构造煤存在诸多分类方案(表1), 分类的依据各不相同, 主要有煤体的变形程度与性质、煤体突出难易程度、构造煤形成机制与应力— 应变环境以及测井曲线响应特征等, 使得构造煤的分类远没有达到共识。但构造煤的分类趋向于细化和系统化, 将构造煤的结构特征与形成的应力— 应变环境相结合是目前分类的主要发展趋势, 可将构造煤划分为脆性变形、韧性变形和脆韧性过渡3个系列, 其中以琚宜文等^[3]提出的3个系列10类的划分方案较为系统和全面。不同类型的构造煤与构造变形动力学机制密切相关, 为依据构造煤发育与分布特征及构造控制机制开展煤与瓦斯突出预测和煤层气勘探开发选区评价提供了重要支撑。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 构造煤主要分类方案 Table 1 Main classification of tectonically deformed coal 研究者 分类依据 分类方案 前苏联东方煤矿安全研究所[16] 煤体褶皱变形程度 4类:层状构造、微褶皱状构造、褶皱状构造、强烈褶皱状构造 前苏联科学院地质所[17] 煤体破坏程度 5类:Ⅰ 非破坏煤、Ⅱ 破坏煤、Ⅲ 强烈破坏煤(片状煤)、Ⅳ 粉碎煤(粒状煤)、Ⅴ 全粉煤(土状煤) 四川矿业学院[18] 煤的突出难易程度和煤结构的 破坏程度 3类:甲(难突出煤)、乙(可能突出煤)、丙(易突出煤) 高凌蔚等[19] 构造煤结构及成因 8类:初裂角砾状煤、镶嵌角砾状煤、错裂角砾状煤、碎斑状煤、碎粒状煤、鳞片状煤、鱼鳞状碎裂煤、揉皱状煤 袁崇孚[20] 煤体结构及其突出的难易程度 4类:原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤 中华人民共和国煤炭工 业部[21] 煤体结构及其破坏程度 5类:Ⅰ 非破坏煤、Ⅱ 破坏煤、Ⅲ 强烈破坏煤、Ⅳ 粉碎煤、Ⅴ 全粉煤 陈善庆[22] 构造煤的结构和构造特征 宏观5类:角砾状、细粒状、鳞片状、粉末状和揉皱状构造煤。微观7类:初裂状、碎裂状、角砾状、碎斑状、碎粒状、揉皱状和糜棱状煤 焦作矿业学院瓦斯地质 研究室[17] 煤体结构特征 4类:原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤 李康等[23] 构造煤微观变形特征 5类:非构造煤、微裂隙煤、微劈理煤、碎裂构造煤和糜棱构造煤 朱兴珊等[14] 煤体宏观破坏类型 2类4型7种:Ⅰ , Ⅱ -1, Ⅱ -2, Ⅲ -1, Ⅲ -2, Ⅳ -1, Ⅳ -2 侯泉林等[24] 煤变形特征及性质 初碎裂煤、碎裂煤、超碎裂煤; 初糜棱煤、糜棱煤, 超糜棱煤 苏现波等[25] 煤体结构及变质程度 4大类, 12个型号:原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤 傅雪海等[26] 测井曲线响应特征 3类:原生结构煤— 碎裂煤、碎斑煤、糜棱煤(碎粉煤) 曹代勇等[27] 煤的变形机制和显微及超微分析 6类:碎裂煤、碎斑煤、鳞片煤、碎粉煤、非均质结构煤、揉流糜棱煤 姜波等[2] 构造煤的结构特征及其形成的应力— 应变环境 碎裂煤和糜棱煤两大系列7种类型:初碎裂煤、碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、鳞片煤、揉皱煤、糜棱煤 琚宜文等[3] 构造的变形机制和变形环境 3个变形序列10类煤:脆性系列(碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、碎粉煤、片状煤、薄片煤), 脆— 韧性过渡系列(鳞片煤), 韧性系列(揉皱煤、糜棱煤、非均质结构煤) 汤友谊等[28] 煤体结构及物性参数 2类:硬煤(原生结构煤、碎裂煤)和构造软煤(碎粒煤、糜棱煤) 王恩营等[29] 构造煤的成因、结构和构造 8类:碎裂煤、碎粒煤、碎粉煤、透镜状煤、片状或鳞片状煤、粉片状煤、揉皱煤、糜棱煤 陈富勇等[30] 构造煤变形特征 3类6型:碎裂煤(碎裂型和菱形包裹体型)、碎粒(片)煤(片状煤和鳞片型)、碎粉煤(揉皱型和粉末型) 屈争辉[31] 构造煤变形特征 3个变形序列10类煤:初碎裂煤、块状碎裂煤、片状碎裂煤、碎斑煤、鳞片煤、揉皱煤、揉皱糜棱煤 李明[32] 构造煤结构及成因 7类:碎裂煤、片状煤、碎斑煤、碎粒煤、鳞片煤、揉皱煤和糜棱煤, 并细分为19个亚类

表1 构造煤主要分类方案 Table 1 Main classification of tectonically deformed coal

由于应力作用方式、性质和强度的不同以及变形环境的差异性, 不同类型的构造煤变形结构表现出显著的差异性。

1.2.1 脆性变形系列构造煤

脆性变形系列构造煤包括碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、碎粉煤以及片状煤与薄片煤等类型。碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤和碎粉煤发育2组以上裂隙, 并从碎裂煤至碎粉煤裂隙的密度逐渐增高, 煤的碎裂程度逐渐增强; 片状煤与薄片煤以1组裂隙密集发育为主要特征。

碎裂煤变形程度较低, 可见煤的原生结构和层理, 块状构造, 煤中裂隙面破碎或平直, 断口较平坦, 可见壳状断口, 碎裂块体无或有较小相对位移(图1); 碎斑煤的变形程度有所增强, 煤体被破坏成大小不一的碎块, 可明显分为碎斑和碎基2种粒级完全不同的碎裂结构(图2), 碎块间有一定程度的错动和位移, 煤体内发育多组相交的裂隙; 碎粒煤变形程度进一步加强, 煤的原生结构已被破坏, 碎斑等进一步破碎, 呈颗粒大小较为均一的碎粒状, 碎粒具有一定的定向性排列(图3), 煤中裂隙发育密度高; 碎粉煤是脆性变形系列中变形最强的一种构造煤类型, 往往发育于断裂构造带的中心部位, 煤全部破碎成粉状, 粒径< 1 mm, 粉状结构, 土状构造, 煤岩成分不能区分, 光泽暗淡, 性质疏松。片状煤中常见一组裂隙, 具片状结构、块状构造, 被裂隙分割的碎片一般厚1~5 cm, 可发生一定错动和位移; 薄片煤, 煤的原始结构、构造受到强烈改造, 碎薄片厚一般< 1 cm, 呈片状结构(图4)。

图1

Fig.1

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	图1 阳泉新景矿碎裂煤(手标本)Fig.1 Cataclastic coal of Xinjing mine, Yangquan(hand sample)

图2

Fig.2

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	图2 淮北祁南矿碎斑煤(反射光)Fig.2 Porphyroclastic coal of Qi’ nan mine, Huaibei(reflect light)

图3

Fig.3

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	图3 淮北朱仙庄矿碎粒煤(反射光)Fig.3 Granulated coal of Zhuxianzhuang mine, Huaibei(reflect light)

图4

Fig.4

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	图4 淮北祁南矿薄片煤(反射光)Fig.4 Flake coal of Qi’ nan mine, Huaibei(reflect light)

1.2.2 韧性变形系列构造煤

韧性变形系列构造煤是在较强的构造应力作用及较高的温度和压力变形环境下, 煤体经长期缓慢的变形而呈现出具有塑性或固态流动的构造特征, 主要类型有揉皱煤、糜棱煤和非均质结构煤等。

揉皱煤呈揉皱状、麻花状结构, 不规则团块状构造, 揉皱形态不规则, 多呈不规则圆弧状或扭曲状(图5), 常见滑动镜面和擦痕, 用手捏成细粒状或粉末状; 糜棱煤的原生结构遭到严重破坏、光泽暗淡, 煤全部细粒化, 粒径< 1 mm, 糜棱结构, 团块状构造, 常表现出类似糜棱岩的条带状构造, 条带由颗粒细小的糜棱质煤基质定向排列或围绕较大的斑晶定向排列所致, 有时也构成类似的“ 眼球状” 构造(图6)。非均质结构煤的原生结构遭到破坏, 煤具有不均一结构, 可呈块状、鳞片状等。

图5

Fig.5

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	图5 淮北祁南矿揉皱煤(反射光)Fig.5 Wrinkly coal of Qi’ nan mine, Huaibei(reflect light)

图6

Fig.6

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	图6 淮北朱仙庄矿糜棱煤(反射光)Fig.6 Mylonitic coal of Zhuxianzhuang mine, Huaibei (reflect light)

1.2.3 脆— 韧性过渡变形系列构造煤

脆— 韧性过渡变形系列构造煤的形成环境界于脆性和韧性之间, 构造煤的变形也表现出脆— 韧性叠加的特点, 可以鳞片煤为代表。煤受到强烈剪切作用, 一组节理十分发育, 使煤破碎成鳞片状、细粒状, 粒径< 1 mm, 具有鳞片结构、块状构造, 鳞片呈层叠置, 排列有序, 常沿某一方向定向排列(图7), 为沿裂隙面的磨擦滑动与基质的黏性流动共同或交替作用所致, 显示了脆、韧性变形叠加的特征。

图7

Fig.7

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	图7 淮北祁东矿鳞片煤(反射光)Fig.7 Squamate coal of Qidong mine, Huaibei (reflect light)

俄罗斯学者最早把裂隙统计应用于煤结构研究, 目前已形成了较成熟的构造煤微观裂隙统计方法^[35], 并通过裂隙发育特征和相关关系的分析探讨构造变形的期次和应力作用特征^[36], 在韧性变形构造煤中识别出流劈理及固态流变构造, 此类流动构造由残斑和基质两部分组成, 甚至构成不对称的眼球状构造, 还可以形成类似于韧性剪切带内的S-C面理构造, 面理不仅紧密压实封闭, 且断续不相连通, 煤岩孔隙连通性差^[37]。扫描电镜的应用进一步深化了构造煤裂隙结构的研究, 徐跃奇等^[38]在我国最早用扫描电子显微镜研究突出煤与非突出煤显微结构, 指出突出煤有网状结构和粉粒状结构; 李康等^[23]应用扫描电镜观测了不同类型构造煤裂隙发育特征, 并提出了构造煤的分类; 构造煤中除了含有大孔和微孔之外还存在大量微米级裂隙和孔隙^{[39, 40]}; 李明^[32]通过大量构造煤的微观及超微观结构研究, 论述了不同类型构造煤显微和超微裂隙的发育特征, 并作为构造煤分类的指标之一。

20世纪70年代, 混沌与分形几何学科的创立, 使得自然界不规则的事物可以通过分数维来描述, 在更深层次上揭示出自然界所遵循的“ 自相似性” , 并在岩石和煤的孔— 裂隙结构研究中得到广泛应用^{[41, 42]}, 傅雪海等^[43]对沁水盆地大宁、寺河、襄垣、南寨等矿井煤中宏观至显微裂隙分形特征的研究, 认为长度> 100 mm的宏观裂隙不具有分形特征, 裂隙长度< 1.56 mm的微观裂隙, 具有明显的分形特征; 陈玮胤等^[44]运用Matlab煤样显微裂隙的信息维数进行Q型聚类分析, 依据碎裂煤类构造煤显微裂隙信息维数将碎裂煤描述为变形强烈(分维值为1.7~1.8)、变形一般(分维值为1.4~1.7)和变形较弱(分维值为1.2~1.4)3类, 并对其孔渗特征进行了探讨。

孔隙性为煤体空间结构的主要要素, 一般用孔容、比表面积、孔隙度和中值孔径等参数来表征^[45], 煤层瓦斯主要以吸附态赋存于煤的孔隙表面, 在构造应力作用下, 煤体结构的改变必然引起煤中瓦斯赋存状态的变化^[46]。在孔径结构划分上一般采用十进制分类系统, 即以100 000, 1 000, 100和10 nm作为分界点, 将孔径划分为宏观裂隙孔、大孔、中孔、过渡孔和微孔。近年来, 对不同类型构造煤展开了较为系统的压汞实验研究^{[31, 32, 47]}, 反映出不同阶段的孔隙结构在不同类型的构造煤中存在显著差异(图8)。

图8

Fig.8

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	图8 不同类型构造煤各阶段孔容和孔容比分布图[32]Fig.8 The contribution of each pore valume to the total[32]

琚宜文等^[47]依据构造煤的不同类型平均孔径发生突变的孔径特征, 提出了构造煤孔径结构的自然分类(表2), 构造变形很弱的碎裂煤与原生结构煤孔容明显在20 000 nm处出现突变, 而且不同样品的孔容变化一致; 变形强度中等的构造煤的孔容跃升段明显分布在低孔径处, 其突变点为15 nm; 变形强烈的构造煤孔容跃升段明显位于100~5 000 nm, 出现的突变点为100与5 000 nm, 并深入探讨了不同系列构造煤孔隙结构参数的演化特征。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 构造煤孔径结构的自然分类[47] Table 2 Natural classification of pore structure of tectonically deformed coal[47] 孔径结构类型 孔隙直径分布范围/nm 裂隙为主 超大孔 > 20 000 裂隙与孔隙 大孔 5 000~20 000 中孔 100~5 000 孔隙 过渡孔 15~100 微孔 < 15

表2 构造煤孔径结构的自然分类[47] Table 2 Natural classification of pore structure of tectonically deformed coal[47]

构造应力改变了煤中的孔隙结构, 且构造变形强度越大, 煤中微孔就越发育, 并影响到煤的纳米级孔隙结构^[48], 由于纳米孔隙的大量存在, 且与微米级孔隙、微裂缝相连接的孔隙网络及吸附气大量存在, 使气体流动机理更加复杂^[49]。温度与围压条件对纳米级孔隙特征参数的演化有一定的作用, 但应力的变化却对纳米级孔隙特征参数的演化起到主要作用^[34]; 韧性比脆性变形构造煤的孔隙分形维数高, 孔隙结构复杂, 非均质性增强, 而脆性变形对纳米级孔隙参数的改变相对较弱, 反映了韧性变形对纳米级孔隙特征参数的演化起主要作用^[50]。琚宜文等^[33]将构造煤纳米级孔径结构划分为过渡孔(15~100 nm)、微孔(5~15 nm)、亚微孔(2.5~5 nm)和极微孔(< 2.5 nm)4类, 在应力条件下, 随着构造变形的增强, 孔隙结构以微孔和亚微孔为主, 并出现了极微孔, 连通性较差。

构造煤的液氮吸附总量高出原生结构煤10倍左右^[51], 强韧性变形煤对CH₄的吸附能力明显高于脆性变形煤^[52], 糜棱煤对CH₄的吸附量和吸附速度明显高于原生结构煤, 表明韧性变形作用可提高CH₄的吸附量和吸附速度^[53]。小角X射线散射(Small Angle X-ray Scattering, SAXS)和低温氮吸附结果均显示, 随变形程度增强, 煤的微孔比例增大, 最可几孔径减小, SAXS所测孔隙比表面积高出低温氮吸附结果1~2个数量级, 这与煤中封闭孔的存在有关^[54]。煤对CH₄的吸附能力与总孔体积、总比表面积及微孔比表面积呈正相关^[55], 极为发育的微孔决定了构造煤瓦斯解吸的衰减速度^[56]。煤的吸附能力随孔隙分形维数增高而增强, 这主要与构造变形造成孔隙系统的重新配置有关; 微孔数量随构造变形程度增强而增加, 在加大了孔比表面积的同时, 构造应力破坏了孔表面结构, 导致吸附孔分形维数升高, 增强了微孔表面粗糙度, 提供了更多的吸附位, 导致煤的吸附能力增强^[57]。

总之, 煤与瓦斯突出常与强变形构造煤的发育密切相关, 这与构造煤的孔隙结构有着密切关系^[48], 碎粒煤及糜棱煤中的狭缝形平板孔和墨水瓶形孔是导致构造煤瓦斯突出的主要内在因素之一^[58]。

X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)是研究煤基本结构单元(Basic Structural Unit, BSU)和大分子结构的有力手段。BSU结构主要包括芳香层片面网间距(d₀₀₂)、堆砌度(L_c)、堆砌层数(N)和延展度(L_a)等主要参数^[9], 构造煤BSU结构参数随着变形性质和程度的不同表现出一定的规律性演化。

豫北二₁煤XRD研究显示构造煤的d₀₀₂值比原生结构煤平均要小0.006 nm, L_c平均要大0. 5836 nm, 表明构造煤发生了动力变质作用^[61]; 淮北地区31个不同煤级、不同变形机制和不同变形强度构造煤样品的XRD结构演化的研究结果显示, 随着变质和变形强度的增加, 韧性和脆性变形系列构造煤的结构参数具有不同的演化特征, 无论是韧性还是脆性构造煤, 变形均比变质更为重要^[62]。挤压或剪切应力作用会促使构造煤的 d₀₀₂显著减小, L_c表现出波折化发展, L_a则呈阶梯式跃升^[63]。

煤的高温高压变形实验研究显示, 实验变形煤基本结构单元 XRD 参数演化趋势总体上相似于天然构造煤, 但在某些方面存在显著差别, 尤其是强变形煤中更是如此, 在影响煤变形的诸多因素中, 变形程度直接控制了煤结构的演化, 应力作用 (尤其是挤压或剪切应力) 则是影响变形程度最重要的因素, 小的应变速率和大的变形程度均有利于煤基本结构单元L_a和L_c的增长^{[1, 64]}。

近年来, 核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)、傅里叶变换红外光谱 (Fourier Transformation Infrared Spectroscopy, FTIR) 和激光Raman光谱(Laser Raman Spectrum, LRS)等方法在构造煤化学结构研究中得到了较为广泛的应用, 并取得了显著成果。

NMR技术可以在原子水平上获得分子结构的信息^[65], 成为研究煤和干酪根等固体难溶有机物化学结构的有利工具之一。姜波等^{[1, 66]}率先应用¹³C NMR对高温高压实验变形煤样开展了相关研究, 结果显示, 随着动热变质作用的增强(R_{O, max}增大), 变形煤NMR结构参数的演化与 R_{O, max}具有很好的相关性, 尤其是芳碳率 f_a, 桥头芳碳 faB, 芳核环数 N等参数增大和脂碳率 f_al减小的演化规律更为显著, 与正常煤化系列具有极其相似的演化特征^{[1, 67]}, 但在参数演化的强度和幅度方面, 构造煤往往更显著一些, 从分子的尺度揭示了构造煤化学结构演化与镜质组反射率变化的内在联系, 也为构造煤镜质组反射率作为古构造应力— 应变环境的重要指示计^[68]提供了佐证。琚宜文等^[69]对两淮煤田不同类型构造煤开展了较为系统的¹³C NMR研究, 结果显示, 随着构造变形的增强, 从脆性变形至韧性变形, f_a不断增加, f_al却逐渐减少, 从某种程度上反映了煤级的增高和构造煤结构成分变化的应力效应。变质环境不同, 构造应力作用下形成的构造煤类型也不同, 从而导致大分子结构效应之间的区别, 随煤化程度的加深, 脂肪碳逐渐减少, 构造煤表现的最为明显^[70]。

红外光谱图上吸收带的分析, 为煤中有机质的化学结构及其变化的研究提供了有效的方法和手段^[71], FTIR大大提高了红外光谱测试的准确性。徐龙君等^[72]将XRD与FTIR相结合研究突出区煤的结构, 认为突出区煤中的芳氢约多于脂氢, 平均多核芳环数为5~6个, 平均有20~23个原子。琚宜文等^[73]较为系统地开展了构造煤结构成分应力效应的FTIR研究, 发现在各类构造煤中, 芳香结构、脂肪结构以及含氧官能团的结构成分吸收频率几乎一致, 但吸收峰的强度却不相同, 认为这正是在构造应力作用下构造煤变形程度及变形机制不同所引起的。在低、中和高煤级变质变形环境形成的不同类型构造煤中, 随着构造变形的增强, 富氢程度降低, 富氧程度也越来越低, 而缩合程度增高。随构造煤变形强度的增加, 不同变形机制下的芳族和脂族结构吸收频率出现了不同的规律性变化, 并且基本呈互补演化的趋势发展, 说明影响芳族和脂族结构变化的主要原因是构造变形作用而非变质作用^[74]。高煤级煤温压流变实验样品的FTIR分析显示, 随着流变程度的不断增强, 脂肪族结构和芳香族结构都会发生变化, 韧性流变煤变化更快, 结构有序度提高, 并产生S-C组构等韧性变形特征^[75], 表明微观结构的演化与分子结构具有一定的内在联系。

激光Raman光谱显微探针(laser Raman micro-probe)具有微观(微区、微量)、原位、多相态(固态、液态、气态)、分辨率高、稳定性好等特点, 是迅速发展起来的分子光谱微区分析技术, 成为对物质分子进行结构分析和定性鉴定的有力工具^[76]。近年来, LRS在构造煤的研究中取得了一定的成果和认识。淮北煤田不同类型构造煤LRS分析显示了不同变形机制对构造煤结构成分变化的影响, 脆性变形构造煤随着变质、变形程度的增加, 光谱特征峰明显增强, D峰峰位向低波数偏移; 韧性变形构造煤(糜棱煤)的特征峰则随之减弱, D峰峰位向高波数偏移; 脆— 韧性变形构造煤则先类似于脆性变形、而后表现为韧性变形的变化特征, 并在分子水平上探讨了造成脆性变形与韧性变形构造煤LRS不同变化特征的原因, 认为LRS是研究构造煤特征的行之有效的手段之一^[77]。Li等^[74]研究认为LRS G峰归属于芳香层面上C=C的变形振动, G峰峰面积AG正比于大分子结构中芳环总量, D峰峰面积AD的变化反映了煤大分子结构中缺陷^[78]和结构单元有序程度的变化; 指出不同变形机制下, 次生结构缺陷的产生是导致构造煤大分子结构差异性演化的主要原因, 且韧性变形比脆性变形更容易导致次生结构缺陷的形成, 次生结构缺陷降低了构造煤大分子结构的稳定性, 并影响到了构造煤官能团与大分子结构的具体降解和缩聚过程。

由此可见, 在不同变质变形环境下, 构造应力对不同类型构造煤化学结构的影响是十分深刻的, 并进而影响到瓦斯的赋存和运移。因此, 构造煤化学结构特征、演化机理及其与变形结构耦合机理的研究可能会成为煤与瓦斯突出及煤层气赋存机理研究的一个行之有效的途径。