一种煤全孔径测定及其孔形半定量化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种煤全孔径测定及其孔形半定量化方法，属于煤孔隙结构测定技术 领域。
【背景技术】
[0002] 煤是一种具有复杂结构的孔裂隙双重多孔介质，其孔隙特性直接决定了煤吸附瓦 斯的能力、煤的渗透性及强度等性质，而煤的孔隙结构与瓦斯吸附性能又影响煤层瓦斯含 量、煤与瓦斯突出危险性和瓦斯抽采。为此，国内外众多学者都对煤的孔隙结构及其对煤 中瓦斯吸附特性的影响进行了研究，研究结果表明：煤中孔隙分布范围很广，孔隙直径可以 小至微孔的0. 5nm，大至大孔的lOOOnm，煤体内具有极其发育的< 10nm微孔隙，煤的比表 面积、孔容、孔径分布、分形维数、孔形等是表征煤孔隙结构的常用指标，除孔形为定性描述 外，其余均为定量化指标。因此，研究煤的孔隙结构极其重要，通过对煤孔隙结构的研究可 为研究煤中瓦斯的吸附/解吸、渗流机理提供一定的理论依据，为不同矿区的瓦斯抽采与 利用，防治煤与瓦斯突出提供了基础数据。
[0003] 目前，孔隙测定方法归纳起来主要分为定性方法和定量方法，定性方法主要用来 观察煤的孔形，其包括：CT扫描、扫描电镜、透射电镜、光学显微镜等，定量方法则可以得到 煤孔隙结构的定量化指标，该方法包括：低温液氮吸附法、压汞法、小角度X射线散射法、小 角度中子散射法等。其中低温液氮吸附法和压汞法因为成本低、操作简单，既可以通过液氮 吸附等温线和进退汞曲线得到煤的孔形特征，又可以得到表征煤孔结构特征的比表面积、 孔容等定量数据，从而得到了普遍应用，近年来，国内外许多学者利用低温液氮吸附法和 压汞法对煤样孔隙特征进行了大量的研究，取得了一定的成果。
[0004] 然而低温液氮吸附法和压汞法亦存在其不足之处，理论上液氮吸附法的测定范围 为0· 35~lOOnm，而压汞法可以测量7. 2nm~750μm的孔隙，但在压力大于35MPa，对应孔 半径为20nm时，煤体被压缩，孔隙结构可能造成损伤。为此，采用单一方法不能得到煤的全 孔径分布情况。此外，采用这两种方法得到的定性化的孔形数据及定量化孔结构数据没有 有机结合在一起，不能通过这些数据直观的看出瓦斯在煤中运移的难易等。而间接法测定 煤层瓦斯含量方法需要在井下实测煤层真实瓦斯压力，在实验室测定单一粒径煤样的吸附 常数（a、b值）、孔隙率、灰份、水份等数据，通过计算确定煤层瓦斯含量，因不同矿区、不同 煤层，煤样在相同力作用下的破碎程度不同，采用单一粒径煤样测定煤层瓦斯含量不能反 应所测煤层瓦斯含量真实值。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在提供一种表征煤全孔径的方法，且能将定性数据和定量数据有机结 合，将大大推进研究煤中瓦斯吸附、运移等相关研究，作为煤层突出危险性预测的主要指标 之一。
[0006] 本发明提供的一种煤全孔径测定及其孔形半定量化方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1.液氮吸附法测煤孔隙结构：
[0008] 采用液氮吸附仪测孔分布特征原理为等效体积替代法，即视煤孔中液氮充填量为 孔体积。由毛细凝聚原理知，在不同相对压力p/Pc下，发生毛细凝聚现象的孔径范围不同。 发生凝聚现象的孔尺寸随p/p。增大而增大，对给定的相对压力p/p。值，存在一临界孔半径 rk，小于半径为4的孔均可以发生毛细凝聚填充，大于半径为rk的孔则不会发生毛细凝聚 现象，临界半径1\由式1^= -0. 414/ln(p/p。）给出，其中rk称为给定相对压力下，开始发生 毛细凝聚的临界孔半径，它由相对压力p/pj夬定，也可理解为当压力低于p/pc时，大于半径 为4的孔中的凝聚液态氮气将发生气化而脱附。实际凝聚发生前煤孔内表面已吸附一定 厚度的液氮，吸附层厚也随P/Pc值而变，故计算孔径分布时需进行适当修正。
[0009] 采用液氮吸附法孔隙及比表面积分析仪对煤样进行测试，对所得煤中半径<20nm 的孔容进行分析；其测定步骤如下：
[0010] 1)煤样的干燥：煤样干燥的预处理，先将煤样放到干燥箱中恒温60°C处理2小时 左右。然后针形管称重，并记录数据，再将煤样放在针形管内，加入玻璃棒。煤样最终干燥， 放在干燥仪上真空干燥，保持在温度250°C下2小时左右，直到针形管和玻璃棒之间没有水 珠为止。
[0011] 2)煤样称重，称取干燥后的煤样1~2g。
[0012] 3)脱气：将装有煤样的试样瓶进行脱气，真空度为1. 33Pa~1. 33X102Pa。
[0013] 4)测量：让已知量的吸附气体逐步进入样品室中，第一次样品吸附了气体，并因 此在有限的不变容积中的气体压力下降了，直到吸附达到平衡为止，吸附的气体量进入量 管中的气体量和吸附平衡后量管和样品盛样器中剩余的气体量之差，这个量用气体状态方 程来确定。
[0014] 5)数据处理：计算充入的吸附气体量，剩余的气体吸附量，二者之差为吸附的气 体量，由BET公式计算得到比表面积和孔容，选择其中孔径<20nm的部分进行后续计算。
[0015] 步骤2.压汞法测定煤孔隙结构：
[0016] 压汞仪测孔分布采用公式P= _2 〇cosΘ/r，式中P为毛细管力，N/m2。由该式可 知，根据注入水银的毛细管压力就可计算出相应的孔隙喉道半径值。假设Θ和r恒定不变， 由方程可以看出：孔喉半径愈大，毛细管阻力也越小，注入汞所需压力也越小。故随注汞压 力增大，汞将逐次由大孔进入小孔中。在此平衡压力下进入煤孔隙的汞体积等于相应于该 压力下的孔隙容积。
[0017] 采用全自动压汞仪对煤样进行测试，对所得煤中半径>20nm的孔容进行分析；
[0018] 其测定步骤如下：
[0019] 1 1)煤样的预处理：选取具有代表性的煤样，将煤样放到真空干燥箱中恒温 110°C处理4小时左右，称取占样品管体积50-80%的样品量进行装样。
[0020] 2)低压分析：抽真空后，向样品池中充入氮气进行，连续步进升压，记录进入样品 池中注汞体积和外压力，最大外压力等于大气压。
[0021] 3)高压分析：低压实验结束后，将样品管转至高压测试单元，采用连续步进升压 方法，记录给定外压下进入样品池的进汞量，得到进汞曲线。同理采取连续步进降压方式， 得到给定外压力下实验样品的退汞曲线。
[0022] 4)数据分析：采用与实验样品相同尺寸的无孔样品，进行与实验样品相同条件下 的进退汞实验，以便对实验样品进行修正。采用P= -2σcosΘ/r进行孔半径和外压的换 算，从而得到孔半径和进退汞量关系。
[0023] 步骤3.获得单颗粒煤全孔径孔容分布：
[0024] 由于压汞法和液氮吸附法对煤样孔隙特征的测定效果不同，分别选取相应方法中 最优孔径段结果进行分析，煤中半径<20nm的孔容采用液氮吸附法，>20nm部分用压汞法对 煤样孔容进行分析，因此可以得到克煤孔容全孔径分布，然而在研究煤吸附解吸过程中，所 有煤颗粒是同时进行的，故研究单颗粒煤的全孔径分布对进一步研究吸附解吸性能更有帮 助，为此，可采用公式Λ?=?/Ρβ ?茨计算每克煤所包含的颗粒数，其中，万表示煤平均颗粒 直径，假设煤颗粒为正方体，则有正方体边长等于平均颗粒直径，煤样的假密度。故用 克煤总孔容除以每克煤所包含的颗粒数即可得到单颗粒煤全孔径孔容分布特征。
[0025] 步骤4.获得单颗粒煤孔长分布：
[0026] 因为煤的孔容和比表面积不易直接在孔形图中观察，且在描述瓦斯在煤中的运移 过程中不直观，故用煤孔长这一量值来表述煤的孔隙结构特征，对研究瓦斯在煤中运移具 有重要作用，具体公式为Lv(r) =Dv(r)/3ir2,其中Lv(r)为孔长分布密度，Dv(r)为孔容分 布密度，r为孔半径，将孔长分布密度Lv (r)对孔半径r进行积分，可以得到任意孔径段范围 的孔长。
[0027] 步骤5.煤孔形的半定量化：
[0028] 压汞曲线和液氮吸附曲线形态可反映煤孔结构信息，据煤孔隙连通性将煤孔分为 两端开口孔、一端开口孔和封闭孔三种，据曲线是否存在"滞后环"可初步研究煤孔隙连通 性：两端开口孔具有"滞后环"，一端开口孔不具"滞后环"，但对于"墨水瓶"曲线会出现"阶 段性"突降"滞后环"。
[0029] 进一步地，上述方法中，采用压萊曲线压力小于34MPa(对应20nm)及液氮吸附等 温线相对压力Ρ/Ρ/0. 9 (对应20nm)部分进行孔形定性分析，再结合煤孔长度演化特征数 据，给出单颗粒煤的半定量孔形结构，从而得出煤孔形演化特征。
[0030] 本发明的有益效果：
[0031] 考虑到煤粉是一种严重非均质介质，不同煤粉孔隙结构存在差异，故采用单一孔 径测定方法测试煤粉孔隙结构不能反应所测煤粉全孔径分布，导致鉴定结果不准确等。采 用本发明方法可以准确测定煤全孔径分布，为研究煤中瓦斯吸附/解吸性能起到一定的帮 助。
【附图说明】
[0032] 图1液氮吸附等温线；
[0033] 图2进退汞曲线；
[0034] 图3煤孔容分布密度演化特征；
[0035] 图4半定量化孔形结果示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0037] 实施例1:
[0038] 附图1~4所示为贵州马场煤矿的例子，具体步骤如下：
[0039] 具体步骤如下：
[0040] 一种煤全孔径测定及其孔形半定量化方法：包括以下步骤：
[0041] 步骤1.液氮吸附法测煤孔隙结构：采用彼奥德公司生产的SSA-4200孔隙及比表 面积分析仪进行低温液氮吸附实验，其测孔分布特征原理为等效体积替代法，即视煤孔中 液氮充填量为孔体积。由毛细凝聚原理知，在不同相对压力p/Pc下，发生毛细凝聚现象的孔 径范围不同。发生凝聚现象的孔尺寸随p/p。增大而增大，对给定的相对压力p/p。值，存在 一临界孔半径rk，小于半径为4的孔均可以发生毛细凝聚填充，大于半径为rk的孔则不会 发生毛细凝聚现象，临界半径:^由式rk= -0. 414/ln(p/p。）给出，其中1\称为给定相对压 力下，开始发生毛细凝聚的临界孔半径，它由相对压力p/pj夬定，也可理解为当压力低于P/ P。时，大于半径为rk的孔中的凝聚液态氮气将发生气化而脱附。实际凝聚发生前煤孔内表 面已吸附一定厚度的液氮，吸附层厚也随P/P