西山煤田不同变质程度煤孔隙结构分形特征及影响因素研究

秦兴林

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 122113)

煤的孔隙、裂隙是瓦斯储存的主要场所，同时也是瓦斯运移的通道[1]。煤孔隙结构的研究对于了解瓦斯赋存状态、瓦斯解吸、扩散及渗流、瓦斯抽采等特征十分重要[2-3]。于军[4]结合扫描电镜(SEM)和低温液氮吸附，对比分析了不同软煤孔隙结构差异性，发现软煤孔隙较同阶硬煤更为发育，构造软煤孔隙结构更为复杂；于丽雅[5]也认为构造变形作用会导致煤储层大孔和中孔数量减少，而微孔和小孔数量大量增加；柳先锋等[6]分析了微结构对软硬煤瓦斯吸附控制机理，发现焦煤软煤孔比表面积大于相应的硬煤，表现出了更强的吸附性能，研究表明[7-8]，煤的孔隙裂隙系统具有多尺度分形特征，分形理论可以较好地描述孔隙分布特点；江丙友等[9]基于煤超微孔隙结构分形特征，建立了煤体硬度与孔隙分形维数之间的量化关系；王军[10]分析了煤表面分形特征对瓦斯吸附特性的影响，结果表明瓦斯吸附能力与孔隙分形维数成正比；姜文等[11]、张松航等[12]提出，可将分形维数分为扩散分维数和渗流分维数，并探讨了其与煤组分、变质程度、储层物性之间的关系；王博洋等[13]运用分形理论描述了煤层孔隙发育特征，并分析了影响分维数的主控地质因素；张晓辉等[14]采用FHH分形理论对构造煤纳米级孔隙结构进行定量表征，认为分形维数能够定量反映煤构造变形程度；秦跃平等[15]从煤样孔隙表面积和体积分形角度，建立了煤样吸水性能与分形维数之间的定量关系；徐欣等[16]提出了煤体孔隙结构分形特征表征新方法，认为分维数越大，煤层储层物性越差，非均质性也就越强。随着科技的发展，煤孔隙结构研究手段有多种，各有优势和局限性[17]。扫描电镜(SEM)是一种简便高效的煤岩孔隙裂隙微观测试方法，在国内外已得到广泛应用。基于此，本文采用SEM对煤体表面孔隙结构进行观测，并分析其孔隙分形特征及其影响因素，以期为煤层气开发、瓦斯防治提供一定的参考。

1 实验部分

1.1 煤样制备

实验所用煤样均采自山西沁水盆地西山煤田，针对不同煤层，选取不同变质程度的块状新鲜原煤煤样，密封保存后运往实验室，采样方法参考标准《煤层煤样采取方法》(GB/T4 82—2008)。对块状原煤进行粉碎、研磨和筛分，选取粒径为0.18～0.25 mm的煤样约10 g，根据标准《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)和《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561.12—2010)分别对煤的工业分析和坚固性系数(f值)进行测定，煤的镜质组反射率参照国标《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》(GB/T 6948—1998)测定，煤的基本工业参数见表1。从表1可看出，各煤样的镜质组反射率(Ro)在1.18%～1.92%范围内变化，均为变质程度较高的焦煤、瘦煤和贫煤；灰分含量为13.67%～23.08%，埋深为346～457 m，f值在0.46～1.69范围内变动。

表1 煤样基本工业参数Table 1 Basic industrial parameters of coal samples

1.2 实验方案

采用扫描电镜(SEM)对所选煤样进行表面孔隙结构特征研究，所使用的扫描电镜型号为日立S-4800。首先将煤样破碎成1～2 cm3的小立方块，进行喷金处理后(消除静电影响)，选取相对平整的表面作为观察面，按照国标《纳米级长度的扫描电镜测量方法通则》(GB/T 20307—2006)对煤样表面孔隙形貌特征进行扫描实验。

2 实验结果及分析

2.1 SEM测试结果

图1为各煤样的SEM测试结果。从图1可以看出，各煤样表面孔隙结构差异显著，表现出了明显的非均质性。其中GD7煤样和GD9煤样表面最为粗糙，含有大量微米级的裂隙状孔和楔形孔；TL8煤样和XM3煤样则以狭缝型孔和锥形孔为主，孔隙尺度多小于100 nm；其余煤样表面则相对光滑，可见少量孔隙裂隙。

2.2 煤孔隙分形特征

分形维数能够较好地描述固体表面不规则性或复杂程度，现已在煤表面孔隙结构表征方面得到了广泛应用。分形理论于20世纪70年代创立，目前已发展出了多种不同的分形维数，如拓扑维、Hausdorff维、自相似维、关联维和信息维等[18]。本文根据SEM实验结果，通过Hausdorff维，即盒维数(Box-counting Dimension)来量化分析煤表面孔隙分布特征。

图2显示了用盒维数求孔隙分形维数的具体过程。以TL8煤样为例，基于原始SEM图片，选定合适的阈值后，将灰度图像(图2(a))转换为黑白二值图(图2(b))，选用不同边长(δ)的盒子来覆盖黑白二值图区域，数出含有孔隙的小盒子数量，然后利用式(1)即可计算出分形维数[19]。

(1)

式中：D为分形维数；δ为盒子的边长；N(δ)为覆盖煤表面孔隙区域所需的盒子数量。

图1 各煤样SEM图Fig.1 SEM results of coal samples

图2 TL8煤样分形维数计算示意图Fig.2 The calculation process of fractal dimension for TL8 sample

各煤样分形维数计算结果见表2。从表2可以看出，拟合系数R2均大于0.99，说明采用盒维数计算煤表面孔隙分形是合理的，得到的各煤样分形维数值在1.33～1.92范围内变化。

2.3 煤孔隙分形影响因素

受煤层赋存条件的影响，煤表面孔隙分形影响因素众多，如地应力、煤变质程度、煤体固有成分、煤变形破坏程度等。图3为煤变质程度及灰分含量与分形维数的关系。由图3可知，煤变质程度Ro对分形维数有显著影响，本测试煤样D值随Ro的增加呈线性增加，这说明高阶煤较低阶煤拥有更为发育的孔隙结构，表面更为复杂。从图3还可看出，在本测试煤样中，煤灰分含量与分形维数呈现出良好的线性负相关关系(相关系数R2=0.868 9)，表明灰分的存在能够降低煤表面粗糙程度。事实上，煤中灰分含有大量无机矿物质，在成煤过程中，这些无机矿物质会镶嵌在煤大分子结构中，阻塞部分孔隙，从而影响煤体表面孔隙结构[7]。

表2 各煤样分形维数Table 2 Fractal dimensions of coal samples

图3 变质程度及灰分对分形维数的影响Fig.3 Influence of coalification and ash content on D

图4为煤中水分及埋深与分形维数之间的关系图。从图4可以看出，本测试煤样的D值随煤中水分含量的升高而减小。根据煤中水分存在形式，可分为内在水分和外在水分，前者主要存在于煤大分子结构内部，一般不易发生变化；后者则主要附着在煤体表面，对表面孔隙裂隙起到填充作用，导致原本粗糙的煤体表面变得更为光滑，分形维数值减小。此外，煤层埋深也会影响煤孔隙结构分布。由图4可知，随煤层埋深的增加，D值也在不断增大。图5为煤体坚固性系数与D值之间的关系图，显然D值与f值呈现良好的线性负相关关系(R2=0.817 5)。f值与煤体破坏程度紧密相关，破坏程度越高，煤体f值也就越小。从分形维数与埋深及f值的变化关系来看，由于地应力会随着煤层埋深的增加而增大，在地应力作用下煤层的破坏程度也相应地增加，结果在煤体表面产生大量的微孔隙微裂纹(图1)，使得煤体表面孔隙结构复杂化，分形维数值持续增大。此外，构造应力会对煤体产生搓揉作用，使得煤体破坏程度增加，力学强度降低，煤体变软；在搓揉作用下，由于煤体应力分布不均，导致煤体产生更多的孔裂隙网络，使得煤体表面更为粗糙。在西山煤田现场瓦斯治理中，应特别注意具有高分形维数的煤体。这类煤体受构造作用明显，破坏程度较高，往往具有复杂的孔隙结构，煤体瓦斯含量高，孔隙连通性差，不易于气体快速解吸和渗流，瓦斯流动受阻，引起瓦斯抽采困难，在煤炭开采过程中，容易导致煤与瓦斯突出、瓦斯涌出等灾害。

图4 水分及埋深对分形维数的影响Fig.4 Influence of moisture and burial depth on D

图5 f值对分形维数的影响Fig.5 Influence of f value on D

3 结 论

1) 不同煤样表面孔隙结构差异明显，具有显著的分形特征，分形理论能够较好地描述煤体表面孔隙结构复杂程度。

2) 针对SEM图片，经黑白二值化处理后，采用盒维数法计算得到了各煤样表面孔隙分形维数，不同煤样分形维数值在1.33～1.92范围内变化。

3) 分析了煤孔隙分形维数的影响因素，煤变质程度Ro对分形维数有显著影响，随Ro的增加，D呈线性增加，煤化作用使得煤表面趋于复杂，而灰分的存在能够降低煤表面粗糙程度；煤中水分对表面孔隙裂隙起到填充作用，导致煤体表面变光滑，分形维数值减小；煤层埋深和f值也会影响煤体孔隙结构，随煤层埋深及破坏程度的增加，D值不断增大。