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。     

基于小角X射线散射的灰分对煤孔隙结构的影响研究

为研究灰分对煤孔隙结构的影响,采用小角X射线散射(SAXS)定量解析了4个低挥发分烟煤脱灰前后的散射曲线和孔隙参数的变化规律。结果表明,所有煤样灰分主位于散射矢量1.0~2.0 nm-1(对应孔隙尺寸3~6 nm)区间;所有煤样Porod曲线呈正偏离;相比未脱灰样,脱灰样孔隙数量、孔体积、孔比表面积和孔表面分形维数增大,微孔比例增加,最可几孔径和平均孔径下降。结论表明SAXS能够有效地表征煤中孔隙分布。     

基于小角X射线散射技术计算不同孔形的煤孔隙特征比较研究

为了确定小角X射线散射(SmallAngleX-rayScattering,SAXS)测试中煤孔隙结构最适 用的孔形,对河北邯郸大淑村煤矿的煤样进行小角X射线散射测试和氮气吸附测试。 通过计算 7个具有不同孔形和不同高径比下煤样的孔径分布、比表面积和孔隙率,并与氮气吸附测试结果 比较,得出:①最适合大淑村煤矿煤样的孔形是高径比为0.1的圆柱形;②SAXS测得的比表面积 和孔隙率比氮气吸附大,原因是SAXS可以测到煤样中封闭孔以及开口较小的锥形孔。 测试确 定最适用煤孔形对今后使用SAXS测试煤样孔隙结构具有重要参考意义。     

原生煤与构造煤孔隙结构的压力响应特征

为模拟原生煤和构造煤在煤层中的加压和解吸后的性能,实验选取原生煤赵庄3#原生煤和阳泉二矿8#煤构造煤,利用BSD-PH全自动高压气体吸附分析仪进行甲烷气体逐梯次加压到10 MPa,然后开始解吸甲烷气体到大气压,再抽真空处理。处理后的样品,利用Tristar II比表面仪进行低温氮实验研究煤孔隙结构。结果表明：（1）原生煤和构造煤在加压后,均发生孔隙结构变化,原生煤比构造煤的抗压能力强。（2）加压后,原生煤和构造煤最可几孔径均有往后移动的趋势,表明压力会影响孔径大小。（3）原生煤吸附性能较好,构造煤吸附性能稍次,甲烷解吸后,原生煤孔隙结构影响较小,构造煤孔隙结构易受到破坏。研究成果可为构造煤层气开采及煤矿瓦斯突出防控提供一定的依据。     

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。     

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。

     

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。     

基于氮气吸附-扫描电镜的构造煤孔隙特征研究

煤的孔隙结构特征与瓦斯的吸附和运移密切相关,构造煤的孔隙结构特征由于受到构造应力的破坏而趋于复杂,因此开展构造煤孔隙发育的研究是提升瓦斯治理水平的重要方向。以西山煤田南部东于煤矿三组构造煤和一组原生煤为研究对象,采取低温液氮吸附法和扫描电子显微镜(SEM),联合观测构造煤与原生煤的孔隙特征。研究表明：三组构造煤的氮气吸附量为原生煤的2.04倍、1.49倍和2.90倍,三组构造煤的孔容为原生煤的2.08倍、1.53倍和2.96倍;三组构造煤的孔容大部分由微孔和小孔提供均达到69.71%以上,孔比表面积大部分由微孔提供均达到了79.04%以上;原生煤的孔容大部分由微孔和小孔提供达到了89.38%,孔比表面积微孔占比93.97%;三组构造煤的孔隙结构相比原生煤更加复杂,具有更大的分形维数(2.6985～2.7106);三组构造煤(10000倍)表面分形维数分别为1.962、1.979、1.947均大于原生煤1.945,构造煤与原生煤相比有更为发育的孔隙特征;分形维数D₁与总孔比表面积、微孔比表面积成正比;挥发分含量在一定范围内与总孔比表面积、微孔比表面积、小孔比表面积成...     

基于分形维数的原生煤与构造煤孔隙结构特征分析

以大宁煤矿3 #煤层的原生煤和构造煤为研究对象,以压汞实验结构为基础并结合分形维数理论,对原生煤和构造煤的孔隙结构特征进行了对比分析,研究发现:构造煤的进汞总量是原生煤的3倍左右;原生煤无滞后回线,孔隙形态主要以管状或者平板型孔为主;构造煤有明显滞后回线,孔隙形态以“墨水瓶”似的孔为主;原生煤只有一个突破压力,构造煤却有两个;原生煤分形维数特征关系曲线存在着一个突变点,而构造煤则存在两个突变点.综上可知,构造煤内孔隙结构更复杂、连通性更差,瓦斯更难运移,并且更容易遭受破坏.     

构造煤裂隙及渗流孔隙分形特征研究

构造煤的孔裂隙系统对煤层气吸附、运移以及瓦斯突出均具有控制作用,选取淮北朱仙庄矿12块不同变形类型构造煤进行显微镜观测和压汞测试,并利用分形方法对样品裂隙系统、渗流孔孔隙系统及二者的关联性进行研究,结果表明:样品显微裂隙信息维数分布于1.2~1.9,孔隙分形维数分布于2.6~3.0;随着煤体变形程度增强,显微裂隙分形维数Dl线性增大,渗流孔隙分形维数Dk在脆性变形阶段变化不大,脆-韧性和韧性变形阶段呈线性减小。Dl增大,样品渗流孔孔容和比表面积呈指数增大,平均渗流孔孔隙直径减小,渗流孔发育程度提高,渗透性增强。孔隙分形维数随裂隙分形维数增大呈抛物线形式减小,以Dl=1.6为界,可根据Dl值将变形环境分为小于1.6的脆性变形环境以及大于1.6的脆-韧性/韧性变形环境。     

构造煤结构-成因新分类及其地质意义

在详细研究沁水盆地和两淮煤田构造煤的基础上，结合前人的研究成果，扩展了构造煤的概念，提出了一套既适合于煤层气勘探开发又适合于煤与瓦斯突出防治的构造煤结构一成因分类方案．此分类方案是以构造煤的手标本或钻井煤芯为尺度，按构造变形机制分为脆性变形、脆韧性变形和韧性变形3个变形序列的10类煤．     

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。     

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。     

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。     

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。