一種煤全孔徑測定及其孔形半定量化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種煤全孔徑測定及其孔形半定量化方法，屬于煤孔隙結(jié)構(gòu)測定技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的孔裂隙雙重多孔介質(zhì)，其孔隙特性直接決定了煤吸附瓦 斯的能力、煤的滲透性及強(qiáng)度等性質(zhì)，而煤的孔隙結(jié)構(gòu)與瓦斯吸附性能又影響煤層瓦斯含 量、煤與瓦斯突出危險性和瓦斯抽采。為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者都對煤的孔隙結(jié)構(gòu)及其對煤 中瓦斯吸附特性的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：煤中孔隙分布范圍很廣，孔隙直徑可以 小至微孔的0. 5nm，大至大孔的lOOOnm，煤體內(nèi)具有極其發(fā)育的< 10nm微孔隙，煤的比表 面積、孔容、孔徑分布、分形維數(shù)、孔形等是表征煤孔隙結(jié)構(gòu)的常用指標(biāo)，除孔形為定性描述 外，其余均為定量化指標(biāo)。因此，研究煤的孔隙結(jié)構(gòu)極其重要，通過對煤孔隙結(jié)構(gòu)的研究可 為研究煤中瓦斯的吸附/解吸、滲流機(jī)理提供一定的理論依據(jù)，為不同礦區(qū)的瓦斯抽采與 利用，防治煤與瓦斯突出提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0003] 目前，孔隙測定方法歸納起來主要分為定性方法和定量方法，定性方法主要用來 觀察煤的孔形，其包括：CT掃描、掃描電鏡、透射電鏡、光學(xué)顯微鏡等，定量方法則可以得到 煤孔隙結(jié)構(gòu)的定量化指標(biāo)，該方法包括：低溫液氮吸附法、壓汞法、小角度X射線散射法、小 角度中子散射法等。其中低溫液氮吸附法和壓汞法因為成本低、操作簡單，既可以通過液氮 吸附等溫線和進(jìn)退汞曲線得到煤的孔形特征，又可以得到表征煤孔結(jié)構(gòu)特征的比表面積、 孔容等定量數(shù)據(jù)，從而得到了普遍應(yīng)用，近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者利用低溫液氮吸附法和 壓汞法對煤樣孔隙特征進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成果。
[0004] 然而低溫液氮吸附法和壓汞法亦存在其不足之處，理論上液氮吸附法的測定范圍 為0· 35~lOOnm，而壓汞法可以測量7. 2nm~750μm的孔隙，但在壓力大于35MPa，對應(yīng)孔 半徑為20nm時，煤體被壓縮，孔隙結(jié)構(gòu)可能造成損傷。為此，采用單一方法不能得到煤的全 孔徑分布情況。此外，采用這兩種方法得到的定性化的孔形數(shù)據(jù)及定量化孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)沒有 有機(jī)結(jié)合在一起，不能通過這些數(shù)據(jù)直觀的看出瓦斯在煤中運移的難易等。而間接法測定 煤層瓦斯含量方法需要在井下實測煤層真實瓦斯壓力，在實驗室測定單一粒徑煤樣的吸附 常數(shù)（a、b值）、孔隙率、灰份、水份等數(shù)據(jù)，通過計算確定煤層瓦斯含量，因不同礦區(qū)、不同 煤層，煤樣在相同力作用下的破碎程度不同，采用單一粒徑煤樣測定煤層瓦斯含量不能反 應(yīng)所測煤層瓦斯含量真實值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提供一種表征煤全孔徑的方法，且能將定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié) 合，將大大推進(jìn)研究煤中瓦斯吸附、運移等相關(guān)研究，作為煤層突出危險性預(yù)測的主要指標(biāo) 之一。
[0006] 本發(fā)明提供的一種煤全孔徑測定及其孔形半定量化方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1.液氮吸附法測煤孔隙結(jié)構(gòu)：
[0008] 采用液氮吸附儀測孔分布特征原理為等效體積替代法，即視煤孔中液氮充填量為 孔體積。由毛細(xì)凝聚原理知，在不同相對壓力p/Pc下，發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象的孔徑范圍不同。 發(fā)生凝聚現(xiàn)象的孔尺寸隨p/p。增大而增大，對給定的相對壓力p/p。值，存在一臨界孔半徑 rk，小于半徑為4的孔均可以發(fā)生毛細(xì)凝聚填充，大于半徑為rk的孔則不會發(fā)生毛細(xì)凝聚 現(xiàn)象，臨界半徑1\由式1^= -0. 414/ln(p/p。）給出，其中rk稱為給定相對壓力下，開始發(fā)生 毛細(xì)凝聚的臨界孔半徑，它由相對壓力p/pj夬定，也可理解為當(dāng)壓力低于p/pc時，大于半徑 為4的孔中的凝聚液態(tài)氮氣將發(fā)生氣化而脫附。實際凝聚發(fā)生前煤孔內(nèi)表面已吸附一定 厚度的液氮，吸附層厚也隨P/Pc值而變，故計算孔徑分布時需進(jìn)行適當(dāng)修正。
[0009] 采用液氮吸附法孔隙及比表面積分析儀對煤樣進(jìn)行測試，對所得煤中半徑<20nm 的孔容進(jìn)行分析；其測定步驟如下：
[0010] 1)煤樣的干燥：煤樣干燥的預(yù)處理，先將煤樣放到干燥箱中恒溫60°C處理2小時 左右。然后針形管稱重，并記錄數(shù)據(jù)，再將煤樣放在針形管內(nèi)，加入玻璃棒。煤樣最終干燥， 放在干燥儀上真空干燥，保持在溫度250°C下2小時左右，直到針形管和玻璃棒之間沒有水 珠為止。
[0011] 2)煤樣稱重，稱取干燥后的煤樣1~2g。
[0012] 3)脫氣：將裝有煤樣的試樣瓶進(jìn)行脫氣，真空度為1. 33Pa~1. 33X102Pa。
[0013] 4)測量：讓已知量的吸附氣體逐步進(jìn)入樣品室中，第一次樣品吸附了氣體，并因 此在有限的不變?nèi)莘e中的氣體壓力下降了，直到吸附達(dá)到平衡為止，吸附的氣體量進(jìn)入量 管中的氣體量和吸附平衡后量管和樣品盛樣器中剩余的氣體量之差，這個量用氣體狀態(tài)方 程來確定。
[0014] 5)數(shù)據(jù)處理：計算充入的吸附氣體量，剩余的氣體吸附量，二者之差為吸附的氣 體量，由BET公式計算得到比表面積和孔容，選擇其中孔徑<20nm的部分進(jìn)行后續(xù)計算。
[0015] 步驟2.壓汞法測定煤孔隙結(jié)構(gòu)：
[0016] 壓汞儀測孔分布采用公式P= _2 〇cosΘ/r，式中P為毛細(xì)管力，N/m2。由該式可 知，根據(jù)注入水銀的毛細(xì)管壓力就可計算出相應(yīng)的孔隙喉道半徑值。假設(shè)Θ和r恒定不變， 由方程可以看出：孔喉半徑愈大，毛細(xì)管阻力也越小，注入汞所需壓力也越小。故隨注汞壓 力增大，汞將逐次由大孔進(jìn)入小孔中。在此平衡壓力下進(jìn)入煤孔隙的汞體積等于相應(yīng)于該 壓力下的孔隙容積。
[0017] 采用全自動壓汞儀對煤樣進(jìn)行測試，對所得煤中半徑>20nm的孔容進(jìn)行分析；
[0018] 其測定步驟如下：
[0019] 1 1)煤樣的預(yù)處理：選取具有代表性的煤樣，將煤樣放到真空干燥箱中恒溫 110°C處理4小時左右，稱取占樣品管體積50-80%的樣品量進(jìn)行裝樣。
[0020] 2)低壓分析：抽真空后，向樣品池中充入氮氣進(jìn)行，連續(xù)步進(jìn)升壓，記錄進(jìn)入樣品 池中注汞體積和外壓力，最大外壓力等于大氣壓。
[0021] 3)高壓分析：低壓實驗結(jié)束后，將樣品管轉(zhuǎn)至高壓測試單元，采用連續(xù)步進(jìn)升壓 方法，記錄給定外壓下進(jìn)入樣品池的進(jìn)汞量，得到進(jìn)汞曲線。同理采取連續(xù)步進(jìn)降壓方式， 得到給定外壓力下實驗樣品的退汞曲線。
[0022] 4)數(shù)據(jù)分析：采用與實驗樣品相同尺寸的無孔樣品，進(jìn)行與實驗樣品相同條件下 的進(jìn)退汞實驗，以便對實驗樣品進(jìn)行修正。采用P= -2σcosΘ/r進(jìn)行孔半徑和外壓的換 算，從而得到孔半徑和進(jìn)退汞量關(guān)系。
[0023] 步驟3.獲得單顆粒煤全孔徑孔容分布：
[0024] 由于壓汞法和液氮吸附法對煤樣孔隙特征的測定效果不同，分別選取相應(yīng)方法中 最優(yōu)孔徑段結(jié)果進(jìn)行分析，煤中半徑<20nm的孔容采用液氮吸附法，>20nm部分用壓汞法對 煤樣孔容進(jìn)行分析，因此可以得到克煤孔容全孔徑分布，然而在研究煤吸附解吸過程中，所 有煤顆粒是同時進(jìn)行的，故研究單顆粒煤的全孔徑分布對進(jìn)一步研究吸附解吸性能更有幫 助，為此，可采用公式Λ?=?/Ρβ ?茨計算每克煤所包含的顆粒數(shù)，其中，萬表示煤平均顆粒 直徑，假設(shè)煤顆粒為正方體，則有正方體邊長等于平均顆粒直徑，煤樣的假密度。故用 克煤總孔容除以每克煤所包含的顆粒數(shù)即可得到單顆粒煤全孔徑孔容分布特征。
[0025] 步驟4.獲得單顆粒煤孔長分布：
[0026] 因為煤的孔容和比表面積不易直接在孔形圖中觀察，且在描述瓦斯在煤中的運移 過程中不直觀，故用煤孔長這一量值來表述煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征，對研究瓦斯在煤中運移具 有重要作用，具體公式為Lv(r) =Dv(r)/3ir2,其中Lv(r)為孔長分布密度，Dv(r)為孔容分 布密度，r為孔半徑，將孔長分布密度Lv (r)對孔半徑r進(jìn)行積分，可以得到任意孔徑段范圍 的孔長。
[0027] 步驟5.煤孔形的半定量化：
[0028] 壓汞曲線和液氮吸附曲線形態(tài)可反映煤孔結(jié)構(gòu)信息，據(jù)煤孔隙連通性將煤孔分為 兩端開口孔、一端開口孔和封閉孔三種，據(jù)曲線是否存在"滯后環(huán)"可初步研究煤孔隙連通 性：兩端開口孔具有"滯后環(huán)"，一端開口孔不具"滯后環(huán)"，但對于"墨水瓶"曲線會出現(xiàn)"階 段性"突降"滯后環(huán)"。
[0029] 進(jìn)一步地，上述方法中，采用壓萊曲線壓力小于34MPa(對應(yīng)20nm)及液氮吸附等 溫線相對壓力Ρ/Ρ/0. 9 (對應(yīng)20nm)部分進(jìn)行孔形定性分析，再結(jié)合煤孔長度演化特征數(shù) 據(jù)，給出單顆粒煤的半定量孔形結(jié)構(gòu)，從而得出煤孔形演化特征。
[0030] 本發(fā)明的有益效果：
[0031] 考慮到煤粉是一種嚴(yán)重非均質(zhì)介質(zhì)，不同煤粉孔隙結(jié)構(gòu)存在差異，故采用單一孔 徑測定方法測試煤粉孔隙結(jié)構(gòu)不能反應(yīng)所測煤粉全孔徑分布，導(dǎo)致鑒定結(jié)果不準(zhǔn)確等。采 用本發(fā)明方法可以準(zhǔn)確測定煤全孔徑分布，為研究煤中瓦斯吸附/解吸性能起到一定的幫 助。
【附圖說明】
[0032] 圖1液氮吸附等溫線；
[0033] 圖2進(jìn)退汞曲線；
[0034] 圖3煤孔容分布密度演化特征；
[0035] 圖4半定量化孔形結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面通過實施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。
[0037] 實施例1:
[0038] 附圖1~4所示為貴州馬場煤礦的例子，具體步驟如下：
[0039] 具體步驟如下：
[0040] 一種煤全孔徑測定及其孔形半定量化方法：包括以下步驟：
[0041] 步驟1.液氮吸附法測煤孔隙結(jié)構(gòu)：采用彼奧德公司生產(chǎn)的SSA-4200孔隙及比表 面積分析儀進(jìn)行低溫液氮吸附實驗，其測孔分布特征原理為等效體積替代法，即視煤孔中 液氮充填量為孔體積。由毛細(xì)凝聚原理知，在不同相對壓力p/Pc下，發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象的孔 徑范圍不同。發(fā)生凝聚現(xiàn)象的孔尺寸隨p/p。增大而增大，對給定的相對壓力p/p。值，存在 一臨界孔半徑rk，小于半徑為4的孔均可以發(fā)生毛細(xì)凝聚填充，大于半徑為rk的孔則不會 發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，臨界半徑:^由式rk= -0. 414/ln(p/p。）給出，其中1\稱為給定相對壓 力下，開始發(fā)生毛細(xì)凝聚的臨界孔半徑，它由相對壓力p/pj夬定，也可理解為當(dāng)壓力低于P/ P。時，大于半徑為rk的孔中的凝聚液態(tài)氮氣將發(fā)生氣化而脫附。實際凝聚發(fā)生前煤孔內(nèi)表 面已吸附一定厚度的液氮，吸附層厚也隨P/P