亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于分形維數(shù)的原生煤與構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)特征分析*

        2013-03-15 11:15:40郭品坤程遠(yuǎn)平盧守青
        中國(guó)煤炭 2013年6期
        關(guān)鍵詞:運(yùn)移維數(shù)分形

        郭品坤 程遠(yuǎn)平 盧守青 張 然

        (1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心,江蘇省徐州市,221008;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008)

        煤是一種低強(qiáng)度、高泊松比的特殊巖石,因此其對(duì)應(yīng)力具有很高的敏感性,構(gòu)造煤能夠很好地記錄地層中構(gòu)造應(yīng)力的作用情況。構(gòu)造煤是指煤層在一期或多期構(gòu)造應(yīng)力的作用下,煤體發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性、韌性變形以及流變遷移。原生煤則是未受到構(gòu)造應(yīng)力的影響或受構(gòu)造應(yīng)力影響較小的原生結(jié)構(gòu)能夠較完整的煤體。構(gòu)造煤變厚的地方增加了瓦斯含量,由于構(gòu)造煤容易被壓縮,滲透性低,便會(huì)形成屏障,阻礙瓦斯運(yùn)移,最終導(dǎo)致高壓瓦斯包的產(chǎn)生。因此一定厚度構(gòu)造煤是煤與瓦斯突出必要條件。

        煤是一種復(fù)雜多孔性介質(zhì),大多數(shù)學(xué)者將其看作是由裂隙和孔隙組成的具有雙重結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。煤的孔隙結(jié)構(gòu)不僅決定著煤對(duì)瓦斯的吸附/解吸能力,同時(shí)也控制著瓦斯在煤層內(nèi)的運(yùn)移等。隨著高精度壓汞儀器的問(wèn)世,對(duì)煤中半徑大于3nm 以上的孔隙結(jié)構(gòu)有了更深刻的認(rèn)識(shí);而分形維數(shù)能將煤中復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量的描述,它不僅代表著煤孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,而且還從深層次上揭示孔隙結(jié)構(gòu)遵循的 “自相似性”規(guī)律。在多數(shù)情況下在相同地點(diǎn)的不同分層會(huì)同時(shí)存在原生煤和構(gòu)造煤,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)原生煤和構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的研究成果也很多,但是從分形維數(shù)的角度去分析兩者不同則很少,因此利用分形維數(shù)的思想研究?jī)烧呖紫督Y(jié)構(gòu)之間不同對(duì)防治煤與瓦斯突出具有重要的意義。

        1 煤樣選取及實(shí)驗(yàn)

        大寧煤礦位于山西省沁水盆地東南緣,礦井現(xiàn)主要開(kāi)采山西組的3#煤層,3#煤層為具有煤與瓦斯突出的煤層。沁水盆地南部自印支期經(jīng)歷了多期的構(gòu)造應(yīng)力的作用,從而導(dǎo)致3#煤層軟硬分層現(xiàn)象較為嚴(yán)重,煤層平均厚度為4.5m,在煤層的中上部為結(jié)構(gòu)保存較好的原生煤,在煤層的下部存在著厚度約為0.51.5m 構(gòu)造煤。本次煤樣選自大寧煤礦3#煤層的2402巷道和3201巷道,在每個(gè)地點(diǎn)分別選取兩個(gè)原生煤分層和構(gòu)造煤分層的煤樣,共計(jì)4個(gè)煤樣,編號(hào)分別為2402原生煤、2402構(gòu)造煤、3201原生煤和3201構(gòu)造煤。

        壓汞實(shí)驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,實(shí)驗(yàn)儀器采用美國(guó)生產(chǎn)的Auto Pore IV 9510 型 壓 汞 儀,壓 力 范 圍0-450 MPa,若不考慮煤壓縮性,該壓汞儀孔徑的研究范圍最小可達(dá)3nm 左右。

        對(duì)多孔的介質(zhì)而言,水銀在較低的壓力下便可以進(jìn)入到其顆粒間的裂隙內(nèi),在高壓力下水銀便可以進(jìn)入到煤顆粒內(nèi)的微孔中。為了克服水銀和煤表面之間的張力,在水銀填充半徑為r的孔隙之前,需要施加壓力p。對(duì)圓柱型孔隙根據(jù)Wash burn方程:

        式中:p——壓入的汞壓力,MPa;

        r——孔隙半徑,nm;

        σ——汞的表面張力,取0.48N/m;

        α——汞與固體表面的接觸角,取140°。

        給定壓力下的總孔體積等于注入煤孔隙中的汞的量,dVk=dV 兩邊求導(dǎo)變得:

        2 分形維數(shù)理論

        分形幾何中最基礎(chǔ)的便是分形維數(shù),它能將自然界中不規(guī)則、復(fù)雜的現(xiàn)象進(jìn)行定量的描述。而煤是一種復(fù)雜多孔的物質(zhì),煤中分形維數(shù)可以通過(guò)水銀孔度計(jì)法、吸附法、碼尺法和顯微鏡法等求得,煤中的孔隙雜亂無(wú)章,利用門格 (Menger)海綿的構(gòu)造思想可以很好地描述定量煤的孔隙結(jié)構(gòu)。

        假設(shè)立方體的邊長(zhǎng)為R,將該立方體分成m個(gè)相等的小立方體,在按照一定的規(guī)則去掉部分小立方體,剩下的小立方體的個(gè)數(shù)為N1個(gè);依此類推,在經(jīng)過(guò)k次操作以后,剩下的立方體的邊長(zhǎng)rk=R/mk,剩下立方體的總數(shù)為Nk=N1k。

        式中:D——孔隙的分形維數(shù);

        C——常數(shù)。

        由式 (3)可得出孔隙的體積:

        這樣表面分形維數(shù)便可以用對(duì)微孔體積的測(cè)定作為微孔半徑的函數(shù)來(lái)確定,微孔體積可以通過(guò)壓力平均值來(lái)測(cè)定。

        將式 (2)帶入到公式 (7)中,可得:

        兩邊取對(duì)數(shù)可得:

        根 據(jù) 壓 汞 實(shí) 驗(yàn) 的 結(jié) 果,作 出lg (dV /dp )與lg( )p 計(jì)算數(shù)據(jù)的分布圖,對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行擬合,求出擬合直線的斜率便可得到煤的孔隙分形維數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)可知分形維數(shù)D 應(yīng)該滿足:2≤D ≤3,當(dāng)D=2時(shí)說(shuō)明煤體表面是光滑的;D=3時(shí)表面很卷曲以至于對(duì)應(yīng)著體積填充,其他情況D 無(wú)意義。但是文獻(xiàn)中也指出研究得出的分形維數(shù)在物理意義上是存在的,這主要因?yàn)檠芯康目紫斗志S是統(tǒng)計(jì)得出的而不是傳統(tǒng)幾何中的分維。分形維數(shù)的大小受到煤的壓縮性、煤骨架的破碎、煤的粒徑和煤的含碳量等因素有關(guān)。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        3.1 壓汞曲線

        壓汞法的原理是在未潤(rùn)濕的條件下,利用外界驅(qū)使的壓力克服煤孔隙的表面張力,使汞進(jìn)入到煤的孔隙中。壓汞曲線可以反映煤中孔隙壓力與孔隙半徑的關(guān)系、孔容分布及總孔容、孔隙的孔喉發(fā)育情況和突破壓力等,為煤中瓦斯的儲(chǔ)藏、運(yùn)移和抽采提供評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)對(duì)瓦斯在煤層中的擴(kuò)散理論的研究提供基礎(chǔ)參數(shù)。為能更好地認(rèn)識(shí)構(gòu)造煤與原生煤的孔隙特性,分別將大寧煤礦的2402 巷、3201巷的構(gòu)造煤與原生煤的壓汞曲線做圖進(jìn)行比較,具體情況如圖1所示。

        圖1 2402、3201巷道構(gòu)造煤與原生煤進(jìn)汞和退汞曲線

        圖1中,構(gòu)造煤的進(jìn)汞總量是原生煤的3倍左右,構(gòu)造作用破壞了煤體中的原始孔隙的結(jié)構(gòu),使煤體更加破碎,從而增加了構(gòu)造煤的總孔容。說(shuō)明相同質(zhì)量的構(gòu)造煤中含有更多的孔隙,會(huì)使構(gòu)造煤的骨架更薄,受到應(yīng)力作用時(shí)更容易被破壞。

        根據(jù)吳俊等人的研究結(jié)果結(jié)合原生煤與構(gòu)造煤壓汞曲線的形態(tài),可以得出原生煤存在較多的圓筒形孔隙,而構(gòu)造煤內(nèi)部則存在較多的墨水瓶狀的孔隙,如圖1 (b)上方所示。原生煤的退汞曲線略高于進(jìn)汞曲線,產(chǎn)生滯后回線的現(xiàn)象不明顯,說(shuō)明原生煤中孔隙形態(tài)主要以管狀或者平板型孔存在;構(gòu)造煤的進(jìn)汞曲線和退汞曲線沒(méi)有重合,退汞具有明顯的滯后性,并且在壓力回零時(shí),汞未全部退出來(lái)。這主要是因?yàn)闃?gòu)造煤中存在較多的墨水瓶似的孔,這些孔肚大頸小,當(dāng)汞進(jìn)入后有部分要存在里邊,它們的存在會(huì)導(dǎo)致整個(gè)孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性較差,阻礙瓦斯在構(gòu)造煤中的運(yùn)移。

        突破壓力是指非潤(rùn)濕相進(jìn)去煤孔中的最大通道壓力,展現(xiàn)在進(jìn)汞曲線上即是壓力的突變點(diǎn)。構(gòu)造煤具有兩個(gè)突破壓力,分別在8 MPa和120 MPa左右,而原生煤只具有120 MPa左右的一個(gè)突破壓力。突破壓力的存在對(duì)瓦斯的運(yùn)移是不利的,構(gòu)造煤較原生煤有更多的突破壓力,說(shuō)明瓦斯在構(gòu)造煤中運(yùn)移更加困難,更易發(fā)生煤與瓦斯突出。

        3.2 分形維數(shù)特征

        根據(jù)式 (9)對(duì)壓汞得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并分析構(gòu)造煤與原生煤分形維數(shù)的不同,具體情況如圖2 (a)和圖2 (b)所示,并將根據(jù)數(shù)據(jù)擬合公式和計(jì)算的分形維數(shù)列于表1中;同時(shí)將原生煤中l(wèi)g()p >0的數(shù)據(jù)作于圖2 (c)和圖2 (d)中分段進(jìn)行分析,并將計(jì)算的分形維數(shù)列于圖2中。其中圖2中橫坐標(biāo)為lg(p) ,縱坐標(biāo)為lg (dV /dp )。

        原生煤的孔隙在直徑大于1000nm 和構(gòu)造煤的孔隙在直徑205000nm 時(shí)具有分形維數(shù)的特征,可以用分形維數(shù)定量描述孔隙的特征;不論是原生煤還是構(gòu)造煤在滿足分形維數(shù)特征的孔隙段擬合的曲線精度R2均大于90%。

        圖2 構(gòu)造煤與原生煤孔隙分形維數(shù)情況

        表1 原生煤與構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)情況

        原生煤的lg (dV /dp )與lg(p ) 的關(guān)系曲線在lg(p ) 約為0 (d=1000nm)存在著一個(gè)突變點(diǎn),文獻(xiàn)中在處理根據(jù)大寧煤礦3#煤層壓汞實(shí)驗(yàn)得到的lg (dV /dp )與lg(p ) 的關(guān)系時(shí),也發(fā)現(xiàn)了原生煤的曲線上存在著明顯的突變點(diǎn)將其分成兩段,突變的位置為孔隙直徑d=15nm,與本文略有區(qū)別。分析認(rèn)為突變點(diǎn)的產(chǎn)生應(yīng)該與此區(qū)域的巖漿熱事件有關(guān),巖漿作用使孔直徑d 小于1000nm 的孔隙變的更加多樣化,這種多樣性使該區(qū)間內(nèi)的孔隙整體上表現(xiàn)出不滿足分形維數(shù)的特征。而在比1000 nm 更小的孔隙區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出不同的特征,如圖2(c)、2 (d)所示:當(dāng)300nm<d<1000nm 時(shí),分形維數(shù)D>3,不能滿足孔隙的分形特征;當(dāng)40 nm<d<300nm 時(shí),分形維數(shù)D=3,表現(xiàn)出表面過(guò)于卷曲而被填充;當(dāng)d<40nm 時(shí),分形維數(shù)2<D<3,分段式的滿足孔隙的分形維數(shù)特征。巖漿的熱作用導(dǎo)致孔隙直徑小于1000nm 的整體表現(xiàn)的出來(lái)的分形維數(shù)D>3,導(dǎo)致其產(chǎn)生的原因可能與煤的可壓縮性和受高壓導(dǎo)致煤骨架的破碎有關(guān);但在d<40nm 的孔隙中卻存在著分段的分形維數(shù)特征,說(shuō)明可壓縮性和煤骨架的破碎造成的影響并不是很大。而原生煤孔直徑大于1000nm 的孔隙能夠很好地滿足分形維數(shù)的特征,這也能從另一面很好地解釋大寧煤礦硬煤具有很高的滲透性的原因。

        構(gòu)造煤的lg dV/d( )p 與lg( )p 的關(guān)系曲線在lg( )p 為-0.6 左 右 (d=5000nm)和1.8 左 右(d=20nm)存在兩個(gè)突變點(diǎn)。這是巖漿作用和構(gòu)造作用的耦合作用結(jié)果。根據(jù)上文測(cè)定結(jié)果雖然構(gòu)造煤內(nèi)部的孔隙比較發(fā)育,但與原生煤相比突變點(diǎn)的增加也說(shuō)明了構(gòu)造煤內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,這種孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)煤層內(nèi)瓦斯的運(yùn)移起到一定的阻礙作用;孔隙結(jié)構(gòu)之間的不連貫導(dǎo)致構(gòu)造煤在受到應(yīng)力作用時(shí)會(huì)更容易被破壞。

        4 結(jié)論

        (1)構(gòu)造煤的進(jìn)汞總量是原生煤的3倍左右,相同質(zhì)量的構(gòu)造煤中含有更多的孔隙,使構(gòu)造煤的骨架會(huì)更薄,受到應(yīng)力作用時(shí)更容易被破壞。原生煤的退汞曲線略高于進(jìn)汞曲線,產(chǎn)生滯后回線的現(xiàn)象不明顯,孔隙形態(tài)主要以管狀或者平板型孔存在;構(gòu)造煤的進(jìn)汞曲線和退汞曲線沒(méi)有重合,退汞具有明顯的滯后性,孔隙形態(tài)主要以墨水瓶似的孔為主。原生煤只有120 MPa左右的一個(gè)突破壓力,構(gòu)造煤具有兩個(gè)突破壓力,分別在8 MPa 和120 MPa左右,這說(shuō)明瓦斯在構(gòu)造煤中運(yùn)移更加困難,更易發(fā)生煤與瓦斯突出。

        (2)原生煤的孔隙在直徑大于1000nm 和構(gòu)造煤的孔隙在直徑205000nm 時(shí)具有分形維數(shù)的特征,可以用分形維數(shù)定量描述孔隙的特征;不論是原生煤還是構(gòu)造煤在滿足分形維數(shù)特征的孔隙段擬合的曲線精度R2均大于90%。原生煤lg (dV /dp )與lg(p ) 的關(guān)系曲線存在著一個(gè)突變點(diǎn),構(gòu)造煤存在兩個(gè)突變點(diǎn),說(shuō)明構(gòu)造煤內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、連通性更差,瓦斯更難運(yùn)移,更容易遭受破壞。

        [1] 傅雪海,秦勇,薛秀謙等.煤儲(chǔ)層孔、裂隙系統(tǒng)分形研究 [J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011 (3)

        [2] 郭曉華,蔡衛(wèi),馬尚權(quán)等.不同煤種微孔隙特征及其對(duì)突出的影響 [J].中國(guó)煤炭,2009 (12)

        [3] 孟中澤,劉明舉.鶴壁礦區(qū)構(gòu)造軟煤分布規(guī)律及其控制因素 [J].中國(guó)煤炭,2009 (12)

        [4] 王恩元,何學(xué)秋.煤巖等多孔介質(zhì)的分形結(jié)構(gòu)[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào),1996 (4)

        [5] 王文峰,徐磊,傅雪海.應(yīng)用分形理論研究煤孔隙結(jié)構(gòu) [J].中國(guó)煤田地質(zhì),2002 (2)

        [6] 吳俊,金奎勵(lì),童有德等.煤孔隙理論及在瓦斯突出和抽放評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 [J].煤炭學(xué)報(bào),1991 (3)

        [7] 吳俊.煤微孔隙特征及其與油氣運(yùn)移儲(chǔ)集關(guān)系的研究 [J].中國(guó)科學(xué),1993 (1)

        [8] 肖淑衡,梁棟,王云鶴等.煤表面介觀形貌特征的二維功率譜分析[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006 (4)

        [9] 徐林生,張占海.頂板砂巖分維與其力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性研究 [J].煤炭學(xué)報(bào),1996 (3)

        [10] 徐龍君,張代鈞,鮮學(xué)福.煤微孔的分形結(jié)構(gòu)特征及其研究方法 [J].煤炭轉(zhuǎn)化,1995 (1)

        [11] 許天易 .煤的孔隙結(jié)構(gòu) [J] .礦業(yè)科學(xué)技術(shù),1998(1)

        [12] 張玉濤,王德明,仲曉星.煤孔隙分型特征及其隨溫度的變化規(guī)律 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007 (11)

        [13] 朱國(guó)維,宋韋劍,王富強(qiáng).淮南礦區(qū)潘三礦地質(zhì)構(gòu)造及煤與瓦斯突出特征[J].中國(guó)煤炭,2008 (7)

        猜你喜歡
        運(yùn)移維數(shù)分形
        β-變換中一致丟番圖逼近問(wèn)題的維數(shù)理論
        曲流河復(fù)合點(diǎn)壩砂體構(gòu)型表征及流體運(yùn)移機(jī)理
        感受分形
        一類齊次Moran集的上盒維數(shù)
        東營(yíng)凹陷北帶中淺層油氣運(yùn)移通道組合類型及成藏作用
        分形之美
        分形空間上廣義凸函數(shù)的新Simpson型不等式及應(yīng)用
        關(guān)于齊次Moran集的packing維數(shù)結(jié)果
        涉及相變問(wèn)題Julia集的Hausdorff維數(shù)
        開(kāi)采過(guò)程中上覆急傾斜巖層運(yùn)移規(guī)律模擬與研究
        国产黄大片在线观看画质优化| 蜜桃视频在线免费观看完整版| 久久狼人国产综合精品| 国产自国产自愉自愉免费24区| 人妻夜夜爽天天爽一区| 精品人妻无码中文字幕在线| 亚洲一区二区三区新视频| 在线视频国产91自拍| 无码福利写真片视频在线播放| 欧美韩日亚洲影视在线视频| 色婷婷亚洲一区二区在线| 国产高颜值女主播在线| 国产高清在线精品一区二区三区 | 日本一区二区三区专区| 在线观看国产激情视频| 在线成人爽a毛片免费软件| 思思久久99er热只有频精品66| 国产免费人成网站在线播放| 高清中文字幕一区二区| 狠狠色噜噜狠狠狠狠米奇777| 女高中生自慰污免费网站| 中文字幕乱码在线婷婷| 97一期涩涩97片久久久久久久 | 国产污污视频| 久久熟女精品—区二区蜜臀| 香蕉久久一区二区不卡无毒影院| 国产伦精品一区二区三区免费| 国产精品白浆视频一区| 国产精品日韩亚洲一区二区| 国产二区交换配乱婬| 日韩毛片在线| 亚洲国产都市一区二区| 蜜桃av精品一区二区三区| 97精品人妻一区二区三区香蕉| 国产精品久久久久免费看| 五月激情在线视频观看| 中文字幕丰满乱子无码视频| 中文人妻无码一区二区三区信息| 国产一区二区三区成人av| 人妻少妇乱子伦无码视频专区| 日韩毛片基地一区二区三区|