粒徑損傷對原生煤和構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征的影響*

李銘杰,盧守青,司書芳，王成鳳，楊夢華，劉 杰，王圣程

(1.青島理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程系，山東 青島 266520；2.青島理工大學(xué) 山東省重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域事故防范技術(shù)研究中心(冶金有色領(lǐng)域)，山東 青島 266520；3.青島貝里塑料有限公司，山東 青島 266520；4.徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

0 引言

近年來，隨著煤炭開采深度的增加，煤與瓦斯突出災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重，這極大地影響著礦井安全生產(chǎn)。由此，針對煤與瓦斯突出機(jī)制的研究就顯得極其重要。通過總結(jié)研究發(fā)生煤與瓦斯突出的案例，發(fā)現(xiàn)凡發(fā)生災(zāi)害的煤層均存在構(gòu)造煤煤層，因此，學(xué)者們認(rèn)為對構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)特征的分析是研究煤與瓦斯突出機(jī)制的前提[1-3]。所以，對構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的研究顯得尤為重要。

近年來，眾多學(xué)者對構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)以及分形特征方面進(jìn)行研究[4]。Dong等[5]通過分析構(gòu)造煤的孔徑分布曲線發(fā)現(xiàn)構(gòu)造作用會導(dǎo)致煤的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加曲折或復(fù)雜；Song等[6]結(jié)合低溫液氮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造變形會促進(jìn)中孔的比表面積向小孔發(fā)展；Cheng等[7]利用低溫液氮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造作用會影響構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)，使其對瓦斯的吸附能力增強(qiáng)；Cheng等[8]通過總結(jié)國內(nèi)構(gòu)造煤儲層特征，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造作用導(dǎo)致構(gòu)造煤的總孔容和比表面積比原生煤大；王佑安等[9]研究認(rèn)為煤結(jié)構(gòu)破壞程度的提高增大了煤中大孔孔容，為煤快速解吸和放散瓦斯提供了條件，有利于發(fā)生突出；楊曉娜等[10]認(rèn)為構(gòu)造作用促進(jìn)構(gòu)造煤中瓦斯吸附的孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展，而隨著煤的破碎程度的增加煤對瓦斯吸附能力變?nèi)?；Jin等[11]發(fā)現(xiàn)煤的粉碎過程顯著增加煤的比表面積和孔容，有利于瓦斯的吸附和擴(kuò)散；么玉鵬等[12]根據(jù)對構(gòu)造煤分形特征的研究結(jié)果，提出構(gòu)造變形會使煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，也會導(dǎo)致煤樣的氣體吸附能力增強(qiáng)；郝晉偉等[13]對構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度分形表征，發(fā)現(xiàn)煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和非均質(zhì)性隨分形維數(shù)的增加而不斷增強(qiáng)；Zhang等[14]通過FHH模型分析結(jié)果，提出較之于原生煤，構(gòu)造煤具有更粗糙的孔隙表面和更均勻的孔隙結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致構(gòu)造煤的吸附能力更強(qiáng)；姜海納[15]采用分?jǐn)?shù)階分形擴(kuò)散模型發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的減小，煤樣吸附/解吸速度會急劇增大；Guo等[16]利用分形理論分析煤孔隙和裂隙的尺度特征，發(fā)現(xiàn)在煤樣破碎過程中，煤中的孔隙和裂隙變得越來越簡單，更有利于氣體的儲存和運(yùn)移。

當(dāng)前絕大多數(shù)的研究成果均是對原生煤和構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)以及分形維數(shù)的分析，對于粒徑損傷對煤樣孔隙結(jié)構(gòu)影響以及綜合分析原生煤和構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和分形維數(shù)之間關(guān)系的成果較少[17-19]。因此，本文以低溫液氮實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，運(yùn)用國內(nèi)較為常用的霍多特[20]孔隙分類法，即將煤內(nèi)孔隙分為大孔(>1 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)、小孔(10～100 nm)和微孔(<10 nm)4類。對不同粒徑下的原生煤和構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；之后結(jié)合FHH模型研究粒徑損傷對分形維數(shù)的影響；最后綜合分析原生煤和構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與分形維數(shù)之間的關(guān)系。研究結(jié)果可為防治煤與瓦斯突出提供重要依據(jù)。

1 取樣與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)煤樣均選自山西大寧煤礦3號煤層的構(gòu)造煤和原生煤。為了研究破碎作用對孔隙結(jié)構(gòu)的影響，將采集回來的原生煤和構(gòu)造煤置于完全清潔的錘式破碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，再利用標(biāo)準(zhǔn)篩獲得實(shí)驗(yàn)所需的粒徑尺寸(1～3，0.5～1，0.25～0.5，0.074～0.25 mm)。2種煤樣的特征參數(shù)見表1。由表1發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤的VL和ΔP均大于原生煤，說明構(gòu)造煤的吸附和擴(kuò)散能力比原生煤強(qiáng)，這說明構(gòu)造作用會增強(qiáng)煤的吸附與擴(kuò)散能力。另外，原生煤的堅(jiān)固性系數(shù)比構(gòu)造煤大很多，說明構(gòu)造煤體更易受到破壞從而導(dǎo)致煤與瓦斯突出。

表1 試驗(yàn)煤樣特征參數(shù)

1.2 N2(77 K)吸附實(shí)驗(yàn)

采用美國康塔公司設(shè)計制造的autosorb iQ2型號自動液氮分析儀，并參照國際標(biāo)準(zhǔn)《Pore size distribution and porosity of solid materials by mercury porosimetry and gas adsorption,Part 3:Analysis of micropores by gas adsorption》(ISO 15901-3:2005)，對不同粒徑煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定分析。在實(shí)驗(yàn)過程中，液氮的溫度始終保持在77 K，孔徑的測量范圍在0.35～500 nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 孔隙特征

本文通過液氮實(shí)驗(yàn)獲得不同粒徑下的原生煤和構(gòu)造煤的液氮吸附/脫附曲線，如圖1所示。觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P/P0<0.02時，等溫吸附曲線呈指數(shù)增加，主要由N2分子發(fā)生微孔填充導(dǎo)致。當(dāng)N2分子微孔填充完成后，便開始在煤表面進(jìn)行單層吸附，形成N2分子單層薄膜；之后，吸附曲線趨于平緩，N2分子發(fā)生多層吸附；當(dāng)P/P0>0.4時，越來越多的N2分子在煤中發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象；最終在P/P0≈1時，液氮等溫吸附過程結(jié)束。根據(jù)IUPAC標(biāo)準(zhǔn)，原生煤和構(gòu)造煤吸附等溫曲線為Ⅰ和Ⅱ的結(jié)合。低壓段吸附曲線偏向Y軸為I型吸附等溫曲線的典型特征；在高壓段(P/P0≈1)，吸附曲線未出現(xiàn)平臺狀曲線，符合Ⅱ型等溫吸附曲線特征。

圖1 不同粒徑原生煤和構(gòu)造煤低溫液氮吸附/脫附曲線

滯后環(huán)是由于毛細(xì)孔的具體形狀不同，同一孔發(fā)生毛細(xì)凝聚與毛細(xì)孔蒸發(fā)時的相對壓力不同，導(dǎo)致吸附分支與脫附分支分開形成的[21]。IUPAC標(biāo)準(zhǔn)[22]將滯后環(huán)類型分為5類，通過對比原生煤和構(gòu)造煤的滯后環(huán)呈H2或H4型，說明煤樣中存在墨水瓶孔或非粒子堆積產(chǎn)生的狹縫狀孔。當(dāng)相對壓力>0.5時，煤樣滯后環(huán)寬度越大說明其含有的開放孔隙越多。根據(jù)圖1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相對壓力>0.5時，隨著粒徑的減小，原生煤和構(gòu)造煤的滯后環(huán)寬度均增加，并且同粒徑下的構(gòu)造煤滯后環(huán)寬度比原生煤大。這說明粒徑的破碎導(dǎo)致原生煤和構(gòu)造煤內(nèi)開放孔隙數(shù)目增加，且構(gòu)造作用會使構(gòu)造煤內(nèi)的封閉孔打開。

2.2 孔徑分布

由于液氮實(shí)驗(yàn)的孔徑測量范圍在0.35～500 nm，因此，本文主要對原生煤和構(gòu)造煤中的小、微孔隙以及部分中孔(100～500 nm)的孔徑分布進(jìn)行分析?？讖椒植紙D根據(jù)液氮吸附曲線繪制，避免了脫附曲線中存在假峰的情況。如圖2～3所示，各粒徑下的原生煤和構(gòu)造煤均以微孔為主。孔徑分布的峰值可以反映出煤樣吸附能力的強(qiáng)弱。隨著粒徑的減小，原生煤的峰值和峰面積變化不大；構(gòu)造煤的微孔段峰值和峰面積隨粒徑減小明顯增加，小孔和中孔段峰值和峰面積變化不明顯，說明破碎作用促進(jìn)了構(gòu)造煤內(nèi)微孔的發(fā)育。另外，同破碎程度下的構(gòu)造煤峰值均大于對應(yīng)原生煤峰值，說明構(gòu)造作用導(dǎo)致煤孔隙內(nèi)產(chǎn)生了更多的瓦斯吸附位點(diǎn)。

圖2 不同粒徑原生煤孔徑分布

圖3 不同粒徑構(gòu)造煤孔徑分布

總結(jié)不同粒徑下原生煤和構(gòu)造煤的孔容和比表面積于表2?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的減小，原生煤和構(gòu)造煤的孔容和比表面積均在增加。0.074～0.25 mm的原生煤的中孔、小孔、微孔孔容分別是對應(yīng)1～3 mm的原生煤的5.304，2.314，1.884倍；原生煤0.074～0.25 mm粒徑下的中孔、小孔、微孔的比表面積是對應(yīng)1～3 mm粒徑下煤樣的5.588，2.54，1.935倍。0.074～0.25 mm的構(gòu)造煤的中孔、小孔、微孔孔容分別是對應(yīng)1～3 mm的構(gòu)造煤的4.628，2.798，4.764倍；構(gòu)造煤0.074～0.25 mm粒徑下的中孔、小孔、微孔的比表面積是對應(yīng)1～3 mm粒徑下煤樣的4.671，2.414，5.299倍。由上述分析，對于原生煤在受到破碎作用時，煤較大孔隙先受到破壞，之后才會影響到微孔孔隙；而對于構(gòu)造煤，在破碎粒徑為1～3 mm時，煤中較大孔隙和微孔隙均會受到破碎作用的影響。通過表2對比發(fā)現(xiàn)，同粒徑下構(gòu)造煤的孔容和比表面積均大于原生煤，且2種煤樣間的差異會隨粒徑的減小而增加，這就說明粒徑的破碎會促進(jìn)構(gòu)造作用的發(fā)展，此外，也說明構(gòu)造煤更易導(dǎo)致煤與瓦斯的突出。

表2 不同粒徑原生煤和構(gòu)造煤孔隙孔容和比表面積

2.3 孔隙分形特征

由于煤是1種多孔隙不規(guī)則的物體，通常用分形理論來定量描述其表面粗糙度和孔隙結(jié)構(gòu)。對于低溫液氮實(shí)驗(yàn)采用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型[23]來計算煤的分形維數(shù)。FHH模型計算如式(1)：

(1)

式中：V為液氮吸附量，mL/g；V0為單分子吸附氣體的體積，mL/g；P0為氣體吸附的飽和蒸汽壓，MPa；P為液氮吸附壓力，MPa；A為常數(shù)；D為分形維數(shù)。

根據(jù)式(1)作出ln(V/V0)-ln[ln(P0/P)]曲線并擬合，通過擬合斜率可計算得分形維數(shù)D。由圖4～5可以發(fā)現(xiàn)曲線分為明顯的2部分，并以P/P0=0.5為分界點(diǎn)。當(dāng)P/P0<0.5時，煤中氣體的吸附取決于范德華力，吸附量與煤表面粗糙程度有很大關(guān)系。因此，分形維數(shù)D1能夠用來反應(yīng)孔隙表面粗糙度；當(dāng)P/P0>0.5時，氣體吸附主要受多層吸附控制，因此，取決于孔隙的體積結(jié)構(gòu)?？紫扼w積結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，吸附能力越強(qiáng)，因此，分形維數(shù)D2能夠反應(yīng)孔隙體積結(jié)構(gòu)復(fù)雜度[24]。分形維數(shù)D1，D2值應(yīng)介于2～3之間，D1，D2越接近于2，說明孔隙表面粗糙度和孔隙體積結(jié)構(gòu)復(fù)雜度越??；D1，D2越接近于3，反之。

如圖4～5所示，2種煤樣左側(cè)擬合系數(shù)均大于右側(cè)的擬合系數(shù)，說明孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜度對孔隙吸附能力的影響更大。由表3發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的減小，原生煤D1從2.316 8增加到2.469 5；構(gòu)造煤D1從2.283 4增加到2.307 3，說明破碎作用使孔隙表面粗糙度增加。隨著破碎過程的發(fā)展，原生煤D2從2.871 9減小至2.838 9；構(gòu)造煤D2從2.842 0增加至2.884 8，發(fā)現(xiàn)原生煤和構(gòu)造煤的D2值的變化幅度不大，但根據(jù)其值的變化趨勢，可以說明原生煤孔隙結(jié)構(gòu)受破碎作用影響會向簡單結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，而構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)會向復(fù)雜結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。此外，同破碎程度的原生煤D1與構(gòu)造煤D1差距不大，而原生煤D2均比構(gòu)造煤的D2小。綜合上述分析，說明構(gòu)造作用主要對構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)影響較大，促進(jìn)了構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育，使其孔隙體積結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，從而導(dǎo)致構(gòu)造煤具有更強(qiáng)的吸附能力。

表3 不同粒徑原生煤和構(gòu)造煤分形維數(shù)

圖4 不同粒徑下原生煤的分形維數(shù)

3 分析

在原生煤和構(gòu)造煤中，微孔構(gòu)成了瓦斯的主要儲存空間。微孔的孔容和比表面積的大小可以反應(yīng)煤樣瓦斯吸附能力的強(qiáng)弱，同樣分形維數(shù)也可以用來定量分析煤樣的瓦斯吸附能力，這就說明煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征與分形維數(shù)之間存在一定的關(guān)系。由此，本文將對孔隙特征參數(shù)與分形維數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。如圖6所示，原生煤和構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)特征與分形維數(shù)之間呈冪函數(shù)關(guān)系。原生煤D1隨微孔的比表面積的增加而增加，構(gòu)造煤D1隨微孔的比表面積的增加先增加后減?。辉汉蜆?gòu)造煤的D2隨微孔孔容的增加均表現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。此外，原生煤D1與比表面積的曲線擬合系數(shù)為0.926，而D2與孔容的曲線擬合系數(shù)為0.428，這反映出對于原生煤來說，D1和微孔比表面積對原生煤的吸附能力有著決定性作用。構(gòu)造煤D1與微孔比表面積的擬合系數(shù)為0.013，D2與微孔孔容的曲線擬合系數(shù)為0.958，說明對于構(gòu)造煤的瓦斯吸附能力的強(qiáng)弱主要取決于D2和微孔的孔容。

圖5 不同粒徑下構(gòu)造煤的分形維數(shù)

圖6 微孔孔容和比表面積與分形維數(shù)關(guān)系

綜合分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)原生煤孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與分形維數(shù)之間的關(guān)系與構(gòu)造煤存在差異。這是因?yàn)闃?gòu)造作用促進(jìn)了構(gòu)造煤微孔結(jié)構(gòu)的發(fā)育，同時構(gòu)造煤的微孔在破碎初期也會受到影響，從而使得構(gòu)造煤微孔結(jié)構(gòu)較之于原生煤更復(fù)雜，使得構(gòu)造煤的瓦斯吸附能力更依賴于孔隙結(jié)構(gòu)和微孔孔容；而原生煤粗糙的微孔孔隙表面積較之于其相對簡單的孔隙結(jié)構(gòu)更有利于瓦斯的吸附，所以原生煤孔隙表面越粗糙、微孔比表面積越大，煤樣的吸附能力越強(qiáng)；構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，微孔孔容越大，煤樣的吸附能力越強(qiáng)。

4 結(jié)論

1)根據(jù)低溫液氮吸附/脫附曲線相對壓力>0.5時，原生煤和構(gòu)造煤的滯后環(huán)寬度隨著粒徑的減小均增加，且同粒徑下的構(gòu)造煤滯后環(huán)寬度比原生煤大，得出粒徑的破碎會導(dǎo)致煤內(nèi)開放孔隙數(shù)目增加，且構(gòu)造作用會使構(gòu)造煤內(nèi)的封閉孔打開。

2)通過分析不同粒徑的原生煤和構(gòu)造煤的孔徑分布發(fā)現(xiàn)，破碎作用對原生煤和構(gòu)造煤孔隙的破壞路徑略有區(qū)別。對于原生煤在受到破碎作用時，煤內(nèi)較大孔隙先會被破壞，之后才會對微孔造成影響；而對于構(gòu)造煤，在破碎粒徑為1～3 mm時，較大孔隙和微孔隙均會受到破碎作用的影響。此外，還發(fā)現(xiàn)粒徑的破碎對構(gòu)造作用的發(fā)展起到促進(jìn)作用，導(dǎo)致構(gòu)造煤更易發(fā)生煤與瓦斯突出。

3)通過分析原生煤和構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)特征與分形維數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對于原生煤，D1和微孔比表面積對原生煤的吸附能力有著決定性作用；對于構(gòu)造煤的瓦斯吸附能力主要取決于D2和微孔的孔容。結(jié)合原生煤和構(gòu)造煤D1與對應(yīng)煤樣微孔比表面積以及D2與對應(yīng)煤樣微孔孔容的分析結(jié)果，提出原生煤孔隙表面越粗糙、微孔比表面積越大，煤樣的吸附能力越強(qiáng)；構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，微孔孔容越大，煤樣的吸附能力越強(qiáng)。