0 引 言
煤中瓦斯以3种状态，即吸附态、游离态和固溶态赋存于煤层之中，对于中高阶煤而言，瓦斯则主要以吸附态赋存于煤基质孔隙裂隙表面[1-2]。作为一种具有各向异性的复杂多孔介质，不同孔隙结构煤体瓦斯吸附性能差异较大。煤孔隙结构是研究煤层瓦斯赋存状态、气水介质与煤基质相互作用及瓦斯解吸、扩散和渗流的基础[3-6]。长期以来，煤孔隙特性及其对瓦斯吸附特性的影响一直是煤炭领域的研究重点。煤体瓦斯吸附过程以物理吸附为主，吸附能力与孔结构参数(孔比表面积、孔体积、孔隙直径等)紧密相关[7-9]。文献[10]将煤孔隙分形维数分为扩散分形维数和渗流分形维数，并探讨了分形参数与煤层孔渗性之间的关系。文献[11]基于压汞试验，从分形角度研究了不同类型构造煤孔隙结构特征，认为多重分形参数可以有效表征构造煤孔径分布特征。文献[12] 通过低温液氮吸附法分析了不同煤阶煤样表面分形特征，结果表明分形维数越大，煤体瓦斯吸附能力越强。文献[13]利用盒维数法对煤孔结构复杂程度进行了定量表征，并分析了分形维数对孔隙率和渗透率的影响。文献[14]揭示了表面微结构对软硬煤瓦斯吸附的控制机理，发现软煤具有超前演化特征，较同阶硬煤具有更强的瓦斯吸附能力。文献[15]表明煤体瓦斯吸附量与分形维数呈良好的线性正相关关系，分形维数的增加有利于快速吸附瓦斯。
前人在煤结构与瓦斯吸附研究方面取得了丰硕成果[16-19]，但由于地质构造不同，各矿区煤体结构及吸附性也千差万别，因而有必要针对特定矿区煤层开展研究。基于此，笔者通过对山西沁水盆地西山煤田煤层孔隙结构进行研究分析，计算煤表面孔隙分形维数，进一步探讨煤孔隙分形与瓦斯吸附特性之间的内在联系，以期为煤矿瓦斯防治、煤层气开发提供一定的参考。
1 试 验
1)煤样制备。笔者所用8个煤样采自西山煤田屯兰矿、马兰矿、西铭矿、官地矿4个煤矿不同煤层，均为井下工作面新鲜煤样，采样方法遵循国家标准GB/T 23561.1—2009，采样过程中考虑了煤层分布、变质程度、煤岩类型等。煤镜质组反射率测定和工业分析分别按照国家标准GB/T 6948—2008和GB/T 212—2008进行，煤镜质组反射率测定和工业分析分别按照国家标准GB/T 6948—1998和GB/T 212—2008进行，镜质组反射率测定所使用的仪器为Leica DM4P型显微分光光度计；工业分析采用的仪器型号为GYFX-ZC3000。煤质分析结果见表1，从表1可以看出，所有煤样镜质组反射率Ro在1.17%～1.93%内变化，涵盖肥煤、焦煤、贫煤等煤种；灰分在12.99%～23.19%，属于低中灰分煤。
2)试验方案。将煤样粉碎、研磨并筛分后，选取粒径为0.25～0.18 mm的煤样测试瓦斯吸附能力。煤体瓦斯吸附常数a、b采用WY-98A型吸附常数测定仪进行测定，测量过程参考标准MT/T752—1997《煤甲烷吸附量测定方法》，试验温度设为25 ℃。通过低温液氮吸附法测定煤孔隙结构，所用仪器为美国康塔NOVA - 4200e型物理吸附仪，整个试验过程根据标准SY/T 6154—1995进行，吸附介质为纯度99.999%、温度77 K的液氮。本文中的孔隙分类是依据霍多特的孔隙十进制分类系统：微孔为<10 nm，过渡孔为10～100 nm，中孔为100～1 000 nm， 大孔为>1 000 nm。
表1 煤质分析结果
Table 1 Analysis result of coal quality
矿井煤样编号煤层Ro/%水分/%灰分/%挥发分/%屯兰矿TL-2TL-72号1.211.7322.5723.897号1.591.5819.3617.93马兰矿ML-3ML-83号0.901.9223.1932.568号1.171.8020.4524.17东曲矿DQ-4DQ-84号1.451.4916.7119.718号1.821.5114.6314.62官地矿GD-6GD-96号1.641.3715.3216.099号1.931.4212.9912.18
煤表面孔隙具有很强的非均质性，分形维数D作为分形的基本参数，能够较好地定量表征其复杂性。一般地，2≤D≤3，当D接近2时，表明固体表面趋于光滑；当D接近3时，表面越复杂。目前，煤表面孔隙分形维数计算方法有多种，如FHH模型、BET模型和Langmuir模型等。笔者基于低温液氮吸附数据，采用广泛应用的FHH模型：
(1)
D=A+3
(2)
式中：Vm为单分子层气体吸附体积；V为平衡压力P下的气体吸附体积；A为直线拟合的斜率；C为拟合常数；P0为饱和蒸气压。
2 试验结果与分析
2.1 测试结果
孔比表面积计算采用BJH模型，表2为瓦斯吸附常数及液氮吸附测试结果，从表2可以看出，不同煤样瓦斯性能存在较大差异，a在21.36～33.47 mL/g内变化，其中，GD-9煤样的吸附能力是ML-3煤样的近1.6倍；b则在0.58～1.43 MPa-1之间变化；相关系数R2在0.98以上，表明拟合效果较好。从表2还可看出，各煤样的孔结构参数差异显著。其中，GD-9煤样变质程度最高，其对应的孔比表面积也最大，微孔比表面积所占的比例为72.8%，这与一般认为的高阶煤微孔占主导地位的观点是一致的。ML-3煤样的变质程度最低，微孔比表面积最小，仅为0.93 m2/g，而其中孔比表面积最大，这说明低阶烟煤微孔数量较少，而中孔相对丰富。各煤样液氮吸附脱附曲线如图1所示。
表2 瓦斯吸附常数及液氮吸附测试结果
Table 2 Testing results of methane adsorption constants and liquid nitrogen adsorption
煤样编号瓦斯吸附常数a/(mL·g-1)b/MPa-1相关系数R2孔比表面积/(m2·g-1)微孔过渡孔中孔TL-226.200.680.983 12.640.911.58TL-724.721.760.985 03.721.631.70ML-321.360.900.990 20.931.872.06ML-825.411.170.983 92.151.561.32DQ-427.531.410.994 71.991.340.97DQ-829.981.520.995 34.841.751.52GD-625.141.290.982 65.680.931.85GD-933.471.330.994 57.572.040.79
图1 煤样液氮吸附脱附曲线
Fig.1 Liquid nitrogen adsorption/desorption curves of coal samples
研究表明[20-21]，在相对压力P/P0>0.5时，煤表面大孔和中孔内会发生毛细管凝聚现象，从而导致液氮吸附等温线出现明显的滞后现象。由于液氮吸附等温线在不同压力段反映出煤表面特性也不同，在利用液氮吸附数据计算孔隙分形维数时，就需要以P/P0=0.5为分界点，分段计算低压段和高压段的分形维数D1和D2，从而揭示煤表面孔隙的复杂性。
图2为部分煤样表面孔隙分形维数计算过程，A1、A2分别代表低压段和高压段中利用式(2)进行线性拟合的直线斜率。由图可看出，直线拟合效果较好(R2>0.95)，ln V与ln[ln(P0/P)]呈现出2种不同的斜率，表明煤表面孔隙具有2种不同的分形特征。
图2 部分煤样表面孔隙分形维数计算过程
Fig.2 Calculation process of pore fractal dimension for representative coal samples
2.2 变质程度对煤样分形特征的影响
由前述可知，D1和D2分别代表不同压力段的孔隙分形维数，当P/P0<0.5时，氮气分子主要进入小于10 nm的微孔，因而D1主要反映煤表面微孔的分形特征；D2代表的则是中孔及大孔的分形特征。不同煤样孔隙分形维数计算结果见表3，从表3可以看出，分形维数D1为2.105～2.714，D2为2.093～2.574，且D1值大于对应的D2值，这说明煤表面微孔复杂程度高于中孔及大孔。变质程度对分形维数的影响如图3所示。从图中可以看出，随变质程度R0的升高，分形维数D1和D2均有不同程度的增加。具体来看，D1与R0呈现出良好的线性关系(R2=0.810 7)，说明煤化作用导致煤表面微孔增多，孔隙结构持续复杂化。而D2随R0的增加则呈现出先快后慢的抛物线变化，这种变化说明对于较低变质程度烟煤(R0<1.4%)，煤化作用对煤表面中孔及大孔影响较大，使得孔隙表面变得更为粗糙；对于较高变质程度烟煤(R0>1.4%)，中孔及大孔受煤化作用的影响不大。
表3 煤孔隙分形维数计算结果
Table 3 Calculation result of coal pore fractal dimension
煤样编号P/P0<0.5A1D1P/P0>0.5A2D2TL-2-0.6612.339-0.7822.218TL-7-0.7292.271-0.7962.204ML-3-0.8952.105-0.9072.093ML-8-0.6282.372-0.6372.363DQ-4-0.5022.498-0.7102.290DQ-8-0.3272.673-0.4442.556GD-6-0.4542.546-0.4882.512GD-9-0.2862.714-0.4262.574
图3 变质程度对分形维数的影响
Fig.3 Influence of coalification on fractal dimension
2.3 分形特征对瓦斯吸附的影响
根据孔隙分形维数可知，不同煤样表面孔隙的粗糙程度有所差异，因而会导致瓦斯吸附能力不同。通过对比分析煤表面孔隙分形维数与瓦斯吸附常数a、b之间的关系可看出，a与D1呈正相关关系，相关系数高达0.840 6；而b值受D1的影响较小(图4)，相关度只有0.136 2。结果表明D1值越大，煤表面微孔发育，微孔结构复杂程度也越高，能够为瓦斯分子提供更多的吸附空间，进而表现出更大的瓦斯吸附能力。图5为分形维数D2对瓦斯吸附的影响关系曲线。由图可知，D2对吸附常数a值有显著影响，但影响程度不如D1强。综合来看，煤体瓦斯吸附能力与煤表面孔隙分形特征密切相关。分形维数D1和D2对吸附常数a值均有重要影响，分形维数越大，煤表面孔隙结构越复杂，瓦斯吸附能力也就越强；而分形特征对吸附常数b值的影响不大。
图4 分形维数D1对瓦斯吸附的影响
Fig.4 Influence of the fractal dimension D1 on methane adsorption
图5 分形维数D2对瓦斯吸附的影响
Fig.5 Influence of the fractal dimension D2 on methane adsorption
3 结 论
1)试验测试了煤样瓦斯吸附常数，不同煤样瓦斯性能存在较大差异，a为21.36～33.47 mL/g，最大值是最小值的近1.6倍；b为0.58～1.43 MPa-1。
2)不同压力段具有不同的分形特征，D1和D2分别代表煤表面微孔、中孔及大孔的分形特征。计算得到的分形维数D1为2.105～2.714，D2为2.093～2.574，且D1值大于对应的D2值，说明煤表面微孔复杂程度高于中孔及大孔。
3)随变质程度的升高，D1与R0呈现出良好的线性正相关关系，而D2随R0的增加则呈现出先快后慢的抛物线变化。煤化作用导致煤表面微孔增多，使得微孔结构持续复杂化。
4)分形维数D1和D2对吸附常数a值均有重要影响，D1的影响程度大于D2。分形维数越大，煤表面孔隙结构越复杂，瓦斯吸附能力也就越强；而分形特征对吸附常数b值的影响不大。
[1] 周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存于流动理论[M].北京:煤炭工业出版社,1999.
[2] 聂百胜,柳先锋,郭建华,等.水分对煤体瓦斯解吸扩散的影响[J].中国矿业大学学报,2015,44(5):781-787.
NIE Baisheng,LIU Xianfeng,GUO Jianhua,et al.Effect of moisture on gas desorption and diffusion in coal mass[J].Journal of China University of Mining & Technology,2015,44(5):781-787.
[3] 王博洋,秦 勇,申 建,等.鄂尔多斯盆地紫金山地区煤孔隙分形规律及其主控地质因素分析[J].高校地质学报,2017,23(3):499-510.
WANG Boyang,QIN Yong,SHEN Jian,et al.The fractal regularity of coal porosity and its controlling geological factors in Zijinshan Area[J].Geological Journal of China Universities,2017,23(3):499-510.
[4] 于丽雅.常村矿构造煤储层特性及其影响因素[J].煤矿安全,2018,49(1):176-178.
YU Liya.Reservoir characteristic of tectonic coal and its influencing factors in Changcun Coal Mine[J].Safety in Coal Mines,2018,49(1):176-178.
[5] CAI Y D,LIU D M,PAN Z J,et al.Pore structure and its impact on CH4 adsorption capacity and flow capability of bituminous and subbituminous coals from Northeast China [J].Fuel,2013,103:258-268.
[6] WANG F,CHENG Y P,LU S Q,et al.Influence of coalification on the pore characteristics of middle high rank coal[J].Energy Fuels,2014,28:5729-5736.
[7] 郑司建,姚艳斌,蔡益栋,等.准噶尔盆地南缘低煤阶煤储层可动流体及孔径分布特征[J].煤田地质与勘探,2018,46(1):56-60.
ZHENG Sijian,YAO Yanbin,CAI Yidong,et al.Characteristics of movable fluid and pore size distribution of low rank coals reservoir in southern margin of Junggar Basin[J].Coal Geology & Exploration,2018,46(1):56-60.
[8] 王 攀.高煤阶煤储层非均质性耦合模型及煤层内含气量影响因素权重分析[J].煤炭技术,2018,37(1):51-54.
WANG Pan.Coupling model of reservoir heterogeneity and weight analysis of gas content effective factors in high-rank coal reservoir[J].Coal Technology,2018,37(1):51-54.
[9] 秦兴林.水分影响下的烟煤瓦斯吸附特性[J].煤矿开采,2018,23(1):104-107.
QIN Xinglin.Gas adsorption property of bituminous coal under water influence[J].Coal Mining Technology,2018,23(1):104-107.
[10] 高 为,易同生,金 军,等.黔西地区煤样孔隙综合分形特征及对孔渗性的影响[J].煤炭学报,2017,42(5):1258-1265.
GAO Wei,YI Tongsheng,JIN Jun,et al.Pore integrated fractal characteristics of coal sample in western Guizhou and its impact to porosity and permeability[J].Journal of China Coal Society,2017,42(5):1258-1265.
[11] 王海龙,刘鸿福,李 伟,等.基于压汞技术的构造煤孔隙结构多重分形表征[J].煤矿安全,2016,47(1):33-37.
WANG Hailong,LIU Hongfu,LI Wei,et al.Multifractal characterization of tectonically deformed coal pore structure based on mercury injection technology[J].Safety in Coal Mines,2016,47(1):33-37.
[12] 王 军.煤体表面分形对瓦斯吸附影响[J].煤矿开采，2017，22 (3):9-11.
WANG Jun.Influence of gas absorption by coal body surface fractal[J].Coal Mining Technology,2017,22(3):9-11.
[13] 阎纪伟,要惠芳,李 伟,等.μCT技术研究煤的孔隙结构和分形特征[J].中国矿业,2015,24(6):151-156.
YAN Jiwei,YAO Huifang,LI Wei,et al.Pore structure and fractal characteristics of coals by μCT technology[J].China Mining Magazine,2015,24(6):151-156.
[14] 柳先锋,宋大钊,何学秋,等.微结构对软硬煤瓦斯吸附特性的影响[J].中国矿业大学学报,2018,47(1):155-161.
LIU Xianfeng,SONG Dazhao,HE Xueqiu,et al.Effect of microstructures on methane adsorption characteristics of soft and hard coal[J].Journal of China University of Mining & Technology,2018,47(1):155-161.
[15] 杨 博.中高阶煤储层分形特征对瓦斯吸附的影响研究[J].煤炭工程,2016,48(4):96-99.
YANG Bo.Impact of fractal characteristics on methane adsorption in middle-high rank coal reservoirs[J].Coal Engineering,2016,48(4):96-99.
[16] SHARON M S,MARIA D M,MARK A E,et al.Pore characteristics of Wilcox Group Coal,U.S.Gulf Coast Region:Implications for the occurrence of coalbed gas[J].International Journal of Coal Geology,2015,139:80-94.
[17] 袁 梅,王玉丽,王 珍,等.水-力耦合对含瓦斯煤渗透率影响的试验研究[J].工业安全与环保,2018,44(1):35-37.
YUAN Mei,WANG Yuli,WANG Zhen,et al.Experimental study on the effect of water and effective stress on permeability of coal containing gas[J].Industrial Safety and Environmental Protection,2018,44(1):35-37.
[18] 安士凯,桑树勋,李仰民,等.沁水盆地南部高煤级煤储层孔隙分形特征[J].中国煤炭地质,2011,23(2):17-21.
AN Shikai,SANG Shuxun,LI Yangmin,et al.Study on pore fractal characteristics of high-rank coal reservoirs in Southern Qinshui Basin[J].Coal Geology of China,2011,23(2):17-21.
[19] 李 波,张文泉,王长浩,等.含次生断裂构造煤层安全回采影响因素分析[J].矿业研究与开发,2018,38(1):101-104.
LI Bo,ZHANG Wenquan,WANG Changhao,et al.Analysis on the influence factors of safe mining of the coal seam with the secondary fault[J].Mining Research and Development,2018,38(1):101-104.
[20] 柳先锋.煤表面微结构特征与电磁辐射机理研究[D] .北京：中国矿业大学(北京),2018.
[21] 郭品坤,程远平,卢守青,等.基于分形维数的原生煤与构造煤孔隙结构特征分析[J].中国煤炭,2013,39(6):73-77.
GUO Pinkun,CHENG Yuanping,LU Shouqing,et al.Based on the fractal dimension of primary coal and tectonically deformed coal pore structure characteristics analysis[J].China Coal,2013,39(6):73-77.
