第1章 煤样的物理化学特性
煤岩是一种多尺度材料：在*小尺度下是煤岩矿物晶粒（孔径小于10–4m），通过扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）可观测到矿物颗粒（孔径大于10–9m且小于10–4m）和微孔洞（孔径小于10–2m）；孔径大于10–2m且小于1m时，进入实验室尺度；孔径大于1m后进入工程运用尺度，即在微观和细观层面上的微裂隙和微孔洞可以近似忽略，整个煤岩结构是一个均质体。图1-1给出了不同尺度下观测到的煤岩特征[1]。
煤层由于其成分、成因环境、物理化学等特性方面的差异，与岩石相比有较大区别，Close等认为煤层是由孔隙、裂隙组成的双重结构系统；Pmarnson认为在孔隙、裂隙之间还存在着一种过渡类型的孔隙、裂隙；按形态和成因将煤的裂隙分为割理（内生裂隙）、外生裂隙和继承性裂隙；傅雪海等[2]认为煤层是由宏观裂隙、孔隙和显微裂隙组成的多尺度介质，得出宏观裂隙是瓦斯运移的通道，显微裂隙是联系孔隙与裂隙的桥梁。
通过对相关的科研成果的分析得出煤岩中的微观结构主要有以下3类[3]。
（1）孔隙：岩石中的孔隙如果其各方向的尺寸属于同一量级，则可分为两类：水力连通孔隙和水力不连通孔隙。
（2）裂隙：岩石孔隙在某一方向的尺寸远大于其他两个方向的尺寸，也称结构面；若某一方向延伸较长，其他两个方向延伸相对较短，也称溶洞或孔洞。若岩石中无裂隙存在，则称为完整岩石；若岩石中有裂隙存在，则称为裂隙岩石。从渗水性方面可将完整岩石视为孔隙介质。
（3）微裂纹：岩石中的孔隙在某一个方向的尺寸远大于其他方向，且*长方向的尺寸微小。岩石为脆性材料，在形成过程中受到多种高温高压环境影响而出现微裂纹。微裂纹的分布既有完全随机的，也有定向的。微裂纹尖端产生的应力集中现象，对岩石强度有重大影响。
煤体是由不同矿物和孔隙、裂隙形成的组合体，而煤样的物理力学性质取决于内部矿物的成分和缺陷的分布特征（孔隙、裂隙等）。在冲击作用下，煤体不仅会在宏观结构上发生失稳破坏，而且在微观结构上其裂隙会扩展与贯通。煤样在饱水前后，水分子进入煤裂隙中，对煤裂隙及孔隙有劣化作用，在受到冲击作用时，含水直接影响煤样失稳，对煤样能量积聚、释放和耗散具有较大的控制作用。
1.1 煤岩微细观及化学成分特征
由于煤是一种特殊的沉积岩，其结构具有明显的层状特征，原生结构煤体一般层理完整、清晰，以水平裂隙为主。煤层受地质运动、采掘活动应力、机械加工等的影响，煤样裂隙出现穿层裂隙，还伴生有微裂隙。图1-2展示了不同尺度下煤体裂纹的发育情况，由图可知，裂纹具有定向性，但也有穿裂纹。
为分析裂隙水对裂隙煤体强度的影响，需从含水对微细观结构稳定性方面分析，掌握煤样内原生节理裂隙的空间分布及形态。为直观分析煤样的裂隙分布特征，分析了煤体不同形状的原生节理裂隙的分布，如图1-3所示。图1-3（a）为平行裂隙，裂隙中主裂隙和短次裂隙发育方向一致，主裂隙与短次裂隙之间基本平行；图1-3（b）为斜平行裂隙，主裂隙周围伴生一部分短斜裂隙；图1-3（c）为贯通网状裂隙，贯通网状裂隙是将煤样分割成很多小的规则结构，裂隙之间相互正交[4]。
动静组合加载煤样弹性变形阶段存在差别，其内部原因是煤样内部存在微裂隙及孔隙流体，外部原因是载荷作用下应变率不同。煤层裂隙的发育特征、连通性、规模和形式决定着其渗透性，影响煤样的力学性质。姚艳斌等[5]论述了煤的裂隙是微裂隙且多呈树枝状或羽状发育，微裂隙多以长度小于300μm且宽度小于5μm的裂隙为主，裂隙密度一般都在1～6条/cm2。张慧等[6]提出裂隙包含失水裂隙和缩聚裂隙，单根失水裂隙多呈弯曲状、裂隙较短、不易穿过煤分层，可组合成不规则网状，裂隙宽度从几至几十微米，为大孔级（＞1μm）。煤中裂隙的尺度比砂岩大，裂隙赋存密度较大，宏观表现与砂岩强度不同。研究煤体细观结构特征对分析煤样失稳破坏具有基础性作用，能较直观地分析煤样破裂过程的损伤断裂机理。为分析煤体受力前后节理裂隙的变化，对煤岩结构中毫米及以下尺度的层理和节理裂隙进行了讨论。
煤岩孔隙结构是指原生煤体在生成过程中内部存在的各种微细观孔洞等。按煤层成因可将孔隙分为气孔、植物组织孔、溶蚀孔、晶间孔，如图1-4所示；按孔径大小可将孔隙结构分为微孔、小孔、中孔、大孔等[7]，如图1-5所示。研究表明[8-10]，煤的总孔容一般为0.02～0.2cm3/g，孔隙比表面积为9～35cm3/g，孔隙度为1%～6%。煤基质微小孔隙具有很大的比表面积和较强的吸附能力，是瓦斯、水吸附富集的主要场所，也是瓦斯、水发生脱附解吸、扩散的载体。但是，当进入宏观领域的可见孔隙的直径大于0.1mm时，构成了层流与紊流混合渗透的区间，并决定着煤样的宏观（软、硬和中硬煤）破坏面。
由于煤体本身微细观结构的复杂性，以往关于煤体细观结构特征的研究缺乏系统性，近10年，X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）技术在研究煤组分与结构基础方面有较好的发展，扫描电镜技术和光学电子显微镜观测技术，使观察煤体细观结构及矿物组分变为可能，将煤体矿物成分及含量、组分、细观形貌与裂隙发展联系了起来。以下介绍体视显微镜和扫描电镜煤样试验的对比。
1.体视显微镜设备试验系统
煤样微观试验选用德国蔡司的Stereo Discovery.V20体视显微设备（图1-6），该设备设计有拍摄物的景深和*大的变倍范围，在20∶1变倍范围内可以实现样品的概览至*细微的切换。其特点是：采用平场复消色差校正镜体，变倍比为20∶1；借助10倍目镜可实现高达345倍总放大倍率；*佳分辨率为1000lp/mm（物镜：Planapo S2.3X），可以实现集成至显微镜的模块化系统中，*高放大倍率下有较好的三维立体效果；电动和编码型组件使重复性的实验操作更加简便。
采用体视显微镜的目的是观察煤样表面裂纹的分布及裂隙密度，分析煤样饱水前后表面裂隙的分布情况，了解煤样在水化作用下的裂隙分布特征。图1-7为干燥和饱水时的煤样。
为了统计煤样表面裂隙的分布，对煤样进行人工破碎，大致取1cm×1cm煤样，表面未进行打磨，保持表面粗糙，用体视显微镜观测其裂隙分布，进行单位面积上的裂隙条数统计，A1和A2自然状态煤样裂隙密度（大于0.3cm）约26条/cm2和16条/cm2，饱水后煤样裂隙尺寸大于0.3cm，数量没有增加，裂隙宽度变小，是饱水后煤样膨胀导致，表面有凸凹特征。图1-8为煤样裂隙及不同饱水状态裂隙素描情况。
2.扫描电镜试验系统
为了研究煤岩的内部细观结构特征，采用河南理工大学的数字化JSM-6390LV钨灯丝扫描电镜，其主要特点是具有全数字化自动控制系统、高分辨率和高精度的变焦聚光镜、全对中样品及高灵敏度半导体背散射探头等，可进行各种材料的形貌组织观察，以及材料断口分析和失效分析，设备如图1-9所示。
JSM-6390 LV钨灯丝扫描电镜试验过程如下所述。
1）放置样品步骤
仪器接通电源，打开冷却水管路及主控计算机；将样品舱门打开，将处理好的样品固定在圆形样品平台上，一次可放置7组样品。先测量样品高度，然后将样品放入样品舱，缓慢将样品舱门关闭；将测试舱抽真空到10–4Pa。在抽真空的同时，将样品高度升高至10mm线。
展开
