基于低温液氮吸附实验的变形煤孔隙分布及其分形特征

郎伟伟1，宋志敏2,3，刘高峰4，任建刚3,4

(1.河南省煤田地质局，河南 郑州 450009； 2.河南工程学院 资源与环境学院，河南 郑州 451191；3. 河南省高校煤矿清洁开发与资源利用工程技术研究中心，河南 郑州 451191;4.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454003)

摘要：选择平顶山十二矿和焦作中马村矿不同煤体结构的肥煤和无烟煤进行低温液氮吸附实验，分析研究变形煤的孔隙特征及其分形特征.研究表明，过渡孔和微孔是煤层气吸附发生的主要场所，其中微孔起着重要作用；分形维数反映了煤的煤化程度，即分形维数越大、煤化程度越深；分形维数表征孔容按孔径大小变化的分布特征，且分形维数与孔容含量有较好的相关关系.

关键词：低温液氮吸附；孔隙特征；分形

中图分类号：P618.11文献标志码：A

收稿日期：2015-03-10

基金项目：国家自然科学

作者简介：郎伟伟(1984-)，男，河南辉县人，助理工程师，硕士研究生，主要从事瓦斯地质与煤层气地质研究.

研究变形煤的孔隙分布规律有助于了解构造运动对煤孔隙的影响，而煤的孔隙性质直接影响煤中气体(主要是CH4)的吸附性、解吸性及其在煤层中的运移性和流动性.钟玲文等[1-2]对煤的孔隙系统进行了研究和分析，除测定煤的孔容、孔径分布和比表面积外，还对煤的非均匀性进行了表征，证明煤表面的非均匀性在气体吸附过程中起决定作用.研究表明，煤的孔隙分布与表面形貌特征均存在非均匀性，具有统计分形特征，适宜运用分形几何来描述[3-5].采用液氮吸附实验获得不同煤体结构煤的孔隙结构参数，来研究煤的孔隙；运用分形理论研究不同煤体结构和煤表面的复杂结构，探讨分形维数与孔径分布之间的关系.

1实验样品与条件

本实验所用煤样为平顶山十二矿的肥煤煤样和焦作中马村矿的无烟煤煤样，这些煤样分别受到不同程度的构造应力和岩浆侵入活动的影响，有原生结构煤(pds1#与zm1#)、碎裂煤(pds2#与zm2#)、碎粒煤(pds3#与zm3#)和糜棱煤(pds4#与zm4#)，分别对这些样品进行低温液氮吸附实验.

液氮吸附实验采用美国MICROMERITICS INSTRUMENT公司生产的ASAP2020M型全自动比表面积及物理吸附分析仪，该仪器借助气体吸附原理(典型为氮气)，可用于确定比表面积、孔体积、孔径、孔分布、等温吸附和脱附的分析.此仪器采用“静态容量法”等温吸附的原理，配备有液氮液面保持装置(即液氮等温夹)以确保分析的准确性，还配有一个分析站和两个脱气站，脱气站和分析站各配有独立的真空系统.其中，脱气站为一个双级机械泵，分析站配有一个双级机械泵和一个分子涡轮泵.机械泵可选择无油泵，脱气站和分析站均为全自动操作.比表面积测定的下限为0.000 5 m2/g，无上限，孔径分析范围为0.35～500.00 nm，微孔区段的分辨率为0.02 nm，孔体积最小检测为0.000 1 mm3/g.

2结果与分析

低温液氮测试结果见表1与表2.

表1　吸附法孔容实验结果 Tab.1　Pore volume experimental results table of adsorption

注：V1为大孔孔容(Ф>1 000 nm)，V2为中孔孔容(100 nm<Ф<1 000 nm)，V3为过渡孔孔容(10 nm<Ф<100 nm)，V4为微孔孔容(Ф<10 nm)，Vt为总孔容.

由表1可知，肥煤的过渡孔孔容比都接近或者超过50%，贡献率最大，其次为中孔.随着煤体破坏程度的加深，总孔容增加且微孔孔容比有所提高，微孔孔容在糜棱煤中占总孔容的21.53%.无烟煤的微孔对孔容的贡献率最大，孔容比都接近或者超过50%，过渡孔大于29%，也占有相当大的比例.随着煤破坏程度的加深，总孔容增大，这说明构造作用对纳米级孔隙结构有一定的影响，可以促使孔隙数量的增加.随着煤体破坏程度的加深，孔容逐渐增大，说明构造作用对纳米级孔隙结构有一定的影响，可以促使孔隙数量的增加.

表2　吸附法孔比表面积实验结果 Tab.2　Pore specific surface area experimental results table of adsorption

注：S1为大孔比表面积(Ф>1 000 nm)，S2为中孔比表面积(100 nm<Ф<1 000 nm)，S3为过渡孔比表面积(10 nm<Ф<1 00 nm)，S4为微孔比表面积(Ф<10 nm)，St为总比表面积.

由表2可知，肥煤变形煤和无烟煤变形煤有相同的规律，即微孔比表面积最大，过渡孔次之，中孔比表面积最小.随着煤化程度的提高，中孔和过渡孔的比表面积比下降，微孔则显著上升.无烟煤孔比表面积比大于88%，肥煤相对略小，但也大于67%.液氮吸附实验证明，过渡孔和微孔是煤层气吸附发生的主要场所，其中微孔更是起着重要作用.

3孔隙分形特征

表3　变形煤的分形维数计算结果(液氮吸附法) Tab.3　Calculation results of coal′s fractal dimension in the methods of N 2adsorption

为研究分形维数与不同孔容含量的关系，绘制分形维数与不同孔容比关系图,见图1.

图1　孔容比与分形维数关系 Fig.1　Relational graph of pore volume ratio and fractal dimension

由图1可知，分形维数与孔容比有很高的相关性，相关系数都高于0.96，分形维数随着过渡孔含量的增加而变小(图1(a))、随着微孔含量的增加而增大(图1(b)).吸附法计算分形维数反映了不同孔含量的多少，分形维数越大、孔表面越粗糙、微孔含量越多，过渡孔含量就越少.从另一方面也可以说，吸附法计算分形维数表征变形煤孔径分布的特性，即分形维数反映了孔容按孔径大小变化的分布特征.

图2　分形维数与煤级关系 Fig.2　Fractal dimension of coal rank diagram

根据表3的数据，以孔径1.93～219.47 nm绘制不同煤样的分形维数图,见图2.由图2可以看出，肥煤分形维数在2.6附近，无烟煤分形维数在2.8～3.0，无烟煤的分形维数大于肥煤，这说明根据液氮吸附计算的分形维数反映了煤的煤化程度.

4结论

(1)地质构造作用影响了煤体的纳米级孔隙结构，可促使其孔隙数量增加.

(2)过渡孔和微孔是煤层气吸附发生的主要场所，其中微孔更是起着重要作用.

(3)分形维数表征孔容按孔径大小变化的分布特征，且分形维数与孔容含量有较好的相关关系.

(4)分形维数反映了煤的煤化程度，即分形维数越大，煤化程度越深.

参考文献：

[1]钟玲文,张慧,员争荣，等.煤的比表面积、孔体积及其对煤吸附能力的影响[J].煤田地质与勘探,2002,30(3):26-29.

[2]降文萍,宋孝忠,钟铃文.基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响[J].煤炭学报,2011(4):609-613.

[3]孙波,王魁军,张兴华.煤的分形孔隙结构特征的研究[J].煤矿安全,1999(1):38-40.

[4]亓中立.煤的孔隙系统分形规律的研究[J].煤矿安全,1994(6):2-5.

[5]徐龙君,张代钧,鲜学福.煤微孔的分形结构特征及其研究方法[J].煤炭转化,1995,18(1):31-38.

[6]童宏树,胡宝林.鄂尔多斯盆地煤储层低温氮吸附孔隙分形特征研究[J].煤炭技术,2004,23(7):1-3.

[7]Pfeifer P,Avnir D.Chemistry in noninteger dimensions between two and three(I): fractal theory of heterogeneous surfaces [J].Journal of Physical Chemistry,1983,79(7):3558-3565.

Research on the pore properties and fractal features of deformed coal based

on the low-temperature nitrogen adsorption method

LANG Weiwei1, SONG Zhimin2,3, LIU Gaofeng4，REN Jiangang3,4

(1.HenanBureauofCoalGeologicalExploration,Zhengzhou450009,China; 2.CollegeofResourcesand

Environment,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China; 3.EngineeringTechnologyCenter

ofCleanCoalMineDevelopmentandResourceUse,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China;

4.CollegeofResourcesandEnvironment,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)

Abstract:Fat-coal of the twelfth mine in Pingdingshan and blind-coal of Zhongma mine in Jiaozuo for different coal body structures were selected and tested by the low-temperature nitrogen adsorption method to analyze the coal pore properties and fractal features. The results show that the transition pore and micro-pore are the primary site of coal bed methane adsorption, and micro-pore plays an important role. The fat-coal fractal dimension is greater than the blind coal fractal dimension. The fractal dimension of fat-coal and blind coal gets larger with the damage of coal deepening. The fractal dimension has a good relative with volume content, which expresses pore volume distribution properties well.

Key words:low-temperature nitrogen adsorption; pore property; fractal