煤体孔隙结构及分形特征的实验研究

采用低温氮吸附实验测定6种煤样的孔隙参数及等温吸附曲线,研究煤样孔隙表面分维数与孔隙参数之间的关系。采用FHH模型计算各煤样的孔隙表面分形维数。结果表明:表面分维数能够较好地表征孔隙结构的非均质性及复杂性;分形维数越大,孔隙结构越复杂、孔隙表面越不规则。     

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。     

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。     

基于压汞法的煤岩各段孔隙的分形特征

采用压汞法对大同和屯留煤样进行微结构测试。根据煤岩孔隙不同半径范围内累积孔隙体积分数所占的比例大小对孔隙进行了大小分类。结合孔隙结构分形维数计算原理,通过线性回归计算了各类孔隙的分形维数。结果表明用分段回归方法计算煤中不同孔隙的分形维数能较好地反映复杂的孔隙结构。小孔分维数较小,中孔和大孔分维数较大,说明中孔和大孔孔隙结构很不均匀,煤岩孔隙在这个阶段的分布离散性较大。     

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...     

气煤的孔隙分形特征对瓦斯吸附的影响

为了研究气煤的孔隙的分形特征对瓦斯吸附的影响,通过低温液氮吸附法对阜康气煤的孔隙结构进行测试,采用FHH模型对实验煤样进行分形维数计算,运用高压容量法测定煤样的吸附特性,分析了气煤的分形维数与瓦斯吸附性能的关系。实验结果表明:表面分形维数D_1与Langmuir体积V_L呈正相关,与Langmuir压力p_L呈负相关;但结构分形维数D_2与煤样的Langmuir体积V_L和Langmuir压力p_L之间的相关性不明显;通过分析可知,气煤中孔隙结构的分布和孔隙类型同时影响着瓦斯气体在煤体孔隙中的运移。     

新疆阜康矿区煤储层孔隙分形特征研究

基于压汞实验,分析了新疆阜康矿区9个煤样煤储层压汞孔隙分布特征,利用分形理论定量计算了煤样的孔隙分形维数,对煤样进行镜质组反射率测定、煤质分析,分析了煤的分形维数特征。研究表明,煤孔隙体积分形维数与水分呈正相关关系,灰分对分形维数也有重要的影响,随着分形维数的增加储层孔隙度相应增加。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于低场核磁共振技术的酸化煤样孔隙特征研究

为研究酸化作用后煤体的孔隙结构特征,采用低场核磁共振技术和X射线衍射实验方法,测试了高阶煤自然煤样和酸化煤样的孔隙结构和矿物含量,并根据分形理论对比研究了2种煤样孔隙的分形维数,探讨了酸化作用原理.研究结果表明:自然煤样和酸化煤样中微孔和过渡孔都占较大的比例;煤样酸化后,其孔隙率增大,最小孔径和最大孔径都变大;酸化作用...     

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。     

矿井煤尘的分形特征及对其表面润湿性能的影响

基于光学接触角测量仪研究了不同煤质、不同粒度煤尘对去离子水以及添加羧甲基纤维素钠（CMC）、十二烷基硫酸钠（SDS）等表面活性剂时的润湿接触角,同时基于非线性的分形理论对煤尘粒度、表面孔隙结构等分形特征进行了研究,分析了粒度及表面结构分形维数对颗粒表润湿特性的影响。结果显示,细化煤尘表现为较强的疏水性,0.2%的表面活性剂可显著改善颗粒表面的润湿性能,其中以阴离子表面活性剂（SDS）为佳;煤尘的粒度分布、颗粒表面的孔隙结构均表现出典型的分形特征;随着粒度分形维数的增加,颗粒中位粒径降低,其表面的润湿接触角增加,特别是对于粒径小于10 μm的煤尘较为显著;随着表面孔隙分形维数的增加特别是对于分形维数大于2.5时,表面润湿接触角逐步减小并趋于稳定。     

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。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

2种氧化剂对贫煤孔隙特性影响的对比研究

为探讨过硫酸铵与二氧化氯对贫煤孔隙特征的影响,优选出更加适合贫煤储层改造的氧化剂,对采集自大平矿与告成矿的贫煤煤样进行压汞实验,分析讨论了过硫酸铵与二氧化氯对煤样孔隙度、分形维数和排驱压力等储层基本特征参数以及孔体积、比表面积及其分布的影响。结果表明,二氧化氯能够有效提高煤储层的孔隙度,减小其孔比表面积及分形维数,过硫酸铵则可能导致煤储层总体孔隙度降低,减小孔比表面积,增大其分形维数。二氧化氯与过硫酸铵作用后,煤样大孔孔体积所占比例增加,中、小及微孔体积比例减小,使孔隙分布更加均匀,各类孔比表面积分布变化不大。因此,二氧化氯与过硫酸铵均能够对贫煤储层进行氧化刻蚀,降低其亲甲烷能力,而二氧化氯对煤层气解吸运移的促进作用要优于过硫酸铵。     

煤泥水压滤滤饼孔隙结构特征研究

滤饼的孔隙结构是影响煤泥水过滤效果的关键因素,但煤泥滤饼孔隙结构测量中存在滤饼结构易损坏和煤颗粒与孔隙难区分的难题。为了深入研究煤泥水压滤滤饼孔隙结构特征,建立了煤泥滤饼固化装置与方法,利用偏光显微镜研究了入料中-0.074 mm粒级含量、过滤压力对煤泥滤饼孔隙结构的影响。结果表明:随着入料中-0.074 mm粒级含量增加,滤饼孔径、孔面积和孔隙率降低速率变缓,孔隙孔径分布范围变窄,孔隙构成中的小孔径孔隙所占比例增加,孔隙截面边界分形维数变大,滤饼孔隙截面边界更曲折,孔隙结构更复杂;煤泥水过滤压力增加主要压缩滤饼中的大孔径孔隙,过滤压力越大,滤饼孔隙压缩越严重,滤饼孔隙率越低,孔隙截面边界分形维数越大,滤饼孔隙边界越曲折,孔隙结构越复杂。     

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.     

煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响

煤层注水对防突具有显著效果,而煤层孔隙特性是影响瓦斯吸脱附及渗流的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对原煤体甲烷吸脱附性能的影响。选取首山矿己15-12070工作面进行煤层注水现场实验,使用氮吸附法得出各煤样孔隙特性并用分形理论计算孔隙粗糙度,使用静态容量法测出各煤样吸脱附参数。结果表明:注水后各孔径段孔隙量均有所增加,注水压力与比表面积、孔容及分形维数呈线性正相关关系;孔隙特征参数与甲烷吸脱附性能呈线性正相关关系;各煤样均出现甲烷吸脱附迟滞现象,且注水压力越高,甲烷吸附能力越强,脱附迟滞程度越大。煤层注水压力越大,煤的孔裂隙数量会增多且粗糙度增大,煤体倾向于保留更多的瓦斯。