煤孔隙结构构造变形的压汞法和小角X射线散射表征

依托渭北煤田韩城矿区煤样,采用压汞法和小角X射线散射技术(SAXS),结合孔隙分形表征,从分形特征的角度探讨了构造变形对煤孔隙结构的影响程度。结果表明,煤的孔隙分形维数定量表征了构造煤孔隙结构的差异性变化及其非均质性。强构造变形煤具有较高的渗流孔分形维数(DHg),孔隙结构及表面非均质性较高,而渗透率较低,说明强烈构造变形所导致的复杂孔隙结构是构造煤储层低渗透的原因之一。吸附孔孔隙表面分形维数(DSAXS)随着构造变形的增强而增大,表明变形作用造成煤孔隙表面结构在微观上变得复杂。研究认为,分形维数可以指示煤中孔隙结构的构造变形程度。     

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CO_2吸附法、低温N_2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CO_2吸附数据的微孔填充模型、基于N_2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,表现为多尺度综合分形维数随构造煤变形程度的增强而增大。根据灰色关联度排序,中值孔径、微孔孔容、总比表面积、微孔比表面积等因素对分形维数的影响最大,最可几孔径、总孔容、介孔比表面积、微孔比表面积比例等因素次之,灰分、挥发分、介孔孔容、介孔比表面积比例等因素对分形维数的影响相对较小。     

基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征

利用显微CT技术对重庆市中梁山南矿构造煤的渗流孔进行了精细定量表征。研究发现：构造煤孔隙直径一般小于10 μm,但不同类型构造煤的孔隙分布特征有着明显差别。随着构造变形的增强,煤的孔隙数量、面孔隙度逐渐增大。原生-碎裂煤的孔隙以原生孔为主;碎裂煤脆性破坏加剧,角砾孔增加;碎粒煤碎粒孔和微裂隙发育,平均孔径加大;鳞片煤受到强烈剪切作用,煤颗粒在脆性破碎的基础上,同时具有韧性变形特征,包括局部揉皱和粉末状糜棱质,充填部分孔隙,造成平均孔径下降。构造煤孔隙三维建模表明,随着应力作用的增强,构造煤的孔隙度、孔比表面积、孔体积及最大连通孔隙团不断增高。     

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。     

开平煤田南东翼深部煤层孔隙特征研究

采集了开平煤田南东翼3对矿井深部不同煤体结构的8个煤样。基于压汞试验,结合数理统计理论,绘制了煤样各孔径阶段的孔容累积曲线与概率值累积曲线,分析了煤样的孔隙结构特征。研究表明,碎粒煤与原生结构煤的孔隙结构及连通性有很大差异,碎粒煤大孔隙较原生结构煤发育,而中孔所占百分比小于原生结构煤。     

构造变形对烟煤级构造煤微孔-中孔的作用

煤作为一种复杂的天然多孔性固体物质,其纳米级孔隙对煤层气的储集和运移有着重大影响。我国受成煤盆地多期次构造运动影响,煤层普遍发育不同破坏类型的构造煤,构造煤纳米级孔隙结构在构造变形作用下发生重要变化,这一变化不仅影响着煤层瓦斯的储集和赋存状态,同时也对煤与瓦斯突出预测和煤层气开采具有重要意义。采集首山一矿和义安矿不同变形程度构造煤样品,基于低温液氮吸附(2～50 nm)和二氧化碳吸附(2 nm)实验,利用多重分形理论分析了构造变形对煤的微孔-中孔结构的影响。结果表明煤样微孔和中孔均具有多重分形特征,微孔广义分形维数谱宽D_(10-)～D_(10+)和奇异指数α_0随变形程度的增加整体递增,中孔则先降低后增加。弱变形阶段,微孔信息维数D_1和赫斯特指数H逐渐降低而多重分形奇异谱谱宽Δα逐渐增加,中孔D_1和H逐渐增加而Δα逐渐降低。强变形阶段,微孔D_1,H和Δα均没有发生明显变化,中孔D_1和H明显降低,Δα明显增加。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏强度的关系,弱变形阶段,构造变形作用导致煤的微孔结构趋于复杂,孔隙连通性较差,中孔结构趋于简单,归因于官能团脱落以及应力作用下部分中孔结构的收缩。强变形阶段,微孔结构差异依然较强,中孔结构差异则由弱变强,这与强构造应力作用下形成大量的分子间孔、缺陷以及气孔有关。     

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。     

基于压汞、低温N_2吸附和CO_2吸附的构造煤孔隙结构表征

我国煤层受多期次构造运动影响构造煤普遍发育,构造煤孔隙大小分布尺度较广(毫米～纳米级),孔隙结构较为复杂。不同尺度的孔隙结构控制着煤层气的吸附-解吸(孔隙表面)、扩散(纳米级孔隙)与渗流(微米～毫米级孔隙)等过程,是影响煤层气储存与运移的重要因素。为研究构造煤不同尺度孔隙结构的分布特征与演化规律,在潞安矿区采集4种破坏类型煤样,利用压汞法、低温N_2吸附法及CO_2吸附法分别测试了煤样的孔隙分布特征,对比分析了各测试方法的优势孔径段,提出利用CO_2吸附法表征构造煤微孔(2 nm)、低温N_2吸附法表征介孔(2～50 nm)、压汞法表征大孔结构(50 nm)的孔隙结构多尺度联合表征方法。实验结果表明所采煤样的孔容和孔比表面积均主要分布在微孔阶段,在0. 6 nm左右时的孔隙孔容量和孔比表面积达到最大,其中微孔容占总孔容的70%以上,微孔孔比表面积占总孔比表面积的99%以上,煤中孔容和孔比表面积分布存在微孔大孔介孔的规律。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏类型的关系,随煤破坏程度增加,孔容和孔比表面积逐渐增高,大孔孔容比及介孔孔容比逐渐增大,微孔孔容比逐渐减小;孔容增幅主要体现在大孔阶段,比表面积增幅则主要体现在微孔阶段。其中大孔演化主要受控于角砾孔、碎粒孔及摩擦孔等外生孔,介孔演化受控于煤的大分子堆叠结构及分子间距,微孔演化主要受控于煤中芳香层片大小及排列方式。     

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%。     

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。