不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其研究意义

煤层气的赋存和产出与煤储层孔隙系统的发育程度有关,原生结构煤层受到破坏变形后其孔隙结构特征将发生明显的变化,从而影响煤层气的吸附/解吸和扩散过程。通过对沁水盆地赵庄井田3号煤层不同煤体结构样品进行低温液氮、低压二氧化碳吸附分析和等温吸附试验,分析了不同破坏强度煤的孔隙结构和吸附性变化规律;应用试验数据和数值分形模型,揭示了不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其对煤中甲烷吸附、扩散的影响。结果表明：随着煤体结构破坏强度的增大,煤的比表面积和孔隙容积均增大,50～300 nm的孔隙所占比例逐渐降低,2～50 nm的微孔和中孔以及小于2 nm的超微孔增加,超微孔为煤中主要吸附孔,孔径主要分布在0.45～0.65 nm和0.80～1.0 nm。N₂、CO₂和CH₄的吸附量随煤体结构破坏程度的增大而增加,吸附性由大到小顺序为原生结构>糜棱结构>碎粒结构>碎裂结构。微孔、中孔和大孔孔隙结构分形维数表明,构造变形后的煤孔隙结构将被简单化,破坏程度较强的煤具有较粗糙的孔隙表面(对应较高的D₁)和较为...     

不同埋深煤体孔隙结构特征及瓦斯吸附特性研究

为研究同一煤层煤体孔隙结构及其瓦斯吸附性能与埋深的关系，通过等温吸附试验、低温N₂吸附试验，测定了4个不同埋深煤样的瓦斯吸附量和孔容、孔比表面积等孔隙结构参数，应用孔隙分形理论研究了不同埋深煤样的分形特征，并确定了孔隙结构参数与吸附常数的关系。结果表明：随着埋深的增加，煤样的孔比表面积增加，瓦斯吸附量增加；4个煤样中埋藏最深的煤样较最浅煤样比表面积增加了1.2603 m²/g,总孔容减小了0.0026 mL/g,瓦斯吸附量增加了67%,吸附饱和度降低了7.4%;吸附常数a与孔比表面积和分形维数的幂函数呈正相关关系，吸附常数b与吸附常数a呈幂函数关系。因此，可根据不同埋深煤样孔隙结构参数量化瓦斯吸附性能，为细化同一煤层瓦斯灾害防治方案提供了理论依据。     

基于CT技术的不同煤体结构煤的孔隙结构分析

为了有效地分析不同煤体结构煤中孔隙结构的变化特征,从实现精细化、无损化和定量化入手,应用μCT225kVFCB型高精度CT试验分析系统,分析了4类煤样(原生结构煤、碎裂煤、鳞片煤和糜棱煤)大孔级孔隙分布特征。通过显微CT切片,结合扫描电子显微镜图像,直观观测了不同煤体结构煤的孔隙类型和显微构造,分析了构造变形对煤孔隙结构的影响规律。结果表明:不同煤体结构煤孔隙直径一般小于5μm,但后期构造应力改变了煤的孔隙结构。与原生结构煤相比,碎裂煤阶段遭受脆性破裂,形成大量外生孔和微裂隙,面孔隙率和平均孔径最大;糜棱煤阶段发生塑性流变,糜棱质发育,充填孔隙,面孔隙率和平均孔径最小。     

基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

为了定量研究不同煤体结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性,以渭北煤田韩城矿区为研究区,通过显微CT三维空间分析技术,采用多孔介质三维逾渗理论,开展了不同结构煤的孔隙三维建模分析,实现了对不同煤体结构煤中孔隙分布三维可视化的精细表征。结果表明:构造变形对煤的孔隙结构有深刻的影响;不同变形机制对煤的孔隙度、孔隙团数和最大孔隙团规模有着不同的影响,导致逾渗概率发生明显的变化;三维逾渗概率表明煤孔隙连通性和渗透率随变形程度增加呈现先升后降的变化趋势。碎裂煤孔隙团连通性最好,渗透性最强;糜棱煤孔隙团连通性最差,渗透性最弱。研究认为脆性破坏可促进外生孔和微裂隙的发育程度,加强孔裂隙间的连通性,提升煤岩渗透性;在脆韧性-韧性变形作用下,孔隙、微裂隙、矿物以及煤岩分布的非均质性明显增强,造成孔隙连通性变差,渗透率降低。     

基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响

采集淮南煤田3个不同矿区13-1煤层、焦作矿区中马村煤矿二1煤层不同分层的不同煤体结构煤样进行低温液氮吸附试验,分析研究了不同煤体结构构造煤的孔隙特征。由此将构造煤的低温液氮回线划分为H1、H2、H3三类,构造煤的孔隙划分为4类：两端开口的孔,一端开口的孔,墨水瓶形孔和狭缝形孔。碎裂煤中主要为一端开口的圆筒形孔和两端开口的圆筒形孔;碎粒煤和糜棱煤则主要包含狭缝形平板孔、墨水瓶形孔和一端开口的圆筒形孔。研究表明：构造煤对气体的吸附一般发生在孔径3.3 nm左右的孔隙;随煤体破坏强度增大,比表面积和孔体积的分形维数均在增大。综合孔隙特征研究结果,对糜棱煤、碎粒煤煤层分布发育地区容易引发瓦斯突出的机制进行了探讨。     

温吸附过程中不同煤体结构煤能量变化规律

煤吸附甲烷的过程中总是伴随动能及热量的变化,能量的变化是吸附的内在动力。对反映等温吸附过程中能量变化的相关特征参数的计算进行了推导,通过不同煤体结构煤的等温吸附实验,得到了不同温度下的相关吸附数据,计算出了不同煤体结构煤吸附甲烷过程中的能量变化值,并讨论了吸附过程中能量变化的微观机制。研究表明,糜棱结构煤的吸附能力最强,其次为碎粒结构煤、碎裂结构煤和原生结构煤;吸附势随吸附空间的增大而减小,吸附首先在微孔孔隙中进行,微孔的吸附势远大于中孔大孔的吸附势;吸附势和表面自由能总降低值的规律表现为糜棱结构煤>碎粒结构煤>碎裂结构煤>原生结构煤,揭示了煤吸附甲烷过程中的能量控制机理。     

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。     

高温热效应对煤孔隙结构及其吸附特性的影响

通过对水浴处理温度为40、60、80℃的原煤样进行压汞实验以及30℃煤的高压等温吸附试验,探究热效应对煤的孔隙结构及其吸附特性影响。实验结果表明:随着水浴温度的升高,煤的孔容、比表面积和孔隙度呈现上升趋势,但各个孔隙所占的孔容比却变化不一,煤体在60～80℃温度区间孔隙度随温度的增长速度也远远大于40～60℃区间;煤样水浴处理的温度越高,到达吸附极值所需的平衡瓦斯压力越大;等温吸附常数a值亦随水浴温度的升高而增加,且60～80℃水浴温度段a值增加量要低于40～60℃温度段。     

煤体吸附性能对煤体瓦斯放散特性的影响研究

煤体的吸附性能代表了煤体储存瓦斯能的能力,而煤体的放散特性表明了煤体释放瓦斯能的能力,两者均是造成煤与瓦斯突出的必要条件。为了研究煤体的吸附性能与煤体的瓦斯放散特性之间的内在联系,结合现有的实验条件,以煤样的极限吸附量与瓦斯放散初速度的关系为切入点,实验研究了不同吸附性能煤体的瓦斯放散特性变化规律,结果表明,煤体的瓦斯放散初速度ΔP随煤体的吸附常数a值的增大而增大,且二者之间存在一定的线性关系。     

基于液氮吸附的煤体孔隙结构测试研究

为研究煤体孔隙结构特征,实验室采用液氮静态吸附法对马兰8#煤、振兴二矿2#煤、润宏矿3#煤的3种煤样的孔隙结构特征开展了煤样颗粒比表面积、孔径、孔容等研究。结果显示,孔隙发育程度大小顺序依次为:振兴2#煤>润宏3#煤>马兰8#煤,且孔隙以微孔和中孔为主。该研究可为研究煤层瓦斯赋存及流动规律提供参考依据。     

基于压汞法的赵庄矿不同煤体结构煤的孔隙特征研究

选取赵庄矿3号煤层4种不同煤体结构煤的煤样,采用压汞法研究分析其煤体孔隙特征。实验表明,随着煤体破坏程度的增大,大孔孔容占比呈下降趋势,中孔、小孔孔容占比呈上升趋势,煤岩渗透性随之减小。原生结构煤、碎裂煤存在相当数量的封闭孔或孔径在纳米级以下,孔隙连通性差;碎粒结构煤孔隙连通性稍好,退汞效率在4种煤体结构中最高。     

构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释

采用恒温煤粒瓦斯放散试验方法,研究了构造煤和原生煤瓦斯放散过程的差异性,结果表明构造煤在瓦斯放散初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2.15~4.06倍,构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需时间不足原生煤所需时间的25%,原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤,构造煤与原生煤对典型瓦斯放散数学表达式的适用性存在很大不同。为解释试验结果,采用压汞法和低温氮吸附法对煤的孔隙结构进行测试,分析得到中孔及大孔分布是导致构造煤和原生煤瓦斯放散特征差异的主要因素,大分子结构等其他因素对瓦斯放散特征的影响有待于进一步研究。     

焦煤孔隙结构形态的实验研究

利用微焦点显微CT技术和压汞法分别对东曲2号焦煤的孔隙结构进行测试,综合分析两种方法所测结果,从孔隙连通性和尺度两个方面,全面研究了2号焦煤的孔隙结构和形态特征。研究表明:2号焦煤的孔隙率为17.2%,连通的开放孔隙占27.04%,封闭孔隙占72.96%;孔径大于0.64 μm的孔占67.74％,孔径介于0.64 μm和7.50 nm的孔占32.26%,但比表面积占总比表面积的93.4%,煤中微孔径的孔数量很大;大量微孔径孔和封闭孔的存在导致煤体渗透性、连通性很差。东曲2号煤的封闭孔多呈圆形、葫芦形和不规则形,孔隙壁厚,连通团呈镂空的雪片状,相互连通的吼道小且少。     

西山煤田不同变质程度煤孔隙结构分形特征及影响因素研究

为研究煤的多孔介质属性及其分形特征,以山西沁水盆地西山煤田为研究对象,采用扫描电镜(SEM)分析了煤表面孔隙结构特征.基于SEM图片,通过盒维数法计算得到了不同煤样表面孔隙分形维数,并分析了其影响因素.研究结果表明:煤表面具有显著的分形特征,分形理论能够较好地描述煤孔隙结构复杂程度;在本测试煤样中,不同煤样分形维数值在...     

不同煤阶煤孔隙特征及其吸附能力响应

我国是煤炭资源大国,煤层气储量规模相当可观,但煤储层又具有低孔、低渗的不足,照搬国外或常规石油天然气的开采程序和方法已被证实是走不通的。应结合实际,根据不同地质条件、不同煤阶的开采程序,进行孔隙特征研究。煤孔隙特征、连通性和吸附能力对煤层气开采影响尤为重要,为研究煤孔隙结构特征随煤变质程度的变化关系及其吸附能力的响应特点,采取不同地区不同变质程度煤样,进行压汞测试和等温吸附实验。实验结果表明,煤孔隙度和平均孔径均随变质程度增加呈现降低—升高—降低的趋势;煤中孔隙连通性随煤变质程度增加逐渐变差;随煤变质程度增加,其最大吸附能力也呈现降低—升高—降低的总体趋势。     

可控微波场对煤体的孔隙结构及瓦斯吸附特性的影响

采用容量法、低温氮吸附法和压汞法,分别开展了无可控微波场作用和可控微波场作用后的煤样的甲烷等温吸附实验与孔隙结构特性测定实验,分析了可控微波场作用后煤体的甲烷吸附量、比表面积与孔径分布的变化规律。结果表明,可控微波场作用后的煤样的甲烷吸附曲线仍很好地遵守Langmuir 方程,且可控微波场作用后煤样的甲烷吸附量小于无微波场作用的煤样;微波场作用对煤的孔隙结构与甲烷吸附特性的影响不随微波场的消失而消失,且随着微波场作用时间与功率的增加呈非线性变化;微波场的电磁辐射热效应与微波场的选择性作用特性引起的煤体损伤效应的综合作用改变了煤体的孔隙结构,影响了煤体的瓦斯吸附能力。     

构造煤中矿物质对孔隙结构的影响研究

为查明矿物质对构造煤孔隙结构的影响,在构造煤宏观和显微构造变形及其孔隙结构特征分析的基础上,结合显微组分鉴定和工业分析实验研究,探讨了构造煤中矿物质对煤体变形和孔隙结构的影响。为突显孔隙结构对构造变形的响应和表征作用,提出了干燥无灰基和密度校正法,以期降低矿物质对孔隙结构的影响。研究表明:一般矿物质含量相对较高的煤体在相近的构造条件下,变形程度往往强于低矿物质含量的煤体,构造煤中黏土矿物发育区构造变形程度多会增强、变形性质可向韧性转变。同生矿物对构造煤的孔隙结构的影响主要体现在密度、组分和变形影响等方面,且以密度影响最为显著。密度校正法可有效消除密度的影响,使得体积孔容和体积孔比表面积能更好的反映构造煤的孔隙发育和构造破坏程度。     

构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究

为探究向斜构造中煤体孔隙结构发育规律,以长城三矿1311S工作面向斜构造为研究对象,从向斜构造区域不同位置选取煤样,通过低温氮气吸附实验,对煤体孔隙结构特征进行分析。结果表明,向斜构造区域内煤体孔隙结构呈现规律性分布,比表面积与总孔体积从轴部向两翼逐渐减小,平均孔直径则逐渐增大;最可几孔径均分布在2 nm左右,向斜轴部最可几孔径小于两翼;通过对比分析分形维数得出,随着两翼距离向斜轴部越近,分形维数数值呈现线性增大趋势。通过对同一向斜不同位置煤体的孔隙结构特征进行分析,总结出向斜构造中煤体孔隙结构发育规律。

     

泥页岩中黏土矿物纳米孔隙结构特征及其对甲烷吸附的影响

查明黏土矿物纳米孔隙结构特征及其对甲烷吸附的影响,对认识页岩气的赋存和运移产出具有重要意义。针对蒙脱石、伊利石和绿泥石页岩中主要黏土矿物,开展了低温液氮吸附和甲烷等温吸附实验研究。结果表明:(1)黏土矿物孔隙结构复杂,主要由纳米孔组成,孔径2~50 nm的孔隙提供了主要孔隙体积和比表面积,蒙脱石、伊利石和绿泥石中孔分别占到孔隙总体积的81.45%,71.34%和75.36%,比表面积的88.70%,87.70%和90.65%,中孔(2~50 nm)孔隙构成甲烷气体赋存的重要空间。(2)矿物主要发育平行板状的狭缝型孔隙,同时含有少量的墨水瓶形孔。(3)不同黏土矿物气体吸附能力差异明显,蒙脱石、伊利石和绿泥石最大吸附量分别为8.80,3.27和2.69cm3/g。黏土矿物对甲烷吸附主要受控于矿物的中孔比表面积,最大吸附量与矿物的中孔比表面积大小具有强烈的正相关性。