸附瓦斯量；另外，逆断层构造应力宏观上的改造也促使煤体内孔隙疏通，提升内部孔隙网络的连通性，从累计解吸量和累计解吸率指标可以看出，煤体距离逆断层越近，煤的破坏程度越高，煤体内的孔隙连通性能越好，越有利于瓦斯解吸。

图5 3组试样不同平衡压力下前60 min瓦斯解吸规律Fig.5 Gas desorption rules of three samples in the first 60 minutes under different equilibrium pressures

4 结语

1）选取与逆断层不同距离煤体开展低温液氮试验，得出逆断层构造改变了煤体裂隙发育程度，导致煤体部分封闭孔隙打开，增加了煤体的孔容和比表面积，并且随着与逆断层距离的较小，逆断层对煤体孔容和比表面积的作用越来越大；通过观测煤样吸附回归曲线得出，3种煤样在相对压力为0.4～0.5的区域存在拐点，说明煤样中存在墨水瓶孔，孔隙系统较为复杂。

2）选取与逆断层不同距离煤体开展瓦斯吸附试验，得出同一煤层因与逆断层构造距离不同，导致其瓦斯吸附性能也不同，其中与逆断层最近的煤体瓦斯吸附性能相对最强，瓦斯吸附瓦斯量最大，吸附速率最快，同时达到吸附平衡时间最短，而距离逆断层最远的煤体不受逆断影响，瓦斯吸附性能相对最弱。

3）选取与逆断层不同距离煤体开展瓦斯解吸试验，得出瓦斯解吸量均随着平衡压力的升高而增大，并且当瓦斯解吸量达到一定值时，其解吸速度逐渐降低，解吸曲线趋于平缓，瓦斯解吸量趋于饱和。在相同的解吸平衡压力下，距离逆断层最近的煤体破坏越严重，煤体内孔隙结构被改造的程度越大，进而导致了煤体解吸量的提高，造成瓦斯解吸量相对最大，解吸性能相对最强。