·654· 北京科技大学学报 第33卷 的煤样在MTS815.03电液伺服岩石试验系统上进 1 煤岩条件及煤样制备 行单轴压缩试验.同样，选取肉眼观察无明显孔隙 为了研究煤岩宏观强度及变形特征的微细观力 裂隙的垂直煤层层面的煤样在S250Mk3扫描电镜 学机理，选取同一沉积年代的兖州煤田且强度等力 上进行微细观形貌测试. 学性质差别较大的三种煤（鲍店矿3煤、许厂矿3煤 2煤岩体的微细观结构特征 和新河矿3煤)，分别在MTS815.03电液伺服岩石 试验系统上进行单轴压缩试验和在S250Mk3扫描 煤是由植物遗体转变成的一种极不均质的有机 电镜上进行微细观形貌结构测试，以分析比较煤岩 岩石，植物细胞结构不同程度地得以保存因.植物 宏观力学参数与其原生损伤的内在关系. 原始细胞结构的差异及其保存程度的不同，造成煤 1.1煤岩条件 岩中孔隙类型、孔隙大小和结构的差异.煤变质过 (1)新河矿3煤属二叠系下统山西组，平均厚 程中也会改变原有孔隙，并产生新的孔隙裂隙。煤 度7.13m.煤岩宏观组成以亮煤为主，暗煤次之，夹 岩内部的非均质性不仅表现为各种孔隙的发育，还 镜煤及丝炭条带，煤岩宏观类型为半亮型和半暗型， 表现为微裂隙的普遍发育切 属I~Ⅱ阶段的低变质煤.煤层裂隙较发育，为黑 2.1煤体中微孔隙及分布特征 褐、褐黑色条痕的较低硬度煤层 煤是一种多孔隙的物质，微米及微米级以下的 (2)鲍店矿3煤赋存于二叠系山西组，平均厚 孔隙十分发育.根据成因，微孔隙可以分为以下几 度8.76m.煤层硬度系数f在3.5左右，属半暗~半 种类型图 亮型煤，条带状结构，层状构造，含黄铁矿晶粒.裂 (1)植物细胞残留孔隙.植物细胞残留孔隙是 隙不发育，为褐黑色条痕的硬煤层 植物细胞腔的残留部分，具有明显的继承性.保存 (3许厂矿3煤赋存于二叠统山西组，平均厚度 完好的植物细胞残留孔隙可见清晰的年轮结构和细 3.53m,煤层结构较简单，一般不含夹石.以亮煤为 胞间孔隙，如图1(a)所示.在扫描电镜下大多数植 主，暗煤次之，含有镜煤条带及透镜体，密度为 物细胞残留孔隙的大小为2~30μm. 1.46gcm3,属于中等硬度煤层 (2)基质孔隙.基质孔隙是泥炭沼泽中植物遗 1.2煤样制备 体经肢解和化学分解后重新堆积而成的一种显微组 新河矿3煤、许厂矿3煤和鲍店矿3煤分别取 分颗粒之间的孔隙.在扫描电镜下基质孔隙又可分 自相应矿井3101综放面、3302综放面和5309综放 为三种类型：一是不同组分之间的孔隙，其孔隙直径 面上顺槽.由于煤的微孔隙、裂隙等非常发育，一般 一般为0~1.0m;二是颗粒之间的堆积孔隙 比较软弱破碎，强度低，力学参数离散性大0，在进 (图1(b),其孔隙直径一般为1.0~10m;三是颗 行力学性质试验时，煤的取样制样十分困难，且极易 粒脱落所留下的孔隙，其孔隙大小在几微米 受人为因素扰动影响因.为尽可能保持煤样的原始 (3)次生孔隙.次生孔隙是煤变质过程中所形 状态，减轻人为扰动影响，使加工后煤样的高度、直 成的气孔（图1(c)).大多数高级煤中均发育有次 径、平整度、粗糙度和平行度均能达到岩石力学试验 生气孔.在扫描电镜下次生气孔的孔径大小一般为 规范标准，取样制样采取了以下主要措施： 1.0~10μm. (1)煤样均取自工作面前方100m以外的上顺 2.2煤体中的微裂隙及分布特征 槽，以消除工作面前方支承压力的扰动影响，所取煤 煤体中普遍发育有微裂隙，微裂隙主要产生于 样在垂直方向上均属同一分层煤，在水平方向上均 显微组分为均质镜质体和具零星分布细胞残留孔隙 在同一位置附近； 的结构镜质体组成的显微条带中.扫描电镜下微裂 (2)在矿井井下采用打眼机定向密集打眼以获 隙的长度长短不一，其裂隙缝的宽度一般为1~ 取大块煤，现场封蜡升井后尽快运抵实验室进行 10m,如图1(d)所示，微裂隙大多平行发育，且垂 加工； 直于层面. (3)在实验室内对大块煤样进行钻、切、磨过程 2.3煤体中微孔隙与微裂隙的相互联系 中，尽可能采用干钻、干切和干磨，并尽可能减小机 微裂隙实际上起着连接若干植物细胞残留孔隙 床转速，以减少震动带来的扰动影响. 的作用，微裂隙和若干单独发育的微孔隙进一步连 由于煤均为层状沉积而呈现层状结构，制样时 接成一个更大规模的孔隙—裂隙网络系统，力学 均垂直于煤层层面取芯，选取肉眼观察无明显缺陷 性质表现为典型的不连续性和各向异性特征，并形北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 1 煤岩条件及煤样制备 为了研究煤岩宏观强度及变形特征的微细观力 学机理，选取同一沉积年代的兖州煤田且强度等力 学性质差别较大的三种煤( 鲍店矿 3 煤、许厂矿 3 煤 和新河矿 3 煤) ，分别在 MTS815. 03 电液伺服岩石 试验系统上进行单轴压缩试验和在 S250 Mk3 扫描 电镜上进行微细观形貌结构测试，以分析比较煤岩 宏观力学参数与其原生损伤的内在关系． 1. 1 煤岩条件 ( 1) 新河矿 3 煤属二叠系下统山西组，平均厚 度 7. 13 m． 煤岩宏观组成以亮煤为主，暗煤次之，夹 镜煤及丝炭条带，煤岩宏观类型为半亮型和半暗型， 属Ⅰ ～ Ⅱ阶段的低变质煤． 煤层裂隙较发育，为黑 褐、褐黑色条痕的较低硬度煤层． ( 2) 鲍店矿 3 煤赋存于二叠系山西组，平均厚 度 8. 76 m． 煤层硬度系数 f 在 3. 5 左右，属半暗 ～ 半 亮型煤，条带状结构，层状构造，含黄铁矿晶粒． 裂 隙不发育，为褐黑色条痕的硬煤层． ( 3 许厂矿 3 煤赋存于二叠统山西组，平均厚度 3. 53 m，煤层结构较简单，一般不含夹石． 以亮煤为 主，暗煤 次 之，含有镜煤条带及透镜体，密 度 为 1. 46 g·cm － 3 ，属于中等硬度煤层． 1. 2 煤样制备 新河矿 3 煤、许厂矿 3 煤和鲍店矿 3 煤分别取 自相应矿井 3101 综放面、3302 综放面和 5309 综放 面上顺槽． 由于煤的微孔隙、裂隙等非常发育，一般 比较软弱破碎，强度低，力学参数离散性大［4］． 在进 行力学性质试验时，煤的取样制样十分困难，且极易 受人为因素扰动影响［5］． 为尽可能保持煤样的原始 状态，减轻人为扰动影响，使加工后煤样的高度、直 径、平整度、粗糙度和平行度均能达到岩石力学试验 规范标准，取样制样采取了以下主要措施: ( 1) 煤样均取自工作面前方 100 m 以外的上顺 槽，以消除工作面前方支承压力的扰动影响，所取煤 样在垂直方向上均属同一分层煤，在水平方向上均 在同一位置附近; ( 2) 在矿井井下采用打眼机定向密集打眼以获 取大块煤，现场封蜡升井后尽快运抵实验室进行 加工; ( 3) 在实验室内对大块煤样进行钻、切、磨过程 中，尽可能采用干钻、干切和干磨，并尽可能减小机 床转速，以减少震动带来的扰动影响． 由于煤均为层状沉积而呈现层状结构，制样时 均垂直于煤层层面取芯，选取肉眼观察无明显缺陷 的煤样在 MTS815. 03 电液伺服岩石试验系统上进 行单轴压缩试验． 同样，选取肉眼观察无明显孔隙 裂隙的垂直煤层层面的煤样在 S250 Mk3 扫描电镜 上进行微细观形貌测试． 2 煤岩体的微细观结构特征 煤是由植物遗体转变成的一种极不均质的有机 岩石，植物细胞结构不同程度地得以保存［6］． 植物 原始细胞结构的差异及其保存程度的不同，造成煤 岩中孔隙类型、孔隙大小和结构的差异． 煤变质过 程中也会改变原有孔隙，并产生新的孔隙裂隙． 煤 岩内部的非均质性不仅表现为各种孔隙的发育，还 表现为微裂隙的普遍发育［7］． 2. 1 煤体中微孔隙及分布特征 煤是一种多孔隙的物质，微米及微米级以下的 孔隙十分发育． 根据成因，微孔隙可以分为以下几 种类型［8］． ( 1) 植物细胞残留孔隙． 植物细胞残留孔隙是 植物细胞腔的残留部分，具有明显的继承性． 保存 完好的植物细胞残留孔隙可见清晰的年轮结构和细 胞间孔隙，如图 1( a) 所示． 在扫描电镜下大多数植 物细胞残留孔隙的大小为 2 ～ 30 μm． ( 2) 基质孔隙． 基质孔隙是泥炭沼泽中植物遗 体经肢解和化学分解后重新堆积而成的一种显微组 分颗粒之间的孔隙． 在扫描电镜下基质孔隙又可分 为三种类型: 一是不同组分之间的孔隙，其孔隙直径 一般 为 0 ～ 1. 0 μm; 二是颗粒之间的堆积孔隙 ( 图 1( b) ) ，其孔隙直径一般为 1. 0 ～ 10 μm; 三是颗 粒脱落所留下的孔隙，其孔隙大小在几微米． ( 3) 次生孔隙． 次生孔隙是煤变质过程中所形 成的气孔( 图 1( c) ) ． 大多数高级煤中均发育有次 生气孔． 在扫描电镜下次生气孔的孔径大小一般为 1. 0 ～ 10 μm． 2. 2 煤体中的微裂隙及分布特征 煤体中普遍发育有微裂隙，微裂隙主要产生于 显微组分为均质镜质体和具零星分布细胞残留孔隙 的结构镜质体组成的显微条带中． 扫描电镜下微裂 隙的长度长短不一，其裂隙缝的宽度一般为1 ～ 10 μm ，如图 1( d) 所示，微裂隙大多平行发育，且垂 直于层面． 2. 3 煤体中微孔隙与微裂隙的相互联系 微裂隙实际上起着连接若干植物细胞残留孔隙 的作用，微裂隙和若干单独发育的微孔隙进一步连 接成一个更大规模的孔隙———裂隙网络系统，力学 性质表现为典型的不连续性和各向异性特征，并形 ·654·