考慮煤基質壓縮效應的煤全孔徑分布特征研究

劉紀坤， 任棒， 王翠霞

(西安科技大學 安全科學與工程學院， 陜西 西安 710054)

0 引言

煤是一種多孔介質，其孔隙結構直接影響煤中瓦斯富集和滲透特性[1-2]。目前，煤孔隙結構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表面，但測量的孔徑范圍存在很大差異，壓汞法可準確表征較大孔徑的孔隙結構特征，低溫液氮吸附法可準確表征較小孔徑的孔隙結構特征；掃描電鏡法、顯微CT法、小角散射法通過圖像處理可直觀觀察孔隙外部，但獲取的孔徑分布數據不具有代表性。

由于采用單一方法只能對某一孔徑范圍內的孔隙結構進行表征[8]，聯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用。江澤標等[9]利用低溫液氮吸附試驗與壓汞試驗相結合的方法對CO2致裂前后的煤巖孔隙變化進行定量表征；郝晉偉等[10]基于IUPAC孔隙分類方案，聯合使用壓汞法、低溫液氮吸附法對不同尺度的孔隙結構進行測試，將測試數據進行插值處理，從而獲得構造煤孔隙結構的全孔徑分布數據；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據進行聯合，分析了煤樣全孔徑段孔隙結構特征；何珊[12]以低溫液氮吸附法和壓汞法的優勢孔徑段臨界值為連接點，對測量數據進行連接，從而實現煤樣全孔徑孔隙結構的有效表征。煤基質具有很強的可壓縮性，當孔隙內壓力增加時，煤基質產生變形甚至破壞，這種現象稱為煤基質壓縮效應[13-15]。然而上述研究均未考慮煤基質壓縮效應對孔徑分布測量結果的影響。因此，本文聯合壓汞法和低溫液氮吸附法對不同變質程度煤樣進行孔隙結構參數測定，計算煤基質壓縮性系數，對孔徑分布數據進行校正，進而采用聯孔分析原則實現煤全孔徑分布特征準確表征。

1 煤樣選取及基礎參數測定

實驗所用4種煤樣分別取自阜康礦區的東風福勝礦和鑫龍礦、彬長礦區的小莊礦及澄合礦區的合陽礦，取樣煤層均為正在開采煤層。東風福勝礦地處二工河-黃山倒轉向斜的東端，鑫龍礦位于阜康市甘河子鎮以南7 km處，阜康礦區煤層賦存于侏羅系下統八道灣組地層，組內可采最大瓦斯含量為5.811 m3/t，瓦斯垂直分帶位于-170～-450 m。小莊礦地處彬長礦區東部，煤層位于侏羅系中統延安組第一段，主采的4號煤層平均厚度為18.01 m，絕對瓦斯涌出量為4.11 m3/min。合陽礦地處渭北石炭二疊紀煤田，主采的5號煤層埋藏深度為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，分別進行工業分析、顯微分析和鏡質組反射率測定，結果見表1。

表1 煤樣基礎參數測定結果Table 1 Test results of basic parameters of coal samples

2 壓汞實驗數據校正

2.1 低溫液氮吸附和壓汞實驗結果對比分析

本文分別采用ASAP 2020比表面積和孔徑分析儀器與AutoPoreIV 9510型全自動壓汞儀器進行低溫液氮吸附實驗和壓汞實驗，2種實驗測定的比表面積和孔體積分別見表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)、過渡孔(10～100 nm)、微孔(<10 nm))。可看出在微孔段壓汞法測得的比表面積是低溫液氮吸附法測得結果的37.61～540.53倍，微孔段壓汞法測得的孔體積是低溫液氮吸附法測得結果的106～568倍，2種實驗結果差異較大，主要原因是高壓汞對煤基質造成了破壞，使得微孔測量誤差增大，因此有必要對壓汞實驗數據進行校正。

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 煤基質壓縮性系數計算

煤基質壓縮性系數是煤基質壓縮效應的一個量化參數，對壓汞實驗數據校正前需要計算煤基質壓縮性系數。假設煤基質壓縮性系數是常數，根據式(1)計算煤基質壓縮性系數，結果見表4。

(1)

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

2.3 數據校正

壓汞法所測得累計進汞體積與汞壓關系如圖1

表4 煤基質壓縮性系數Table 4 Compressibility coefficient of coal matrix

所示。當0.124 MPa≤P≤20 MPa時，累計進汞體積與汞壓呈上凸遞增關系，表明在該壓力段內煤基質被壓縮，孔隙結構發生變形，且隨著汞壓增加，煤基質壓縮效應逐漸明顯，孔隙結構變形程度逐漸增加；當20 MPa

圖1 累計進汞體積與汞壓關系曲線Fig.1 Relationship curve of cumulative mercury volume and mercury pressure

將累計進汞體積看作煤基質體積和孔體積2個部分之和，則

(2)

(3)

(4)

ΔVpi=Vobsi-Vobs0-kmVmi(Pi-P0)

(5)

式中：ΔVobs為累計進汞體積變化量，mL/g；ΔVobsi為第i(i=1，2，…，n，n為0.124 MPa≤P≤20 MPa內劃分的壓力段數)個壓力段累計進汞體積變化量，mL/g；ΔVmi為第i個壓力段煤基質體積變化量，mL/g；ΔVpi為第i個壓力段孔體積變化量，mL/g；Pi為第i個壓力段汞壓，MPa；P0為初始汞壓，MPa；ΔVm為煤基質體積變化量，mL/g；ΔP為汞壓變化量，MPa；β為常數；ΔVp0為低溫液氮吸附實驗所測孔徑為6～62.35 nm(根據Wasburn方程[16]計算可知，P=20 MPa對應的孔徑為62.35 nm，P=206 MPa對應的孔徑為6 nm)時的孔體積變化量，mL/g；Vobsi為第i個壓力段累計進汞體積，mL/g；Vobs0為初始汞壓下累計進汞體積，mL/g;Vmi為第i個壓力段煤基質體積。

假設孔隙均為球狀，比表面積變化量為

(6)

式中ΔSpi為第i個壓力段比表面積變化量，m2/g。

3 煤樣全孔徑分布特征

3.1 聯孔分析原則

聯孔分析是指采用低溫液氮吸附法和壓汞法均能較為準確地測試出煤樣孔隙結構且將測試結果在聯孔分界點處進行聯合。本文中聯孔分界點確定為62.35 nm，采用以下聯孔分析原則分析全孔徑分布特征：當孔徑小于62.35 nm，采用低溫液氮吸附法對孔體積和比表面積進行分析；當孔徑大于62.35 nm，通過對壓汞實驗數據校正來分析孔體積和比表面積。

3.2 全孔徑比表面積分布特征

全孔徑比表面積測定結果如圖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；中低變質程度煤樣(1,2,3號煤樣)的比表面積以微孔和過渡孔為主，且過渡孔比表面積最大，微孔和過渡孔是影響中低變質程度煤樣總比表面積的主要因素；與1,2,3號煤樣相比，4號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。可看出各煤樣比表面積分布趨勢大致相同；微孔和過渡孔比表面積增量均較大，表明微孔和過渡孔對比表面積的貢獻最大；隨著煤樣變質程度增加，微孔和過渡孔比表面積增量增幅大于中孔及大孔，表明微孔和過渡孔對比表面積的貢獻率增加。

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

全孔徑孔體積測定結果如圖4所示。可看出煤樣微孔體積為0.000 044～0.000 554 mL/g，過渡孔體積為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，中孔及大孔對孔體積起主導作用；隨著煤樣變質程度增加，各孔徑體積均呈增大趨勢，4號煤樣孔體積最大。

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。可看出各孔徑段孔體積增量均在波動，其中中孔及大孔體積增量波動較大，且孔體積增量均較大，表明中孔及大孔對孔體積的貢獻最大；隨著煤樣變質程度增加，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渡孔，表明中孔及大孔對孔體積的貢獻率增加。

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

4 結論

(1) 當汞壓為0.124～20 MPa時，煤基質被壓縮，孔隙結構發生變形，且隨著汞壓增加，煤基質壓縮效應逐漸明顯，孔隙結構變形程度逐漸增加；當汞壓為20～206 MPa時，煤基質壓縮效應顯著，孔隙結構遭到破壞。

(2) 汞壓為20 MPa時對應的孔徑為62.35 nm，考慮煤基質壓縮效應的影響，確定聯孔分界點為62.35 nm。當孔徑小于62.35 nm時，采用低溫液氮吸附法對孔體積和比表面積進行分析；當孔徑大于62.35 nm時，通過對壓汞實驗數據進行校正來分析孔體積和比表面積。

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