二氧化碳致裂对煤孔隙结构影响的试验研究

郭亚玲，江泽标，2，彭 鑫，扶祥祥，吴少康，权西平，杨希法

（1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州省煤矿设计院有限公司，贵州 贵阳 550025）

煤是一种复杂的天然多孔隙物质[1]，其透气性是影响煤矿瓦斯抽采安全的重要因素。目前随着我国煤矿开采深度的增加，瓦斯含量增加，煤层透气性越低。二氧化碳致裂作为一种煤层增透的物理爆破消突方法，通过致裂产生的冲击对煤岩体孔隙会产生一定作用[2]，对治理煤与瓦斯突出具有重要意义。目前，针对二氧化碳致裂对煤岩孔隙的研究，众多学者[3-4]通过试验研究发现二氧化碳致裂对煤岩孔隙的发育具有一定促进作用。岳立新等[5]利用自制三轴渗透仪进行二氧化碳在常规和超临界状态宏观增透试验，发现超临界二氧化碳有明显增透作用，并结合微观成像试验研究二氧化碳增透的微观机理；江泽标等[6]通过低温氮吸附、压汞及电镜扫描试验从宏微观结合研究二氧化碳致裂对煤样孔径分布和孔隙结构特征的影响；在利用分形理论对孔隙结构分析上，陈恋等[7]通过电镜扫描和低温氮吸附试验对贵州4 个不同矿区煤样进行分析，结合分形理论研究各煤样孔隙结构发育程度及连通性；薛海腾等[8]以贵州某矿为对象对5 组煤样通过压汞试验测试其孔隙结构及参数，并计算分形维数分析其结构参数对瓦斯吸附能力的影响。现阶段，研究人员将试验方法与分形理论相结合运用在二氧化碳致裂研究上还处于起步阶段。因此，通过压汞试验与电镜扫描试验分析二氧化碳致裂对煤岩孔隙结构发育的有效作用，结合分形特征研究致裂前后煤样孔隙表面分形维数变化，利用分形维数大小的变化来定量评价二氧化碳致裂对消除煤与瓦斯突出的作用效果，对二氧化碳致裂增透煤层机理具有一定意义。

1 样品采集及试验测试

试验所使用的煤样取自贵州大运煤矿M8 煤层，属于二叠系上统龙潭组，该煤层以无烟煤为主，平均厚度为2.49 m，为全区可采中厚煤层。将从现场取得的1 份大块原煤煤样以及3 份致裂后不同位置所取的煤样在制样室经破碎筛选粒径范围在0.4～0.5 mm 左右并编号。将原煤与致裂后在1、2、3 m 位置取得的煤样编号为YM、1#、2#、3#。

试验采用压汞法和电镜扫描。压汞法是通过对汞液施加压力使其克服煤岩内孔隙的毛管压力，从而通过压力与侵入的汞液量来描述孔隙内部结构，同时压汞法可自纳米级微孔到介孔再到大孔等连续测定孔隙结构，具有较高的可信度。所采用的仪器为AutoPore9510 全自动压汞仪，测试孔径范围在3～100 000 nm 之间，试验前样品在200 ℃下烘干4 h。扫描电镜采用德国蔡司ΣSIGA 电子扫描显微镜能谱仪，最小分辨率3 nm。

2 试验测试结果

2.1 压汞试验结果

2.1.1 试验结果

对致裂前后的4 组煤样进行压汞试验测试，压汞试验结果见表1。

表1 压汞试验结果Table 1 Results of mercury intrusion experiment

从表1 可以看出，测得的孔容范围在0.068 5～0.205 0 mL/g 之间，平均孔直径所测得的范围在17.0～43.5 nm 之间，样本的孔隙率在11.575 1%～28.493 1%之间，且致裂后煤样的孔容、平均孔直径、样本孔隙率均大于原煤。根据表1 的孔容、平均孔直径与孔隙率的变化趋势，可以判断二氧化碳致裂效果随距离增加而逐渐减弱。从比表面积来看，所测的范围在14.550～18.840 m2/g 之间；致裂后1#煤样的比表面积18.840 m2/g，最大大于原煤的比表面积16.160 m2/g；而2#、3#煤样的比表面积均小于原煤比表面积。比表面积的大小可粗略的判断出微孔含量的多少，1#煤样出现比表面积大于原煤比表面积的情况是由于致裂产生的冲击能量在1 m 位置时，不仅能使原有孔隙通道发育扩张，还能促使发育新的微孔生成发育。

2.1.2 煤样孔容

二氧化碳致裂前后煤样进汞-退汞曲线如图1。

图1 二氧化碳致裂前后煤样进汞-退汞曲线Fig.1 Mercury-dehydration curves of coal samples before and after carbon dioxide cracking

由图1 可知，当压力大于130 MPa 后，YM 煤样进汞曲线相较于小于1#、2#、3#煤样，有较为明显的上扬趋势，即是发生突变，进汞曲线发生突变说明存在墨水瓶孔隙，而压力范围在100～400 MPa 时所测试的孔径范围在3～10 nm 之间，将孔隙按微孔（＜8 nm），介孔（8～100 nm），大孔（＞100 nm）划分[9]，说明原煤中微孔含量较多，孔隙较为复杂。

当压力范围在130～400 MPa 时，对比4 组煤样的进退汞曲线，发现均有“滞后”现象的出现，说明在退汞阶段开始进行时就有汞液受“口小肚大”的墨水瓶孔孔隙结构影响被滞留在样本内部，煤岩中墨水瓶孔的特点是有利于瓦斯储集而不利于瓦斯运输。不过YM 煤样的退汞曲线与进汞曲线较1#、2#、3#煤样更为分离，退汞效率均低于1#、2#、3#煤样，而受二氧化碳致裂效果作用，1#、2#、3#煤样的进汞曲线与退汞曲线较为接近，说明其退汞效率高。退汞效率高又说明致裂后煤样中孔隙连通，孔隙开放较好所以能有效退汞。结合来看，致裂前原煤煤样微孔含量较多、孔隙结构较为复杂，孔隙连通性差，其中墨水瓶微孔结构又有利于瓦斯的储集，易于导致煤与瓦斯突出事故的发生。在采取二氧化碳致裂措施后，煤样中的墨水瓶状等微孔转变为介孔与大孔，孔隙间相互连通，这有利于瓦斯的运移而不利于其储集，所以二氧化碳致裂对消除煤与瓦斯突出具有一定作用。

2.1.3 煤样孔径

为了更进一步分析二氧化碳致裂效果，绘制了致裂前后4 份煤样的阶段孔容与孔径关系图，二氧化碳致裂前后煤样孔容孔径关系图如图2。

图2 二氧化碳致裂前后煤样孔容关系图Fig.2 Relationship between pore volume and pore diameter of coal samples before and after carbon dioxide cracking

从图2 可以看出，原煤呈现明显的双峰结构，峰值出现范围在1～10 nm 与10 000～100 000 nm 2 个范围，结合图1 中YM 的进汞曲线上升趋势来看，峰值出现的范围也是进汞曲线上升速度较快的范围。对比图2 中1#、2#、3#煤样曲线，都只是单峰结构，峰值出现范围在10 000～100 000 nm 之间，同时1#、2#、3#煤样曲线峰值阶段孔容分别为0.343 4、0.122 8、0.122 4 mL/g，比原煤同范围峰值0.042 6 mL/g 都有所增大，且1#最大，2#、3#逐渐减小。再者，孔径范围在10～10 000 nm 之间的阶段孔容也存在相同趋势，由原来YM 煤样的0.03 mL/g 范围上升到1#的0.08 mL/g 左右，在2#与3#中则逐渐下降到0.04 mL/g 左右，这说明二氧化碳致裂作用主要使孔径范围在10～100 000 nm 之间的孔隙进一步发育连通。也可从侧面反应出二氧化碳致裂对促使煤岩孔隙发育有较好的效果。

2.2 电镜扫描试验结果

为了更好的观测致裂前后煤样孔隙的增长发育情况，对致裂前后4 个试验煤样进行扫描电镜试验，并对其表面孔裂隙的发育情况进行定性描述。试验所用设备可将煤样放大倍率在1～5 000 之间，选择3 000 倍的扫描结果，二氧化碳致裂前后煤样表面SEM 图如图3。

图3 二氧化碳致裂前后煤样表面SEM 图Fig.3 SEM images of coal samples surface before and after carbon dioxide cracking

由图3 对比可知，4 组煤样表面均有宽度不同数量不等的裂隙存在。致裂前原煤煤样表面结构致密（图3（a）），可观察到少量56.7～97.2 nm 的裂隙，孔裂隙连通性较差，不利于瓦斯扩散；致裂1 m 处煤样可清晰观察到1 条宽度3 516.7～4 850.9 nm 的较大裂缝（图3（b）），有利于瓦斯渗流；致裂2 m 处煤样结构破环较严重（图3（c）），可观察到宽度为403.8～1 280.8 nm 的裂隙，并伴有微裂隙发育，孔裂隙之间相互贯通可形成渗流通道；致裂3 m 处煤样存在较多微小孔裂隙（图3（d）），可观察到66.7～560.9 nm 的裂隙。从SEM 图结果可知，二氧化碳致裂对煤岩孔裂隙发育有促进效果，有利于进行瓦斯治理，其作用效果随距离增大逐渐减弱。

3 孔隙结构分形维数计算

3.1 压汞试验分形维数计算

分形理论区别于传统欧式几何的特征是其可以用分形维数表述复杂曲面的复杂程度。目前适用于压汞法的分形模型有Sierpinski 模型、Menger 海绵模型与热力学分形模型等[10]，其中Menger 海绵模型被广泛用于多孔介质的分形维数计算。利用Menger 分形模型对孔隙结构分形维数进行计算[11]：

式中：D 为分形维数。

根据图1 的压汞试验进汞阶段数据绘制出的ln（dv/dp）与ln（p）的双对数散点图如图4。

图4 二氧化碳致裂前后煤样分形维数计算Fig.4 Calculation of fractal dimension of coal samples before and after carbon dioxide cracking

傅雪海等[12]根据煤岩中瓦斯的渗流与扩散特性对大量的煤样进行压汞试验与分形研究，发现煤岩内部孔隙孔径在65 nm 时有明显的分形维数变化，所以将孔径大于65 nm 的孔隙划分为渗流孔，而将孔径小于65 nm 孔隙划分为扩散孔。因此，试验以65 nm 为界，分段拟合渗流孔与扩散孔，其中y1为拟合渗流孔方程，y2为拟合扩散孔方程。

在分形理论中，分形维数的大小可以近似表征1 个曲面的构造复杂程度，在Menger 分形模型下煤岩的孔隙表面分形维数在2～3 之间，在这个范围内具有实际表征意义，其中分形维数越接近2 表示孔隙表面越趋于光滑，而分形维数越接近3 表示孔隙表面越粗糙。

基于Menger 分形模型的致裂前后煤样分形维数见表2。根据表2 的计算结果可知，渗流孔的拟合结果较好，其R12均大于0.95，同时其分形维数Ds在2.65～2.83 左右，原煤的分形维数最大为2.827 66，1#煤样的分形维数最小为2.658 29，2#与3#煤样的分形维数则依次增加。再看扩散孔，发现其拟合结果对比渗流孔来说较差，其R22均小于0.95。扩散孔的分形维数Dk均大于3，所以其实际意义并不明显，造成这种情况的原因是汞液在外部压力的作用下会迫使煤岩孔隙内部开裂形成新的裂缝，造成孔隙内部表面粗糙，以至于分形维数增加。

表2 基于Menger 分形模型的致裂前后煤样分形维数Table 2 Fractal dimension of coal samples before and after cracking based on Menger fractal model

3.2 电镜扫描试验分形维数计算

3.2.1 图像二值化处理

二值化处理的目的是通过阈值分割将电镜扫描图像中的孔裂隙与煤体表面呈现出非黑即白的对比颜色，其阈值的合理取值决定了图像的处理效果。图像二值化方法可分为局部阈值法和全局阈值法2大类[13]，本文采用全局阈值法中的最大类间方差法（OTSU）[14]对灰度图像进行二值化处理。该方法又称大津法，它算法简单不受图像亮度和对比度的影响，被认为是图像阈值分割的最佳算法。最大类间方差法二值化图像处理如图5。

图5 最大类间方差法二值化图像处理Fig.5 OTSU method binary image processing

3.2.2 Image-pro-plus 测量参数

Image-pro-plus 参数测量图如图6。将二值化处理过后的图片在Image-pro-plus 软件中打开，首先根据图片左下角的标尺进行比例尺校准，然后点击Measure 选项中的count/Size 就得到测量界面，点击Select Ranges 可以自动选择测量的范围，在Select Measurements 选项中选择需要测量的参数，需要测量其面积与周长，所以选择Area 和Perimeter，最后点击Count 即可得出测量结果。可以从View 选项中的Measurement Data 将数据导出到excel 进行数据分析。

图6 Image-pro-plus 参数测量图Fig.6 Image-pro-plus parameter measurement chart

3.2.3 电镜扫描试验分形维数计算

利用电镜扫描微观图像分析分形特征是由Moore C A 与Donaldson C F[15]首次提出。扫描电镜试验是研究孔隙平面特征，其得到的分形维数在1～2 之间。分形维数越接近于2 表示孔隙结构越复杂，孔隙连通性差，反之越接近于1 其孔隙连通性越好。根据上述利用Image-pro-plus 软件测量出的面积与周长参数，对面积与周长取对数进行线性拟合可求解孔隙形态分形维数，具体公式如下：

式中：C 为孔隙周长，nm；S 为孔隙面积，nm2；e为常数。

电镜扫描煤样分形维数如图7。电镜扫描煤样分形维数计算结果见表3。

由图7 及表3 可知，4 组煤样的拟合相关系数R2均在0.93 以上，说明4 组煤样具有较明显的分形特征。4 组煤样的分形维数在1.558 2～1.807 1 之间，其中YM 煤样的分形维数最大为1.807 1，说明YM 煤样的孔隙结构最复杂，孔隙连通性最差；1#煤样的分形维数最小为1.558 2，说明致裂后1 m 煤样孔隙结构最简单，孔隙连通性最好；2#、3#煤样分形维数逐渐增大但均小于原煤分形维数，说明二氧化碳致裂有助于煤岩孔隙结构发育，与电镜扫描试验结果分析一致。

图7 电镜扫描煤样分形维数Fig.7 Fractal dimension of coal samples by SEM

表3 电镜扫描煤样分形维数计算结果Table 3 Calculation results of fractal dimension of coal samples by SEM

4 结 语

1）根据压汞试验结果得到二氧化碳致裂使煤样的孔容、比表面积、平均孔直径与孔隙率等孔隙参数的变化趋势，以及对电镜扫描试验的结果分析，可以得出二氧化碳致裂效果作用明显，并随致裂距离的增加而减弱。同时二氧化碳致裂主要使介孔与大孔进一步发育扩张。

2）通过压汞试验和电镜扫描试验分别对4 组煤样分形维数进行计算，致裂后分形维数均小于原煤分形维数，4 组煤样分形维数由小到大为1#＜2#＜3#＜YM，说明二氧化碳致裂能够促进煤样内部孔隙结构发育及孔隙之间的连通性，有助于瓦斯在煤孔隙内的运移。

3）根据分形维数的大小变化可以判断二氧化碳致裂对煤岩孔隙表面的作用，并揭示二氧化碳致裂作用机理，有利于抽采煤层瓦斯从而降低煤与瓦斯突出事故的危险性。