構(gòu)造煤的鏡質(zhì)組光性組構(gòu)變化

構(gòu)造煤的鏡質(zhì)組光性組構(gòu)變化

煤炭是一種對(duì)應(yīng)力和反應(yīng)非常敏感的特殊巖石。在不同的應(yīng)力-反應(yīng)環(huán)境和構(gòu)造力的影響下，煤的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和光學(xué)特征發(fā)生了顯著變化，形成了不同結(jié)構(gòu)和類型的構(gòu)造煤。前人對(duì)構(gòu)造煤的概念及其特征進(jìn)行了較為深入的研究,并提出了不同的構(gòu)造煤分類方案,但這種分類是概略性的,僅僅是根據(jù)煤的碎裂程度進(jìn)行劃分,沒有涉及煤的變形性質(zhì)、應(yīng)力作用和變形環(huán)境等特征,沒能從本質(zhì)上揭示構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)演化機(jī)理。近年來,隨著煤層氣和礦井瓦斯地質(zhì)研究的不斷深入,構(gòu)造煤的變形機(jī)制及其結(jié)構(gòu)演化受到廣泛關(guān)注,尤其是煤的韌性變形特征更是受到高度重視,并將其作為構(gòu)造煤的一種重要變形系列。結(jié)合煤的變形特征和機(jī)制,提出了系統(tǒng)的構(gòu)造煤分類方案,并提出構(gòu)造煤是煤層在一定的變形環(huán)境下,受到應(yīng)力作用,致使原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造受到不同程度改造,從而具有不同變形特征的煤層或煤體;在變形的過程中,煤的物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)及其光性特征都會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化。構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)是瓦斯突出的危險(xiǎn)地帶之一,這已成為人們的共識(shí),不同構(gòu)造類型對(duì)煤變形及瓦斯賦存具有不同的控制機(jī)理,尤其是層滑構(gòu)造對(duì)煤變形和瓦斯的控制更是受到高度重視,瓦斯突出最危險(xiǎn)的地帶是具有韌性變形的軟弱煤分層;煤在變形過程中氣體的產(chǎn)生和突出現(xiàn)象已被高溫高壓實(shí)驗(yàn)所證實(shí),反映煤在變形過程中,當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí),由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致氣體的產(chǎn)生和積聚,但不同類型的構(gòu)造煤瓦斯特性存在一定差異,說明構(gòu)造煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)與瓦斯特性具有十分密切的內(nèi)在聯(lián)系。因此,從構(gòu)造煤化學(xué)結(jié)構(gòu)演化的角度,探討不同類型構(gòu)造煤的儲(chǔ)層物性及瓦斯特性已引起人們的高度重視,并進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。1實(shí)驗(yàn)研究的基本結(jié)論在煤田構(gòu)造研究中,發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤鏡質(zhì)組反射率與構(gòu)造應(yīng)力具有很好的相關(guān)關(guān)系,并將煤鏡質(zhì)組反射率光性組構(gòu)應(yīng)用于煤田構(gòu)造的應(yīng)力-應(yīng)變分析,使得有限應(yīng)變分析這一現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)定量研究方法在煤田淺層次脆性變形域得以應(yīng)用,極大地推動(dòng)了煤田構(gòu)造的定量研究。但是煤鏡質(zhì)組反射率光性組構(gòu)與應(yīng)力作用的密切聯(lián)系是偶然的地質(zhì)現(xiàn)象,還是受內(nèi)部微觀及化學(xué)結(jié)構(gòu)演化的控制是值得深入探討的問題。為了從本質(zhì)上揭示這一自然現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律,人們進(jìn)行了較為深入的探討和研究,其中煤變形的高溫高壓實(shí)驗(yàn)是一種重要的手段和方法。開創(chuàng)性的研究工作見于Bustin等在1986年的報(bào)道,研究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品在500℃和23%軸向應(yīng)變的情況下,鏡質(zhì)組最大反射率(Ro,max)發(fā)生旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)70°,即由最初與σ1近于平行轉(zhuǎn)到與σ1近于垂直的位置,從實(shí)驗(yàn)的角度證實(shí)了煤在變形過程中,鏡質(zhì)組反射率方向的變化及其與應(yīng)力作用的密切聯(lián)系,為煤鏡質(zhì)組反射率的有限應(yīng)變分析奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。鏡質(zhì)組反射率在應(yīng)力作用下的旋轉(zhuǎn)變化不斷被后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究所證實(shí),但在不同的變形環(huán)境和應(yīng)變強(qiáng)度條件下,旋轉(zhuǎn)角度是不同的,一般情況下,旋轉(zhuǎn)的角度與應(yīng)變的大小呈正相關(guān)關(guān)系,表明強(qiáng)變形構(gòu)造煤的光性組構(gòu)所反映的構(gòu)造應(yīng)力更為準(zhǔn)確;另外,實(shí)驗(yàn)顯示在較低煤級(jí)階段鏡質(zhì)組反射率主軸與應(yīng)力具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而不能反映煤級(jí)較高階段應(yīng)變橢球的對(duì)稱性;煤的單剪高溫高壓實(shí)驗(yàn)顯示,高溫和大應(yīng)變不僅可以使反射率值增大和各向異性增強(qiáng),并且Ro,max和Ro,min的重新旋轉(zhuǎn)定向可以作為構(gòu)造應(yīng)變的標(biāo)志物,進(jìn)一步探討了不同性質(zhì)應(yīng)力作用下,變形煤結(jié)構(gòu)演化的石墨化機(jī)理。變形煤的光性變異是一種較為直觀的微觀現(xiàn)象,不同變形環(huán)境和應(yīng)力作用條件下,變形煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)演化與鏡質(zhì)組反射率變異的耦合機(jī)理是值得深入研究的科學(xué)問題之一。為了探討變形煤鏡質(zhì)組反射率演化的內(nèi)在機(jī)理,姜波等對(duì)較為系統(tǒng)的高溫高壓實(shí)驗(yàn)煤樣(表1)采用多種方法進(jìn)行了化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究。1.1結(jié)構(gòu)演化趨勢(shì)X射線衍射(XRD)是研究煤基本結(jié)構(gòu)單元(BSU)和大分子結(jié)構(gòu)的有力手段。BSU結(jié)構(gòu)主要包括芳香層片面網(wǎng)間距(d002)、堆砌度(Lc)、堆砌層數(shù)(N)和延展度(La)等主要參數(shù)。通過10個(gè)高溫高壓實(shí)驗(yàn)樣品和3個(gè)原始樣品BSU參數(shù)的測(cè)定及分析,顯示BSU結(jié)構(gòu)參數(shù)與鏡質(zhì)組反射率演化具有較為密切的關(guān)系(圖1)。隨著變形環(huán)境和變形程度的增加,實(shí)驗(yàn)變形煤的鏡質(zhì)組Ro,max都有不同程度的增加,而隨著Ro,max的增加,實(shí)驗(yàn)樣品的d002具有減小的總體變化趨勢(shì),但減小的幅度并不是均一的(圖1A),d002的減小趨勢(shì)在Ro,max<4%階段十分明顯,在Ro,max=4%~5%的階段基本保持穩(wěn)定,而當(dāng)Ro,max>7%時(shí)急劇減小;另外,d002的演化除與Ro,max的變化有關(guān)外,還受到應(yīng)變量的制約,應(yīng)變?cè)酱?d002減小就越顯著。大分子基本結(jié)構(gòu)單元堆砌度(Lc)隨Ro,max增加而呈現(xiàn)出增大的總體演化趨勢(shì)(圖1B),但Lc的煤化趨勢(shì)也并非是線性的,其間存在著突變(或階躍)點(diǎn),隨Ro,max的增大,Lc逐漸增加,這一趨勢(shì)在Ro,max<2.15%階段尤為明顯,其后,Lc增加緩慢,直至Ro,max=5%左右,趨勢(shì)線呈平緩狀上升。一個(gè)特殊樣品的Ro,max從4.26%迅速增大到7.13%,Lc急劇增大到26.535nm,比原始樣品幾乎增加了70倍。由此進(jìn)一步揭示,變形煤中鏡質(zhì)組Ro,max的增大是基本結(jié)構(gòu)單元有序度增強(qiáng)的反映,即基本結(jié)構(gòu)單元的大小和有序度是控制反射率特征的重要因素。隨著Ro,max的增大,單元延展度(La)也同樣表現(xiàn)為逐漸增大的變化趨勢(shì)(圖1C),另外,La的變化還與變形強(qiáng)度有較好的關(guān)系,變形越強(qiáng),La的增長就越顯著。以上變形煤BSU的結(jié)構(gòu)演化趨勢(shì)顯示,變形煤XRD參數(shù)的演化與Ro,max密切相關(guān),即反射率特征是煤結(jié)構(gòu)演化的重要物理表征。在影響煤結(jié)構(gòu)的諸多變形因素中,變形強(qiáng)度直接控制了煤結(jié)構(gòu)的演化,應(yīng)力作用(尤其是擠壓或剪切應(yīng)力)則是影響變形程度的最重要的因素之一,小的應(yīng)變速率和大的變形程度均有利于基本結(jié)構(gòu)面網(wǎng)間距的減小和單元延展度及堆砌度的增長。1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在煤化作用過程中,有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)中的雙鍵受熱發(fā)生均裂,形成不成對(duì)電子而構(gòu)成順磁中心,使煤成為一種順磁物質(zhì),電子順磁共振技術(shù)在煤和干酪根結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮了重要作用。研究表明,自由基濃度(Ng)隨煤化程度的增加而增大,但達(dá)到一定階段后又急劇下降,演化至石墨時(shí),Ng等于零;線寬(ΔH)一般隨煤化作用的增強(qiáng)變窄。高溫高壓實(shí)驗(yàn)變形煤樣最大反射率(Ro,max)的變化與自由基濃度的演化密切相關(guān),并且具有較好的規(guī)律性。高溫高壓實(shí)驗(yàn)變形煤樣最大反射率(Ro,max)的變化與Ng和ΔH的演化密切相關(guān),并且具有較好的規(guī)律性。Ng的演化以實(shí)驗(yàn)較為系統(tǒng)的4號(hào)樣品為例(圖2A),隨著Ro,max的增大,Ng表現(xiàn)出由減小到增加的變化趨勢(shì),轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于Ro,max=1.72%處。與原樣相比,實(shí)驗(yàn)樣品的Ng值都有不同程度減小,有別于正常煤化系列在中級(jí)無煙煤之前,Ng隨煤化程度的增高而增大的演化規(guī)律。這種差別顯然可能與變形環(huán)境和應(yīng)力作用對(duì)煤化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響有關(guān),Ng依次減小的試樣順序?yàn)?-5→4-4→4-1,在變形的溫壓條件方面也是以這一順序依次遞減的(表1),反映了高的溫壓條件有利于Ng增大,這與正常煤化系列隨煤化程度的增高,Ng逐漸增大的規(guī)律是近于一致的。但Ng與最大反射率的關(guān)系卻出現(xiàn)了逆向演化的特點(diǎn),說明Ng的變化除與正常的地溫和地壓梯度有關(guān)外,對(duì)于變形煤來講,應(yīng)力作用和煤本身的變形特征也是不容忽視的因素。上述3個(gè)試樣的應(yīng)變和應(yīng)變速率均小于Ng呈上升趨勢(shì)的4-3和4-2試樣,反映了大應(yīng)變和大應(yīng)變速率有利于Ng增長的特點(diǎn)。從4號(hào)試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,應(yīng)變超過10%以后,Ng由降低轉(zhuǎn)為增加。至于Ng的總體降低,可能與試樣中局部石墨化作用有關(guān)。其他實(shí)驗(yàn)樣品中,Ng的演化也有類似的特征,說明應(yīng)變環(huán)境與應(yīng)變和應(yīng)變速率對(duì)Ng的演化具有綜合性的影響,在一定條件下,應(yīng)變和應(yīng)變速率的影響可能更為重要。實(shí)驗(yàn)變形煤的線寬(ΔH)在不同煤級(jí)的實(shí)驗(yàn)樣品中具有不同的演化特征,其中在中煤級(jí)樣品中變化的幅度較小,而高煤級(jí)試樣與原樣相比,ΔH則顯著減小(圖2B)。ΔH總的變化趨勢(shì)是隨著最大反射率的增大而減小,尤其是Ro,max=2%~4.5%的階段最為顯著?？傮w來看,較高的溫度和壓力均促使ΔH減小,尤其是在中煤級(jí)煤中更為顯著,對(duì)ΔH的演化幾乎起到了決定性的作用。高煤級(jí)煤ΔH的演化具有階段性,變形的初始階段,ΔH快速減小,到一定階段后,基本趨于穩(wěn)定。其次,低的應(yīng)變速率和強(qiáng)的應(yīng)變也將使線寬減小,但在這兩個(gè)因素中應(yīng)變速率的影響更為重要,在低應(yīng)變速率下的強(qiáng)變形將會(huì)促使ΔH進(jìn)一步減小。以上研究表明,高溫高壓實(shí)驗(yàn)變形煤的EPR參數(shù)具有隨最大鏡質(zhì)組反射率的增大而出現(xiàn)規(guī)律性演化的特點(diǎn),充分顯示了溫度、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變速率和應(yīng)變強(qiáng)度等因素對(duì)煤化學(xué)結(jié)構(gòu)演化的影響是極其重要的,同時(shí)也說明反射率的變化在一定程度上反映了變形煤化學(xué)結(jié)構(gòu)的演化。1.3煤結(jié)構(gòu)參數(shù)的演化規(guī)律核磁共振(NMR)技術(shù)可以在原子水平上獲得分子結(jié)構(gòu)的信息,成為研究煤和干酪根等固體難溶有機(jī)物化學(xué)結(jié)構(gòu)的有利工具之一。實(shí)驗(yàn)變形煤測(cè)試樣品可以分為中煤級(jí)晚期階段(瘦煤)和高煤級(jí)階段(無煙煤)兩個(gè)系列,通過樣品的13C(CP/MAS+TOSS)與偶極相移譜的分峰模擬和數(shù)據(jù)處理,獲得了變形煤中各種碳官能團(tuán)的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2)。隨著試驗(yàn)樣品Ro,max的增大,NMR結(jié)構(gòu)參數(shù)出現(xiàn)規(guī)律性變化,尤其在反映煤結(jié)構(gòu)碳骨架的芳碳率(fa)、橋頭芳碳(fBaBa)和芳核環(huán)數(shù)(N)等主要參數(shù)方面,規(guī)律性更加明顯。一般情況下,fa、fBaBa、N和芳?xì)渎?Ha)隨Ro,max的增大而增加,表現(xiàn)出很好的正相關(guān)關(guān)系,而脂碳率(fal)則不斷減小。變形煤的NMR參數(shù)演化具有波折狀和階段性特點(diǎn),尤其是在Ro,max≈4%時(shí),各參數(shù)的演化趨勢(shì)都發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折,煤結(jié)構(gòu)芳香化的進(jìn)程迅速向穩(wěn)步增長方向轉(zhuǎn)化,標(biāo)志著煤結(jié)構(gòu)演化機(jī)理的轉(zhuǎn)變,即由芳構(gòu)化和環(huán)縮合作用逐漸向拼疊作用過渡;而當(dāng)Ro,max>6%以后,BSU有序疇迅速增大,芳族中平均芳環(huán)數(shù)迅速增多,拼疊作用高度體現(xiàn)。這充分說明不同變形環(huán)境下的應(yīng)力作用,不僅可以提高煤鏡質(zhì)組反射率,而且隨著Ro,max的增加,煤的NMR結(jié)構(gòu)參數(shù)也出現(xiàn)規(guī)律性的演化,反映了煤鏡質(zhì)組反射率同樣也是變形煤微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)的規(guī)律性演化在物理性質(zhì)方面的深刻反映。實(shí)驗(yàn)變形煤XRD、EPR和NMR等結(jié)構(gòu)參數(shù)演化特征顯示,隨著Ro,max的增大,各種結(jié)構(gòu)參數(shù)呈現(xiàn)規(guī)律性的變化,充分顯示了變形煤XRD、EPR和NMR化學(xué)結(jié)構(gòu)演化與煤鏡質(zhì)組最大反射率具有十分密切的關(guān)系,鏡質(zhì)組反射率的演化正是煤微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)差異的外在反映。在應(yīng)力作用下,由于大分子結(jié)構(gòu)局部平行定向化的發(fā)展,導(dǎo)致芳香層片在有利方位上重新定向和擇優(yōu)成核生長,導(dǎo)致了煤的光性變異,促使了鏡質(zhì)組反射率各向異性的增強(qiáng)及反射率橢球的“變形”,但不同煤級(jí)的煤在不同的溫、壓和差異應(yīng)力作用下,結(jié)構(gòu)的有序度演化是不同的。2結(jié)構(gòu)與煤礦結(jié)構(gòu)的發(fā)展在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形形成的構(gòu)造煤在物理結(jié)構(gòu)和光性特征方面都會(huì)發(fā)生顯著變化,而這種變化與煤微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)的演化具有深刻的聯(lián)系。2.1煤中d002變化情況選擇淮北的宿州礦區(qū)、臨渙礦區(qū)和濉肖礦區(qū)、淮南謝李礦區(qū)、張集礦區(qū)、新集礦區(qū)和潘集礦區(qū)構(gòu)造煤系列和原生結(jié)構(gòu)煤系列的48個(gè)樣品,Ro,max在0.85%~3.59%的系列樣品,煤樣類型包括原生結(jié)構(gòu)煤,脆性變形系列的碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、碎粉煤和片狀煤,韌性變形系列的揉皺煤和糜棱煤以及脆—韌性過渡系列的鱗片煤。根據(jù)構(gòu)造煤樣XRD結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析數(shù)據(jù),分別做出煤結(jié)構(gòu)的面網(wǎng)間距(d002)、堆砌度(Lc)和延展度(La)等參數(shù)隨Ro,max變化的趨勢(shì)圖(圖3)。隨著Ro,max的增大,d002總體趨勢(shì)減小,而且呈階梯式下降(圖3A)。Ro,max小于1.3%,d002由0.3887nm下降到0.3661nm,變化幅度為0.0226nm;1.3%<Ro,max<2.3%范圍內(nèi),d002波動(dòng)較大,在0.3699~0.3551nm變化,其值下降了0.0148nm;在Ro,max>2.3%范圍內(nèi),d002總體上呈降低趨勢(shì),但變化幅度不大,d002變化范圍為0.3537~0.3495nm?？傊?d002隨著煤化程度和變形程度的增高,總體上呈階梯式降低,在低、中、高各煤化階段又具有波動(dòng)性的特點(diǎn)。單元堆砌度(Lc)呈波狀上升的演化趨勢(shì)(圖3B),Ro,max<1.3%時(shí),Lc變化幅度較大,在0.8405~1.5315nm范圍內(nèi)變化,Lc值增加了0.6910nm,總體上呈跳躍式上升;Ro,max在1.3%~2.3%范圍間,Lc在1.0455~1.9691nm范圍內(nèi)呈波狀起伏趨勢(shì),變化幅度為0.9236nm;當(dāng)Ro,max>2.3%時(shí),Lc總體上增加,但也呈波狀起伏變化,變化范圍為1.9111~2.5535nm,Lc值增加了0.6424nm。單元延展度(La)隨著鏡質(zhì)組反射率(Ro,max)的增高,總體上呈增加的趨勢(shì),但這種增加并不是線性的,而是呈波狀上升的,當(dāng)Ro,max<1.3%時(shí),La的變化較大,為1.658~2.178nm,變化幅度為0.52nm,而且表現(xiàn)為波狀變化;當(dāng)Ro,max為1.3%~2.3%時(shí),La總體增加,但波狀起伏較大,為1.7705~2.4195nm,La變化幅度為0.649nm;當(dāng)Ro,max>2.3%,La繼續(xù)增加,變化范圍變小,為2.2378~2.4489nm,變化幅度為0.2111nm,總體上趨于穩(wěn)定,變化緩慢。在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的不同類型構(gòu)造煤,脆性變形序列變形從弱至強(qiáng)的碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤和碎粉煤,Lc、La逐步增加,而d002則降低,由此表明煤中脂肪族結(jié)構(gòu)不斷改變,脂肪鏈減小,芳構(gòu)化程度增高。韌性變形序列中,揉皺煤雖發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形,煤結(jié)構(gòu)參數(shù)與脆性變形煤相比,變化不大,這也說明,煤的揉皺使煤體發(fā)生了強(qiáng)烈的物理變形,但內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)變化不明顯;糜棱煤結(jié)構(gòu)參數(shù)變化很大,Lc、La顯著增加,d002很快降低,表明煤的脂肪結(jié)構(gòu)中側(cè)鏈及官能團(tuán)急劇減少,基本結(jié)構(gòu)單元迅速增大,芳構(gòu)化及環(huán)縮合作用明顯增強(qiáng)。脆韌過渡型鱗片煤與脆性變形煤相比,煤結(jié)構(gòu)參數(shù)變化較大,煤中大分子結(jié)構(gòu)基本單元受到不同程度的“改造”,這也從另一角度說明鱗片煤可由不同類型的脆性變形煤中直接受剪切而形成。2.2ro高氧化煤及脆心理型煤的降解特征及構(gòu)造煤的構(gòu)造作用構(gòu)造煤的EPR參數(shù),如自由基濃度(Ng)和線寬(ΔH)隨Ro,max的增大呈現(xiàn)出極富規(guī)律性的變化(圖4)。自由基濃度(Ng)的變化范圍比較大(圖4A),隨著Ro,max的增加,總的變化趨勢(shì)是起伏較小—起伏增大—逐漸趨于穩(wěn)定的演化特點(diǎn)。當(dāng)Ro,max<1.3%時(shí),Ng的起伏較小,變化范圍為(32.4440~70.0495)×1018spins/g;在Ro,max=1.3%~2.0%時(shí),Ng的起伏增大,變化范圍為(43.1130~136.9129)×1018spins/g;在Ro,max=2.0%~3.59%時(shí),Ng逐漸趨于穩(wěn)定,而且逐漸增加。線寬(ΔH)在Ro,max=0.85%~3.59%時(shí),出現(xiàn)了急劇起伏—起伏趨緩—穩(wěn)定下降的演化特點(diǎn)。當(dāng)Ro,max<1.5%時(shí),ΔH急劇起伏,變化范圍為(3.0~6.0)×10-4T;其后,在Ro,max=1.5%~2.3%范圍內(nèi),ΔH起伏趨緩,變化范圍為(4.0~5.0)×10-4T;在Ro,max=2.3%~3.59%時(shí),ΔH趨于穩(wěn)定并逐漸下降,最后下降到3.0×10-4T。這說明ΔH的變化與不同類型構(gòu)造煤引起氫含量的變化及煤巖成分中氫含量的多少密切相關(guān)。脆性變形構(gòu)造煤中,碎裂煤與原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤的Ng較大,為(54.1643~75.0365)×1018spins/g;碎斑煤的Ng有所降低,為(44.8972~55.3022)×1018spins/g;碎粒煤Ng變化范圍較大,為(33.8709~56.5130)×1018spins/g;與碎裂煤相比,碎粉煤Ng為65.7937×1018spins/g,表明構(gòu)造變形增強(qiáng)時(shí),Ng反而增加。脆韌性變形鱗片煤與脆性變形較強(qiáng)烈的構(gòu)造煤相比,變化范圍大,Ng有所增加。韌性變形揉皺煤Ng濃度較低,為36.1217×1018spins/g;糜棱煤Ng為(46.3902~136.9129)×1018spins/g,自由基濃度很高,這是由于在強(qiáng)烈構(gòu)造變形時(shí),煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變化,產(chǎn)生了大量的未配對(duì)電子所致。脆性變形煤中ΔH的總體趨勢(shì)是,隨著構(gòu)造變形的增強(qiáng),ΔH變窄,由碎裂煤的5.0×10-4T變化到碎粉煤的3.5×10-4T,說明隨著變形程度的增大,芳環(huán)的縮合程度逐漸增高。2.3煤體內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化芳族碳的結(jié)構(gòu)中,碎裂煤fa為0.780,片狀煤鏡煤fa為0.791,鱗片煤fa為0.795,由片狀煤至鱗片煤,fa增加;揉皺煤fa為0.778,糜棱煤fa為0.809,除揉皺煤以外,隨著構(gòu)造變形的增強(qiáng),由脆性變形至韌性變形,芳碳率越來越大,說明在構(gòu)造應(yīng)力的作用下,煤結(jié)構(gòu)的芳構(gòu)化進(jìn)程不斷加快,有序化程度也在不斷提高。揉皺煤盡管發(fā)生了韌性變形,但對(duì)其內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)影響較小,主要是改變了煤體的物理結(jié)構(gòu)。芳?xì)渎蔲ΗaHa和橋接芳碳fBa之和記為fΗ,Ba,脆性變形煤fΗ,Ba為0.572~0.598,至脆韌性變形煤增至0.610~0.625時(shí),韌性變形煤明顯分為兩種情況,揉皺變形煤為0.563,數(shù)值較小,與fa的演化一致;而韌性變形較強(qiáng)烈的糜棱煤fΗ,Ba明顯增加,表明是由強(qiáng)烈韌性剪切對(duì)構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)成分改變較大而形成的,因此從脆性變形到韌性變形,除揉皺煤外,總體上fΗ,Ba也是增加的。反映了芳構(gòu)化程度的增高和芳香稠環(huán)的增大,即原先較小的芳香稠環(huán)通過新的橋接芳碳連接起來,形成延展度更大的縮合芳香稠環(huán)單元。fa和fΗ,Ba的演化高度一致,說明在構(gòu)造應(yīng)力作用下,隨著變形的增強(qiáng),不僅Ro,max增大,而且煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)也發(fā)生規(guī)律性變化,兩者具有密切的聯(lián)系。構(gòu)造煤XRD、EPR和NMR結(jié)構(gòu)演化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)變形煤十分相近,并且與Ro,max密切相關(guān),因此,可以通過兩者的對(duì)比分析,進(jìn)行構(gòu)造煤形成的應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境的研究。3孔容及其分布實(shí)驗(yàn)變形煤和構(gòu)造煤化學(xué)結(jié)構(gòu)研究表明,在一定的應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境下,隨著應(yīng)力作用和變形的增強(qiáng),可以導(dǎo)致煤鏡質(zhì)組Ro,max的逐漸增大,而Ro,max的增大受到煤微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)演化的深刻影響。構(gòu)造煤由于物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變,不同類型的構(gòu)造煤將表現(xiàn)出不同的瓦斯特性,從而為人們提供了根據(jù)構(gòu)造煤分布規(guī)律進(jìn)行瓦斯賦存和突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的有利途徑?？紫妒敲航Y(jié)構(gòu)的重要組成部分,直接影響到煤層的儲(chǔ)氣能力和透氣性等瓦斯特性。不同類型構(gòu)造煤的孔隙性不同,也就決定了瓦斯特性的差異。脆性變形煤中,碎裂煤和碎斑煤的孔容主要集中于過渡孔和微孔,可以達(dá)到80%左右,其余依次為中孔、超大孔和大孔。碎斑煤的孔容與碎裂煤相比,過渡孔與微孔有不同程度的下降,也就是說,隨著構(gòu)造變形的增強(qiáng),過渡孔與微孔不斷下降,而其他各類孔容卻有不同程度的增加。在脆性變形比較強(qiáng)烈的碎粒煤中,過渡孔和微孔的分布已不處于主要位置,孔容主要分布于中孔,占61.16%,剩下依次為過渡孔、微孔、特大孔和大孔,由此可見,過渡孔與微孔大幅度減少,而中孔增加得很快,較強(qiáng)烈的變形改變了煤的孔徑結(jié)構(gòu)。韌脆性過渡型鱗片煤的孔容主要分布于中孔,占48.445%,與脆性變形不同的是過渡孔與微孔相當(dāng),而大孔孔容超過了超大孔容。韌性變形煤中,不同類型構(gòu)造煤孔徑結(jié)構(gòu)隨變形的程度增強(qiáng)而有所差異,揉皺煤孔容的主要分布為過渡孔、微孔及中孔;糜棱煤孔容主要集中于中孔,過渡孔和微孔所占比例也較高,其余依次為超大孔和大孔。碎裂煤總孔容為0.0277cm3/g,主要集中于過渡孔和微孔;碎斑煤總孔容有所增加,但增加幅度不大;隨著構(gòu)造變形的增強(qiáng),碎粒煤總孔容迅速增高,可達(dá)0.1182cm3/g,是碎裂煤總孔容的4倍;脆韌性過渡型鱗片煤中,總孔容較高,為0.1061cm3/g;韌性變形煤中,揉皺煤總孔容為0.0524cm3/g,比弱脆性變形煤要高,煤體受到較強(qiáng)的韌性變形,其總孔容增加;糜棱煤在韌性剪切變形過程中,形成了大量的微孔隙,導(dǎo)致總孔容迅速增高,高達(dá)0.0933cm3/g;構(gòu)造煤總孔容的演化反映了隨著構(gòu)造變形的增強(qiáng),孔容增大的變化趨勢(shì)。鱗片煤和糜棱煤的總孔容最高,相應(yīng)增加了瓦斯的儲(chǔ)集空間,也表明應(yīng)變環(huán)境和變形強(qiáng)度與孔容的演化具有很好的正相關(guān)關(guān)系。孔隙的連通性是影響瓦斯運(yùn)移和煤層透氣性的重要因素。根據(jù)構(gòu)造煤壓汞實(shí)驗(yàn)研究,脆性變形的碎裂煤、碎斑煤,韌性變形揉皺煤的孔隙多