戚灵灵，周晓庆，彭信山，王兆丰，代菊花

（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000；4.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000）

煤是一种复杂的多孔介质，其孔隙结构影响煤层瓦斯吸附解吸和渗透特性，研究煤层孔隙特征对煤与瓦斯突出防治具有重要意义[1-3]。平顶山十二矿储有丰富的焦煤，是平顶山炼焦煤基地之一。随着开采深度逐渐加深，煤层瓦斯灾害日趋严重[4]。低温液氮吸附法和压汞法是目前常用以进行孔隙结构特征测试的实验方法[5]。杨明等[6]采用氮吸附-压汞-核磁共振联合对中阶煤孔隙结构进行了研究，得到煤储层以微小孔为主、其次为中孔、大孔最少，微小孔为比表面积与孔容积的主要贡献者，压汞法与液氮吸附法测试煤样孔径分布的结果有明显差异；刘彦伟等[7]采用低温液氮吸附法研究了中高阶煤孔隙结构的演化规律，讨论了不同煤阶的孔隙结构特征和分形规律特性，结果表明煤体表面粗糙度与煤级呈正相关关系，煤体孔隙结构复杂性与煤级呈负相关关系；曾宏斌等[8]采用低温氮吸附法和高压压汞法全面表征了钱江凹陷钱江组页岩油藏的孔隙结构特征，结果表明页岩最发育的孔隙主要集中在2～180 nm 孔隙，滞留烃主要赋存在2～100 nm 孔隙内，矿物组成是影响页岩纳米级孔隙体积和滞留烃赋存空间的主要内因；Hitchcock 等[9]通过将气体吸附与汞侵入相结合，对墨水瓶形状的孔进行交叉扫描，发现2 种方法结合可以提高孔隙表征灵敏度和准确性；颜志丰等[10]采用低温氮和压汞法对沁水盆地高家庄区块煤储层孔隙特征展开研究，得到不同类型孔隙特征发育程度相近，该区块煤样中微孔表面积差异巨大，小孔表面积差异也较大。因此，为有效提高煤样孔隙结构特征测试准确性，采用低温液氮吸附法和压汞法相结合来研究平顶山深部焦煤孔隙结构特征，为明确深部煤层瓦斯赋存状态及瓦斯突出规律，减少瓦斯灾害事故奠定坚实基础，从而有效提高平顶山深部煤层瓦斯突出防治技术水平。

1 样品及实验方法

1.1 实验样品

实验煤样选用平顶山十二矿主采煤层己15 煤层的软煤和硬煤，煤系为山西组（二煤段），属于低挥发分中等黏结性烟煤，煤种为焦煤。煤层倾角为1°～6°，工作面煤厚差异大，厚度在1～5.5 m 之间，属于薄-中-厚煤层。2 种煤样均采自新鲜裸露的采掘工作面，放入煤样罐带回实验室粉碎制样，筛选出0.18～0.25 mm 和3～6 mm 的煤样各10 g，分别进行低温液氮吸附实验和压汞实验，另外选取10 g 粒度为0.18～0.25 mm 的煤样进行工业分析。煤样基本参数见表1。

表1 煤样基本参数Table 1 Basic parameters of coal samples

1.2 实验方法

1）低温液氮吸附法。实验采用ASAP2020 比表面积与孔隙度测试仪。选取筛分的0.18～0.25 mm 软煤和硬煤各3～4 g 放入烘箱，在105 ℃烘干2 h，待冷却至室温后进行低温液氮吸附实验。实验选用99.999%高纯液氮，温度为液氮温度，测量孔径范围为0.3～300 nm。将样品进行脱气，设置预设参数，在杜瓦瓶中进行分析处理，根据不同压力下的吸附量得到煤样吸附等温线。

2）压汞法。实验采用AUTOPOREⅣ9505 型压汞仪，压力范围为0～228 MPa，孔径测量范围为5.5 nm～360 μm。选用3～6 mm 软煤和硬煤各5 g，105℃烘干2 h，冷却至室温后进行压汞实验。汞的表面张力取0.485 N/m，汞与样品接触角为130°，汞密度为13.533 5 g/mL。

采用低温液氮吸附法和压汞法进行孔隙结构分析时，常用B B 霍多特孔隙分类方法，即：微孔（＜10 nm）、小孔（10～102nm）、中孔（＞102～103nm）、大孔（＞103～105nm）、可见孔及裂隙（＞105nm）[11-12]。

2 低温氮吸附曲线

平顶山软硬煤样吸脱附等温线如图1，图中p/p0为相对压力；p 为气体平衡压力；p0为气体饱和蒸汽压力。

图1 平顶山软硬煤样吸脱附等温线Fig.1 Adsorption and desorption isotherms of Pingdingshan soft and hard coal samples

N2吸附机理是可逆的范德华物理吸附，在吸附过程中，存在从单层吸附到多层吸附的过渡[13]。由图1 可知，软硬煤的曲线总体趋势非常相似，都有吸附回环，主要集中在p/p0>0.5 区域，2 种煤吸附等温线均符合IV 型等温线。煤吸/脱附曲线利用氮气在凝聚与蒸发过程中，产生不同相对压力，形成相应的滞后环，从而反映孔隙发育形态[14-15]。将2 种煤吸附/脱附等温线分为A 区（0

3 压汞实验结果

平顶山软硬煤进退汞曲线如图2。由图2 可知，软硬煤进汞量差异不大，形态上存在微小差异。从施加压力开始，软煤和硬煤进汞量呈持续增加趋势，说明可见孔、裂隙、大孔直至微孔各个阶段的孔对孔体积都有贡献，孔隙分布范围很宽。当进汞压力小于0.01 MPa 时，软硬煤进汞量均急剧增加，汞主要侵入孔径大于46 000 nm 的可见孔及裂隙，其中硬煤进汞量要高出软煤许多，说明孔径在可见孔及裂隙范围内，硬煤大孔径孔隙体积多于软煤。当进汞压力在0.01～4 MPa 范围内，所对应孔径是300～46 000 nm，软硬煤进汞量持续增加，但增加量明显减缓，硬煤孔体积始终高于软煤孔体积。随着压力持续增加，软硬煤进退汞曲线基本重合，这说明软硬煤300 nm 以下孔径分布基本一致。退汞时，由于开放型孔及软煤中墨水瓶结构孔的存在，压力降低，该压力所对应孔径大于进汞时同一压力对应孔径，这是由于汞从孔隙中退出的体积小于相同压力下汞进入孔隙的体积，孔隙里总能滞留一部分汞，使其不能完全从孔隙中排出，造成滞后现象，即进汞曲线和退汞曲线不重合[17]。

图2 平顶山软硬煤进退汞曲线Fig.2 Mercury advance and retreat curves of Pingdingshan soft and hard coal samples

平顶山焦煤煤样孔体积及其分布见表2。平顶山焦煤煤样比表面积及其分布见表3。

由表2 和表3 可知，硬煤中孔对孔体积贡献较少，可见孔及裂隙体积较多，其余孔体积分布较均匀，软煤与硬煤孔体积分布基本趋于一致，这种“两头大中间小”的孔径分布特征容易在中孔孔径段造成渗流瓶颈现象，从而降低煤体的渗透性[18]。2 种煤样比表面积规律性相同，各个孔径段比表面积分布占比基本一致，微孔小孔贡献了主要比表面积，构成了较大的瓦斯储集空间。煤样中孔、大孔、可见孔贡献的比表面积可以忽略不计，且小孔在比表面积和孔体积中所贡献比例基本一致。

表2 平顶山焦煤煤样孔体积及其分布Table 2 Pore volume and distribution of Pingdingshan coking coal samples

表3 平顶山焦煤煤样比表面积及其分布Table 3 Specific surface area and distribution of Pingdingshan coking coal samples

平顶山焦煤累计孔面积和阶段孔面积与孔径分布如图3，平顶山焦煤累计孔体积和阶段孔体积与孔径分布如图4。

图3 平顶山焦煤累计孔面积和阶段孔面积与孔径分布Fig.3 Pore area and pore size distribution in accumulative pore area stage of Pingdingshan coking coals

图4 平顶山焦煤累计孔体积和阶段孔体积与孔径分布Fig.4 Cumulative pore volume and stage pore volume with pore size distribution of Pingdingshan coking coals

从图3、图4 可以发现，平顶山软煤和硬煤孔径分布较为一致。软硬煤样阶段孔面积峰值主要集中在微孔和小孔阶段，对比表面积贡献较大，其中软煤在微孔范围内出现多个峰值，表明软煤微孔发育贡献更多吸附面积。煤样阶段孔体积呈“两极化”分布，孔隙分级发育不系统，微孔、小孔、大孔和可见孔及裂隙占比较大，中孔比例较少；微孔、小孔贡献了焦煤主要比表面积，焦煤气体储集量大，但是由于中孔较少，孔隙系统性差，扩散外运通道不畅通，容易造成局部“憋气”现象[19]。

4 压汞法孔隙分形特征

用压汞法进行孔隙结构参数测定时，基于非润湿毛细原理推导出的wasburn 方程，得到进汞平衡时进汞压力与孔径的函数关系式：

式中：p 为进汞压力，MPa；σ 为汞的表面张力，通常取0.485 N/m；β 为汞和煤壁之间的接触角，取130°；r 为孔径，nm。

根据Menger 海绵模型建立多孔介质dV/dp 与分形维数D 的方程对孔隙结构分形特征进行分析，如式（2）：

分形维数是用来表示多孔介质不规则性和复杂程度的一种方法，分形维数介于2～3 之间；分形维数接近于2，孔隙越光滑；分形维数越接近于3，孔隙结构越复杂，表面越粗糙。

将压汞实验得到的进汞体积和进汞压力做对数处理进行拟合，根据式（2），lg（dV/dp）与lgp 之间存在线性关系，即得到分形维数D 和斜率K 之间的关系式：

根据图2 煤样进汞曲线绘出lg（dV/dp）与lgp散点图，软硬煤lg（dV/dp）与lgp 坐标示意图如图5。lg（dV/dp）与lgp 之间关系可以划分为2 个阶段，2个阶段分界点为渗流孔和扩散孔交界处。孔径小于95 nm 为扩散孔，孔径大于95 nm 为渗流孔。软硬煤孔隙分形维数见表4。

图5 软硬煤lg（dV/dp）与lg p 坐标示意图Fig.5 Coordinate schematic diagrams of lg（dV/dp）of soft and hard coals

由表4 可知，软煤渗流孔分形维数为2.891，硬煤渗流孔分形维数为2.625，拟合度均在0.9 以上，具有明显分形特征。软硬煤吸附孔分形维数均大于3，拟合度也在0.8 以上。一般情况下，煤体孔隙分形维数一般在2～3 之间，不过当压入煤体的汞压力大于10 MPa 时，煤基质由于压缩而发生变形，此时会出现孔隙分形维数大于3 的情况，但其仍是表征煤体孔隙特性的有效指标[20-21]。因此，从测试的吸附孔分形维数来看，微小孔仍具有一定的分形特征。总的来看，吸附孔分形维数普遍高于渗流孔分形维数，说明微小孔的孔隙结构更为复杂，不规则性较强。

表4 软硬煤孔隙分形维数Table 4 Pore fractal dimension of soft and hard coal

5 结 论

1）平顶山焦煤低温氮吸附-脱附等温线符合第Ⅳ型等温线，软硬煤吸附脱附曲线重合部分多，A 区多为不产生吸附回线一端封闭的不透气性孔，B 区中还有部分盲孔，C 区主要为四边开放平行板孔和两端开口圆筒形孔，软煤中还含有墨水瓶形孔。

2）在压汞法测试中，平顶山焦煤的软硬煤发育基本一致，中孔少，微孔小孔和大孔可见孔较多，煤样孔隙特征呈“两极化”分布，孔隙分级发育不系统，煤体渗透性较差。焦煤比表面积主要由微孔和小孔贡献，是瓦斯的主要吸附空间，可以储集大量的瓦斯。

3）在压汞法测试中发现孔径处于10～100 nm 的小孔所贡献比表面积基本与所贡献孔隙体积比例接近，这与微小孔多贡献于比表面积，大孔径孔隙多贡献于孔隙体积有所不同。

4）硬煤和软煤在低压端渗流孔的分形维数D1均具有较高的拟合度，在高压段吸附孔的分形维数D2大于3，渗流孔孔隙较为粗糙，微小孔的孔隙结构更为复杂。