劉紀(jì)坤， 任棒， 王翠霞

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

0 引言

煤是一種多孔介質(zhì)，其孔隙結(jié)構(gòu)直接影響煤中瓦斯富集和滲透特性[1-2]。目前，煤孔隙結(jié)構(gòu)表征方法主要有壓汞法[3]、低溫液氮吸附法[4]、掃描電鏡法[5]、顯微CT法[6]、小角散射法[7]等。壓汞法、低溫液氮吸附法可將流體侵入孔隙內(nèi)表面，但測(cè)量的孔徑范圍存在很大差異，壓汞法可準(zhǔn)確表征較大孔徑的孔隙結(jié)構(gòu)特征，低溫液氮吸附法可準(zhǔn)確表征較小孔徑的孔隙結(jié)構(gòu)特征；掃描電鏡法、顯微CT法、小角散射法通過(guò)圖像處理可直觀觀察孔隙外部，但獲取的孔徑分布數(shù)據(jù)不具有代表性。

由于采用單一方法只能對(duì)某一孔徑范圍內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征[8]，聯(lián)合壓汞法和低溫液氮吸附法分析煤全孔徑分布特征得到廣泛應(yīng)用。江澤標(biāo)等[9]利用低溫液氮吸附試驗(yàn)與壓汞試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)CO2致裂前后的煤巖孔隙變化進(jìn)行定量表征；郝晉偉等[10]基于IUPAC孔隙分類方案，聯(lián)合使用壓汞法、低溫液氮吸附法對(duì)不同尺度的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，從而獲得構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的全孔徑分布數(shù)據(jù)；林海飛等[11]采用同孔徑處比表面積增量或孔體積增量差值最小的方法，將壓汞法和低溫液氮吸附法下孔徑分布數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合，分析了煤樣全孔徑段孔隙結(jié)構(gòu)特征；何珊[12]以低溫液氮吸附法和壓汞法的優(yōu)勢(shì)孔徑段臨界值為連接點(diǎn)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)煤樣全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)的有效表征。煤基質(zhì)具有很強(qiáng)的可壓縮性，當(dāng)孔隙內(nèi)壓力增加時(shí)，煤基質(zhì)產(chǎn)生變形甚至破壞，這種現(xiàn)象稱為煤基質(zhì)壓縮效應(yīng)[13-15]。然而上述研究均未考慮煤基質(zhì)壓縮效應(yīng)對(duì)孔徑分布測(cè)量結(jié)果的影響。因此，本文聯(lián)合壓汞法和低溫液氮吸附法對(duì)不同變質(zhì)程度煤樣進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)定，計(jì)算煤基質(zhì)壓縮性系數(shù)，對(duì)孔徑分布數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，進(jìn)而采用聯(lián)孔分析原則實(shí)現(xiàn)煤全孔徑分布特征準(zhǔn)確表征。

1 煤樣選取及基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)所用4種煤樣分別取自阜康礦區(qū)的東風(fēng)福勝礦和鑫龍礦、彬長(zhǎng)礦區(qū)的小莊礦及澄合礦區(qū)的合陽(yáng)礦，取樣煤層均為正在開(kāi)采煤層。東風(fēng)福勝礦地處二工河-黃山倒轉(zhuǎn)向斜的東端，鑫龍礦位于阜康市甘河子鎮(zhèn)以南7 km處，阜康礦區(qū)煤層賦存于侏羅系下統(tǒng)八道灣組地層，組內(nèi)可采最大瓦斯含量為5.811 m3/t，瓦斯垂直分帶位于-170～-450 m。小莊礦地處彬長(zhǎng)礦區(qū)東部，煤層位于侏羅系中統(tǒng)延安組第一段，主采的4號(hào)煤層平均厚度為18.01 m，絕對(duì)瓦斯涌出量為4.11 m3/min。合陽(yáng)礦地處渭北石炭二疊紀(jì)煤田，主采的5號(hào)煤層埋藏深度為520 m左右，平均厚度為3.5 m，礦井瓦斯含量較低，主要富含貧瘦煤。將采集的煤樣密封保存，分別進(jìn)行工業(yè)分析、顯微分析和鏡質(zhì)組反射率測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 1 Test results of basic parameters of coal samples

2 壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正

2.1 低溫液氮吸附和壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

本文分別采用ASAP 2020比表面積和孔徑分析儀器與AutoPoreIV 9510型全自動(dòng)壓汞儀器進(jìn)行低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn)，2種實(shí)驗(yàn)測(cè)定的比表面積和孔體積分別見(jiàn)表2和表3(本文采用霍多特(XOJIOT)孔徑劃分方法，將孔徑分為大孔(>1 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)、過(guò)渡孔(10～100 nm)、微孔(<10 nm))?？煽闯鲈谖⒖锥螇汗y(cè)得的比表面積是低溫液氮吸附法測(cè)得結(jié)果的37.61～540.53倍，微孔段壓汞法測(cè)得的孔體積是低溫液氮吸附法測(cè)得結(jié)果的106～568倍，2種實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大，主要原因是高壓汞對(duì)煤基質(zhì)造成了破壞，使得微孔測(cè)量誤差增大，因此有必要對(duì)壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

表2 各孔徑段比表面積Table 2 Specific surface area of each aperture segment (m2·g-1)

表3 各孔徑段孔體積Table 3 Pore volume of each aperture segment (mL·g-1)

2.2 煤基質(zhì)壓縮性系數(shù)計(jì)算

煤基質(zhì)壓縮性系數(shù)是煤基質(zhì)壓縮效應(yīng)的一個(gè)量化參數(shù)，對(duì)壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正前需要計(jì)算煤基質(zhì)壓縮性系數(shù)。假設(shè)煤基質(zhì)壓縮性系數(shù)是常數(shù)，根據(jù)式(1)計(jì)算煤基質(zhì)壓縮性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。

(1)

式中：km為煤基質(zhì)壓縮性系數(shù)，m2/N；Vm為煤基質(zhì)體積，mL/g；P為汞壓，MPa。

2.3 數(shù)據(jù)校正

壓汞法所測(cè)得累計(jì)進(jìn)汞體積與汞壓關(guān)系如圖1

表4 煤基質(zhì)壓縮性系數(shù)Table 4 Compressibility coefficient of coal matrix

所示。當(dāng)0.124 MPa≤P≤20 MPa時(shí)，累計(jì)進(jìn)汞體積與汞壓呈上凸遞增關(guān)系，表明在該壓力段內(nèi)煤基質(zhì)被壓縮，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，且隨著汞壓增加，煤基質(zhì)壓縮效應(yīng)逐漸明顯，孔隙結(jié)構(gòu)變形程度逐漸增加；當(dāng)20 MPa

圖1 累計(jì)進(jìn)汞體積與汞壓關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve of cumulative mercury volume and mercury pressure

將累計(jì)進(jìn)汞體積看作煤基質(zhì)體積和孔體積2個(gè)部分之和，則

(2)

(3)

(4)

ΔVpi=Vobsi-Vobs0-kmVmi(Pi-P0)

(5)

式中：ΔVobs為累計(jì)進(jìn)汞體積變化量，mL/g；ΔVobsi為第i(i=1，2，…，n，n為0.124 MPa≤P≤20 MPa內(nèi)劃分的壓力段數(shù))個(gè)壓力段累計(jì)進(jìn)汞體積變化量，mL/g；ΔVmi為第i個(gè)壓力段煤基質(zhì)體積變化量，mL/g；ΔVpi為第i個(gè)壓力段孔體積變化量，mL/g；Pi為第i個(gè)壓力段汞壓，MPa；P0為初始汞壓，MPa；ΔVm為煤基質(zhì)體積變化量，mL/g；ΔP為汞壓變化量，MPa；β為常數(shù)；ΔVp0為低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)所測(cè)孔徑為6～62.35 nm(根據(jù)Wasburn方程[16]計(jì)算可知，P=20 MPa對(duì)應(yīng)的孔徑為62.35 nm，P=206 MPa對(duì)應(yīng)的孔徑為6 nm)時(shí)的孔體積變化量，mL/g；Vobsi為第i個(gè)壓力段累計(jì)進(jìn)汞體積，mL/g；Vobs0為初始汞壓下累計(jì)進(jìn)汞體積，mL/g;Vmi為第i個(gè)壓力段煤基質(zhì)體積。

假設(shè)孔隙均為球狀，比表面積變化量為

(6)

式中ΔSpi為第i個(gè)壓力段比表面積變化量，m2/g。

3 煤樣全孔徑分布特征

3.1 聯(lián)孔分析原則

聯(lián)孔分析是指采用低溫液氮吸附法和壓汞法均能較為準(zhǔn)確地測(cè)試出煤樣孔隙結(jié)構(gòu)且將測(cè)試結(jié)果在聯(lián)孔分界點(diǎn)處進(jìn)行聯(lián)合。本文中聯(lián)孔分界點(diǎn)確定為62.35 nm，采用以下聯(lián)孔分析原則分析全孔徑分布特征：當(dāng)孔徑小于62.35 nm，采用低溫液氮吸附法對(duì)孔體積和比表面積進(jìn)行分析；當(dāng)孔徑大于62.35 nm，通過(guò)對(duì)壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正來(lái)分析孔體積和比表面積。

3.2 全孔徑比表面積分布特征

全孔徑比表面積測(cè)定結(jié)果如圖2所示。可看出煤樣微孔比表面積為0.038 3～0.506 5 m2/g，過(guò)渡孔比表面積為0.172 8～0.370 5 m2/g，中孔比表面積為0.025 6～0.076 6 m2/g，大孔比表面積為0.002 2～0.009 6 m2/g；中低變質(zhì)程度煤樣(1,2,3號(hào)煤樣)的比表面積以微孔和過(guò)渡孔為主，且過(guò)渡孔比表面積最大，微孔和過(guò)渡孔是影響中低變質(zhì)程度煤樣總比表面積的主要因素；與1,2,3號(hào)煤樣相比，4號(hào)煤樣各孔徑段比表面積均有所增加，微孔比表面積增加幅度最大，表明微孔發(fā)育最為顯著。

圖2 全孔徑比表面積Fig.2 Specific surface area of full aperture

全孔徑比表面積分布特征如圖3所示?？煽闯龈髅簶颖缺砻娣e分布趨勢(shì)大致相同；微孔和過(guò)渡孔比表面積增量均較大，表明微孔和過(guò)渡孔對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)最大；隨著煤樣變質(zhì)程度增加，微孔和過(guò)渡孔比表面積增量增幅大于中孔及大孔，表明微孔和過(guò)渡孔對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)率增加。

圖3 全孔徑比表面積分布特征Fig.3 Distribution characteristics of specific surface area of full aperture

3.3 全孔徑孔體積分布特征

全孔徑孔體積測(cè)定結(jié)果如圖4所示?？煽闯雒簶游⒖左w積為0.000 044～0.000 554 mL/g，過(guò)渡孔體積為0.000 985～0.002 126 mL/g，中孔體積為0.000 87～0.004 51 mL/g，大孔體積為0.003 14～0.009 72 mL/g；大孔體積最大，隨著孔徑減小，孔體積大幅減小，中孔及大孔對(duì)孔體積起主導(dǎo)作用；隨著煤樣變質(zhì)程度增加，各孔徑體積均呈增大趨勢(shì)，4號(hào)煤樣孔體積最大。

圖4 全孔徑孔體積Fig.4 Pore volume of full aperture

全孔徑孔體積分布特征如圖5所示?？煽闯龈骺讖蕉慰左w積增量均在波動(dòng)，其中中孔及大孔體積增量波動(dòng)較大，且孔體積增量均較大，表明中孔及大孔對(duì)孔體積的貢獻(xiàn)最大；隨著煤樣變質(zhì)程度增加，全孔徑段孔體積增量增加，中孔及大孔體積增量增幅大于微孔及過(guò)渡孔，表明中孔及大孔對(duì)孔體積的貢獻(xiàn)率增加。

圖5 全孔徑孔體積分布特征Fig.5 Distribution characteristics of pore volume of full aperture

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)汞壓為0.124～20 MPa時(shí)，煤基質(zhì)被壓縮，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，且隨著汞壓增加，煤基質(zhì)壓縮效應(yīng)逐漸明顯，孔隙結(jié)構(gòu)變形程度逐漸增加；當(dāng)汞壓為20～206 MPa時(shí)，煤基質(zhì)壓縮效應(yīng)顯著，孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞。

(2) 汞壓為20 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的孔徑為62.35 nm，考慮煤基質(zhì)壓縮效應(yīng)的影響，確定聯(lián)孔分界點(diǎn)為62.35 nm。當(dāng)孔徑小于62.35 nm時(shí)，采用低溫液氮吸附法對(duì)孔體積和比表面積進(jìn)行分析；當(dāng)孔徑大于62.35 nm時(shí)，通過(guò)對(duì)壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正來(lái)分析孔體積和比表面積。

(3) 微孔和過(guò)渡孔對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)最大，中孔及大孔對(duì)孔體積的貢獻(xiàn)最大。隨著煤樣變質(zhì)程度增加，各孔徑段比表面積和孔體積增量均增加，微孔和過(guò)渡孔對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)率增加，中孔及大孔對(duì)孔體積的貢獻(xiàn)率增加。