構(gòu)造煤微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其吸附特性的影響實(shí)驗(yàn)

肖鵬 杜媛媛

摘 要：為研究構(gòu)造煤孔隙微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)瓦斯吸附的影響，采用壓汞實(shí)驗(yàn)及PCT高壓吸附實(shí)驗(yàn)，針對(duì)澄合礦區(qū)典型構(gòu)造煤煤樣進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)分析及吸附特性測(cè)定，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算煤樣孔隙體積及表面分形維數(shù)，分析構(gòu)造煤微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯吸附特性及吸附常數(shù)a、b值的影響。研究結(jié)果表明：煤樣總孔容以大孔貢獻(xiàn)為主，總比表面積微孔占比最高，各煤樣間大、中、小及微孔占比基本相近，煤樣堅(jiān)固性系數(shù)與其總孔容成反比;吸附常數(shù)a與煤樣微孔孔容、比表面積呈正相關(guān)關(guān)系，吸附常數(shù)b隨著煤樣大孔孔容占比、微孔占比的增大而增加;隨著總比表面積增加，單位質(zhì)量煤瓦斯吸附量逐漸增加，即微孔比表面積越大，瓦斯吸附能力越強(qiáng);煤樣孔隙體積及表面分形維數(shù)均可分為兩部分，大、中孔隙分形維數(shù)在2～3之間，該段分形特征較為明顯且孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙體積分形維數(shù)與吸附常數(shù)a呈正相關(guān)關(guān)系。 關(guān)鍵詞：構(gòu)造煤;壓汞;PCT高壓吸附;吸附常數(shù);分形維數(shù)中圖分類號(hào)：TD 712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2021）02-0237-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0207開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Experiment on the influence of microstructure of

tectonic coal on its adsorption characteristics

XIAO Peng1，2，DU Yuanyuan1，2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to study the pore microstructure of tectonic coal and its influence on gas adsorption，mercury injection experiment and PCT highpressure adsorption experiment were adopted to analyze the pore structure and adsorption characteristics of typical tectonic coal samples in Chenghe mining area.Based on the experimental data，the pore volume and surface fractal dimension of coal samples were calculated，and the influence of micro pore structure of tectonic coal on gas adsorption characteristics and adsorption constants A and B was analyzed.The results show that：the total pore volume of coal sample is mainly contributed by macropore，the proportion of micropore in total specific surface area is the highest，the proportion of large，medium，small and micropore among coal samples is basically similar，and the firmness coefficient of coal sample is inversely proportional to its total pore volume;the adsorption constant a is correlatedpositively with the micropore volume and specific surface area of coal sample，and the adsorption constant b increases with the increase of the proportion of macropore volume and micropore with the increase of the total specific surface area，the gas adsorption capacity per unit mass of coal increases gradually，that is，the larger the specific surface area of micropores，the stronger the gas adsorption capacity;the pore volume and surface fractal dimension of coal samples can be divided into two parts，the fractal dimension of large and medium pores is between 2 and 3，and the fractal characteristics of this section are more obvious and the pore structure is complex，and the fractal dimension of pore volume is correlated positively with the adsorption constant a.Key words：tectonic coal;mercury intrusion;high pressure adsorption of PCT;adsorption constant;fractal dimension

0 引 言煤的孔隙結(jié)構(gòu)是影響瓦斯運(yùn)移以及擴(kuò)散的關(guān)鍵因素之一，與瓦斯氣體的吸附解吸、擴(kuò)散、滲流特性密切相關(guān)。構(gòu)造煤是在構(gòu)造應(yīng)力作用下，原生結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的脆裂、破碎、變形、疊加破壞后形成的煤，具有多孔性、煤體強(qiáng)度低、滲透率低等特點(diǎn)，其孔隙結(jié)構(gòu)以及影響規(guī)律已成為煤礦瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)于煤的孔隙及吸附特性進(jìn)行了研究。洪林等基于物理吸附儀，采用低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)合非線性擬合等方法分析了低溫低壓下煤微孔的吸附特性[2];張春旺、張召召、林海飛等利用壓汞實(shí)驗(yàn)和低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)聯(lián)合分析了不同變質(zhì)程度煤的孔隙孔徑結(jié)構(gòu)[3-5];王飛等采用放散初速度和孔隙測(cè)定等實(shí)驗(yàn)，對(duì)中低階煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征[6]。在瓦斯吸附過(guò)程中，煤的硬度、構(gòu)造分類、變質(zhì)程度及水分對(duì)瓦斯氣體吸附的量及吸附難易程度均存在不同表現(xiàn)[7-8];部分學(xué)者研究了構(gòu)造煤的形成機(jī)制、構(gòu)造煤的儲(chǔ)層性質(zhì)、構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存及其影響規(guī)律[9-14];李陽(yáng)等采用壓汞、低溫液氮吸附試驗(yàn)和CO2吸附實(shí)驗(yàn)研究了構(gòu)造煤不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征與演化規(guī)律[15];HOU認(rèn)為構(gòu)造變形導(dǎo)致煤的孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，無(wú)法用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)定量表征[16];分形幾何學(xué)可以描述不規(guī)則事物變化的復(fù)雜性，多孔介質(zhì)的孔隙分布符合分形規(guī)律[17];許滿貴等采用電鏡掃描、低溫氮吸附以及盒維數(shù)算法，研究了軟煤體孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征[18];AGBABIAKA等用掃描電鏡和小角度X射線散射法研究了球形孔隙的分形特征[19];劉紀(jì)坤等采用低溫液氮實(shí)驗(yàn)結(jié)合FHH數(shù)學(xué)模型分析了氣煤孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯吸附的影響[20]。以上成果對(duì)煤的孔隙微觀結(jié)構(gòu)特性研究起到了積極作用，但是針對(duì)構(gòu)造煤層微觀結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯吸附影響的因素研究情況較少。煤的微觀結(jié)構(gòu)是反映瓦斯吸附能力與速率的一個(gè)重要指標(biāo)，由于構(gòu)造煤層堅(jiān)固性系數(shù)小，放散初速度大且滲透率低，開(kāi)采過(guò)程中瓦斯涌出規(guī)律復(fù)雜，治理難度較大，嚴(yán)重威脅井下工作人員的安全，因此，研究其孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯吸附特性的影響，對(duì)于防治瓦斯災(zāi)害具有重要意義。筆者選取澄合礦區(qū)的構(gòu)造煤樣，采用壓汞及PCT高壓吸附實(shí)驗(yàn)，對(duì)孔隙的微觀結(jié)構(gòu)及瓦斯吸附特性進(jìn)行測(cè)試，建立分形維數(shù)數(shù)學(xué)模型，分析各煤樣孔隙微觀結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)瓦斯吸附常數(shù)a、b值的影響規(guī)律，得到煤樣微觀結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯吸附特性的影響規(guī)律，以期為深入研究構(gòu)造煤層的瓦斯賦存提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所用煤樣均屬于構(gòu)造煤，采自澄合礦區(qū)董家河煤礦、董東煤礦、山陽(yáng)煤礦及西卓煤礦4個(gè)礦。煤樣從采掘工作面處采集，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，分別標(biāo)記為DJH、DD、SY和XZ煤礦。通過(guò)煤質(zhì)工業(yè)分析儀測(cè)定各煤樣的工業(yè)基本參數(shù)，壓汞實(shí)驗(yàn)儀器采用Auto Pore IV 9510型全自動(dòng)壓汞儀（工作范圍為0.1～413 MPa，孔徑測(cè)試范圍為3 nm～370 μm）測(cè)試煤樣孔隙參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)前將煤樣篩分為直徑為2.8～4 mm的小塊狀，在真空干燥箱80 ℃條件下干燥8 h后，稱取煤樣3 g左右裝入膨脹計(jì)，密封后依次放入低、高壓艙進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，采用PCT高壓吸附儀對(duì)瓦斯吸附量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量過(guò)程以《煤甲烷吸附量測(cè)定方法》為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)為25 ℃，用分選篩篩取粒徑為60～80目的煤樣，取10 g左右置于真空干燥箱60 ℃條件下干燥8 h后，采用差值法計(jì)算裝入煤樣質(zhì)量，約6～7 g進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，裝樣前應(yīng)清理干凈殘留煤樣，實(shí)驗(yàn)流程包括：脫氣、校準(zhǔn)體積、吸附、實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出。通過(guò)測(cè)試各煤樣在不同壓力下的瓦斯吸附量，基于Langmuir理論計(jì)算其瓦斯吸附常數(shù)a、b值及煤樣等溫吸附曲線。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征分析各煤樣的工業(yè)基本參數(shù)，見(jiàn)表1。

針對(duì)煤微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)煤樣的進(jìn)退汞曲線不重合時(shí)，存在“滯后環(huán)”，所測(cè)煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征也存在差異。故常根據(jù)進(jìn)退汞曲線中滯后環(huán)來(lái)分析該煤樣的孔隙形態(tài)特征[21]。

根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制各煤樣的進(jìn)退汞曲線如圖1所示。從圖1可以看出，壓汞回線均表現(xiàn)出明顯的滯后環(huán)，尤其是DJH、XZ煤礦進(jìn)汞退汞曲線滯后環(huán)較大，表明煤樣孔隙多以開(kāi)放性為主，滯后環(huán)范圍大小反映出煤體孔隙的連通性強(qiáng)弱，表明構(gòu)造煤的孔隙連通性較好。DD、SY煤礦進(jìn)退汞曲線較接近，即煤樣含有一定的半封閉孔，從進(jìn)退汞曲線形態(tài)上來(lái)看，各礦曲線均未出現(xiàn)明顯平臺(tái)段，表明煤樣煤基質(zhì)孔隙跨度較大，結(jié)構(gòu)不均勻。但從退汞效率看，XZ煤礦退汞效率最低，結(jié)合表1可以看出，煤質(zhì)揮發(fā)分越小，退汞效率越差。

煤樣進(jìn)退汞曲線從形態(tài)上看，進(jìn)退曲線不重合，均存在不同程度大小的滯后環(huán)，即構(gòu)造煤孔隙中開(kāi)放性孔隙的占比較高，孔隙間連通性較好，瓦斯流動(dòng)性能強(qiáng)，同時(shí)構(gòu)造應(yīng)力使得煤層大、中孔連通性大大增強(qiáng)，提高了瓦斯賦存空間，表明構(gòu)造煤層卸壓時(shí)易導(dǎo)致瓦斯的擴(kuò)散，且由于其一端開(kāi)放的細(xì)頸瓶型孔隙占大多數(shù)，造成其退汞效率低，這也表明在開(kāi)采構(gòu)造煤層時(shí)更容易發(fā)生瓦斯的短時(shí)間大量逸出，極易引發(fā)煤與瓦斯突出事故，在開(kāi)采時(shí)應(yīng)以抽采卸壓瓦斯為主。

2.2 孔徑分布特征分析根據(jù)霍多特的孔隙十進(jìn)制分類系統(tǒng)對(duì)煤樣孔隙進(jìn)行劃分：微孔<10 nm、過(guò)渡孔10～100 nm、中孔100～1 000 nm、大孔>1 000 nm以及可見(jiàn)孔及裂隙[22]。

2.2.1 孔容分布特征各煤樣不同孔徑的孔容、比表面積分布見(jiàn)表2，從表2可以看出，澄合礦區(qū)煤樣總孔容分布在0.104 5～0.127 8 mL/g之間，以SY煤礦的總孔容最大，其中大孔的孔容為0.100 6 mL/g，占比為78.72%，納米級(jí)（<100 nm）孔容為0.024 5 mL/g，占其總孔容的19.17%;DJH煤礦的總孔容最小，其中大孔孔容及占比分別為0.080 4 mL/g和

76.94%。各煤樣孔隙率分布均在1275%～1383%。

從表2可以看出，各個(gè)煤礦之間的孔容隨著孔徑分布情況相差不大，不同孔徑的孔隙對(duì)孔容的貢獻(xiàn)程度不一，孔徑越大的孔隙孔容也越大，反之亦然。由于存在構(gòu)造應(yīng)力且其煤質(zhì)疏松，所以說(shuō)澄合礦區(qū)構(gòu)造煤層孔容分布均以大孔貢獻(xiàn)為主，納米級(jí)孔隙次之，中孔所占比例最小。結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)堅(jiān)固性系數(shù)越大，孔容值越小，煤樣總孔容及孔隙分布與其堅(jiān)固性系數(shù)值成反比，各煤樣間不同孔隙占比差異相對(duì)較小。

2.2.2 比表面積分布特征比表面積是表征煤吸附瓦斯能力的重要指

標(biāo)，比表面積越大，表明煤吸附瓦斯能力越強(qiáng)。同時(shí)，比表面積與煤的變質(zhì)程度之間存在緊密聯(lián)系[23]。各煤樣不同孔徑的比表面積分布見(jiàn)表2，從表2可以看出，煤樣總比表面積以XZ煤礦最高，其納米級(jí)孔的比表面積為15.548 3 cm2/g，占比為9928%;其中DJH煤礦總比表面積最小，納米級(jí)孔隙的比表面積及其占比分別是11.275 cm2/g和99.37%，各煤樣總比表面積分布在11.346 2～15660 9 cm2/g之間。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，該礦區(qū)煤樣孔比表面積以微孔貢獻(xiàn)為主，與微孔孔容分布呈正比關(guān)系，且主要分布在孔容1～100 nm以內(nèi)的孔隙，其他類型孔隙次之。

比表面積隨孔徑分布情況見(jiàn)圖2、表2，不同孔徑孔隙比表面積分布及占比顯而易見(jiàn)，尤其是微孔的貢獻(xiàn)。同時(shí)可以看出，該礦區(qū)各礦煤樣之間不同孔徑的孔隙分布相差不大，因煤樣均屬于松軟煤層，其中微、小孔隙較為發(fā)育，使得其總孔隙面積和比表面積較大，有利于煤層氣賦存和運(yùn)移。從圖2可以看出，各礦煤樣孔容、比表面積走勢(shì)基本相似，并且隨著煤樣的軟硬程度增大，分布曲線波動(dòng)越小;不難看出，煤樣不同孔徑比表面積在孔徑1～10 nm段分布差異較大，尤其是微孔，在比表面積中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，大孔貢獻(xiàn)最小;各煤樣不同孔徑的孔容分布無(wú)明顯差別，其中大孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大，中孔最小，納米級(jí)孔的孔容大小有輕微波動(dòng)，在0～0.005 mL/g之間，且煤樣總比表面積、總孔容均隨著孔隙率的增加而不同程度增大。2.3 吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析從圖3可以看出，壓力越大，單位質(zhì)量煤瓦斯吸附量隨之增大。在一定范圍內(nèi)，XZ礦的吸附量上升幅度最大，SY礦吸附曲線較平緩。當(dāng)壓力最大時(shí)，單位質(zhì)量煤吸附量以XZ礦最高，DJH礦最小。結(jié)合煤質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)及壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出同等壓力條件下，煤樣孔容分布對(duì)瓦斯吸附影響程度不高，比表面積與單位質(zhì)量煤瓦斯最大吸附量呈正比，各煤樣比表面積分布反映其吸附瓦斯能力高低。

當(dāng)壓力最大時(shí)，單位質(zhì)量煤吸附量以XZ礦最高，DJH礦最小。結(jié)合煤質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)及壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出同等壓力條件下，煤樣孔容分布對(duì)瓦斯吸附影響程度不高，比表面積與單位質(zhì)量煤瓦斯最大吸附量呈正比，可以通過(guò)各煤樣比表面積分布反映其吸附瓦斯能力高低。吸附過(guò)程符合Langmuir方程[24]

X=abp1+bp

式中 p為壓力，MPa;X為吸附量，cm3/g;a為吸附常數(shù)，cm3/g;b為吸附常數(shù)，MPa-1。

吸附常數(shù)a、b代表煤吸附瓦斯的飽和吸附量以及吸附速率。根據(jù)PCT吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Langmuir方程計(jì)算出各煤樣的瓦斯吸附常數(shù)，得出煤樣恒溫吸附實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，見(jiàn)表3。從表3，圖3可以看出，吸附常數(shù)a從大到小依次為XZ、DD、SY和DJH煤礦，在21.758～28751之間;吸附常數(shù)b以XZ礦最高，SY礦最低，分別是0.589、0.975。各煤樣的吸附曲線擬合度均高達(dá)0.9以上。

3 煤樣孔隙分形特征煤的孔隙分形維數(shù)是孔隙表面不規(guī)則性和粗糙性的度量值，本節(jié)通過(guò)對(duì)壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)深入分析，以期定量的分析煤的孔隙微觀結(jié)構(gòu)。

3.1 孔徑體積分形維數(shù)計(jì)算由壓汞實(shí)驗(yàn)原理求得的分形維數(shù)被稱為體積分形維數(shù)Db，可反映煤的孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

根據(jù)4組煤樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知煤樣的孔隙體積V以及外加壓力P，lg（dV/dP）以及l(fā)gP繪制散點(diǎn)圖，如圖4所示，并進(jìn)行線性擬合，根據(jù)直線的斜率可以求得孔隙的體積分維數(shù)[25]。從圖4可以看出，各煤樣的曲線均可以分成2個(gè)下降趨勢(shì)，并且各個(gè)階段的擬合程度各不相同，整個(gè)曲線存在拐點(diǎn)但差距不大。根據(jù)圖中擬合曲線可計(jì)算煤樣在不同孔隙階段的分形維數(shù)Db。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，各煤樣孔徑分段點(diǎn)均在86～108 nm之間?？蓪⒚簶涌紫斗中畏譃?類：各煤樣中小、微孔徑的分形維數(shù)均在2～3之間，且擬合度均在0.9以上，所以在該孔徑段范圍內(nèi)，煤樣孔隙分形特征較為明顯，分形維數(shù)越大表明了煤樣孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜;而納米級(jí)孔徑段的分形維數(shù)均在3以上，該孔徑段分形不明顯。這是由于煤是一種多孔的疏松層，在壓力較大時(shí)，由于其較大的可壓縮性，導(dǎo)致分形維數(shù)大于3，該部分所對(duì)應(yīng)的孔隙較小且分形維數(shù)較大[26]，說(shuō)明此時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)已被破壞，出現(xiàn)了孔隙坍塌，因此其分形維數(shù)不再具有意義，而且此時(shí)其孔隙測(cè)定結(jié)果也具有更大的誤差。表明了煤體孔隙的孔徑愈小，其結(jié)構(gòu)特征愈復(fù)雜，孔隙的分布愈不均勻。

3.2 孔隙表面分形維數(shù)計(jì)算根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)得出半徑不小于r的孔隙的比表面積S（r）與煤樣孔隙總比表面積S0，只要在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下繪出S（r）/S0-r的散點(diǎn)圖，如圖5所示，并進(jìn)行線性擬合，根據(jù)斜率可以求得孔隙累積表面分維數(shù)Ds[27]，分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

從圖5可以看出，存在2條擬合曲線即孔隙結(jié)構(gòu)具有雙分形維數(shù)的特征，曲線均有明顯的拐點(diǎn)，以拐點(diǎn)為界，可以分成2個(gè)下降趨勢(shì)，各個(gè)階段的擬合程度不相同，分形維數(shù)分布在2.180 7～3.323 4。結(jié)合表2可知，煤樣大孔的分形維數(shù)在2.160 9～2.209 1，該孔徑段分形明顯，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜;由于構(gòu)造煤極易因?yàn)闃?gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致煤體破裂變形，尤其是對(duì)微小孔發(fā)育的影響，故該孔徑段分形維數(shù)大于3，與分形擬合結(jié)果相一致。

4 影響因素分析

4.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)吸附常數(shù)的影響軟煤的孔隙發(fā)育程度高，構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)了中、大孔的連通性，提高了煤體對(duì)瓦斯的吸附能力，煤樣孔容分布影響著瓦斯的吸附速率，從表2、表3結(jié)合吸附曲線圖可以得出，納米級(jí)孔容占比對(duì)瓦斯吸附量及吸附常數(shù)值均有一定的影響，吸附常數(shù)b值隨著大孔占比的增加出現(xiàn)下降趨勢(shì)，煤樣大孔孔容分布與吸附常數(shù)b呈反比;且微孔孔容的占比越高，吸附常數(shù)a值越大，瓦斯吸附能力越強(qiáng)。

比表面積是決定煤吸附瓦斯能力的重要因素之一，孔隙數(shù)量越多時(shí)比表面積相應(yīng)越大，吸附常數(shù)a、b值越大，瓦斯吸附量越大。根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，各煤樣的比表面積均在11.346 2～15.660 9 cm2/g之間，納米級(jí)孔占比均高達(dá)99%以上。煤的吸附規(guī)律更多的符合微孔填充原理，其吸附規(guī)律更多與其小、微孔有關(guān)，微孔在松軟煤層孔隙結(jié)構(gòu)中占據(jù)大部分，存在大量的微孔面積，為瓦斯吸附提供了較大空間，存在吸附力場(chǎng)的疊加作用，使其吸附勢(shì)增強(qiáng)，從而吸附瓦斯能力提高。

結(jié)合表2可以看出，實(shí)驗(yàn)煤樣中小、微孔對(duì)總比表面積貢獻(xiàn)最大，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，總比表面積越大的煤樣吸附常數(shù)a值越大，吸附能力越強(qiáng)，微孔比表面積與瓦斯吸附常數(shù)a值呈正比關(guān)系。故煤樣比表面積對(duì)瓦斯吸附常數(shù)值有重要影響，納米級(jí)孔隙的吸附能力決定了煤的吸附能力。

4.2 孔隙分形對(duì)吸附常數(shù)的影響瓦斯氣體運(yùn)移主要空間為煤孔隙中滲流孔，即孔徑較大的孔隙，故選擇分析大、中孔孔隙體積分形維數(shù)與吸附常數(shù)之間的關(guān)系，如圖6所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及分形計(jì)算結(jié)果，繪制出分形維數(shù)與吸附常數(shù)a、b值之間的關(guān)系圖，從圖6可以看出，分形維數(shù)對(duì)吸附常數(shù)a影響顯著，隨著孔隙分形維數(shù)增大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，吸附能力越強(qiáng)，a值逐漸增大，二者呈正相關(guān)關(guān)系。

構(gòu)造煤孔隙體積分形維數(shù)較大，煤體表面不平滑，孔隙大量發(fā)育，瓦斯的吸附空間較大，吸附性能得到增強(qiáng)。從圖6可以看出，煤樣大、中孔隙特征分維度與煤體的吸附常數(shù)a值及總比表面積均呈現(xiàn)出很強(qiáng)的正相關(guān)性，表明不同分形煤樣的瓦斯吸附能力各不相同，即在一定范圍內(nèi)，體積分形維數(shù)越大，煤吸附瓦斯能力越強(qiáng)。由于構(gòu)造作用的存在，導(dǎo)致煤體易碎，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，除大孔之外，其余孔隙表面分形維數(shù)均大于3，結(jié)合表3可知，其表面分形維數(shù)與該礦區(qū)構(gòu)造煤吸附常數(shù)a、b值關(guān)聯(lián)性較弱。

5 結(jié) 論

1）采用壓汞法測(cè)定了煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征：煤樣孔隙比較發(fā)育，連通性較好，存在一端幾乎封閉的細(xì)頸瓶狀等孔型有利于瓦斯的吸附聚積，但不利于擴(kuò)散運(yùn)移。不同孔徑的孔隙對(duì)孔容的貢獻(xiàn)以大孔為主，納米級(jí)孔隙次之;比表面積以微孔的貢獻(xiàn)為主。

2）煤樣孔徑大、中孔體積分形維數(shù)均在2～3之間，擬合度均在0.9以上，該孔徑段分形明顯;而納米級(jí)孔徑段的分形維數(shù)均在3以上，由于存在疏松孔隙的較大壓縮性，導(dǎo)致該孔徑段分形不明顯。由于構(gòu)造作用導(dǎo)致煤納米級(jí)孔的發(fā)育受到破壞，故表面分形以大孔為主，該段孔隙分形特征明顯。3）構(gòu)造煤孔容及比表面積分布對(duì)吸附常數(shù)存在影響，吸附常數(shù)b值隨著大孔孔容占比增加而減小;煤樣比表面積決定煤的瓦斯吸附量，納米級(jí)比表面積與吸附常數(shù)a呈正相關(guān)關(guān)系。吸附常數(shù)a值與孔隙體積分形維數(shù)正相關(guān)，納米級(jí)孔決定其吸附瓦斯的吸附能力。

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