H2S水溶液对低阶煤孔隙结构影响的实验研究

基于新疆诸多低阶煤矿(井)区煤层、煤系水中硫化氢(H_2S)含量较高的特殊地质现象,以沙尔湖煤矿低阶煤为研究对象,采用样品制备—酸化前高压压汞和场发射扫描电镜实验—H_2S水溶液配置—样品浸泡酸液—酸化后高压压汞和场发射扫描电镜实验的实验步骤,物理模拟了H_2S水溶液与煤岩体的酸化作用过程,对比研究了H_2S水溶液酸化前后低阶煤孔隙结构的变化规律。研究表明:H_2S水溶液酸化后煤样孔隙体积增大,增幅达23.09%,其中大孔体积增幅达66.10%,中孔体积增大4.86%,孔隙连通性明显改善;酸化前后孔隙类型均以开放孔为主,酸化后开放孔体积明显增大,增幅达21.18%;酸化前后总孔比表面积变化不大,微孔和过渡孔的孔比表面积增幅分别为0.42%和1.37%,大孔的孔比表面积增大60.00%;H_2S水溶液酸化后,热力学模型的分形维数减小,表明孔隙表面变平滑,Menger海绵模型的分形维数增大,表明煤样孔隙空间形态及结构变复杂。H_2S水溶液对煤孔隙结构的改善机理主要体现在两个方面:一方面是酸化作用引起碳酸盐岩类矿物与酸液发生溶蚀作用,导致充填于孔隙中的碳酸盐类矿物被溶蚀,从而产生孔隙体积增大的正效应;另一方面是酸化作用导致煤中黏土矿物等膨胀、分散,生成的细小颗粒堵塞孔隙,造成孔隙体积减小的负效应。但总体上溶蚀作用产生的正效应大于堵塞孔隙产生的负效应,从而使得H_2S水溶液酸化后总孔隙体积增大,孔隙连通性得以改善。     

基于低温氮吸附法的酸化煤样孔隙分形特征研究

为研究并改善富含矿物质煤体孔隙结构特征,基于X射线衍射和低温氮吸附实验测试了贫瘦煤酸化前后碳酸盐矿物质含量及孔隙结构参数,并根据孔隙分形理论利用FHH模型求得了酸化前后不同孔段的分形维数。结果表明:酸化可以有效溶解煤体孔隙中的矿物质并溶蚀煤基质,减少煤体孔隙中微孔所占比例,增加中孔和大孔的比例,增强了孔隙结构之间的连通性,同时减少了煤的比表面积,有利于吸附态瓦斯向游离态进行转化;煤样低压段分形维数大于中高压段的分形维数,煤体孔隙中微孔结构较中孔大孔结构更加复杂,煤样经酸化后孔隙分形维数变小,煤样孔隙结构趋于简单化。     

基于核磁共振和低温氮吸附的煤层酸化增透效果定量表征

针对某些煤储层中的孔隙和裂隙被方解石、白云石等矿物或杂质堵塞致使煤层渗透率降低的问题,提出一种煤层酸化增透方法。利用核磁共振(NMR)和低温氮吸附实验表征了煤样酸化前后的比表面积、孔隙体积、孔隙度、渗透率、孔径分布及核磁成像等特性参数,分析了酸化作用下煤的细观结构变化规律。测试结果表明,煤样经酸化处理后,饱和水状态的NMR信号量增加,残余水状态的NMR信号量降低,T_2谱的中大孔峰(T_220 ms)的变化较大,NMR所表征的总孔隙度、有效孔隙度、渗透率均增加,残余孔隙度、T_2截止值降低;低温氮吸附所表征的比表面积和总孔隙体积均增加,且主要集中增加在10 nm左右的孔隙,但高煤阶煤增加不明显。NMR图像直观地反映了煤样酸化前后内部孔隙结构的变化特征,为揭示酸化增透的微观演变过程提供了新的手段。煤样初始孔隙越发育或孔隙裂隙中可溶性矿物质越多,所表征的特征参数变化越大,酸化增透效果越好。     

新疆地区中低阶煤孔隙综合分形特征分析

为进一步分析中低阶煤孔隙结构的分形特征,选取新疆矿区8个典型煤样,通过低温氮吸附法和压汞法测试了煤样的孔隙参数,采用氮吸附法和压汞法对煤样全孔径段孔隙结构分析的联孔位置,发现对于低阶煤为50～60 nm,中阶煤为85～90 nm,均位于过渡孔段。为准确分析全孔径段孔隙分形特征,采用不同的模型对煤样的分形维数进行计算。研究结果表明:试验煤样中低阶煤,孔隙均发育良好;在孔径小于联孔范围内,采用FHH模型对氮吸附试验数据进行计算,得到煤样的分形维数D1在2.58～2.89之间,在孔径大于联孔范围内,采用Menger海绵模型对压汞试验数据进行计算,得到煤样的分形维数D2在2.72～3.23之间;中低阶煤在孔隙体积占比上存在一定差异,低阶煤在孔径小于联孔范围内占比超过60%,中阶煤在孔径大于联孔范围内占比超过50%。     

不同变质程度煤体孔隙结构非均质性表征

采用多重分形理论,对不同变质程度煤样的低温液氮吸附实验数据进行研究,探讨煤样孔隙多重分形特征、分形参数与孔隙参数和变质程度之间的关系。结果表明:不同变质程度煤样孔径分布均存在明显的多重分形特征,随着变质程度的增加,煤样的微孔比表面积占比逐渐增大,且比表面积占比最高的孔径段随变质程度的升高而降低;煤样中孔径越小非均质性越明显,较大孔径分布较均一,煤样孔隙的联通性与变质程度无明显相关关系;奇异指数a_0与谱宽△a均与变质程度呈正相关关系,而参数R_d与变质程度呈反相关关系,即变质程度越高煤样内部孔径分布越不均匀,且煤样内部小概率子集个数占有率越低。     

煤的孔隙结构与其吸附解吸变形的相关性

基于对吸附变形煤样的压汞法测试,得到了煤样的孔隙度、比表面积、中值孔径和不同类型孔隙的分形维数等孔隙特征参数;通过煤样吸附解吸变形与孔隙结构特征参数的相关性分析发现:煤样吸附解吸变形与孔隙度、比表面积、孔隙分形维数等孔隙结构有一定的相关性,其中煤样孔隙分形维数与吸附体应变的正相关性最为显著。     

褐煤在微波场下的孔隙结构及其分形维数变化特征

为了探究微波辐照对褐煤孔隙结构及表面形貌的影响,将低温氮吸附法和扫描电镜相结合。测定了煤样经微波辐照前后比表面积、孔容、平均孔径及分形维数的变化;通过扫描电镜清楚观察到煤样的孔隙形状及表面形貌。试验表明:随着微波辐照时间/功率的增加,煤样孔隙分形维数值逐渐减小;平均孔径逐渐减小,比表面积和孔容先明显减小随后略微增加;褐煤表面逐渐趋于平整光滑,孔洞收缩。     

酸化作用对煤润湿性影响试验研究

为了研究酸化作用对煤润湿性的影响机制,选用氢氟酸对试验煤样进行酸化处理,借助 X 射线衍射(XRD)试验和红外光谱(FTIR)试验分析其矿物质组成及化学结构的演化规律,通过接触角测定和表面张力计算表征试验煤样润湿性.研究结果表明:酸化作用可有效溶蚀煤中矿物质,其中碳酸盐矿物被完全溶蚀,硅酸盐矿物含量降低了２４．４个百分点;酸化作用能改变煤表面官能团结构,酸化处理后煤样的含氧官能团和羟基结构含量分别增加５５．８％和１０．４％,芳香结构含量减少了３１．４％,脂肪类结构含量变化很小;经接触角试验发现,酸化处理后试验煤样的煤 水接触角减小,表面张力增大,亲水性增强,印证了前述试验结果分析的正确性.试验煤样亲水性增加能促进瓦斯解吸,为煤层气高效开采提供了理论依据.     

不同变质程度煤体微孔多重分形特征研究

为研究不同变质程度煤体微孔孔径多重分形的特征,根据低温液氮吸附实验数据,运用多重分形理论对4种不同变质煤体样品微孔的多重分形特征、以及孔隙特征与变质程度之间的关联展开研究。结果表明：4种煤样微孔均具备了多重分形的典型特征,变质程度越高煤样的微孔分布非均质性越强,其微小孔拥有更大的比表面积,将会为瓦斯气体提供更多的吸附位,拥有更大的解吸量;4种煤样的微孔孔径多分布在孔隙空间较为狭小的区域中,约为7～9 nm;微孔结构在弱变形作用下的非均质性明显,在此区域内,较大的孔径分布均一;但从整体看,其连通性与变质程度关系不明显且孔隙以聚集和分布不均匀为主导。     

基于分形理论的不同变质程度硬煤孔隙结构试验研究

煤储层中孔隙的发育特征控制着煤中瓦斯的吸附解吸与扩散性能,为了研究不同变质程度硬煤的孔隙结构特征差异,采用压汞法和液氮吸附法相结合的手段,对园子沟矿3煤、窑街三矿2煤和卧龙湖矿8煤三种,煤样进行了全孔径孔隙结构分布测定,利用分形理论对比分析了不同变质程度硬煤孔隙结构特征。研究结果表明:园子沟、窑街和卧龙湖三种不同变质程度硬煤均含有丰富的开放孔隙特征,随着变质程度增大,煤的孔隙度呈现高-低-高的变化规律;园子沟和卧龙湖煤样孔形多以墨水瓶、锥形孔等孔形为主,窑街煤样孔形多以圆筒形孔为主;而对比孔隙结构分形维数可知,园子沟煤样孔隙分形维数最大,卧龙湖煤样次之,窑街煤样孔隙结构相对简单,也呈现出高-低-高的变化规律。     

深部煤体注水过程中渗流通道演化特征

在煤炭开采中,煤层注水可有效防突降尘和防治冲击地压。为了研究深部煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道的演化过程,以平煤十二矿己15-31030工作面的深部煤体为研究对象,通过低场核磁共振成像设备在线测试了3个原煤试样在不同注水压力下的T₂谱和含水量分布情况。通过对不同注水压力下的T₂谱进行分析,获得了煤样注水过程中的孔径分布和孔隙结构的演化过程。通过核磁共振成像技术,初步实现了煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道演化的可视化,可更直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程,更深入地理解不同煤样T₂谱演化过程异同的内在原因。进一步提出了一种根据T₂谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法,定量分析了煤样注水过程中不同孔径的孔对水渗过程的贡献度。并对T₂谱进行了孔裂隙的分形维数计算,定量分析煤样孔裂隙的渗流空间含量和异质性。研究发现:平煤十二矿深部煤样注水过程中T₂谱表现出三峰特点,中孔、大孔和微裂隙的含量与连通性都大于微孔和小孔,注水过程中渗流通道主要由连通性较好的中孔、大孔和微裂隙构建。煤样注水过程中大孔和微裂隙贡献了99%以上的渗透率;微孔、小孔和连通性较差的孔主要参与储水而不参与运水。注水过程中当煤样孔隙连通性较差,不存在明显的优势渗流通道时,提高注水压力可以使更多的孔隙参与到渗流的过程中;但当煤样中部分孔隙连通性较好形成优势渗流通道时,提高注水压力也很难使更多的孔隙参与到渗流的过程中。在设计煤层注水参数时应特别关注这一现象。     

中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征

采集华蓥山煤田中梁山南矿9个有代表性的煤层样品进行低温氮吸附实验,分析构造煤吸附孔分形特征及分形维数与气体吸附能力的关系。低温氮吸附、解吸曲线表明不同变形序列构造煤在相对压力0.5~1.0范围内吸附特征各异。在此基础上,运用分形FHH方法得到构造煤分形维数D。研究表明：分形维数D可以表征构造煤吸附孔孔径结构和孔表面的变化关系;分形维数越高,微孔含量越多,孔表面越不规则,孔隙结构非均质性愈强;分形维数大小可反映煤的吸附能力,分形维数增高,吸附能力增强。因此,由构造变形增强引起的高分形维数和复杂的孔隙结构显示出更高的吸附能力。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

Effect of magmatic intrusion on coal pore characteristics and fractal research

The pore characteristics in magmatic intruded coals are closely related to the absorption-desorption and the flow of Coalbed Methane (CBM) in coal seams. Coal samples with different degrees of magmatic intrusion are tested using the method of mercury intrusion porosimetry (MIP). A number of parameters, such as the pore diameter, the volume, the connectivity and the specific surface area, are investigated. In addition, the fractal theory is introduced as a new approach to characterize the pore characteristics in intruded coals by calculating the fractal dimensions. The correlation between the fractal dimension and the inherent moisture content is also discussed. The results indicate that 1) when the coal approaches the magma, the pore size, the pore volume, the open pores and pore connectivity increase, but the total specific surface area exhibit decline trends; 2) the calculated fractal dimension can demonstrate the above characteristics; 3) a significant relationship between the inherent moisture content and the fractal dimension can be established. The research findings in this paper provide a useful fundamental knowledge to guide future studies of CBM development or gas outburst for intruded coals.     

变温条件下煤结构与吸氧量的关系

采用压汞法技术定量测定了在不同温度与压力下煤样的孔径、孔容积与煤的表面积的值；用分形理论对煤在定压变温条件下结构参数进行分形特征描述，并对用孔径与孔容两种分形维度的值表示煤的孔隙结构的合理性进行了比较.当煤温<100 ℃时，煤的容积分形维数增大，吸氧量增加，孔隙容积对煤的吸氧量起主要作用；当煤温≥100 ℃时，煤的分形维数减小，煤的吸氧量也增加，这是由于煤的吸氧量主要是氧化反应速率决定的，孔隙结构特征对煤的吸氧量影响很小.     

高温作用下活性粉末混凝土(RPC)孔隙结构的分形特征

为能定量表征温度作用下RPC内部孔隙结构的变化特征,采用压汞测孔法对高温后活性粉末混凝土(RPC)内部的孔隙结构和孔隙的分形特征进行了实验研究。分析了孔隙体积、阈值孔径、最可几孔径等孔隙特征参数随温度变化的规律;计算分析了毛细孔和过渡孔等有效孔径区间内RPC的体积分形维数及其随温度的变化规律。研究表明：温度影响下,RPC内部孔隙结构表现出劣化特征,孔隙率、孔隙体积等特征参数明显增大;RPC内部的损伤过程可以采用分形方法去描述,150 ℃时,RPC初步呈现分形效应,在毛细孔和过渡孔的孔径范围内RPC的体积分形维数整体表现出增大趋势。     

SDS溶液改变无烟煤润湿性与冲击产尘粒径分布的实验研究

为了提高无烟煤层注水效果,采用不同浓度的十二烷基硫酸钠(SDS)溶液对无烟煤样进行了浸泡改性,并对浸泡改性前后煤样的表面基团、煤/水动态接触角、自然吸水率以及冲击产尘粒径分布规律进行了测试和分析。结果表明:SDS溶液浸泡改性使无烟煤样润湿性增强,煤/水动态接触角随SDS溶液浓度的增加呈指数规律降低;改性煤样的自然吸水率随着SDS溶液浓度的增加呈指数规律增加。自然煤样和改性煤样在饱水状态下的冲击破碎产尘粒径-质量分布具有分形特征,煤样的自然饱水率越高,受冲击产尘粒径-质量分布的分形维数越小;随着SDS溶液浓度的增大,其改性煤样的冲击产尘粒径-质量分布分形维数减小,即产生的微细粉尘总量减少。     

酸化作用下龙马溪组页岩孔隙结构演化实验研究

富有机质页岩致密、低渗,孔径多为纳米级,增产措施是页岩气商业化生产所必须的手段。四川龙马溪组页岩富含碳酸盐矿物及黏土矿物,酸化处理可以溶蚀页岩的矿物成分,改善页岩致密的孔隙结构,最终达到提高产量的目的。以四川龙马溪组页岩为研究对象,对所选页岩进行了两种酸化处理:在30 ℃的恒温条件下,浸泡质量分数10%HCl和3%HF的混合酸及先浸泡质量分数10%HCl再浸泡质量分数3%HF的顺序酸,酸浸泡时长最长为24 h。利用超景深光学显微镜研究了页岩酸化前后细观结构的演化特征,利用扫描电子显微镜研究了酸化对页岩微观结构的影响;基于EDS能谱仪的元素分布结果分析了页岩酸化前后矿物组分的变化特征;通过压汞测试研究了酸化前后页岩孔径的分布特征及孔隙直径、体积和比表面积的变化特点。结果表明:① 酸液可以溶解页岩中的矿物,在矿物被溶解的位置产生孔隙,但混合酸浸泡会产生大量白色沉淀堵塞酸蚀产生的孔隙,沉淀以Ca2+,Al3+的化合物为主,顺序酸化几乎无沉淀生成;② 酸化改变了页岩原有的致密结构,酸化后0.050~6 μm及25~575 μm的孔隙显著发育,酸化使得页岩的累积孔隙体积提高2个数量级;③ 未经处理页岩试样的孔隙体积为0.006 9 mL/g,经混合酸和顺序酸处理24 h后分别增至0.14,0.17 mL/g,顺序酸的酸蚀作用可以在页岩内产生更多的孔隙。