韧性变形系列构造煤结构特征及其瓦斯特性研究

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选取强变形煤较为发育的宿县矿区(主要为朱仙庄矿和桃园矿)为研究区,在深入分析矿区及矿井构造发育特征的基础上,系统采集不同变形程度的韧性变形系列构造煤样。通过构造煤宏、微观变形特征、压汞和低温液氮法孔隙结构、渗透率测试和甲烷等温吸附等分析与测试,分析了不同类型韧性变形系列构造煤孔裂隙结构特征及吸附、渗流等瓦斯特性,揭示了不同类型韧性变形系列构造煤孔裂隙结构系统对瓦斯吸附、渗流等特性的控制作用,取得如下主要成果或认识。(1)深入探讨了宿县矿区不同类型韧性变形系列构造煤宏、微观变形特征及其演化特征。将宿县矿区韧性变形系列构造煤变形由弱到强划分为脆韧性过渡型鳞片煤和韧性变形系列揉皱煤、糜棱煤等类型。不同类型韧性变形系列构造煤宏、微观变形以发育一定的韧性剪切和韧性流变为特征。手标本尺度上韧性变形系列构造煤主要表现为原生层理不可见,煤体次生线理、面理构造发育,透镜状、扭曲片状块体定向排列呈现出揉皱形态,强滑动摩擦面发育等;镜下可见显微煤岩组分发生揉皱变形,圆弧形劈理面或剪切破裂面发育并相互组合将煤体切割为鳞片状、透镜状块体,煤岩碎基定向排列或相互组合而呈揉皱形态等韧性变形特征。鳞片煤以圆弧状滑动摩擦面相互交切表现出鳞片结构为主要变形特征,揉皱煤煤体不同程度发育揉皱形态及次生面理、线理构造,随变形程度增加,揉皱形态呈小型化、紧闭化和复杂化的趋势;糜棱煤以糜棱质煤颗粒大量发育并发生基质碎粒流动为主要变形特征。(2)揭示了韧性变形系列构造煤孔隙结构特征及其演化规律。韧性变形系列构造煤总孔容相比于原生结构煤显著增加,由鳞片煤到糜棱煤,随着变形增强,表现出“先缓降后陡增”的变化规律,糜棱煤处出现大幅增加并达到最大值;鳞片煤、揉皱煤及糜棱煤主要发育孔径段分别为“大孔”、“中孔及大孔”及“中孔及小孔”,随韧性变形增强,孔容增加部分对应孔径有逐渐减小的趋势。韧性变形系列构造煤孔隙总比表面积相比于原生结构煤显著增加,以2-40nm孔径段孔隙比表面积增幅最为明显,随变形程度增加而增大,最大值多出现在强变形揉皱煤或糜棱煤处。韧性变形系列构造煤相比于原生结构煤孔隙复杂程度明显增加,从鳞片煤到糜棱煤,随韧性变形增强,阶段孔容分形维数及孔隙弯曲性系数等明显增加,汞滞留现象和氮气吸附回线逐渐明显。(3)深入探讨了韧性变形系列构造煤的甲烷吸附特性。韧性变形系列构造煤最大甲烷吸附量(朗格缪尔体积VL,daf)大于原生结构煤,但增幅不甚明显,最大值多出现在强变形揉皱煤或糜棱煤处;朗格缪尔压力PL,daf数据分布较为分散,糜棱煤处出现较为明显的下降。甲烷最大吸附量主要与微孔、小孔段孔比表面积、孔容及小孔段孔隙复杂程度呈正相关;朗格缪尔压力主要与裂隙发育程度、孔隙总孔容、总比表面积等呈负相关,而与100μm以上煤岩碎粒占比呈正相关。(4)系统分析了韧性变形系列构造煤的渗透性特征。韧性变形系列构造煤柱样渗透率一般明显小于原生结构煤,但数据分布较为分散,非均质性明显;加卸载过程中煤样渗透率损害及恢复速率总体呈“鳞片煤>弱变形揉皱煤>原生结构煤>强变形揉皱煤>糜棱煤”的变化规律,渗透率损害率则表现出“弱变形揉皱煤>原生结构煤>强变形揉皱煤及糜棱煤”的变化规律。渗透率主要与微米级裂隙发育程度、10-100μm碎粒占比、总孔容(小孔和中孔为主)等呈正相关,而与孔隙弯曲性系数、排驱压力、阶段孔容分形维数等呈负相关;加卸载过程中渗透率变化速率及渗透率损害率主要与宏、微观裂隙发育特征、煤体碎块特征、小孔及中孔孔容等表现出较好的相关性。
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