2-1煤体的孔隙、裂隙特性(第三次课)

煤体的孔隙、裂隙特性韦善阳(博士)手机:[phone]E-mail：[e-mail]主要内容一、煤体孔隙裂隙概述二、煤体裂隙的分类三、煤体裂隙的研究方法四、煤体孔隙的分类五、煤体孔隙的表示参数六、煤体孔隙的研究内容和方法七、影响煤体孔隙的影响因素一、煤体孔隙裂隙概述1.研究意义在煤化过程中，煤体会生成大量的孔隙、裂隙，产生很大的表面积，在煤中碳分子和瓦斯分子的相互吸引下，煤体颗粒吸附了大量的瓦斯气体，因此煤层是瓦斯赋存的场所；同时煤层中的孔隙、裂隙具有允许瓦斯流动的特性，因此煤层又是瓦斯运移的场所。由于瓦斯的赋存和运移与煤的结构密切相关，因此从微观本质上分析煤体的裂隙和孔隙结构，有助于认清煤层瓦斯赋存和运移的实质。一、煤体孔隙裂隙概述2.孔隙和裂隙在煤层瓦斯运移中的作用煤层是由宏观裂隙、微裂隙和孔隙组成的三元孔、裂隙结构。1）小孔和微孔是瓦斯的主要储集场所，决定着瓦斯的吸附和扩散特性；2）宏观裂隙是瓦斯运移的通道，决定着瓦斯的渗透特性；3）中孔、大孔和微裂隙是沟通孔隙和裂隙的桥梁。一、煤体孔隙裂隙概述3.瓦斯在煤体内的运移过程瓦斯的产出经历解析→扩散→渗透的过程，运行的路径由煤粒内表面→微孔→裂隙系统，显然，煤体内富集的大量瓦斯只有扩散至连通的裂隙网络才能大量涌出或被有效抽采。因此煤层内只有各孔隙系统和裂隙系统分布合理且发育充分时，煤层才呈现出高透气性的特点。二、煤体裂隙的分类1.层理面煤层中的层理面是在生成煤过程中形成的各种煤岩成分的分界面，层理面虽然没有直接使煤体断裂开来，但却使煤体沿层理面方向形成弱面，煤体发生破坏时更容易出现在层理面上。力学测试统计资料表明：垂直层理方向与平行层理方向相比，其抗压强度大，抗拉强度小，抗剪强度大。因此，将煤体作为一个整体进行分析时，由于层理面的存在使煤体表现为力学性质上的各向异性。二、煤体裂隙的分类2.内生裂隙（割理）1）成因内生裂隙是煤化作用的结果，在成煤过程中，煤晶质体受地壳温度和压力的影响，由于脱水、脱挥发分而引起体积收缩，煤体内产生内张力形成裂隙；同时煤化作用生成的水、气体随着温度的升高，微孔隙产生膨胀，形成异常高压，当内压大于煤的破碎压力时产生内生裂隙。二、煤体裂隙的分类2.内生裂隙（割理）2）种类内生裂隙有大体上相互垂直的两组，即主垂直裂隙（面割理）和次垂直裂隙（端割理），这两组裂隙与煤层层面垂直或高角度相交，将煤体切割成一系列菱形或立方体基质块。煤体中裂隙系统二、煤体裂隙的分类3.外生裂隙（节理）外生裂隙是煤层形成后受到构造应力作用而产生的裂隙，常成组出现，方向性明显，裂隙面较直，延伸较长，可切入各组煤岩成分中。外生裂隙使煤岩体丧失连续性，强度降低，变形增大，使煤体具有强烈的各项异性。依据构造应力的不同，外生裂隙可分为张性外生裂隙、剪性外生裂隙和辟理；根据外生裂隙和层理面的关系，又可分为水平裂隙、垂直裂隙和斜交裂隙。二、煤体裂隙的分类内生裂隙和外生裂隙的区别：序号内生裂隙外生裂隙1力学性质表现为以张性为主力学性质可表现为张性、剪性或过渡类型2一般发育在镜煤和亮煤条带中，遇暗煤条带或丝质则中止，裂隙延伸方向不穿过不同的煤岩类型或界限裂隙的存在不受煤岩组分和煤岩类型的限制3内生裂隙与层理面近似垂直外生裂隙可与层理面以任何角度相交4内生裂隙表面平整、无擦痕外生裂隙表面有擦痕5裂隙内部的填充物极少有碎煤粒裂隙内部存在碎煤粒二、煤体裂隙的分类4.次生裂隙次生裂隙是由采矿过程中岩层压力释放，巷道掘进和开采过程中的机械力破坏作用造成，井下工作面附近的煤体由于巷道开掘和开采扰动的影响，在应力发生较大变化的情况下，一般都要形成不同发育程度的裂隙面。其多数为张开裂隙，结构面不平坦，产状不规则，延展性不大。三、煤体裂隙的研究方法1.裂隙研究的意义由于煤层内裂隙系统的分布状态直接反映了煤体的透气性，因此研究煤体裂隙的目的在于确定裂隙的特性参数与煤层渗透率之间的关系。三、煤体裂隙的研究方法2.技术方法对煤层裂隙的研究总体上分为煤样采集、实验室测试、数据处理和结论分析等步骤。其中煤样采集是关键环节，分为现场煤壁采样和定向钻孔煤芯采样，在生产矿井中通常采用煤壁采样。三、煤体裂隙的研究方法2.技术方法1）采样要求首先选定待测试的煤层区域，然后对影响裂隙发育的各因素进行分析，包括煤岩组分、煤岩类别、地质构造、巷道布置、开拓开采方式等。在此基础上设置取样点，采样煤壁要求具有典型代表性、裸露完整无缺、干扰小。采样时要标定样品的空间方位，使之与天然裂隙的破裂方向保持一致，并保证一定的块度，一般不小于6cm*6cm*10cm。三、煤体裂隙的研究方法2.技术方法2)试样加工对采集的定向样品进行磨制加工，使其能在层面上观测到裂隙的方向、主次关系、长度、密度及间距；在剖面上能观测到裂隙高度和垂向分布状况。三、煤体裂隙的研究方法2.技术方法3）统计分析用光学显微镜对加工好的煤样进行裂隙结构特性统计和分析，采用恰当的数学方法将宏观裂隙和微观裂隙量化表示，可系统化描述该区域煤层裂隙系统的分布状况，同时也是煤层渗透性预测的基础资料，为合理制定瓦斯抽放措施提供基础数据。三、煤体裂隙的研究方法3.技术参数1）扩展方向面割理的扩展方向是裂隙研究的一个重要参数，不仅用于渗透性方位选择，也可作为低渗透区瓦斯抽放设计的依据。故面割理扩展方向是煤层渗透性优势方位的标志。美国在黑勇士盆地测得面割理和端割理的定向渗透率比值为17：1，井下水平孔预抽瓦斯，垂直面割理方向的抽放量比垂直端割理方向的高出3～10倍。三、煤体裂隙的研究方法3.技术参数2）几何形态裂隙的空间结构表现为长、宽、高三维向量，长度代表水平延伸距离，高度表示垂向的垂直距离，宽度表示裂隙的宏观结构特性，三者之积为裂隙体积，体积越大则渗透性越好，因此煤层的渗透率是裂隙几何形态的函数。裂隙的几何形态参数是煤层渗透率大小的量度。三、煤体裂隙的研究方法3.技术参数3）组合关系煤体裂隙的组合关系反映了空间的连通性能，四通八达的裂隙网络，在压力降低时可使解吸瓦斯顺利运移，气体流动路径短，产出速度和流量大；裂隙的连通性差，则瓦斯流通路线长，阻力大，产出速度和流量较小。因此煤层的连通性裂隙网络是高渗透区的典型标志。四、煤体孔隙的分类1.研究意义煤中孔隙数量的多少以及孔隙结构的变化，将导致煤体机械物理性质的改变；同时，煤体的孔隙系统还是瓦斯的储集场所和运移通道，其结构特性（孔隙数量、孔隙大小、孔隙分布及连通状况）极大影响到孔隙与瓦斯分子之间的相互作用。在煤的瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯涌出强度和衰减规律的研究均涉及到煤的孔隙系统，因此正确认识煤体的孔隙结构特性是研究瓦斯赋存、瓦斯的扩散和渗透、瓦斯抽放的重要基础。四、煤体孔隙的分类2.按照孔隙成因分类煤孔隙成因很多，形态复杂、大小不等，各类孔隙都借助裂隙参与瓦斯的渗流，因此孔隙的成因类型及发育特征是瓦斯储集能力和渗透性能的直接反映，但到目前尚未形成统一的划分标准。四、煤体孔隙的分类3.按照孔径结构分类研究者从不同的视角，赋予煤孔径结构以不同的分界线，目前，具有代表性的煤孔径结构划分系统如下表所示（单位为nm）。目前我国在研究煤层瓦斯的吸附、解析、扩散和渗流的规律时，通常采用霍多特的孔隙分类方法。霍多特XOJIOT.BB(1961)Dubinin(1963)Gan(1972)IUPA（1966）抚顺煤研所（1985）大孔：1000中孔：100～1000过渡孔:10～100微孔：10大孔：20过渡孔:2～20微孔：2粗孔：30过渡孔:1.2～30微孔：1.2大孔：50中孔：2～50微孔：2大孔：100过渡孔:8～100微孔：8四、煤体孔隙的分类4.按照形态分类依据压汞实验的退汞曲线或液氮吸附回线的形态特征，可将煤孔隙划分为I类孔（两端开口圆筒形孔及四边开放的平行板状孔）、II类孔（一端封闭的圆筒形孔、平行板状孔、楔形孔和锥形孔）、III类孔（细瓶颈形孔）。煤的孔隙形态特征对低压吸附的影响较为明显，但对高压吸附影响较小。四、煤体孔隙的分类5.按照固气作用分类在孔隙结构分类的基础上，为进一步强化孔隙在瓦斯储集、运移中的作用，近年来又提出固气作用分类，将煤孔隙分为四类序号孔隙类型特征气体储集方式气体运移方式1渗流孔隙孔径大于100nm游离态渗流2凝聚－吸附孔隙孔径10～100nm吸附态或凝聚态扩散3吸附孔隙孔径2～10nm吸附态扩散4吸收孔隙孔径小于2nm填充态扩散五、煤体孔隙的表示参数1.孔隙率（f）1）定义：单位体积固体具有的孔隙容积。2）表示式：f----孔隙率，%；V----固体（含孔隙）的总体积，cm3；V0----实体（不含孔隙）的体积，cm3。假设M----固体质量，g;ρ----固体假密度，g/cm3;ρo----固体真密度，g/cm3;则有：1000VVVf%100)1(100)11(100000MMMf五、煤体孔隙的表示参数2.孔容（比孔容）f’1）定义：单位质量固体具有的孔隙容积。2）表示式：同上，可推得：所以孔隙率和孔容之间有：MVVf0'cm3/g0'11f'ff五、煤体孔隙的表示参数3.比表面固体单位质量或单位体积具有的孔隙总表面积。4.孔隙结构各类孔隙在总孔隙中所占百分比。五、煤体孔隙的表示参数5.现场煤体的孔隙参数各类煤岩的孔隙率差别很大，不同的煤需具体测定。矿井挥发份/%孔隙率/%抚顺老虎台矿45.7614.05鹤岗大陆31.8610.6开滦马家沟12煤26.86.59本溪田师付8煤13.716.7阳泉三矿3煤6.6614.1焦作王封大煤5.8218.5六、煤体孔隙的研究内容和方法1.煤体孔隙研究内容煤孔隙的研究内容包括孔隙大小、形态、结构、类型、孔隙度、孔容、比表面积及孔隙的分形特征。六、煤体孔隙的研究内容和方法2.研究方法在目前的技术水平下，通常采用普通显微镜、扫描电镜（SEM）、压汞法和气体吸附法来研究煤中孔隙的大小、形态和结构。六、煤体孔隙的研究内容和方法2.研究方法在显微镜下，通过对煤样存在的各种孔隙进行观察、分类、统计和采用合适的数学方法进行定量计算，并与孔隙发育程度不同的煤样测试数据进行对比，可对煤样代表的煤层孔隙发育状况进行系统分析。借助扫描电镜（SEM）和透射电镜技术，可从超微层次上分析样品孔隙结构特征。压汞法可以定量测得半径大于3.75nm的有关孔隙大小、孔隙分布等孔隙结构信息；吸附法可测到最小孔半径0.3nm左右、但其所能测到的最大孔直径一般只能达到100～150nm。七、影响煤体孔隙的影响因素1煤的变质程度从长焰煤开始，随着煤化程度的加深（挥发分减少），煤的总孔隙体积逐渐减少，到焦煤、瘦煤时达到最低值；而后又逐渐增加，至无烟煤时达到最大；而煤中微孔体积则是随着煤化变质程度的增加而一直增长。七、影响煤体孔隙的影响因素2煤的破坏程度对于煤体来讲，煤的破坏程度越高，煤的渗透容积就越大，由于煤的渗透容积主要由中孔和大孔组成，因此煤的破坏程度对大孔和中孔有影响，对微孔影响不大。