CN117607388A - 一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法，包括：利用密度分析仪测试获得煤的视密度；基于压汞实验、低压氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验获得煤中孔、裂隙结构参数；利用分形理论处理压汞实验数据，建立煤中裂隙和孔隙尺度的判定准则，计算获得煤中裂隙体积和孔隙体积；将煤的视密度分别与其裂隙体积和孔隙体积结合，计算获得煤的裂隙率和孔隙率。本发明通过研究煤中孔、裂隙结构特征，构建了煤体裂隙率和孔隙率的表征方法，实现了煤中裂隙和孔隙结构特征的定量化表征。

Description

一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法

技术领域

本发明属于矿井瓦斯抽采技术领域，特别是涉及一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法。

背景技术

煤是由包含孔隙的煤基质和切割煤基质的裂隙组成的双重孔隙结构多孔介质，裂隙为游离态瓦斯的赋存场所和流动通道，而基质孔隙内既赋存有吸附态瓦斯又有游离态瓦斯。基质孔隙内瓦斯运移符合Fick扩散定律；裂隙内瓦斯的运移符合Darcy渗流定律。因此，定量表征煤的裂隙和孔隙结构可为研究煤中瓦斯的吸附/解吸与渗流机理提供保障，亦可为煤中瓦斯抽采奠定理论基础。

由于煤内部结构的复杂性，实际上煤中基质孔隙和裂隙并没有明显的尺度界限划分，因此，以往在进行表征时往往统称为孔隙。目前，在对煤中孔隙结构进行测试分析时，根据测试原理和设备的不同，主要可以分为：光学观测法和流体侵入法。光学观测法主要包括光学显微镜法、扫描电子显微镜法、透射电子显微镜法和小角度散射法等。流体侵入法主要有压汞法、低压氮气吸附法、CO₂吸附法等。其中，低压氮气吸附法和压汞法因其成本低、操作简单，可以通过液氮吸附等温线和进退汞曲线得到表征煤孔结构特征的比表面积、孔容等定量数据，从而得到了普遍应用。

近年来，国内外许多学者利用低压液氮吸附法和压汞法对煤样孔隙特征进行了大量的研究，取得了一定的成果。然而低压氮气吸附法和压汞法亦存在其不足之处，理论上液氮吸附法的测定范围为0.2～100nm，而压汞法的测定范围为7.2nm～750μm，但在进汞压力过大时，煤基质被挤压变形，进而损伤孔、裂隙结构，然而，目前并不清楚进汞压力大到什么程度会损伤煤基质和孔、裂隙结构，同时对于小于0.2nm的孔隙参数来说，无法使用上述两种方法测试获得。以上原因导致现有实验方法无法精准地表征煤体裂隙率和孔隙率。

发明内容

本发明的目的是提供一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法，包括以下步骤：

利用密度分析仪测试获得煤的视密度；

基于压汞实验、低压氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验获得煤中孔、裂隙结构参数；

利用分形理论处理压汞实验数据，建立煤中裂隙和孔隙尺度的判定准则，计算获得煤中裂隙体积和孔隙体积；

将煤的视密度分别与其裂隙体积和孔隙体积结合，计算获得煤的裂隙率和孔隙率。

可选地，利用分形理论处理压汞实验数据的关系式如下所示：

其中，P(r)表示煤样孔、裂隙直径为r时的进汞压力；V_P(r)表示在进汞压力为P(r)时的进汞量；r表示煤样孔、裂隙直径；d_f表示煤样孔、裂隙的分形维数。

可选地，所述煤的裂隙率和孔隙率与视密度之间的表征关系如下所示：

其中，φ_f表示煤的裂隙率；V_f表示煤的裂隙体积；ρ_ap表示煤的视密度；n表示煤的孔隙率；V_n表示煤的孔隙体积。

本发明的技术效果为：

本发明利用不同粒径煤粉压制的型煤试样以及由煤块中直接钻取获得的原煤试样，开展了不同煤样的压汞实验、低压氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验，并结合分形理论探讨了不同煤样孔、裂隙尺度的判定准则，提出了煤中裂隙体积和孔隙体积的划分方法，对煤的孔、裂隙结构特征进行了深入分析，构建了煤体裂隙率和孔隙率的数学计算方法，定量化表征了煤体裂隙率和孔隙率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的利用压汞实验获得的煤样孔、裂隙累计进汞量与进汞压力的关系图；

图2为本发明实施例中的利用低压氮气吸附实验获得的煤样孔隙进气量与相对压力的关系；

图3为本发明实施例中的利用二氧化碳吸附实验测试获得的煤样孔隙进气量与相对压力的关系；

图4为本发明实施例中的利用分形理论获得的煤样孔、裂隙分形维数图；

图5为本发明所述煤体裂隙率和孔隙率定量表征的整体流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1～图5所示，本实施例中提供一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法。

煤是一种非均质各向异性的多孔介质，通常情况下，煤被看成是由含孔隙的煤基质和煤基质周围的裂隙组成的。煤的孔、裂隙结构特性决定了煤的力学性质和煤中瓦斯的运移规律。因此，要从本质上认识煤的力学变形损伤以及瓦斯运移特性，就必须实现对煤基质、孔隙***和裂隙***的有效描述。为了获得具有不同孔、裂隙结构的煤样，利用不同粒径大小的煤粉压制了标准型煤试样，同时利用切割机、钻机等设备对煤块进行加工，获得了标准原煤试样。

煤的视密度测定

煤的视密度测定依据的标准为《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561-2009)。视密度测定采用蜡封法，通过密度分析仪测定获得。煤的视密度测定结果如表1所示。

表1

压汞实验

压汞实验主要是通过外部压力将液态汞注入到煤的孔、裂隙中，孔、裂隙大小由注入汞的多少确定，外部进汞压力越高，液态汞能够进入的孔、裂隙的直径就越小。因此，特定的进汞压力对应特定的孔、裂隙直径，根据进汞压力、汞的表面张力、汞的润湿接触角等，可计算获得煤中孔、裂隙直径，而相应的进汞量相当于该直径下的孔、裂隙体积。利用压汞实验获得的煤样孔、裂隙的累计进汞量与进汞压力的关系如图1所示。

低压氮气吸附实验

由于压汞实验在高压阶段会对煤产生压缩破坏，因此，压汞实验无法有效地测得小孔和微孔的结构参数。为了弥补压汞实验在孔隙测试方面的不足之处，采用低压氮气吸附实验对煤样的孔隙结构进行了补充测试分析。低压氮气吸附实验测试孔隙的基本原理为：在由液氮提供的温度环境下，以氮气作为吸附质，保持温度恒定，测试煤样在不同相对压力(P/P₀)时的吸附量，可得到煤样的等温吸附曲线；相反，在保持温度恒定的情况下，测试煤在不同相对压力(P/P₀)时的解吸量，可得到煤样的等温解吸曲线。实验结束后，通过BET等温吸附模型可计算得到由低压氮气吸附实验测定的煤样孔隙比表面积的分布规律，而通过密度泛函理论模型可计算得到由低压氮气吸附实验测定的煤样孔隙体积与直径的分布规律。利用低压氮气吸附实验获得的煤样孔隙的进气量与相对压力的关系如图2所示。

二氧化碳吸附实验

低压氮气吸附实验所测得的孔隙最小直径只有2nm，而前人研究发现，煤中小于2nm的微孔比表面积对煤中孔隙的比表面积和体积有重要影响，因此，采用二氧化碳吸附法测试分析了不同型煤试样和原煤试样的微孔结构参数。在使用二氧化碳吸附实验测试分析煤中微孔结构时，其体积和直径是利用DFT模型处理获得，而其比表面积则是通过BET模型处理获得。利用二氧化碳吸附实验测试获得的煤样孔隙的进气量与相对压力的关系如图3所示。

煤的孔、裂隙尺度判定

煤层最大的特点是非匀质、非连续、各向异性，其内部遍布着非常广泛的宏观裂隙、微观裂隙和孔隙。煤中瓦斯的吸附、解吸和运移规律受到其孔、裂隙结构的直接影响。由于煤中孔、裂隙结构的分布极其复杂，使用传统的欧几里得几何对其描述已经存在相当大的困难，虽然以往对煤中孔、裂隙进行了不同的成因分类和大小分级，但是也仅仅是从某个局部对其进行定量描述，而未从整体上去把握。为了描述这一类的非线性科学的数学问题，可参考分形理论的基本方法。分形理论是利用分数维对自然界不规则的规则事物进行定量的描述，并在更深层次上揭示出自然界所遵循的自相似性规律，也就是通常所说的尺度对称性或尺度变换不变性规律。由于压汞实验获得的煤样孔、裂隙直径范围较广，既包含裂隙，也包含孔隙，因此，主要针对压汞实验结果进行煤样孔、裂隙的分形特征分析。

对于通过压汞实验数据获得的煤样孔、裂隙结构参数来说，其进汞量与进汞压力之间的关系，具体如下式所示。

其中，P(r)表示煤样孔、裂隙直径为r时的进汞压力，MPa；V_P(r)表示在进汞压力为P(r)时的进汞量，mL/g；r表示煤样孔、裂隙直径，nm；d_f表示煤样孔、裂隙的分形维数，无量纲。根据分形理论可知，煤样孔、裂隙的分形维数应该在2～3之间。其中，分形维数越接近2，说明煤样孔、裂隙表面越平滑；而分形维数越接近3，煤样孔、裂隙表面越粗糙。

通过公式(1)可知，利用压汞实验获得的(ln P(r))作散点图，然后进行线性拟合，即可得到斜率K_s，根据公式(1)可知，

K_s＝d_f-4 (2)

因此，

d_f＝K_s+4 (3)

利用分形理论获得的不同型煤试样和原煤试样的孔、裂隙分形维数如图4所示。

通过图4可以发现，不管是型煤试样还是原煤试样的分形特征曲线均表现出分段现象。根据图4中所反映的现象，可以将煤的分形特征分成低压段和高压段两部分，其中，低压段对应煤中较大的孔、裂隙直径，高压段对应煤中较小的孔、裂隙直径。将图4中煤样孔、裂隙的分形维数数据进行整理，如表2所示。

表2

从图4和表2中可以看出，由不同粒径煤粉压制的型煤试样和原煤试样的分形规律存在如下特点：

首先，无论是由不同粒径煤粉压制的型煤试样还是原煤试样，由压汞实验数据低压段获得的与ln P(r)的数据点均呈现线性关系，在进行线性拟合时，均可得到较高的拟合相关性系数；而对于高压段来说，数据点十分密集，呈现出聚集性状，在进行线性拟合时，得到的拟合相关性系数均较低。

其次，对于不同粒径煤粉压制的型煤试样来说，低压段和高压段的分界点在ln P(r)＝3.7511～3.7885的时候，对应的进汞压力范围是42.5679～44.1884MPa，而对应的煤样孔、裂隙直径范围为33.29～34.55nm；而原煤试样低压段和高压段的分界点为lnP(r)＝3.7365，对应的进汞压力是41.9489MPa，而对应的煤样孔、裂隙直径为33.2nm。

再者，对于不同粒径煤粉压制的型煤试样来说，低压段的分形维数范围为2.2319～2.6499，均处于2～3之间，而高压段的分形维数范围为3.9006～4.2691，均大于3，甚至有大部分超过了4；原煤试样低压段分形维数为2.7913，处于2～3之间，而高压段的分形维数为4.5554，远大于3。由分形理论的基本原理可知，压汞实验高压段的孔、裂隙结构参数与实际不符，这是因为高压段的进汞压力过大，煤基质被强力压缩而引起孔、裂隙结构变形甚至坍塌破坏。所以，对于压汞实验来说，高压段的数据不具有实际应用价值。

最后，对于不同粒径煤粉压制的型煤试样来说，随着粒径的增大，分形维数不断增大，这说明煤的粒径越大，其孔、裂隙结构越复杂，表面粗糙度也越高，而原煤试样的分形维数最大，说明原煤试样的孔、裂隙结构比型煤试样复杂。

以往的研究发现，在使用压汞实验结果对煤的孔、裂隙特征进行分形研究的时候，可以按照其孔、裂隙的分形特征对煤中孔隙和裂隙进行分类研究。按照该思想，将分形特征发生突变的点所对应的孔、裂隙直径作为分界点，大于该直径的为裂隙空间，小于该直径的为孔隙空间。由于压汞实验得到的小于分界点的孔隙结构数据不符合分形理论的基本规律，不具有应用价值，因此，对于孔隙空间来说，使用低压氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验测得的实验数据进行分析。

煤的裂隙率和孔隙率计算

煤体裂隙率和孔隙率的计算公式如下所示：

其中，φ_f表示煤的裂隙率，无量纲；V_f表示煤的裂隙体积，mL/g；ρ_ap表示煤的视密度，g/mL；n表示煤的孔隙率，无量纲；V_n表示煤的孔隙体积，mL/g。

本发明煤体裂隙率和孔隙率定量表征的整体流程图如图5所示，根据实验室测试获得的不同粒径煤粉压制的型煤试样和原煤试样的视密度，以及通过压汞实验、低压氮气吸附实验和二氧化碳吸附试验测试获得的不同粒径煤粉压制的型煤试样和原煤试样的孔、裂隙结构特征，即可获得不同粒径煤粉压制的型煤试样和原煤试样的裂隙率和孔隙率，如表3所示。

表3

从表3中可以发现，型煤试样的裂隙率和孔隙率均随着压制型煤试样的煤粉粒径的增大而减小，而原煤试样的孔隙率和型煤试样基本处于相同的数量级，但其裂隙率却比型煤试样小了两个数量级。由于裂隙***是煤中瓦斯渗流的主要空间，因此，这也从一定程度上解释了为何原煤试样渗透率远小于型煤试样。

本发明利用不同粒径煤粉压制了型煤试样，并通过其和原煤试样孔、裂隙结构的实验结果对比，分析了煤体孔、裂隙的基本特征。本发明使用的仪器为密度分析仪、压汞仪和物理吸附仪，测试了不同煤样的视密度，并对不同煤样开展了压汞实验、低压氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验，然后以分形理论探讨了煤样的孔、裂隙尺度特征，研究了煤样孔、裂隙直径的分界点，计算了煤样的裂隙体积和孔隙体积，定量表征了煤体裂隙率和孔隙率，揭示了煤中孔、裂隙的基本分布规律。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用密度分析仪测试获得煤的视密度；

基于压汞实验、低压氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验获得煤中孔、裂隙结构参数；

利用分形理论处理压汞实验数据，建立煤中裂隙和孔隙尺度的判定准则，计算获得煤中裂隙体积和孔隙体积；

将煤的视密度分别与其裂隙体积和孔隙体积结合，计算获得煤的裂隙率和孔隙率。

2.根据权利要求l所述的一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法，其特征在于，利用分形理论处理压汞实验数据的关系式如下所示：

其中，P(r)表示煤样孔、裂隙直径为r时的进汞压力；V_P(r)表示在进汞压力为P(r)时的进汞量；r表示煤样孔、裂隙直径；d_f表示煤样孔、裂隙的分形维数。

3.根据权利要求l所述的一种定量表征煤体裂隙率和孔隙率的方法，其特征在于，所述煤的裂隙率和孔隙率与视密度之间的表征关系如下所示：

其中，φ_f表示煤的裂隙率；V_f表示煤的裂隙体积；ρ_ap表示煤的视密度；n表示煤的孔隙率；V_n表示煤的孔隙体积。