西山煤田不同變質程度煤孔隙結構分形特征及影響因素研究

秦興林

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 122113)

煤的孔隙、裂隙是瓦斯儲存的主要場所，同時也是瓦斯運移的通道[1]。煤孔隙結構的研究對于了解瓦斯賦存狀態、瓦斯解吸、擴散及滲流、瓦斯抽采等特征十分重要[2-3]。于軍[4]結合掃描電鏡(SEM)和低溫液氮吸附，對比分析了不同軟煤孔隙結構差異性，發現軟煤孔隙較同階硬煤更為發育，構造軟煤孔隙結構更為復雜；于麗雅[5]也認為構造變形作用會導致煤儲層大孔和中孔數量減少，而微孔和小孔數量大量增加；柳先鋒等[6]分析了微結構對軟硬煤瓦斯吸附控制機理，發現焦煤軟煤孔比表面積大于相應的硬煤，表現出了更強的吸附性能，研究表明[7-8]，煤的孔隙裂隙系統具有多尺度分形特征，分形理論可以較好地描述孔隙分布特點；江丙友等[9]基于煤超微孔隙結構分形特征，建立了煤體硬度與孔隙分形維數之間的量化關系；王軍[10]分析了煤表面分形特征對瓦斯吸附特性的影響，結果表明瓦斯吸附能力與孔隙分形維數成正比；姜文等[11]、張松航等[12]提出，可將分形維數分為擴散分維數和滲流分維數，并探討了其與煤組分、變質程度、儲層物性之間的關系；王博洋等[13]運用分形理論描述了煤層孔隙發育特征，并分析了影響分維數的主控地質因素；張曉輝等[14]采用FHH分形理論對構造煤納米級孔隙結構進行定量表征，認為分形維數能夠定量反映煤構造變形程度；秦躍平等[15]從煤樣孔隙表面積和體積分形角度，建立了煤樣吸水性能與分形維數之間的定量關系；徐欣等[16]提出了煤體孔隙結構分形特征表征新方法，認為分維數越大，煤層儲層物性越差，非均質性也就越強。隨著科技的發展，煤孔隙結構研究手段有多種，各有優勢和局限性[17]。掃描電鏡(SEM)是一種簡便高效的煤巖孔隙裂隙微觀測試方法，在國內外已得到廣泛應用。基于此，本文采用SEM對煤體表面孔隙結構進行觀測，并分析其孔隙分形特征及其影響因素，以期為煤層氣開發、瓦斯防治提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 煤樣制備

實驗所用煤樣均采自山西沁水盆地西山煤田，針對不同煤層，選取不同變質程度的塊狀新鮮原煤煤樣，密封保存后運往實驗室，采樣方法參考標準《煤層煤樣采取方法》(GB/T4 82—2008)。對塊狀原煤進行粉碎、研磨和篩分，選取粒徑為0.18～0.25 mm的煤樣約10 g，根據標準《煤的工業分析方法》(GB/T 212—2008)和《煤和巖石物理力學性質測定方法》(GB/T 23561.12—2010)分別對煤的工業分析和堅固性系數(f值)進行測定，煤的鏡質組反射率參照國標《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》(GB/T 6948—1998)測定，煤的基本工業參數見表1。從表1可看出，各煤樣的鏡質組反射率(Ro)在1.18%～1.92%范圍內變化，均為變質程度較高的焦煤、瘦煤和貧煤；灰分含量為13.67%～23.08%，埋深為346～457 m，f值在0.46～1.69范圍內變動。

表1 煤樣基本工業參數Table 1 Basic industrial parameters of coal samples

1.2 實驗方案

采用掃描電鏡(SEM)對所選煤樣進行表面孔隙結構特征研究，所使用的掃描電鏡型號為日立S-4800。首先將煤樣破碎成1～2 cm3的小立方塊，進行噴金處理后(消除靜電影響)，選取相對平整的表面作為觀察面，按照國標《納米級長度的掃描電鏡測量方法通則》(GB/T 20307—2006)對煤樣表面孔隙形貌特征進行掃描實驗。

2 實驗結果及分析

2.1 SEM測試結果

圖1為各煤樣的SEM測試結果。從圖1可以看出，各煤樣表面孔隙結構差異顯著，表現出了明顯的非均質性。其中GD7煤樣和GD9煤樣表面最為粗糙，含有大量微米級的裂隙狀孔和楔形孔；TL8煤樣和XM3煤樣則以狹縫型孔和錐形孔為主，孔隙尺度多小于100 nm；其余煤樣表面則相對光滑，可見少量孔隙裂隙。

2.2 煤孔隙分形特征

分形維數能夠較好地描述固體表面不規則性或復雜程度，現已在煤表面孔隙結構表征方面得到了廣泛應用。分形理論于20世紀70年代創立，目前已發展出了多種不同的分形維數，如拓撲維、Hausdorff維、自相似維、關聯維和信息維等[18]。本文根據SEM實驗結果，通過Hausdorff維，即盒維數(Box-counting Dimension)來量化分析煤表面孔隙分布特征。

圖2顯示了用盒維數求孔隙分形維數的具體過程。以TL8煤樣為例，基于原始SEM圖片，選定合適的閾值后，將灰度圖像(圖2(a))轉換為黑白二值圖(圖2(b))，選用不同邊長(δ)的盒子來覆蓋黑白二值圖區域，數出含有孔隙的小盒子數量，然后利用式(1)即可計算出分形維數[19]。

(1)

式中：D為分形維數；δ為盒子的邊長；N(δ)為覆蓋煤表面孔隙區域所需的盒子數量。

圖1 各煤樣SEM圖Fig.1 SEM results of coal samples

圖2 TL8煤樣分形維數計算示意圖Fig.2 The calculation process of fractal dimension for TL8 sample

各煤樣分形維數計算結果見表2。從表2可以看出，擬合系數R2均大于0.99，說明采用盒維數計算煤表面孔隙分形是合理的，得到的各煤樣分形維數值在1.33～1.92范圍內變化。

2.3 煤孔隙分形影響因素

受煤層賦存條件的影響，煤表面孔隙分形影響因素眾多，如地應力、煤變質程度、煤體固有成分、煤變形破壞程度等。圖3為煤變質程度及灰分含量與分形維數的關系。由圖3可知，煤變質程度Ro對分形維數有顯著影響，本測試煤樣D值隨Ro的增加呈線性增加，這說明高階煤較低階煤擁有更為發育的孔隙結構，表面更為復雜。從圖3還可看出，在本測試煤樣中，煤灰分含量與分形維數呈現出良好的線性負相關關系(相關系數R2=0.868 9)，表明灰分的存在能夠降低煤表面粗糙程度。事實上，煤中灰分含有大量無機礦物質，在成煤過程中，這些無機礦物質會鑲嵌在煤大分子結構中，阻塞部分孔隙，從而影響煤體表面孔隙結構[7]。

表2 各煤樣分形維數Table 2 Fractal dimensions of coal samples

圖3 變質程度及灰分對分形維數的影響Fig.3 Influence of coalification and ash content on D

圖4為煤中水分及埋深與分形維數之間的關系圖。從圖4可以看出，本測試煤樣的D值隨煤中水分含量的升高而減小。根據煤中水分存在形式，可分為內在水分和外在水分，前者主要存在于煤大分子結構內部，一般不易發生變化；后者則主要附著在煤體表面，對表面孔隙裂隙起到填充作用，導致原本粗糙的煤體表面變得更為光滑，分形維數值減小。此外，煤層埋深也會影響煤孔隙結構分布。由圖4可知，隨煤層埋深的增加，D值也在不斷增大。圖5為煤體堅固性系數與D值之間的關系圖，顯然D值與f值呈現良好的線性負相關關系(R2=0.817 5)。f值與煤體破壞程度緊密相關，破壞程度越高，煤體f值也就越小。從分形維數與埋深及f值的變化關系來看，由于地應力會隨著煤層埋深的增加而增大，在地應力作用下煤層的破壞程度也相應地增加，結果在煤體表面產生大量的微孔隙微裂紋(圖1)，使得煤體表面孔隙結構復雜化，分形維數值持續增大。此外，構造應力會對煤體產生搓揉作用，使得煤體破壞程度增加，力學強度降低，煤體變軟；在搓揉作用下，由于煤體應力分布不均，導致煤體產生更多的孔裂隙網絡，使得煤體表面更為粗糙。在西山煤田現場瓦斯治理中，應特別注意具有高分形維數的煤體。這類煤體受構造作用明顯，破壞程度較高，往往具有復雜的孔隙結構，煤體瓦斯含量高，孔隙連通性差，不易于氣體快速解吸和滲流，瓦斯流動受阻，引起瓦斯抽采困難，在煤炭開采過程中，容易導致煤與瓦斯突出、瓦斯涌出等災害。

圖4 水分及埋深對分形維數的影響Fig.4 Influence of moisture and burial depth on D

圖5 f值對分形維數的影響Fig.5 Influence of f value on D

3 結 論

1) 不同煤樣表面孔隙結構差異明顯，具有顯著的分形特征，分形理論能夠較好地描述煤體表面孔隙結構復雜程度。

2) 針對SEM圖片，經黑白二值化處理后，采用盒維數法計算得到了各煤樣表面孔隙分形維數，不同煤樣分形維數值在1.33～1.92范圍內變化。

3) 分析了煤孔隙分形維數的影響因素，煤變質程度Ro對分形維數有顯著影響，隨Ro的增加，D呈線性增加，煤化作用使得煤表面趨于復雜，而灰分的存在能夠降低煤表面粗糙程度；煤中水分對表面孔隙裂隙起到填充作用，導致煤體表面變光滑，分形維數值減小；煤層埋深和f值也會影響煤體孔隙結構，隨煤層埋深及破壞程度的增加，D值不斷增大。