一种煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法技术

本发明专利技术属于一种煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法，包括以下步骤：①分别采用二氧化碳吸附法、液氮吸附法、压汞法测定煤孔隙结构；②取二氧化碳吸附法测定的煤中孔径在＜2nm范围内的孔隙结构、液氮吸附法测定的煤中孔径在2‑100nm范围内的孔隙结构、压汞法测定的煤中孔径在＞100nm范围内的孔隙结构，从而得到煤中全孔径范围中的孔隙结构。本发明专利技术提供了一种煤的全孔经孔隙结构测定与数据融合方法，该方法可测量的孔径范围为0.4‑360000nm，且大大增加了测定数据的可靠性和可重复性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于煤孔隙结构测定
，具体涉及一种煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法。
技术介绍
煤是一种孔径尺寸跨度大、具有复杂结构的多孔介质，其孔隙特性是煤的瓦斯吸附、解吸、扩散、渗流和煤的强度等性质的物性基础。煤的比表面积、孔容、孔径分布、分形维数等表征煤孔隙结构的指标是研究煤层瓦斯吸附性能、瓦斯吸附解吸扩散机理、渗流特性的基础参数，是煤层瓦斯含量测定、煤与瓦斯突出危险性预测、煤层气开发的重要影响因素。国内外关于孔隙结构的研究结果表明，煤的孔隙系统中有孔隙直径最小的只有5Å（10-10m），与甲烷分子直径相当，最大的孔径有数百万Å的等各种不同数量级的孔隙，关于孔隙的划分方法有近10种，根据是国际通用标准，国际理论与应用化学联合会划分方法，可将这些孔隙划分为微孔＜2nm，介孔（中孔）2-50nm，大孔＞50nm。微孔和部分介孔是主要的瓦斯吸附空间；介孔是发生瓦斯分子扩散和毛细凝聚的空间；大孔构成了瓦斯的渗流空间和通道。因此，研究煤的孔隙结构特征是煤层瓦斯解吸扩散动态规律研究、煤层瓦斯赋存规律、煤矿瓦斯灾害预测与防治和煤层气开发的基础参数。近年来，国内外常用的孔隙结构测定方法不仅包括CT扫描法、扫描电镜法、投射电镜、光学显微镜等定性的方法，还有压汞法、液氮吸附法、二氧化碳吸附法、小角度X射线散射法、小角度中子散射法、氦比重法等定量的方法。目前普遍应用的测定方法主要有压汞法、液氮吸附法，而二氧化碳吸附法具有测定微孔的优势，日益得到学者们的关注。基于以上方法对煤孔隙结构特征的研究，已经取得了较多的成果，但如何将不同测定方法所得的孔隙结构数据融合，仍没有统一合理的方法。国内已公开的专利文献“一种煤全孔径测定及其孔形半定量化方法”（CN105424580A），该方法采用压汞法和液氮吸附法相结合的方法测定全孔径，对改进煤孔隙结构测定方法有积极的促进作用，为本办法的专利技术提供了基础，但存在以下缺陷：①液氮吸附法尚不能测定微孔孔径（﹤2nm），原因在于孔径2nm对应的相对压力P/P0约为0.146，液氮饱和蒸汽压力P0（111170Pa）接近1个大气压，P/P0很难达到更低的值，目前仪器的真空系统达不到测定需求。而且由于液氮的分子较大和活化扩散效应，很难进入小于2nm的孔隙。②液氮法和压汞法有效孔径段分别为20nm以下和20nm以上，选取不合理。根据拉普拉斯公式和实验结果，采用压汞法测定孔径为20nm的孔隙时需要的压汞压力为60~74MPa，而不是该文献CN105424580A中的35MPa，煤样属于软岩，其抗压强度一般达不到60MPa以上，在该压力下，必然会产生造成新的孔隙产生或原生裂隙扩展，压汞法选取的测量范围不合理。因此，公开的专利文献CN105424580A对全孔隙结构的测定有积极推进作用，但测量的孔径范围不合理且仍不是煤的全孔径孔隙测定。根据拉普拉斯公式和压汞实验结果，测定孔径为100nm时，需要的压汞压力约为13.1Mpa左右，在这个压力下，多数煤体不会被破坏。当压力大于15MPa时，由于煤属于软岩，压汞极有可能破坏了煤中的孔隙，甚至产生新的孔裂隙，导致测定孔隙结构参数不可靠。另外，测定误差也会增大，原因如下：样品孔径与进汞压力呈负相关，即进汞压力越大，测得的孔径越小，从孔径与进汞压力（表1）可知，当d=100nm时，若孔径减小1nm，必须增加2.61321×105N/m2(39.7psi)的进汞压力。由此可见，测量d＜100nm的小孔，孔径每减小1nm，进汞压力需要增加40psi以上的压力，当测定孔径20nm时，孔径每减小1nm，需要增加909.39psi的进汞压力，对进汞压力的测量精度得而要求都在增加，压汞仪的压力数据是依靠压力传感器获得的，高压测量都不可避免的涉及测量误差，因此，压汞法最适宜的测量范围为d＞100nm。表1孔径与进汞压力关实验数据。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结果准确的煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法，包括以下步骤：①分别采用二氧化碳吸附法、液氮吸附法、压汞法测定煤孔隙结构；②取二氧化碳吸附法测定的煤中孔径在＜2nm范围内的孔隙结构、液氮吸附法测定的煤中孔径在2-100nm范围内的孔隙结构、压汞法测定的煤中孔径在＞100nm范围内的孔隙结构，从而得到煤中全孔径范围中的孔隙结构。所述煤孔隙结构为比表面积和孔容中的任一种或两种。优选的，所述二氧化碳吸附法的步骤如下：①煤样破碎至10mm以下，放入盛样器，在150℃下真空加热处理4h，将煤样冷却至室温；②将盛样器放入孔隙分析仪中，在仪器配套软件中设置实验温度（0℃）及分压范围（0-0.52）等参数后，对盛样器进行预抽真空和体积标定；③将盛样器放入盛有冰水混合物的杜瓦瓶，使实验过程中温度保持在0℃±0.1，然后开始吸附过程，吸附过程中仪器软件会自动记录吸附数据；④吸附过程结束后，对样品进行回填充气，结束实验；⑤利用仪器配套软件对实验数据进行分析，选择孔径在＜2nm范围内的比表面积和孔容。所述压汞法测定煤孔隙结构采用全自动压汞仪对煤样进行测试，压汞压力不大于15Mpa。液氮吸附法利用气体在固体表面的吸附来进行测量，不存在压缩问题，图1为液氮吸附法相对压力与孔半径的关系曲线，在d＜100nm的中孔范围内曲线较平缓，d＞100nm的大孔区间曲线坡度有所增大，曲线明显变得陡峭。也就是说，当P/P0>0.97时，孔径对相对压力的变化极为敏感，微小的△(P/P0)差异就会引起△d较大的变化。物理吸附仪对相对压力的测量是依靠仪器的压力传感器获得的，受压力传感灵敏度的影响，P/P0的测量误差将直接导致孔径测量结果的误差，而这种误差在较高P/P0区表现尤为显著。因此，液氮吸附法测量孔径上限是d＜100nm。该方法测定孔径下限为2nm左右，如图1-2所示。原因在于孔径2nm对应的相对压力P/P0约为0.146，液氮饱和蒸汽压力P0（111170Pa）接近1个大气压，P/P0很难达到更低的值，目前仪器的真空系统达不到测定需求。而且由于液氮的分子较大和活化扩散效应，很难进入小于2nm的孔隙。因此用液氮吸附法测量孔径范围为2nm-100nm的孔隙。对于2nm以下的孔隙，可以用二氧化氮吸附法来测量，由于不具有明显的扩散限制，且零摄氏度温度下二氧化碳的饱和蒸汽压力为3.485MPa，分压最大可达到0.052，采用微孔填充理论分析孔径分布，可测孔径上限达到2nm以上。所以本专利技术用压汞法、液氮吸附法、二氧化碳吸附法分别测量大于100nm、100nm-2nm和小于2nm的孔隙结构信息。采用全自动压汞仪对煤样进行测试的具体步骤如下：①筛选粒度为3-6mm粒径的煤样，将煤样放置在热空气消毒箱（105℃）内烘干2小时，然后将煤样放置在干燥皿中冷却至室温；②低压分析：抽真空后，向样品池中充入汞，进行连续步进升压，记录进入样品池中注汞体积和外压力，最大外压力为345kPa；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（0.1-15MPa）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（本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：①分别采用二氧化碳吸附法、液氮吸附法、压汞法测定煤孔隙结构；②取二氧化碳吸附法测定的煤中孔径在＜2nm范围内的孔隙结构、液氮吸附法测定的煤中孔径在2‑100nm范围内的孔隙结构、压汞法测定的煤中孔径在＞100nm范围内的孔隙结构，从而得到煤中全孔径范围中的孔隙结构。

【技术特征摘要】
1.一种煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：①分别采用二氧化碳吸附法、液氮吸附法、压汞法测定煤孔隙结构；②取二氧化碳吸附法测定的煤中孔径在＜2nm范围内的孔隙结构、液氮吸附法测定的煤中孔径在2-100nm范围内的孔隙结构、压汞法测定的煤中孔径在＞100nm范围内的孔隙结构，从而得到煤中全孔径范围中的孔隙结构。2.如权利要求1所述煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法，其特征在于，所述煤孔隙结构为比表面积和孔容中的任一种或两种。3.如权利要求2所述煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法，其特征在于，所述二氧化碳吸附法测定煤孔隙结构的步骤如下：①将煤样破碎，放入盛样器，在150℃真空加热处理4h，冷却至室温；②将盛样器放入孔隙分析仪中，对盛样器进行预抽真空和体积标定；③将盛样器放入盛有冰水混合物的杜瓦瓶，温度保持在0℃±0.1，然后开始吸附过程，吸附过程中仪器软件自动记录吸附数据；④吸附过程结束后，对样品进行回填充气；⑤利用仪器配套软件对实验数据进行分析，选择孔径在＜2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彦伟，左伟芹，王丹丹，李志强，邓奇根，赵发军，郝富昌，刘明举，李通，张宝桢，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41