郭亞玲，江澤標(biāo)，2，彭 鑫，扶祥祥，吳少康，權(quán)西平，楊希法

（1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州省煤礦設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550025）

煤是一種復(fù)雜的天然多孔隙物質(zhì)[1]，其透氣性是影響煤礦瓦斯抽采安全的重要因素。目前隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加，瓦斯含量增加，煤層透氣性越低。二氧化碳致裂作為一種煤層增透的物理爆破消突方法，通過(guò)致裂產(chǎn)生的沖擊對(duì)煤巖體孔隙會(huì)產(chǎn)生一定作用[2]，對(duì)治理煤與瓦斯突出具有重要意義。目前，針對(duì)二氧化碳致裂對(duì)煤巖孔隙的研究，眾多學(xué)者[3-4]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)二氧化碳致裂對(duì)煤巖孔隙的發(fā)育具有一定促進(jìn)作用。岳立新等[5]利用自制三軸滲透儀進(jìn)行二氧化碳在常規(guī)和超臨界狀態(tài)宏觀增透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳有明顯增透作用，并結(jié)合微觀成像試驗(yàn)研究二氧化碳增透的微觀機(jī)理；江澤標(biāo)等[6]通過(guò)低溫氮吸附、壓汞及電鏡掃描試驗(yàn)從宏微觀結(jié)合研究二氧化碳致裂對(duì)煤樣孔徑分布和孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響；在利用分形理論對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)分析上，陳戀等[7]通過(guò)電鏡掃描和低溫氮吸附試驗(yàn)對(duì)貴州4 個(gè)不同礦區(qū)煤樣進(jìn)行分析，結(jié)合分形理論研究各煤樣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育程度及連通性；薛海騰等[8]以貴州某礦為對(duì)象對(duì)5 組煤樣通過(guò)壓汞試驗(yàn)測(cè)試其孔隙結(jié)構(gòu)及參數(shù)，并計(jì)算分形維數(shù)分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瓦斯吸附能力的影響?，F(xiàn)階段，研究人員將試驗(yàn)方法與分形理論相結(jié)合運(yùn)用在二氧化碳致裂研究上還處于起步階段。因此，通過(guò)壓汞試驗(yàn)與電鏡掃描試驗(yàn)分析二氧化碳致裂對(duì)煤巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育的有效作用，結(jié)合分形特征研究致裂前后煤樣孔隙表面分形維數(shù)變化，利用分形維數(shù)大小的變化來(lái)定量評(píng)價(jià)二氧化碳致裂對(duì)消除煤與瓦斯突出的作用效果，對(duì)二氧化碳致裂增透煤層機(jī)理具有一定意義。

1 樣品采集及試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)所使用的煤樣取自貴州大運(yùn)煤礦M8 煤層，屬于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，該煤層以無(wú)煙煤為主，平均厚度為2.49 m，為全區(qū)可采中厚煤層。將從現(xiàn)場(chǎng)取得的1 份大塊原煤煤樣以及3 份致裂后不同位置所取的煤樣在制樣室經(jīng)破碎篩選粒徑范圍在0.4～0.5 mm 左右并編號(hào)。將原煤與致裂后在1、2、3 m 位置取得的煤樣編號(hào)為YM、1#、2#、3#。

試驗(yàn)采用壓汞法和電鏡掃描。壓汞法是通過(guò)對(duì)汞液施加壓力使其克服煤巖內(nèi)孔隙的毛管壓力，從而通過(guò)壓力與侵入的汞液量來(lái)描述孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)壓汞法可自納米級(jí)微孔到介孔再到大孔等連續(xù)測(cè)定孔隙結(jié)構(gòu)，具有較高的可信度。所采用的儀器為AutoPore9510 全自動(dòng)壓汞儀，測(cè)試孔徑范圍在3～100 000 nm 之間，試驗(yàn)前樣品在200 ℃下烘干4 h。掃描電鏡采用德國(guó)蔡司ΣSIGA 電子掃描顯微鏡能譜儀，最小分辨率3 nm。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.1 壓汞試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)致裂前后的4 組煤樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)測(cè)試，壓汞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壓汞試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of mercury intrusion experiment

從表1 可以看出，測(cè)得的孔容范圍在0.068 5～0.205 0 mL/g 之間，平均孔直徑所測(cè)得的范圍在17.0～43.5 nm 之間，樣本的孔隙率在11.575 1%～28.493 1%之間，且致裂后煤樣的孔容、平均孔直徑、樣本孔隙率均大于原煤。根據(jù)表1 的孔容、平均孔直徑與孔隙率的變化趨勢(shì)，可以判斷二氧化碳致裂效果隨距離增加而逐漸減弱。從比表面積來(lái)看，所測(cè)的范圍在14.550～18.840 m2/g 之間；致裂后1#煤樣的比表面積18.840 m2/g，最大大于原煤的比表面積16.160 m2/g；而2#、3#煤樣的比表面積均小于原煤比表面積。比表面積的大小可粗略的判斷出微孔含量的多少，1#煤樣出現(xiàn)比表面積大于原煤比表面積的情況是由于致裂產(chǎn)生的沖擊能量在1 m 位置時(shí)，不僅能使原有孔隙通道發(fā)育擴(kuò)張，還能促使發(fā)育新的微孔生成發(fā)育。

2.1.2 煤樣孔容

二氧化碳致裂前后煤樣進(jìn)汞-退汞曲線(xiàn)如圖1。

圖1 二氧化碳致裂前后煤樣進(jìn)汞-退汞曲線(xiàn)Fig.1 Mercury-dehydration curves of coal samples before and after carbon dioxide cracking

由圖1 可知，當(dāng)壓力大于130 MPa 后，YM 煤樣進(jìn)汞曲線(xiàn)相較于小于1#、2#、3#煤樣，有較為明顯的上揚(yáng)趨勢(shì)，即是發(fā)生突變，進(jìn)汞曲線(xiàn)發(fā)生突變說(shuō)明存在墨水瓶孔隙，而壓力范圍在100～400 MPa 時(shí)所測(cè)試的孔徑范圍在3～10 nm 之間，將孔隙按微孔（＜8 nm），介孔（8～100 nm），大孔（＞100 nm）劃分[9]，說(shuō)明原煤中微孔含量較多，孔隙較為復(fù)雜。

當(dāng)壓力范圍在130～400 MPa 時(shí)，對(duì)比4 組煤樣的進(jìn)退汞曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)均有“滯后”現(xiàn)象的出現(xiàn)，說(shuō)明在退汞階段開(kāi)始進(jìn)行時(shí)就有汞液受“口小肚大”的墨水瓶孔孔隙結(jié)構(gòu)影響被滯留在樣本內(nèi)部，煤巖中墨水瓶孔的特點(diǎn)是有利于瓦斯儲(chǔ)集而不利于瓦斯運(yùn)輸。不過(guò)YM 煤樣的退汞曲線(xiàn)與進(jìn)汞曲線(xiàn)較1#、2#、3#煤樣更為分離，退汞效率均低于1#、2#、3#煤樣，而受二氧化碳致裂效果作用，1#、2#、3#煤樣的進(jìn)汞曲線(xiàn)與退汞曲線(xiàn)較為接近，說(shuō)明其退汞效率高。退汞效率高又說(shuō)明致裂后煤樣中孔隙連通，孔隙開(kāi)放較好所以能有效退汞。結(jié)合來(lái)看，致裂前原煤煤樣微孔含量較多、孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，孔隙連通性差，其中墨水瓶微孔結(jié)構(gòu)又有利于瓦斯的儲(chǔ)集，易于導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。在采取二氧化碳致裂措施后，煤樣中的墨水瓶狀等微孔轉(zhuǎn)變?yōu)榻榭着c大孔，孔隙間相互連通，這有利于瓦斯的運(yùn)移而不利于其儲(chǔ)集，所以二氧化碳致裂對(duì)消除煤與瓦斯突出具有一定作用。

2.1.3 煤樣孔徑

為了更進(jìn)一步分析二氧化碳致裂效果，繪制了致裂前后4 份煤樣的階段孔容與孔徑關(guān)系圖，二氧化碳致裂前后煤樣孔容孔徑關(guān)系圖如圖2。

圖2 二氧化碳致裂前后煤樣孔容關(guān)系圖Fig.2 Relationship between pore volume and pore diameter of coal samples before and after carbon dioxide cracking

從圖2 可以看出，原煤呈現(xiàn)明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)范圍在1～10 nm 與10 000～100 000 nm 2 個(gè)范圍，結(jié)合圖1 中YM 的進(jìn)汞曲線(xiàn)上升趨勢(shì)來(lái)看，峰值出現(xiàn)的范圍也是進(jìn)汞曲線(xiàn)上升速度較快的范圍。對(duì)比圖2 中1#、2#、3#煤樣曲線(xiàn)，都只是單峰結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)范圍在10 000～100 000 nm 之間，同時(shí)1#、2#、3#煤樣曲線(xiàn)峰值階段孔容分別為0.343 4、0.122 8、0.122 4 mL/g，比原煤同范圍峰值0.042 6 mL/g 都有所增大，且1#最大，2#、3#逐漸減小。再者，孔徑范圍在10～10 000 nm 之間的階段孔容也存在相同趨勢(shì)，由原來(lái)YM 煤樣的0.03 mL/g 范圍上升到1#的0.08 mL/g 左右，在2#與3#中則逐漸下降到0.04 mL/g 左右，這說(shuō)明二氧化碳致裂作用主要使孔徑范圍在10～100 000 nm 之間的孔隙進(jìn)一步發(fā)育連通。也可從側(cè)面反應(yīng)出二氧化碳致裂對(duì)促使煤巖孔隙發(fā)育有較好的效果。

2.2 電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果

為了更好的觀測(cè)致裂前后煤樣孔隙的增長(zhǎng)發(fā)育情況，對(duì)致裂前后4 個(gè)試驗(yàn)煤樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，并對(duì)其表面孔裂隙的發(fā)育情況進(jìn)行定性描述。試驗(yàn)所用設(shè)備可將煤樣放大倍率在1～5 000 之間，選擇3 000 倍的掃描結(jié)果，二氧化碳致裂前后煤樣表面SEM 圖如圖3。

圖3 二氧化碳致裂前后煤樣表面SEM 圖Fig.3 SEM images of coal samples surface before and after carbon dioxide cracking

由圖3 對(duì)比可知，4 組煤樣表面均有寬度不同數(shù)量不等的裂隙存在。致裂前原煤煤樣表面結(jié)構(gòu)致密（圖3（a）），可觀察到少量56.7～97.2 nm 的裂隙，孔裂隙連通性較差，不利于瓦斯擴(kuò)散；致裂1 m 處煤樣可清晰觀察到1 條寬度3 516.7～4 850.9 nm 的較大裂縫（圖3（b）），有利于瓦斯?jié)B流；致裂2 m 處煤樣結(jié)構(gòu)破環(huán)較嚴(yán)重（圖3（c）），可觀察到寬度為403.8～1 280.8 nm 的裂隙，并伴有微裂隙發(fā)育，孔裂隙之間相互貫通可形成滲流通道；致裂3 m 處煤樣存在較多微小孔裂隙（圖3（d）），可觀察到66.7～560.9 nm 的裂隙。從SEM 圖結(jié)果可知，二氧化碳致裂對(duì)煤巖孔裂隙發(fā)育有促進(jìn)效果，有利于進(jìn)行瓦斯治理，其作用效果隨距離增大逐漸減弱。

3 孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)計(jì)算

3.1 壓汞試驗(yàn)分形維數(shù)計(jì)算

分形理論區(qū)別于傳統(tǒng)歐式幾何的特征是其可以用分形維數(shù)表述復(fù)雜曲面的復(fù)雜程度。目前適用于壓汞法的分形模型有Sierpinski 模型、Menger 海綿模型與熱力學(xué)分形模型等[10]，其中Menger 海綿模型被廣泛用于多孔介質(zhì)的分形維數(shù)計(jì)算。利用Menger 分形模型對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算[11]：

式中：D 為分形維數(shù)。

根據(jù)圖1 的壓汞試驗(yàn)進(jìn)汞階段數(shù)據(jù)繪制出的ln（dv/dp）與ln（p）的雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖如圖4。

圖4 二氧化碳致裂前后煤樣分形維數(shù)計(jì)算Fig.4 Calculation of fractal dimension of coal samples before and after carbon dioxide cracking

傅雪海等[12]根據(jù)煤巖中瓦斯的滲流與擴(kuò)散特性對(duì)大量的煤樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)與分形研究，發(fā)現(xiàn)煤巖內(nèi)部孔隙孔徑在65 nm 時(shí)有明顯的分形維數(shù)變化，所以將孔徑大于65 nm 的孔隙劃分為滲流孔，而將孔徑小于65 nm 孔隙劃分為擴(kuò)散孔。因此，試驗(yàn)以65 nm 為界，分段擬合滲流孔與擴(kuò)散孔，其中y1為擬合滲流孔方程，y2為擬合擴(kuò)散孔方程。

在分形理論中，分形維數(shù)的大小可以近似表征1 個(gè)曲面的構(gòu)造復(fù)雜程度，在Menger 分形模型下煤巖的孔隙表面分形維數(shù)在2～3 之間，在這個(gè)范圍內(nèi)具有實(shí)際表征意義，其中分形維數(shù)越接近2 表示孔隙表面越趨于光滑，而分形維數(shù)越接近3 表示孔隙表面越粗糙。

基于Menger 分形模型的致裂前后煤樣分形維數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)表2 的計(jì)算結(jié)果可知，滲流孔的擬合結(jié)果較好，其R12均大于0.95，同時(shí)其分形維數(shù)Ds在2.65～2.83 左右，原煤的分形維數(shù)最大為2.827 66，1#煤樣的分形維數(shù)最小為2.658 29，2#與3#煤樣的分形維數(shù)則依次增加。再看擴(kuò)散孔，發(fā)現(xiàn)其擬合結(jié)果對(duì)比滲流孔來(lái)說(shuō)較差，其R22均小于0.95。擴(kuò)散孔的分形維數(shù)Dk均大于3，所以其實(shí)際意義并不明顯，造成這種情況的原因是汞液在外部壓力的作用下會(huì)迫使煤巖孔隙內(nèi)部開(kāi)裂形成新的裂縫，造成孔隙內(nèi)部表面粗糙，以至于分形維數(shù)增加。

表2 基于Menger 分形模型的致裂前后煤樣分形維數(shù)Table 2 Fractal dimension of coal samples before and after cracking based on Menger fractal model

3.2 電鏡掃描試驗(yàn)分形維數(shù)計(jì)算

3.2.1 圖像二值化處理

二值化處理的目的是通過(guò)閾值分割將電鏡掃描圖像中的孔裂隙與煤體表面呈現(xiàn)出非黑即白的對(duì)比顏色，其閾值的合理取值決定了圖像的處理效果。圖像二值化方法可分為局部閾值法和全局閾值法2大類(lèi)[13]，本文采用全局閾值法中的最大類(lèi)間方差法（OTSU）[14]對(duì)灰度圖像進(jìn)行二值化處理。該方法又稱(chēng)大津法，它算法簡(jiǎn)單不受圖像亮度和對(duì)比度的影響，被認(rèn)為是圖像閾值分割的最佳算法。最大類(lèi)間方差法二值化圖像處理如圖5。

圖5 最大類(lèi)間方差法二值化圖像處理Fig.5 OTSU method binary image processing

3.2.2 Image-pro-plus 測(cè)量參數(shù)

Image-pro-plus 參數(shù)測(cè)量圖如圖6。將二值化處理過(guò)后的圖片在Image-pro-plus 軟件中打開(kāi)，首先根據(jù)圖片左下角的標(biāo)尺進(jìn)行比例尺校準(zhǔn)，然后點(diǎn)擊Measure 選項(xiàng)中的count/Size 就得到測(cè)量界面，點(diǎn)擊Select Ranges 可以自動(dòng)選擇測(cè)量的范圍，在Select Measurements 選項(xiàng)中選擇需要測(cè)量的參數(shù)，需要測(cè)量其面積與周長(zhǎng)，所以選擇Area 和Perimeter，最后點(diǎn)擊Count 即可得出測(cè)量結(jié)果。可以從View 選項(xiàng)中的Measurement Data 將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖6 Image-pro-plus 參數(shù)測(cè)量圖Fig.6 Image-pro-plus parameter measurement chart

3.2.3 電鏡掃描試驗(yàn)分形維數(shù)計(jì)算

利用電鏡掃描微觀圖像分析分形特征是由Moore C A 與Donaldson C F[15]首次提出。掃描電鏡試驗(yàn)是研究孔隙平面特征，其得到的分形維數(shù)在1～2 之間。分形維數(shù)越接近于2 表示孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，孔隙連通性差，反之越接近于1 其孔隙連通性越好。根據(jù)上述利用Image-pro-plus 軟件測(cè)量出的面積與周長(zhǎng)參數(shù)，對(duì)面積與周長(zhǎng)取對(duì)數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合可求解孔隙形態(tài)分形維數(shù)，具體公式如下：

式中：C 為孔隙周長(zhǎng)，nm；S 為孔隙面積，nm2；e為常數(shù)。

電鏡掃描煤樣分形維數(shù)如圖7。電鏡掃描煤樣分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由圖7 及表3 可知，4 組煤樣的擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.93 以上，說(shuō)明4 組煤樣具有較明顯的分形特征。4 組煤樣的分形維數(shù)在1.558 2～1.807 1 之間，其中YM 煤樣的分形維數(shù)最大為1.807 1，說(shuō)明YM 煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，孔隙連通性最差；1#煤樣的分形維數(shù)最小為1.558 2，說(shuō)明致裂后1 m 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，孔隙連通性最好；2#、3#煤樣分形維數(shù)逐漸增大但均小于原煤分形維數(shù)，說(shuō)明二氧化碳致裂有助于煤巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，與電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果分析一致。

圖7 電鏡掃描煤樣分形維數(shù)Fig.7 Fractal dimension of coal samples by SEM

表3 電鏡掃描煤樣分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of fractal dimension of coal samples by SEM

4 結(jié) 語(yǔ)

1）根據(jù)壓汞試驗(yàn)結(jié)果得到二氧化碳致裂使煤樣的孔容、比表面積、平均孔直徑與孔隙率等孔隙參數(shù)的變化趨勢(shì)，以及對(duì)電鏡掃描試驗(yàn)的結(jié)果分析，可以得出二氧化碳致裂效果作用明顯，并隨致裂距離的增加而減弱。同時(shí)二氧化碳致裂主要使介孔與大孔進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)張。

2）通過(guò)壓汞試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)分別對(duì)4 組煤樣分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算，致裂后分形維數(shù)均小于原煤分形維數(shù)，4 組煤樣分形維數(shù)由小到大為1#＜2#＜3#＜YM，說(shuō)明二氧化碳致裂能夠促進(jìn)煤樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育及孔隙之間的連通性，有助于瓦斯在煤孔隙內(nèi)的運(yùn)移。

3）根據(jù)分形維數(shù)的大小變化可以判斷二氧化碳致裂對(duì)煤巖孔隙表面的作用，并揭示二氧化碳致裂作用機(jī)理，有利于抽采煤層瓦斯從而降低煤與瓦斯突出事故的危險(xiǎn)性。