韩城矿区构造煤纳米级孔隙结构的分形特征_张晓辉.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY deed coals; pore structure; fractal dimension 煤是一种复杂的多孔介质[1]，其孔隙特征对煤 层气的吸附、储集和运移有着重要影响。国内外学 者从不同角度对孔径结构进行了分类[2-5]。其中，纳 米级孔隙直径50 nm HC1 碎裂 0.046 0.547 51.16 33.50 66.50 HC2 碎裂 0.081 1.290 65.00 34.49 65.51 HC3 碎粒 0.069 0.741 43.06 43.10 56.90 HC4 碎粒 0.326 2.160 27.08 38.34 61.66 HC5 碎粒 脆性 0.312 2.400 31.21 42.42 57.58 HC6 糜棱 0.950 5.060 21.56 75.25 24.75 HC7 糜棱 韧性 2.602 9.220 14.16 71.97 28.03 隙结构密切相关。YAO等[15]研究结果表明，在相对 压力位于0.51时，分形维数反映了煤孔隙结构的 复杂程度。为此，本文采用相对压力大于0.5的数 值进行孔隙结构分形维数的计算。根据式1，A可 由logV与lnlnP0/P的双对数曲线图3求得，从而 推导出分形维数D；根据式4计算得出δ，因δ均 小于0，受毛细凝聚作用影响显著，故采用式3计 算分形维数D，结果见表2。 从表2看出，随构造变形程度的加大，煤样孔 隙分形维数D随之增大。从几何上讲，分形维数表 征了孔隙结构的非均一性，分形维数越大，孔隙结 构越复杂。孔结构分形维数D2代表了较为均一的 孔隙结构分形维数D3代表了很不规则的孔隙结 构。由此可知，分形维数的变化定量反映了构造变 形对煤孔隙演化的控制作用，构造变形的增强加大 了孔隙结构的非均质性，导致孔隙结构变得复杂 ChaoXing 第5期 张晓辉等 韩城矿区构造煤纳米级孔隙结构的分形特征 7 图 3 不同煤样的低温氮吸附体积与相对压力P/P00.5的双对数曲线 Fig.3 Plots of lnV vs lnlnP0/P P/P00.5 reconstructed from the N2 gas adsorption isotherms 表 2 基于分形 FHH 模型的构造煤孔隙分形维数 Table 2 Fractal dimensions of coal pore by fractal FHH model for tectonically deed coals 相对压力P/P0为0.51 样品编号 构造煤类型 构造变形序列 A δ D3A R2 HC1 碎裂 –0.808 2 –1.424 6 2.191 8 0.985 3 HC2 碎裂 –0.792 3 –1.379 6 2.207 7 0.977 1 HC3 碎粒 –0.633 3 –0.899 9 2.366 7 0.985 0 HC4 碎粒 –0.573 3 –0.719 9 2.426 7 0.986 3 HC5 碎粒 脆性 –0.565 9 –0.697 7 2.434 1 0.991 3 HC6 糜棱 –0.446 8 –0.340 4 2.553 2 0.999 1 HC7 糜棱 韧性 –0.418 4 –0.255 2 2.581 6 0.998 2 墨水瓶孔出现，毛细凝聚效应增强，致使吸附滞 后明显突出。 3.2 分形维数与孔隙参数的关系 分形维数D与平均孔径的关系如图4a所示。D 与煤的平均孔径呈线性负相关关系，其相关关系的 拟合度R高达0.9以上。其中，糜棱煤平均孔径最 小，分形维数最大。分形维数较高的煤孔喉发育比 较复杂，即糜棱煤孔隙结构最复杂，这也证明了分 形维数D可定量表征构造煤纳米级孔隙结构的差异 性变化。 如图4b和图4c所示，D与煤的孔隙分布具有 显著的正相关关系脆性变形阶段，中孔体积和中 孔比例随D缓慢增长，至韧性变形阶段，中孔比例 迅速升高。。这表明脆性变形对纳米级孔隙参数的改 变相对较弱，而韧性变形却对纳米级孔隙特征参数 的演化起主要作用。 ChaoXing 8 煤田地质与勘探 第42卷 a分形维数与平均孔径的关系；b分形维数与中孔体积的关系；c分形维数与中孔比例的关系 图 4 分形维数与煤孔隙参数的关系图 Fig.4 Relationship of fractal dimension and pore parameters of coal samples 4 结 论 通过对不同类型构造煤低温氮吸附曲线分析， 采 用分形FHH方法，定量表征了构造变形对煤纳米级 孔隙结构的影响程度。研究表明，分形维数能够定量 反映构造应力强弱的变化， 可以当作纳米级孔隙结构 变形程度的指示剂。 a. 构造变形越强，孔隙分形维数越大，则孔隙 结构越复杂， 非均质性增强， 导致毛细凝聚效应增强， 吸附滞后越明显。 b. 构造煤孔隙分形维数与其平均孔径、孔隙分 布之间有着良好的相关关系。 分形维数随着平均孔径 的降低和中孔含量的升高而增大， 说明构造变形程度 越大，平均孔径越小，孔隙结构越复杂。 参考文献 [1] GAN H，NANDI S P，WALKER P L Jr. Nature of the porosity in American coals[J]. 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