姚橋礦7號煤層垂向孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征研究

肖乾隆，李 錦，李 伍*

（1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

煤是一種復(fù)雜的天然多孔性固體物質(zhì)，具有良好的吸附能力，其孔隙結(jié)構(gòu)特征對于研究煤儲層流體賦存和運移起到關(guān)鍵作用［1-4］。因此，研究煤層孔隙特征對煤層氣的開采利用和煤礦瓦斯危害的防范與治理有著主要指導(dǎo)意義。但煤具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性、不連續(xù)性和各向異性等特征，其孔隙跨尺度分布，難以對煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行全面精準(zhǔn)表征［5］。

目前，常用于煤孔隙特征表征方法主要可分為物理測試法和高清圖像觀測法。其中物理測試法主要有低溫液氮吸附法、低場核磁共振法、高壓壓汞法和小角散射法等；高清圖像觀測法主要有場發(fā)射掃描電鏡、X 射線衍射、原子力學(xué)顯微鏡等［6-11］。上述方法中，低溫液氮吸附法是傳統(tǒng)的煤孔隙表征方法，技術(shù)已然成熟，目前已成為研究煤中孔隙最常用的方法之一。王觀宏等利用低溫液氮吸附法結(jié)合掃描電子顯微鏡的方法，研究了沁南地區(qū)無煙煤煤孔隙結(jié)構(gòu)特征，研究表明煤層孔隙以吸附孔為主，吸附回線具有3 種類型，低壓段和高壓段存在不同的分形特征［12］；盧杰林等通過低溫液氮吸附法、二氧化碳吸附法和壓汞法等方法相結(jié)合，研究了淮南地區(qū)中低階煤孔隙特征，并得出煤巖組分是影響煤孔隙特征的主要原因的結(jié)論［13］；HASSAN 等采用低溫液氮吸附、二氧化碳吸附和掃描電子顯微鏡等方法，系統(tǒng)分析了低階煤孔徑分布和分析維數(shù)等孔隙特征對吸附值和解吸值的影響，研究表明在較小尺寸顆粒中微中孔較為發(fā)育［14］；ZHENG 等采用低溫液氮吸附法、X射線衍射和分形理論，探討了鹽酸、四氫呋喃和二硫化碳對煤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和分形特征變化的影響［15］。低溫液氮吸附實驗孔隙測試的優(yōu)勢范圍為微觀尺度，可更深入地了解煤的微孔孔隙特征，但對中孔大孔測試效果不佳，而以無損、快速和精準(zhǔn)為特點的低場核磁共振技術(shù)可以很好地彌補(bǔ)這些不足，也被越來越多地應(yīng)用于孔隙表征中［16-18］。楊明等采用低溫液氮吸附法、低場核磁共振法和壓汞法相聯(lián)合對不同煤階煤樣孔隙特征進(jìn)行了定量研究，研究表明，煤儲層以微孔和小孔為主，微孔和小孔提供主要的比表面積和孔體積［19］；郭威等利用低溫液氮吸附和低場核磁凍融等方法，對不同變質(zhì)程度的煤樣展開研究，系統(tǒng)論述了低場核磁共振凍融法在煤孔隙特征定量分析研究中的可能性與可行［20］性；SUN 等通過低溫液氮吸附法、13C核磁共振法和掃描電子顯微鏡等方法，分析了熱處理前后煤孔隙和裂隙發(fā)育規(guī)律［21］；ITUMELENG V等利用巖相學(xué)、核磁共振和X 射線衍射結(jié)構(gòu)參數(shù)評估了富惰質(zhì)組的Witbank 煤對快速加熱的響應(yīng)及煤的大分子結(jié)構(gòu)變化［22］。低場核磁共振法雖可以快速、精準(zhǔn)、無損地獲取煤儲層內(nèi)部孔隙特征信息，但無法獲取煤孔隙形態(tài)和比表面積等信息［17，23-25］。因此本文采用低溫液氮吸附和低場核磁共振等方法，對姚橋礦7 號煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。

姚橋礦為大屯礦區(qū)的大型礦井之一，位于江蘇省徐州市西北，是大屯礦區(qū)投產(chǎn)最早，江蘇省產(chǎn)量最高的煤礦。雖然國內(nèi)外學(xué)者對不同地區(qū)的煤層孔隙特征進(jìn)行了大量的研究，但對大屯礦區(qū)姚橋礦的煤層孔隙特征缺少充分的研究，因此，對該地區(qū)煤層孔隙特征進(jìn)行細(xì)致的研究是十分必要的。為有效獲取煤樣孔隙多尺度特征和更準(zhǔn)確地表述，本文采用刻槽取樣法，通過低溫液氮吸附法和低場核磁共振法來研究姚橋礦7 號煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征，對該煤層儲層物性特點的研究具有重要意義，同時，對該研究區(qū)其他煤層孔隙特征的研究具有主要借鑒意義。

1 樣品與實驗

1.1 實驗樣品

為更好地研究姚橋礦7 號煤層的孔隙特征，以及減少其他因素的干擾，實驗樣品采自姚橋礦7 號煤層7703材料道（圖1），該位置沒有巖漿巖侵入，幾乎也沒有明顯的褶皺和斷層發(fā)育，構(gòu)造相對簡單。本次實驗樣品的采集主要采用刻槽取樣法，刻槽取樣可以更精細(xì)更準(zhǔn)確地表征樣品孔隙特征，在垂向上以間距20 cm 自下而上對煤層進(jìn)行取樣，共采集9個樣品，其中C1 到C8 為煤層樣品，Y1 為煤層頂板巖樣。所有樣品采集后均置于采樣袋中密封保持，防止樣品氧化及其他因素干擾。

圖1 樣品采集位置Figure 1 Sample collection location map

1.2 實驗方法

1.2.1 低溫液氮吸附實驗

本實驗使用JW-BK100C 型單站比表面積及介孔孔徑分析儀對煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，其理論測試孔徑范圍為0.35～500 nm。測試前，將煤樣研磨粉碎后篩分至50～60 目，稱取10 g 左右干燥煤樣放入樣品管中，在150 ℃條件下將煤樣于真空脫氣干燥箱中烘干6h，待煤樣冷卻。測試時，將煤樣放入氮氣吸附倉，在85 ℃條件下，對煤樣加熱，真空脫氣4h，待煤樣冷卻至常溫后，繼續(xù)冷卻至低溫77 K 條件，并將溫度保持在77 K，加壓注入氮氣進(jìn)行實驗，獲得煤樣各項孔隙特征參數(shù)。

低溫液氮吸附實驗基本原理為等溫物理吸附的靜態(tài)容量法，即在恒定低溫和密閉真空條件下，吸附質(zhì)壓力與固體表面吸附的氣體量一一對應(yīng)，因此可通過氣體吸附量隨吸附質(zhì)壓力的變化趨勢，繪制等溫吸脫曲線，并依據(jù)曲線，運用BET理論和BJH理論計算樣品的孔比表面積、孔徑和孔體積，進(jìn)而研究固體的表面及孔隙特征［26］。

1.2.2 低場核磁共振實驗

實驗前，將煤樣制成不同規(guī)格的塊狀煤樣。實驗時，將所有樣品放在105 ℃的干燥箱內(nèi)烘干12h，用天平稱取干燥樣品的質(zhì)量，然后利用低場核磁共振儀測試干燥樣品的T2譜；將樣品浸入蒸餾水后放入真空加壓飽和裝置中，在10 MPa 的飽水壓力下進(jìn)行12h 飽和處理，用天平稱量飽水樣品的質(zhì)量，然后利用低場核磁共振儀測試飽水樣品的T2譜。實驗主要參數(shù)設(shè)置如下：共振頻率為11.854 MHz，磁體溫度為32.00±0.02 ℃，探頭線圈直徑25 mm，采樣等待時間TW=1 500 ms，回波時間TE=0.15 ms，采樣回波個數(shù)NECH=5 000，采樣重復(fù)次數(shù)NS=4。

低場核磁共振技術(shù)測試原理主要是通過檢測煤體孔裂隙中流體的T2弛豫時間來獲取煤體中不同尺度孔裂隙的分布特征及流體在孔裂隙中的賦存狀態(tài)。許多學(xué)者對核磁共振的理論進(jìn)行了大量的闡述。巖石孔隙中流體共存在3 種橫向弛豫機(jī)制，分別是自由弛豫時間T2B、表面弛豫時間T2S和擴(kuò)散弛豫時間T2D，總弛豫時間T2可由下式表示［10］：

假設(shè)煤內(nèi)部為單一形狀的孔隙，則橫向弛豫時T2可以表示［10］：

式中：r為孔隙半徑，m；ρ2為煤橫向表面弛豫強(qiáng)度，μm/ms；FS為幾何形狀因子。對于狹縫型、圓柱形和球型孔，F(xiàn)S取分別取1、2 和3。進(jìn)一步地，r可表示［10］：

式中：C為轉(zhuǎn)換系數(shù)，C=ρ2FS。對于同種煤樣，ρ2為固定值，F(xiàn)S為常數(shù)，因此C為恒定量。r與T2呈正比關(guān)系，T2越長，r越大；T2的幅值越高，則對應(yīng)孔徑的孔隙體積就越大。所以用T2可以表征孔隙的分布情況，這是應(yīng)用核磁共振T2譜進(jìn)行煤體孔隙結(jié)構(gòu)定量表征的理論基礎(chǔ)。

1.2.3 分形理論

分形理論由法國數(shù)學(xué)家MANDELBROT 提出，用于表征自然界中物體的結(jié)構(gòu)形態(tài)及表面復(fù)雜程度等特征，具有分形特征的物體，可用分形維數(shù)D表示［27-28］。煤是具有非均質(zhì)性和各向異性的多孔介質(zhì)，其孔隙結(jié)構(gòu)具有自相似性，孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和非均質(zhì)性強(qiáng)弱可以用分形理論描述［12，29］。

基于低溫液氮吸附實驗計算分形維數(shù)的方法有很多，本文采用應(yīng)用較為普遍的FHH 模型，F(xiàn)HH模型常被用于表征計算煤中小尺度的分形特征，算法主要基于下式［30-31］：

式中：V為氣體吸附量，cm3/g；D為分形維數(shù)；p為氣體吸附的平衡壓力，MPa；p0為氣體飽和蒸汽壓，MPa；C為常數(shù)。

分形理論作為評估煤孔隙結(jié)構(gòu)的有效方法，已成為擴(kuò)展低場核磁共振實驗結(jié)果的主要方法之一［32-33］。張超謨等根據(jù)前人的研究，推導(dǎo)出低場核磁共振T2值的分形維數(shù)幾何表達(dá)式［34］：

式中：V為飽和水下累積孔隙體積（振幅）的百分比；T2為橫向弛豫時間，ms；T2max為最大橫向弛豫時間，ms。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫液氮吸附分析

2.1.1 吸附-脫附等溫線特征

吸附等溫線的形態(tài)變化可以用來分析孔隙形態(tài)、孔分布特征等，根據(jù)實驗等溫吸附數(shù)據(jù)，繪制各煤樣低溫液氮吸附-脫附曲線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 姚橋礦7號煤層不同煤樣低溫液氮吸附曲線Figure 2 Low-temperature liquid nitrogen adsorption curve of different coal samples in No.7 coal seam of Yaoqiao Coal Mine

由圖2 可知，各樣品等溫吸附曲線雖在形態(tài)上存在一定差異，但整體上相差不大，存在較好的一致性，均為倒S 形，與國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）所制定的標(biāo)準(zhǔn)物理吸附等溫曲線分類方案中的Ⅱ型較為相似［35］。依據(jù)樣品等溫吸附曲線特征，可分為3 個階段：在低壓階段（0＜p/p0＜0.2），吸附量上升較快，主要為微孔填充和單分子層吸附；中間階段（0.2＜p/p0＜0.8），吸附率明顯增加，呈勻速增長，此階段處于單分子層向多分子層過渡，主要是在較大孔壁上的多分子層發(fā)生吸附，開始出現(xiàn)吸附回線；高壓階段（0.8＜p/p0＜1.0），壓力越來越接近飽和蒸汽壓力，吸附量急劇上升，在中孔和大孔中發(fā)生毛細(xì)孔凝聚現(xiàn)象［36］。

當(dāng)?shù)獨庠诿?xì)管中發(fā)生凝聚和蒸發(fā)時的相對壓力不同時，吸附等溫曲線與脫附等溫曲線就會分離，從而形成吸附回線，吸附回線的形狀在一定程度上反映了孔隙的形態(tài)，因而可以通過吸附回線定性分析煤樣的孔隙特征［37-38］。根據(jù)IUPAC 對吸附回線的分類［35］，姚橋礦7 號煤層的吸附回線主要有三種類型：樣品C1、C5、C8 為L1 型，吸附回線范圍狹小，吸附曲線與脫附曲線十分接近，反映孔隙間連通性較差，表明孔隙以一端封閉的不透氣性孔為主。樣品C2、C3、C4、C6 為L2 型，吸附回線范圍略大于L1 型，與IUPAC 分類中的H3 型較為相似，脫附曲線于p/p0=0.5 處出現(xiàn)微小拐點，反映存在少量墨水瓶形孔及開放性透氣性孔，脫附曲線在p/p0=0.5 之后，與吸附曲線相重合，反映該階段孔隙與L1 型一致，以一端封閉的不透氣性孔為主。樣品C7、Y1 為L3 型，吸附回線與L2 型相似，但脫附曲線于p/p0=0.5 處具有明顯拐點，反映其孔隙類型與L2 型類似，但孔隙發(fā)育更為復(fù)雜，在低壓階段以一端封閉的不透氣性孔為主，高壓階段以墨水瓶形孔和開放性透氣性孔為主。

2.1.2 孔隙特征分析

根據(jù)霍多特十進(jìn)制孔徑分類方案，煤中孔隙可分為微孔（＜10 nm）、過渡孔（10～100 nm）、中孔（100～1 000 nm）、大孔（＞1 000 nm）4 類［39］。利用BET 理論、BJH 理論計算，由低溫液氮吸附實驗測得的BET 比表面積、BJH 比表面積、BJH 總孔容及平均孔徑統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 姚橋礦7號煤層不同煤樣低溫液氮吸附實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of low-temperature liquid nitrogen adsorption of different coal samples in No.7 coal seam of Yaoqiao Coal Mine

姚橋礦7 號煤層煤樣BET 比表面積為0.722～1.199 m2/g，平均為0.886 m2/g，BJH 比表面積為0.941～1.535 m2/g，平均為1.305 m2/g，通過對各孔徑比表面積占比圖（圖3）分析，總體上，微孔和過渡孔對孔隙比表面積的貢獻(xiàn)較大，達(dá)到97%～99%，但中孔對比表面積貢獻(xiàn)較小，比例僅為1%～3%；BJH總孔容為0.002 97～0.004 76 cm3/g，平均為0.004 02 cm3/g，結(jié)合圖3 可知，微孔占總孔容的23%～28%，過渡孔占總孔容的43%～61%，中孔所占比例為14%～33%；平均孔徑為12.832～15.100 nm，平均為12.736 nm。而煤層頂板巖樣BET 比表面積為12.190 m2/g，BJH 比表面積為13.125 m2/g，微孔和過渡孔對其孔隙比表面積貢獻(xiàn)較大，達(dá)到99%，中孔對比表面積貢獻(xiàn)較小，比例僅為1%；BJH 總孔容為0.027 11 cm3/g，微孔占比40%，過渡孔占比39%，中孔占比22%，微孔和過渡孔對孔容貢獻(xiàn)較大；平均孔徑為7.741 nm。結(jié)合圖4 可以發(fā)現(xiàn)，BET 比表面積和BJH 比表面積在垂向上展示的趨勢是一致的，頂板巖樣比表面積均遠(yuǎn)大于各煤樣比表面積，煤樣BET 比表面積與BJH 整體上相差較小，BET 比表面積略小于BJH 比表面積，煤樣比表面積在垂向上呈不規(guī)則的“M”狀分布，三個峰值點分別位于C2、C4和C6；BJH 孔容在垂向上的趨勢和表面積十分相似，呈不規(guī)則的“M”狀分布，頂板巖樣BJH 孔容遠(yuǎn)大于各煤樣孔容；孔徑在垂向上的趨勢則是與比表面積和孔容相反，呈倒“M”狀分布，頂板巖樣平均孔徑小于各煤樣平均孔徑，大致為煤樣平均孔徑的1/2。

圖3 不同煤樣比表面積與孔容占比Figure 3 Specific surface area and pore volume ratio of different coal samples

圖4 比表面積、孔容、孔徑的垂向分布Figure 4 Vertical distribution of specific surface area，pore volume and pore diameter

由表1、圖3 和圖4 可知，各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在著一定的關(guān)聯(lián)，各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系如圖5。

圖5 各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系Figure 5 Relationship between pore structure parameters

圖5反映了孔比表面積、孔容、孔徑等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系，各參數(shù)之間的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R2均在0.9 以上，其中樣品BET 比表面積與BJH孔容相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)R2為0.998，呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，即BET 比表面積隨BJH 孔容的增加而增加；BET 比表面積、BJH 孔容與平均孔徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即BET 比表面積、BJH 孔容隨平均孔徑的增加而減少。這也是頂板巖樣孔比表面積和孔容遠(yuǎn)大于煤樣的原因，即巖石內(nèi)部孔隙孔徑相較于煤更小，微孔和過渡孔數(shù)量更多，從而導(dǎo)致頂板巖樣比表面積和孔容相較于煤樣更大。

根據(jù)實驗BJH 吸附數(shù)據(jù)，以孔徑的對數(shù)為橫坐標(biāo)，孔容對孔徑的微分為左縱坐標(biāo)，累計孔容為右縱坐標(biāo)，以此繪制樣品的BJH 吸附孔容-孔徑分布曲線（圖6），研究區(qū)不同樣品的孔容-孔徑曲線較為一致，具有相似的特征：從單點曲線圖可以看出，dV/dD隨孔徑的增加而急劇下降，孔徑主要分布在2～10 nm 的微孔范圍內(nèi)，且十分密集，反映煤樣中微孔數(shù)量較多，微孔發(fā)育，而孔徑在10～100 nm 較為密集，并結(jié)合圖4 可知，在此范圍內(nèi)孔容值最大，即過渡孔發(fā)育，孔徑＞100 nm 所對應(yīng)的微分孔容很??；由累計曲線圖看出，占據(jù)煤孔隙最大的孔徑范圍是2～10 nm。由此可知，研究區(qū)煤中孔隙以微孔為主，占據(jù)煤樣孔隙體積最大，過渡孔對煤層孔容貢獻(xiàn)最大，有部分中孔。

圖6 BJH吸附孔容-孔徑分布曲線Figure 6 BJH adsorption pore volume-pore size distribution curve

2.1.3 孔隙分形特征

由低溫液氮吸脫附曲線分析得知，p/p0=0.5左右（此處對應(yīng)的孔徑為4 nm）為整個吸附回線的拐點，說明這個范圍內(nèi)孔隙孔徑大小和形態(tài)上已經(jīng)出現(xiàn)了變化，p/p0＜0.5時，樣品吸脫曲線滯后現(xiàn)象不明顯；p/p0＞0.5時，樣品吸脫曲線滯后現(xiàn)象明顯。因此，將FHH模型分為低壓階段（p/p0＜0.5）和高壓階段（p/p0＜0.5）進(jìn)行分析?；贔HH 模型，根據(jù)低溫液氮吸附實驗數(shù)據(jù)，以對數(shù)ln（ln（p0/p））為橫坐標(biāo)，對數(shù)lnV為縱坐標(biāo)，可繪制散點圖進(jìn)行線性擬合分析，依據(jù)擬合直線的斜率k和截距b可計算出分形維數(shù)D和常數(shù)C，計算結(jié)果如表2，分形擬合曲線如圖7。

表2 基于FHH模型分形維數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculation results of fractal dimension based on FHH model

圖7 基于FHH模型的分形擬合曲線Figure 7 Fractal fitting curve based on FHH model

根據(jù)前人對煤孔隙分形理論的相關(guān)研究，煤孔隙分形維數(shù)一般在2～3。分形維數(shù)越小，表明樣品孔隙結(jié)構(gòu)越簡單，樣品表面越光滑，均質(zhì)性越強(qiáng)；分形維數(shù)越大，表明樣品孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，樣品表面越粗糙，非均質(zhì)性越強(qiáng)［40-41］。

劉紀(jì)坤等依據(jù)氮氣分子在不同壓力段發(fā)生吸附的作用力的主要影響因素的不同，將分形維數(shù)分為低壓段和高壓段，低壓段分形維數(shù)稱孔隙表面分形維數(shù)，高壓段稱孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)［42］。由表2 和圖7 可知，相對壓力較小（p/p0＜0.5）時，煤孔隙孔徑范圍較小（＜4 nm），孔隙表面分形維數(shù)D1為2.306～2.374，平均為2.344，與2 相接近；相對壓力較大（p/p0＞0.5）時，煤孔隙孔徑范圍較大（＞4 nm），孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D2為2.592～2.624，平均為2.601，與3 更為接近，二者相關(guān)系數(shù)高，均在0.99 以上，說明擬合結(jié)果較好，表明煤樣孔隙在研究范圍內(nèi)具有明顯的分形特征。整體上，煤樣小孔徑范圍內(nèi)孔隙相比大孔徑范圍內(nèi)孔隙，孔隙結(jié)構(gòu)更簡單，孔隙表面更光滑，均質(zhì)性更強(qiáng)。樣品Y1是巖樣，其孔隙表面分形維數(shù)為2.420，孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)為2.760，均大于各煤樣，表明與各煤樣孔隙相比，巖樣孔隙表面更粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，均質(zhì)性更強(qiáng)。圖8 展現(xiàn)了表面分形維數(shù)D1和結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D2在垂向上的變化規(guī)律，相比而下，頂板巖樣的分形維數(shù)D1和D2均大于煤樣的分形維數(shù)，而對于煤樣，從底部至頂部的垂向上，分形維數(shù)D1波動較大，呈現(xiàn)出先下降后增加的波折前行的趨勢，而分形維數(shù)D2在垂向上的分布趨勢則與D1相反，呈現(xiàn)出先增大后下降的波折前行的趨勢，整體上結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D2大于表面分形維數(shù)D1。

圖8 分形維數(shù)D1和D2的垂向分布Figure 8 Vertical distribution of fractal dimensions D1 and D2

2.2 低場核磁共振分析

2.2.1 T2譜及孔徑分布特征

根據(jù)煤層氣在煤儲層中的賦存和運移特征，姚艷斌和劉大錳在霍多特分類方法上，將煤孔隙分為吸附孔（＜100 nm）和滲流孔（＞100 nm），其中吸附孔包括微孔（＜10 nm）和過渡孔（10～100 nm）［43］。前人在此基礎(chǔ)上，基于飽水樣品的T2譜分布特征，將煤孔裂隙分為吸附孔（0＜T2＜2.5 ms，0～100 nm），滲流孔（2.5＜T2＜100 ms，100～10 000 nm），裂隙（T2＞100 ms，＞10 000 nm）［44，45］。利用低場核磁共振對9個樣品在10 MPa 的飽水壓力條件下測得的T2譜和面積變化如圖9 所示。10 MPa 的飽水壓力條件下，各樣品的T2譜均呈三峰型分布，分別對應(yīng)煤樣孔隙的吸附孔、滲流孔和裂隙。其中滲流峰與裂隙峰之間均連續(xù)無間隔，表明煤層孔隙中滲流孔與裂隙間連通性較好；而吸附峰與滲流峰之間大多存在間隔，但樣品C5則沒有，說明樣品C5的吸附孔與滲流孔的連通性較好，其他樣品的吸附孔與滲流孔間連通性較差。導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因可能是由于樣品的煤階較低，煤體結(jié)構(gòu)松散，封閉孔數(shù)量較多，而水在10 MPa 飽水壓力下未能克服吸附孔的毛細(xì)管壓力而未能充填其中。

圖9 姚橋礦7號煤層不同煤樣的T2圖譜Figure 9 T2 spectrum of different coal seams in No.7 coal seam of Yaoqiao Coal Mine

T2譜的振幅代表了該孔徑階段的孔隙含量，根據(jù)T2弛豫時間對應(yīng)的孔徑值和信號振幅，并經(jīng)過歸一化處理，可得到水在不同孔徑孔隙中的分布特征，如圖10 所示。圖中橫坐標(biāo)代表不同煤樣的樣品編號，縱坐標(biāo)則代表水在各類孔隙中的信號振幅。由圖10可以看出，頂板巖樣Y1的總振幅遠(yuǎn)大于其他煤樣，這是因為頂板為泥巖，其結(jié)構(gòu)不同于各煤樣，其吸水能力強(qiáng)于煤樣，因此在飽水條件下，頂板巖樣Y1結(jié)構(gòu)受到破壞，使得孔隙度增大。整體孔隙含量隨埋深增大呈波浪式變化，其中C5、C7、Y1顯著大于其他煤樣，吸附孔、滲流孔和裂隙在垂向上的變化基本與整體相一致，結(jié)合T2譜（圖9）信息分析，總體上，吸附孔對煤中孔隙的貢獻(xiàn)最大，滲流孔次之。

圖10 不同煤樣孔徑分布Figure 10 Diameter distribution of different coal samples

2.2.2 孔隙分形特征

結(jié)合低場核磁共振實驗數(shù)據(jù)，以lgT2為橫坐標(biāo)，lgV為縱坐標(biāo)可建立線性回歸方程（圖11），根據(jù)其斜率k和截距b而計算出分形維數(shù)D和最大橫向弛豫時間T2max（表3）。

表3 姚橋礦7號煤層不同煤樣分形維數(shù)計算結(jié)果Table 3 Calculation results of fractal dimensions of different coal samples in No.7 coal seam of Yaoqiao Coal Mine

圖11 姚橋礦7號煤層不同煤樣孔隙分形維數(shù)擬合Figure 11 Fractal of MRI data of different coal samples in No.7 coal seam of Yaoqiao Coal Mine

由表3 和圖11 可知，煤層頂板巖樣和煤樣的分形維數(shù)相差較大，這是因為巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征有別于煤樣，煤層頂板巖樣Y1的整體、吸附孔、滲流孔和裂隙分形維數(shù)分別為2.288、0.345、2.962、2.994，煤樣整體的分形維數(shù)DNMR為2.326～2.436，平均為2.406，相關(guān)系數(shù)R2均值為0.409；吸附孔分形維數(shù)D1為0.563～0.627，平均為0.603，相關(guān)系數(shù)R2均值為0.698；滲流孔分形維數(shù)D2為2.790～2.966，平均為2.920，相關(guān)系數(shù)R2均值為0.955；裂隙分形維數(shù)D3為2.966～2.993，平均為2.979，相關(guān)系數(shù)R2均值為0.742?？傮w上，滲流孔分形維數(shù)D2的擬合效果最好，吸附孔分形維數(shù)D1與裂隙分形維數(shù)D3的擬合效果相差不大，但均小于滲流孔，整體分形維數(shù)DNMR、滲流孔分形維數(shù)D2和裂隙分形維數(shù)D3均在2～3，符合煤巖分形維數(shù)的定義，具有實際指導(dǎo)意義。其中，吸附孔分形維數(shù)D1小于2，在吸附孔階段，孔徑和孔體積較小，導(dǎo)致含水體積也較小，而流體對外磁場感應(yīng)敏感，從而使得弛豫時間較短，響應(yīng)迅速，此時煤孔裂隙表面的吸附力為主要作用力，對流體的自由流動和分子的擴(kuò)散起到束縛作用。當(dāng)孔徑和孔體積增加時，孔隙內(nèi)含水體積也會增加，導(dǎo)致流體對外加磁場反應(yīng)逐漸遲緩，曲線斜率也逐漸變緩。同時，隨著吸附孔逐漸轉(zhuǎn)化為滲流孔，表面吸附力的作用逐漸減弱，其對流體自由流動和流體分子自擴(kuò)散的影響減小。

分形維數(shù)趨勢如圖12所示，分形維數(shù)呈現(xiàn)出D3＞D2＞DNMR的趨勢，整體、滲流孔、裂隙的分形維數(shù)所展現(xiàn)的趨勢十分相似。煤樣裂隙的分形維數(shù)變化波動較小，滲流孔與整體的分形維數(shù)變化趨勢最為相似。

圖12 姚橋礦7號煤層不同煤樣分形維數(shù)分布Figure 12 Fractal dimension distribution of different coal samples in No.7 coal seam of Yaoqiao Coal Mine

將整體分形維數(shù)DNMR依次與吸附孔、滲流孔、裂隙百分占比擬合（圖13），如圖所示，分形維數(shù)DNMR與吸附孔占比存在強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，即分形維數(shù)DNMR隨吸附孔占比的增加而增加，表明吸附孔占比越大，煤孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；而滲流孔和裂隙與分形維數(shù)DNMR均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即滲流孔和裂隙占比越大，分形維數(shù)DNMR越小，煤孔隙結(jié)構(gòu)越簡單。因此，通過分形維數(shù)來表征煤孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性具有一定的合理性。吸附孔和滲流孔占比與分形維數(shù)DNMR間的相關(guān)系數(shù)R2均在0.9 以上，遠(yuǎn)大于裂隙，表明分形維數(shù)主要受吸附孔和滲流孔占比的影響。吸附孔占比與分形維數(shù)呈正相關(guān)，其原因是吸附孔階段的孔比表面積較大，導(dǎo)致其表面吸附能力增加，而孔徑和孔體積較小使得煤中微小空間變多，從而導(dǎo)致煤孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，孔隙間連通性下降，由此引起分形維數(shù)的增加。而滲流孔和裂隙占比與分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)，則是因為在滲流孔和裂隙階段，其孔比表面積更小，使得孔隙表面吸附能力下降，而滲流孔和裂隙的孔徑和孔體積較大，使得其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜度降低，孔隙間連通性變好，從而導(dǎo)致分形維數(shù)的減小。

圖13 DNMR與吸附孔、滲流孔和裂隙百分比擬合Figure 13 Fitting of DNMR with percentage of adsorption pore，seepage pore and fracture

2.3 兩實驗方法表征結(jié)果對比

無論是低溫液氮吸附實驗表征的BJH 孔容孔徑分布，還是基于低場核磁共振實驗T2譜表征的孔徑分布，都有效表征了煤層孔隙孔徑分布特征，均指示出吸附孔（微孔和過渡孔）提供了主要的孔體積。圖14是兩實驗整體分形維數(shù)的對比圖，可以看出，兩實驗得出的整體分形維數(shù)是十分接近的，均在2.5 附近，二者隨深度的變化趨勢是十分相似的，但低溫液氮吸附實驗所測分形維數(shù)要大于低場核磁共振實驗，這應(yīng)是由于二者所測孔徑范圍不一致所導(dǎo)致的，低場核磁共振實驗更注重于整體孔隙的表征，滲流孔和裂隙占有一定的主導(dǎo)地位，而低溫液氮吸附實驗主要表征小于100 nm 的微孔和過渡孔信息，因此低場核磁共振分形維數(shù)更接近于整體分形維數(shù)。

圖14 兩實驗整體分形維數(shù)對比Figure 14 Comparison of the overall fractal dimension of the two experiments

3 結(jié)論

1）由低溫液氮吸附實驗可得，樣品低溫液氮吸脫曲線可分為3 種類型：L1 型吸附回線狹小，以一端封閉的不透氣性孔為主；L2 型和L3 型較為相似，均由一端封閉的不透氣性孔和墨水瓶形孔及開放性透氣性孔組成，但L3 型孔隙更為復(fù)雜，墨水瓶形孔和開放性透氣性孔更多。由低場核磁共振實驗測得T2譜可得，10 MPa 飽水條件下，樣品T2譜均呈三峰分布，樣品滲流孔與裂隙間的連通性較好，而吸附孔與滲流孔間連通性較好，僅樣品C5滲流孔與裂隙間連通性較好。

2）測試煤樣微孔和過渡孔發(fā)育，中孔相對不發(fā)育。BET 比表面積為0.722～1.199 m2/g，BJH 比表面積為0.941～1.535 m2/g，微孔和過渡孔提供主要比表面積，BJH總孔容為0.002 97～0.004 76 cm3/g，過渡孔和微孔為主要貢獻(xiàn)者，比表面積與孔體積呈正相關(guān)關(guān)系，三者在垂向上均呈不規(guī)則“M”狀分布；平均孔徑為12.832～15.100 nm，與孔比表面積和孔體積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在垂向上呈倒“M”狀分布。由低場核磁共振實驗得，吸附孔對煤中孔隙的貢獻(xiàn)最大，其次是滲流孔，與低溫液氮吸附實驗結(jié)果相一致，即微孔和過渡孔提供了主要孔體積。

3）根據(jù)低溫液氮吸脫曲線特征，煤樣分形維數(shù)可分為表面分形維數(shù)和結(jié)構(gòu)分形維數(shù)，低壓階段孔徑范圍較?。ǎ? nm），表面分形維數(shù)D1為2.306～2.374，高壓階段孔徑范圍較大（＞4 nm），結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D2為2.592～2.624，二者在垂向上的分布趨勢相反。由低場核磁共振實驗結(jié)果得，煤樣整體分形維數(shù)DNMR為2.326～2.436，滲流孔分形維數(shù)D2為2.790～2.966，裂隙分形維數(shù)D3為2.966～2.993，呈現(xiàn)出D3＞D2＞DNMR的趨勢，煤樣吸附孔和裂隙的分形維數(shù)變化波動較小，滲流孔與整體的分形維數(shù)最為相似，分形維數(shù)DNMR與吸附孔呈正相關(guān)，滲流孔和裂隙與分形維數(shù)DNMR呈負(fù)相關(guān)。低溫液氮吸附實驗和低場核磁共振實驗測得的煤樣整體分形維數(shù)相近，二者在垂向上的變化一致，但低場核磁共振分形維數(shù)更接近于整體分形維數(shù)。