黔西地区煤样孔隙综合分形特征及对孔渗性的影响

为了定量描述煤储层孔隙结构的复杂程度,基于压汞试验测试结果,运用分形理论,对黔西地区不同煤阶的32个煤样进行了分形特征研究,并探讨了分形几何参数与煤储层孔渗性的关系。结果表明:煤储层孔隙分形维数可分为渗流分形维数和扩散分形维数,利用不同分形段的孔隙体积比作为权值,通过加权求和方法可得到综合分形维数;渗流分形维数随变质程度增加而减小,扩散分形维数和综合分形维数均随变质程度增加而增大;分形界限、扩散孔隙体积分数及总孔体积都与综合分形维数、扩散分形维数具有较好的相关性,而且3个指标参数与综合分形维数的相关系数均高于与扩散分形维数的相关系数;综合分形维数、分形界限及扩散孔隙体积分数与煤储层孔隙度之间为负幂指数相关关系,总孔体积与煤储层孔隙度为线性正相关关系,与渗流分形维数和扩散分形维数相比,综合分形维数更有利于表征煤储层渗透性。     

不同变质程度煤孔隙结构分形特征对瓦斯吸附性影响

为研究不同变质程度煤孔隙结构分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,通过压汞试验测试了9组不同变质程度煤样孔隙结构,利用Menger海绵模型分析了不同变质程度煤孔隙结构分形特征,结合煤样吸附常数,研究了孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特性的影响。研究结果表明,煤孔隙在不同孔径段具有不同的分形特征,渗流孔分形维数D_1和吸附孔分形维数D_2均随变质程度的增加呈线性增大。煤孔隙分形特征对瓦斯吸附特性具有一定的影响,渗流孔分形维数D_1与吸附常数b呈良好的线性关系,与极限吸附瓦斯量a的关联性不大,表明渗流孔分形维数D_1对吸附瓦斯速率影响较大,对吸附能力影响较小;吸附孔分形维数D_2与极限吸附量a呈正相关关系,与吸附常数b关联关系不明显,说明吸附孔分形维数D_2对瓦斯吸附能力影响较大,对吸附瓦斯速率影响不明显。     

煤孔隙分形特征及其随温度的变化规律

利用分形几何学理论对煤孔隙结构进行了定量的描述和研究,推导了煤孔隙分形维数的表达式;利用压汞法测量了煤样在不同温度下的孔隙分布,从试验方面验证了煤孔隙所具有的分形特征,并利用这些试验数据求得了煤样孔隙体积的分形维数,得出了温度越高,煤孔隙分形维数越明显,并且呈线性增大的结论.     

氧化剂处理前后煤孔隙分形特征研究

为了探究氧化剂对煤孔隙分形特征的影响,采集了千秋矿低阶煤、沙曲矿中阶煤和中马村矿的高阶煤样,使用二氧化氯和过硫酸铵对不同煤阶的煤样进行预处理,利用压汞法对氧化剂处理前后煤样的孔隙结构进行分析,并计算了其孔隙分形维数,同时分析了分形维数与曲折度和孔隙度的关系。结果表明:随煤阶升高,孔隙分形维数逐渐降低;经氧化剂处理后,煤样孔隙分形维数、曲折度和孔隙度均有不同程度的增大,表明氧化剂能够提高煤孔隙的复杂性同时有利于煤层气的解吸运移,且二氧化氯比过硫酸铵的促进效果更加明显;随孔隙分形维数增大,曲折度先减小后增大,孔隙分形维数D=2.80约为趋势线转折点,孔隙度则呈下降趋势。     

不同煤阶煤孔隙结构分形表征及其对甲烷吸附特性的影响

煤储层中孔隙结构的发育程度决定了煤体瓦斯的吸附性能,通过低温液氮吸附实验测试了长焰煤、焦煤和无烟煤3种不同变质程度煤样的孔隙结构;基于分形理论对孔隙结构进行了量化表征,并结合煤的甲烷等温吸附实验,深入分析了不同变质程度煤孔隙结构对甲烷吸附特性的影响。结果显示：变质程度与孔隙分形维数D₁呈现出“浴盆式”变化规律,与分形维数D₂符合线性负相关关系;而煤样的微孔比表面积和孔容均与吸附常数a呈正相关关系,即微孔比表面积和孔容越大,煤的吸附能力越强;随着孔隙分形维数D₁的增加,吸附常数a呈现出近似线性增长趋势,煤体孔隙结构越不光滑,比表面积也会越大,从而使得煤的甲烷极限吸附量也会有所升高。     

煤的孔隙结构分形定量研究

煤是一种具有复杂孔隙结构的物质，难以用传统的欧几里德理论予以描述。分析用压汞法测出的煤中不同孔径段的比孔容资料，发现最小孔半径在６５￣８７ｎｍ的大孔和中孔具有分形特点，可以用分形维数定量表征煤的孔隙特征。分形维数能反映组成煤的煤岩组分的复杂程度和煤结构遭受破坏的严重程度。在煤的变质系列中，中变质程度烟煤的分形维数最大。     

煤粒孔隙的分形模型与分形特性研究

为了定量表征煤粒孔隙结构特性,选取褐煤、烟煤和无烟煤3个不同煤阶煤样分别破碎成3个不同粒度的煤粒进行压汞试验,基于Menger海绵模型和热力学模型对试验数据进行处理,研究了煤粒孔隙的分形特性。研究表明:基于Menger海绵模型得到的试验曲线不符合线性关系,曲线分为2段,前段分形维数DM大于3,后段线性拟合度太低;采用热力学模型分析孔隙分形特性时,曲线呈现显著的线性关系,拟合度均在0.98以上,且分形维数DT均在2~3。表明热力学模型较Menger海绵模型更适合研究煤粒孔隙的分形特性。DT随着煤粒度的减小而减小,且煤粒度对其影响较小;DT随着煤阶的升高而减小,并从煤变质作用的角度分析了其原因。     

不同变质程度煤孔隙结构特征研究

为揭示不同变质程度煤的吸附解吸性能,采用低温液氮实验研究不同变质程度的煤孔隙结构特征。结果表明:无烟煤存在大量开放型孔隙,贫瘦煤、焦煤存在大量一端封闭的孔隙;无烟煤的比表面积最大、焦煤的比表面积最小,贫瘦煤的比表面积居中。无烟煤对瓦斯的吸附能力最强,其次是贫瘦煤,焦煤最弱;无烟煤的分形维数最大,贫瘦煤的分形维数居中,焦煤的分形维数最小。随着变质程度的增加,孔隙结构变得复杂,孔隙粗糙度增加。     

比德-三塘盆地煤储层不同尺度孔隙分形特征研究

为利用煤储层孔隙结构的分形维数来定量描述其复杂程度,基于压汞试验,对黔西比德-三塘盆地主采煤层10个煤样进行了分形特征研究,并阐明了分形维数与煤储层物性之间的关系。结果表明:煤储层的分形可分为煤基质颗粒间大孔隙分形、煤基质颗粒中过渡孔隙分形和煤基质颗粒中微、小孔隙分形;大孔和过渡孔分形维数较高,小孔和微孔分形维数较低,3种孔隙结构的复杂程度依次为过渡孔大孔小孔和微孔。不同尺度的孔隙分形维数与孔隙体积分数呈负相关关系;大孔和过渡孔的分形维数均随着煤的变质程度、镜质组含量、灰分的变化呈现高-低-高的变化规律,与惰质组含量呈现低-高-低的变化规律,与水分、退汞效率成正相关关系,与平均孔径、孔隙度成负相关关系;小孔和微孔的分形维数与煤的变质程度、镜质组含量呈现低-高-低的变化规律,与惰质组和灰分含量呈现高-低-高的变化规律,与水分和退汞效率成负相关关系,与平均孔径和孔隙度成正相关关系。     

构造煤孔隙结构多尺度分形表征及影响因素研究

构造煤的孔隙结构具有非均质性、自相似性及标度不变性等分形特征,难以用传统的欧式几何方法对其孔隙特征进行定量描述。为了研究构造煤不同尺度孔隙结构的分形特征及表征方法,采用低温CO₂吸附法、低温N₂吸附法和压汞法等分别测试了4种试验煤样(原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤)的微孔、介孔及大孔孔隙结构,分析了构造煤中不同尺度孔隙的分形特征,探讨了构造煤孔隙结构多尺度分形特征综合表征方法,运用灰色关联方法研究了构造煤孔隙分形维数的影响因素。研究结果表明:基于CO₂吸附数据的微孔填充模型、基于N₂吸附数据的FHH模型和基于压汞数据的热力学模型分别能够对构造煤微孔、介孔和大孔孔隙的分形特征进行有效表征,不同尺度孔隙的分形维数随构造煤类型变化的规律不同,其中微孔分形维数及介孔中2～6 nm孔径段的分形维数随构造煤的破坏程度增大而增高,其余尺度孔隙的分形维数变化则没有明显规律。以阶段孔容比例为权重,对构造煤不同尺度的孔隙分形维数进行加权计算,即得构造煤多尺度综合分形维数,其能够反映不同尺度孔隙的分形特征,表现为多尺...     

中—高煤级煤孔隙分形特征

以平煤股份十三矿受岩浆侵入影响形成的不同煤化作用程度的10个原煤样品的压汞实验和低温氮气吸附实验数据为依据,应用孔隙的分形研究方法,揭示了中—高煤级煤的孔隙分形特征及其与煤级之间的内在联系。研究表明,压汞法和低温氮气吸附法测定的煤中孔隙均具有分形特征,尤其在不同孔径区段分形特征更加明显。压汞法压汞实验测定孔隙的分形维数为2.36~3.01,低温氮气吸附测定孔隙的分形维数分布在2.66~2.91之间。中—高煤级阶段(Ro,max在1.41%~6.52%之间),随煤级升高,压汞法孔容10~100 nm孔径段孔隙的分形维数呈降低趋势,大于1μm孔隙的分形维数呈现增高的趋势;低温氮气吸附比表面积小于4.5 nm孔径段分形维数呈现降低的趋势,大于4.5 nm孔隙的分形维数递增规律明显。     

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。     

沁水盆地煤储层孔隙分形特征及其对瓦斯吸附的影响

为研究煤孔隙分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,针对沁水盆地8个煤样开展了低温液氮吸附试验,采用FHH分形理论探讨了煤表面孔隙分形特征,测试了各煤样的瓦斯吸附常数a、b值,并分析了孔隙分形维数对煤体瓦斯吸附的影响。研究结果表明,煤表面孔隙在不同压力段具有不同的分形特征,D1和D2分别代表煤表面微孔、中孔及大孔的分形特征。随变质程度的升高,D1与R0呈现出良好的线性正相关关系,而D2随R0的增加则呈现出先快后慢的抛物线变化。煤体瓦斯吸附特性与煤表面孔隙分形特征密切相关,分形维数D1、D2数值越大,a值越大,煤体瓦斯吸附能力也就越强;分形特征对吸附常数b值的影响较小。     

煤表面润湿性的影响因素

为了深入研究煤表面润湿性的影响机理,选用16种不同变质程度的煤样,利用JC2000C1接触角测量仪表征润湿性大小。通过煤尘的镜质组反射率测定、工业分析、元素分析、红外光谱实验、激光粒度仪测定,研究了煤的变质程度(煤阶),化学组成,含氧官能团,粒度分形维数,比表面积等性质,并用最小二乘法与接触角建立线性拟合。研究表明:煤表面润湿性主要取决于氧含量、水分、灰分和含量官能团;亲水性含氧官能团主要为910~940 cm-1羟基变形振动和3 400~3 450 cm-1芳香羟基伸缩,在所测煤样中羰基和羧基表现不明显;同时随着煤阶,碳含量,固定碳的增大,其接触角逐渐增大,润湿性变差;利用分形维数表征粒度分布,随着煤粒径D10,D50,D90变小,分形维数增大,接触角变大,润湿性变差。     

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1.33～1.92范围内变化;变质程度、水分、埋深、坚固性系数(f值)对煤孔隙分形维数有显著影响,随Ro和埋深的增加煤体表面孔隙趋于复杂化,分形维数值不断增大;而水分和灰分的存在使得煤体表面变得相对光滑,能够减小分形维数值。分形维数是衡量煤孔隙复杂程度的有效参数,在煤矿现场瓦斯防治中,对于具有高分形维数的煤体,应该引起重视。这类煤体往往破坏程度较高,具有强吸附性,孔隙连通性差,瓦斯抽采困难,在煤炭开采过程中,容易导致煤与瓦斯突出、瓦斯涌出等灾害。     

淮北矿区许疃矿构造煤类型及其孔隙特征研究

通过手标本及电子显微镜对研究区发育的构造煤进行观测,不同类型构造煤在宏观及微观变形特征方面差异性显著。利用分形理论结合压汞实验数据对构造煤孔隙特征进行了研究。研究结果表明:随构造变形程度增强,总孔容、孔隙度整体呈增大趋势,韧性变形阶段尤为显著,而孔隙连通性逐步变差;孔隙特征对构造变形作用的响应程度随孔隙尺度的减小而变弱;基于压汞数据的分形维数仅能有效表征大孔及中孔的孔隙结构特征,分形维数随煤体变形程度的增强而增大,孔隙结构呈现多样化及复杂化;大孔孔容和渗流孔比重与分形维数呈正线性相关,而中孔孔容与分形维数呈正指数相关。     

中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究

为研究中高阶煤(Vdaf25%)的分形特征对煤层瓦斯吸附规律的影响,针对不同矿区6种中高阶煤样,采用高压容量法测试了煤样的瓦斯吸附能力,利用Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(PL)。同时,根据电镜扫描(SEM)实验,对煤体表面孔隙特征进行了分析,并利用基于Kolomogrov容量维的分形理论计算得到了煤样孔隙分布的分形维数。在此基础上,研究了分形维数对中高阶煤瓦斯吸附的影响。研究结果表明:不同煤样孔隙结构差异显著,煤体表面孔隙分布具有明显的非均质性和分形特征;煤体变质程度对分形维数具有重要影响,煤化作用使得孔隙结构更加复杂;煤体表面分形对VL和PL的影响不同,VL随着分形维数的增加呈线性增加,而PL与分形维数的关系符合二次曲线,说明煤体表面越复杂,煤体越易于吸附瓦斯。     

煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响

为了考察煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响,选取气煤、肥煤和焦煤煤样为研究对象,通过压汞试验测量得到不同煤样的微观孔隙分布数据,结果分析表明:直径小于100 nm的孔隙分形维数在2~3内,煤样微观孔隙具有良好的分形特征,满足分形理论描述多孔介质的微观孔隙分布特性。通过煤自然发火模拟系统,对气煤、肥煤和焦煤煤样进行升温氧化模拟试验,并绘制煤样升温氧化过程中气体产物浓度随温度变化的曲线,试验结果显示了煤微观孔隙结构与其自燃倾向性的关系:煤样的变质程度越高,其内部结构越致密、内生裂隙相对较少,发生氧化反应的温度也越高。     

基于低温液氮浸溶处理的淮南矿区松软中阶煤孔隙特征

为了研究低温液氮浸溶处理对淮南矿区中阶煤孔隙结构及其分形特征影响,采用不同液氮浸溶时间处理煤样,通过压汞法和液氮吸附法对煤体的孔隙结构加以测定,结合分形理论从多角度分析不同浸溶时间下煤体孔隙的发育规律及其尺度特征。结果表明：随着液氮浸溶时间的增加,煤体总孔容由198.089×10-3 cm3/g上升至371.553×10-3 cm3/g,总比表面积则由4.984m2/g下降至4.496 m2/g,效果显著;煤体吸附孔减小,渗流孔增加,吸附孔的孔隙连通性增加形成更大级别的孔隙,逐渐向渗流孔转变;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数与液氮浸溶时间呈现负线性相关,液氮浸溶对于渗流孔分形维数比对吸附孔分形维数的影响程度更为显著;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数随着液氮浸溶时间的增大逐渐降低,表明了煤体内部孔隙随着液氮浸溶时间的增大结构复杂程度降低,孔隙之间的贯通性增强,煤体孔隙度和渗透性的增加;综合分形维数随着煤体平均孔径和总孔体积的增加而减小,随着总比表面积的增加而增加,随着液氮浸溶时间的增加,煤体综合分形维数下降,煤体的吸附能力有所减弱,渗流能力有所增强,有助于提升淮南矿区低渗煤层煤层气抽采效果。     

单裂隙结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响

为探究单裂隙粗糙度、开度等结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响,基于Weierstrass-Mandelbort分形函数生成不同粗糙度的裂隙轮廓曲线,构建含不同分形维数和裂隙开度的二维裂隙煤岩体模型。运用Fluent软件模拟分析裂隙分形维数、开度对裂隙内部及周边煤岩基质内瓦斯流动特性的影响,建立了可定量刻画裂隙结构特征对煤岩体相对渗流能力具有影响的流量系数双参数模型。结果表明：随着裂隙分形维数减小,裂隙开度增大,煤岩体渗流能力逐渐增强,且裂隙导流能力在煤岩体渗流过程中逐渐占优,流量占比最高达81%。随着分形维数增大,裂隙内瓦斯流动非线性强度系数呈指数型增大,影响裂隙内瓦斯流动非线性强度系数的主控因素逐渐由裂隙开度转变为分形维数,同时在煤岩基质靠近裂隙轮廓曲线离散程度较大的位置处,存在局部渗流速度增大的现象。当裂隙开度增大至1.5 mm后,裂隙分形维数对流量系数的影响起主导作用,反之,裂隙开度起主导作用。提出了流量系数与分形维数、裂隙开度的经验关系式。