地质构造是影响瓦斯赋存的主要因素。向斜构造是常见的地质构造形式之一，其形成的原因是岩(煤)层受水平应力挤压，应力分布不均匀，因此构造部位煤体会出现一定的应力增高现象，对煤体孔隙结构产生影响。煤的孔隙结构不仅会影响原始煤体瓦斯赋存，还会影响煤层开采时瓦斯的解吸、扩散与渗流。故而，对向斜构造区域煤体孔隙结构开展研究，分析并总结其演化规律，可以为构造区域煤体瓦斯治理提供理论依据，对矿井安全生产具有重要意义。

近年来，众多学者针对构造煤孔隙结构的相关特征研究较多。程远平等 ^{[ 1]} 通过压汞法分析构造煤孔隙结构，认为构造作用导致煤体具有更大的总孔隙体积和比表面积；李宗翔等 ^{[ 2]} 通过低温氮气吸附实验，对断层构造煤进行研究分析，发现断层构造煤的比表面积、孔径、孔容均大于原生结构煤；李铭杰 ^{[ 3]} 、马瑞帅 ^{[ 4]} 等通过对构造煤孔隙结构与分形维数进行分析，得出构造煤孔隙结构越复杂，微孔孔容越大，煤样的吸附能力越强；林华颖等 ^{[ 5]} 通过压汞法与氮气吸附联合分析，得出构造煤具有更加复杂的孔隙结构和更加粗糙的孔隙表面；周睿等 ^{[ 6]} 通过对逆断层不同距离煤体开展实验研究，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；ZHANG等 ^{[ 7]} 运用FHH模型对比分析原生煤与构造煤，得出构造煤孔隙结构更均匀且孔隙表面更粗糙；WANG等 ^{[ 8]} 通过分析构造煤的孔径分布曲线, 发现构造作用会导致煤的孔隙结构变得更加曲折或复杂；李希建等 ^{[ 9]} 采用BJH法绘制了煤样的孔径分布图，得出在受构造影响之后，煤体的平均孔直径和最可几孔径均有不同程度的减小。

目前，学者们多是通过对比原生结构煤来分析构造煤的相关特征，但是针对煤的具体构造类别研究相对较少。由于向斜构造煤在形成过程中不同区域的应力分布不同，其孔隙结构特征会受到相应影响，不同位置煤体孔隙结构也会发生不同程度的改变，因此有必要对其开展规律性研究。

1.   取样及实验方法

1.1   煤样采集与制备

以长城三号煤矿1311S工作面向斜构造为研究对象，在1311S工作面运输巷不同位置分别取新鲜块状煤样，各煤样分别取自向斜轴部不同水平距离点。

向斜轴部取样点用O表示，在轴部左右两侧200 m和400 m处的取样点分别用Z2、Z4和Y2、Y4表示，如 图 1所示。

图  1  取样位置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of sampling position

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使用保鲜膜对采集到的实验煤样进行密封并运送至实验室，去除表面风化部分后按照GB 474—2008煤样制备方法对煤样进行加工。煤样的工业分析结果见 表 1。

表  1  实验煤样的工业分析结果

Table  1.  Results of industrial analysis of experimental coal samples

煤样编号	M ad/%	A ad/%	V ad/%	FC ad/%
Z4	2.87	5.06	42.86	52.08
Z2	3.45	7.59	35.58	56.83
O	2.25	21.01	35.85	43.14
Y2	2.79	7.03	37.44	55.53
Y4	2.64	4.61	38.85	56.54

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1.2   低温氮气吸附及原理

低温氮气吸附法是利用煤体孔隙表面具有吸附小分子气体这一特性，测定孔隙比表面积、孔径分布。通过改变氮气的相对压力 p/ p ₀，从而改变氮分子在煤体孔隙表面的吸附量。由于吸附量与煤体表面微孔的大小相关，因而其可作为定量表征孔径的计算依据。计算模型方面，常采用Brumauer-Emmett-Teller提出的多层吸附模型 ^{[ 10]} ，当相对压力为0.02~0.40时，吸附量与相对压力的关系符合Brumauer-Emmett-Teller(BET)方程，所以其又可作为比表面积定量表征的计算依据。比表面积计算采用BET公式：

其中：

比表面积 S计算公式如下：

式中： p/ p ₀为相对压力; p ₀为吸附质在吸附温度下的饱和蒸气压，kPa； p为吸附平衡后的压力，kPa； V为当吸附平衡压力为 p时，吸附剂对吸附质的吸附量，mL/g； V _m为吸附剂对吸附质的单层饱和吸附量，mL/g； C为与吸附剂的吸附性能有关的常数； a、 b为拟合直线的斜率和截距； N _A为阿伏伽德罗常数， N _A=6.02×10 ²³ mol ^-1; a _m为吸附质分子的截面积，nm ²。

各煤样根据毛细管凝聚理论进行孔径计算，运用Kelvin方程：

式中： r为凝聚在孔隙中的液氮曲率半径，nm； σ为液氮表面张力，N/cm； V为液氮摩尔体积，mL/mol； θ为弯月面与固体壁的接触角，在液体可润湿表面时取0； R为理想气体常数，取8.314 J/(mol·K)； T为实验时的热力学温度，K。

本次研究中，液氮吸附孔径测定采用BMD-PM高性能比表面积及微孔分析仪。在 图 1中所示的取样点各取1种煤样(共计5种)，对其进行处理后，通过仪器进行孔径分析，孔径测试范围为0.02~400.00 nm。煤样处理：将煤样粉碎过筛，筛选粒径为0.2~0.3 mm的煤样，然后在真空干燥箱(105 ℃条件下)干燥24 h，取出密封备用。分析时，将煤样加入煤样管内，在110 ℃下抽真空2 h后移至测试仪器中进行测试分析。

2.   实验结果分析

2.1   等温吸附(脱附)曲线

对1311S工作面向斜构造区域所取煤体煤样进行液氮吸附解吸实验，5种煤样的等温吸附(脱附)曲线如 图 2所示。 图 2中取( p/ p ₀)/[ V(1- p/ p ₀)]为纵坐标，代表其吸附能力；相对压力 p/ p ₀为横坐标。

图  2  煤样等温吸附(脱附)曲线

Figure  2.  Isothermal adsorption (desorption) curve of coal samples

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由氮气吸附原理可知，在氮气吸附时，煤体孔隙越小，具有的吸附势越高，越先开始吸附 ^{[ 11]} 。由 图 2可以看出，在初始阶段，当相对压力小于0.02时，此时微孔作为吸附质的主要吸附孔，氮气吸附量上升较快；之后相对压力为0.02~0.87时，此时氮气分子在煤样孔隙内表面残余少量单分子层吸附，并进行了多分子层吸附，所以吸附曲线呈现较缓增长趋势；当相对压力大于0.87时，吸附量快速上升，直至相对压力 p/ p ₀接近于1.0时，吸附曲线陡直上升，说明在中孔完成多层吸附后，较大孔隙开始进行吸附且发生了“毛细管凝聚现象” ^{[ 12- 13]} 。通过对比各吸附曲线还可以看出，当相对压力小于0.02时，向斜轴部煤样O的吸附速率明显大于两翼煤样的吸附速率。同时，当相对压力相等时，向斜轴部煤样O的吸附量明显高于两翼煤样的吸附量。

氮气脱附时，则与吸附过程相反，先是由大孔进行脱附，随着压力的逐渐降低，吸附质依次从大孔、中孔、小孔中蒸发脱离，从而产生脱附曲线。由 图 2脱附曲线可以看出，在相对压力为0.49左右时，曲线产生了明显的拐点，这是由于煤体中存在“墨水瓶”型孔所致 ^{[ 9]} 。向斜轴部煤样O及轴部附近区域煤样Z2、Y2曲线也产生了较为明显的拐点，而距离向斜轴部区域更远的煤样Z4、Y4曲线产生拐点范围较小，这说明其存在的“墨水瓶”型孔数量较少。

2.2   BJH法孔径计算

在进行多孔固体孔径计算时，常采用Barret-Joyner-Halenda(BJH)法孔径计算模型 ^{[ 14- 16]} ，其中相同直径数目最多的孔被称为最可几孔。根据BJH法孔径计算模型所得结果见 表 2。

表  2  液氮吸附解吸实验测试结果

Table  2.  Experimental results of adsorption and desorption of liquid nitrogen

煤样编号	比表面积/(m 2·g -1)	总孔体积/(mL·g -1)	平均孔直径/nm	最可几孔径/nm
Z4	0.439 9	0.002 5	22.732 4	2.143 0
Z2	1.373 6	0.003 4	14.989 3	2.012 2
O	2.848 5	0.008 7	12.217 0	1.831 8
Y2	1.111 6	0.004 4	15.833 0	2.042 6
Y4	0.459 3	0.002 4	20.901 4	2.035 1

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由 表 2可知，各煤样比表面积测定结果为0.439 9~2.848 5 m ²/g，其中向斜轴部煤样O比表面积约为煤样Z2、Y2比表面积的2.07倍、2.56倍，约为煤样Z4、Y4比表面积的6.47倍、6.20倍；各煤样总孔体积为0.002 4~0.008 7 mL/g，其中向斜轴部煤样O总孔体积约为煤样Z2、Y2总孔体积的2.56倍、1.98倍，约为煤样Z4和Y4总孔体积的3.48倍、3.63倍；平均孔直径为12.217 0~22.732 4 nm，其中向斜轴部煤样O平均孔直径约为煤样Z2、Y2平均孔直径的81.5%、77.16%，约为煤样Z4、Y4平均孔直径的53.74%、58.45%；最可几孔径均在2 nm左右，且向斜轴部煤样O最可几孔径均小于向斜两翼部分煤样的最可几孔径。

2.3   孔隙分形特征分析

在进行煤体孔隙结构复杂程度分析时，往往采用分形维数来定量表示。分形维数代表了煤体孔隙结构的发育复杂程度 ^{[ 11]} 。分形维数计算有多种模型，其中PFEIFER P创立的Frenkel-Halsey-Hill(FHH)模型应用最为广泛 ^{[ 17]} ，与氮气吸附实验所获取的孔隙结构参数联合应用拟合性最好 ^{[ 18]} 。

在进行分形维数计算时，将氮气吸附实验所测结果代入FHH模型计算式，即可得到分形维数 D，计算式如下 ^{[ 3]} ：

式中： V为平衡压力 p下煤体内表面所吸附氮气分子体积，mL/g; V ₀为使用BET方程计算得到的单层吸附氮气气体分子体积，mL/g。

绘制ln( V/ V ₀)—ln[ln( p ₀/ p)]曲线并进行拟合，拟合斜率为 K，分形维数 D= K+3。煤样分形维数拟合图如 图 3所示。

图  3  煤样分形维数拟合图

Figure  3.  Fractal dimension fitting graph of coal samples

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由 图 3可以看出，分形维数拟合结果在1.965 4~2.276 1，其中，向斜轴部煤样O分形维数最大，且距离向斜轴部200 m处煤样Z2、Y2分形维数均大于距离向斜轴部400 m处煤样Z4、Y4的分形维数，呈现规律性变化。

3.   结果分析

对比向斜构造轴部区域煤体与构造左右两翼煤体的测试结果，发现向斜轴部区域煤体与两翼煤体有较大差别，而对比左右两翼煤体，不论是在200 m处还是在400 m处，都没有明显差别。这说明在向斜构造区域，煤体孔隙结构呈对称分布，且以向斜轴部为对称轴。

通过对比分析低温氮气吸附(脱附)曲线发现，在吸附过程中向斜轴部煤体吸附速率快、吸附总量大，同时两翼煤体距离向斜轴部越远吸附速率越慢、吸附总量越少，这说明构造区域煤体吸附能力由轴部向两翼煤体逐渐降低。煤的吸附能力取决于其孔隙结构特征，其中微孔数量越多，吸附速率越快，孔隙体积越大，吸附总量越高。

通过分析 表 2中数据可以看出，受向斜构造影响，向斜构造区域煤体比表面积、总孔体积及平均孔直径皆呈现规律性变化。其中向斜轴部处比表面积与总孔体积最大(与文献[ 19]研究结果一致)，且随着向两翼方向距离的增大而逐渐减小；而向斜轴部处平均孔直径最小，且向两翼方向随着距离的增大逐渐增大。

煤体的分形维数、煤的吸附能力和孔隙结构特征存在一定的关系，其分形维数越大，说明其吸附能力越强，孔隙结构越复杂 ^{[ 20- 21]} 。对向斜构造区域不同距离处各煤样分形维数进行拟合分析，结果如 图 4所示。

图  4  煤样分形维数与向斜轴部距离关系

Figure  4.  The relationship between fractal dimension of coal samples and the distance of syncline axis

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由 图 4可见，随着两翼煤体与向斜轴部的距离减小，分形维数数值呈现线性增大趋势，说明其孔隙结构逐渐复杂，吸附能力也逐渐增强。由此也可知，在向斜构造区域采取瓦斯防治措施时，处于向斜构造区域轴部位置的煤体，发生煤与瓦斯突出的危险性更高，应采取更加细化的瓦斯防治措施。

4.   结论

1) 受向斜构造影响，向斜构造区域煤体孔隙呈对称分布，且以向斜轴部为对称轴。

2) 向斜轴部煤体的BET比表面积、孔容均大于两翼煤体，且距离向斜轴部越远差距越大；向斜轴部存在更多的“墨水瓶”型孔，两翼煤体“墨水瓶”型孔数量随着距离轴部越远而逐渐减少。

3) 距离向斜轴部越近，其煤体微孔数量越多，且孔隙结构更复杂，吸附能力更强。