本文由Li Minmin、Liang Weimin和Yue Gaowei等作者共同完成，发表于2020年6月的《Environmental Earth Sciences》期刊。该研究主要探讨了在不同冲击载荷下，结构各向异性煤的孔隙结构变化及其分形特征。研究团队来自河南理工大学土木工程学院。
研究背景
煤的孔隙结构是影响其吸附/解吸能力的关键因素。随着煤矿开采深度的增加，煤层的地质条件变得愈加复杂，尤其是高瓦斯和突出矿井中，煤层的渗透性普遍较低。为了提高煤层开采前的渗透性，深孔爆破技术被广泛应用于低渗透性煤层。然而，目前的研究主要集中在宏观渗透性和瓦斯抽采特性上，关于爆破对煤体微观孔隙结构的影响尚不明确。因此，本研究旨在通过实验分析不同冲击载荷下结构各向异性煤的孔隙结构变化及其分形特征。
研究方法
研究采用了Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)冲击试验和低温液氮吸附/解吸试验相结合的方法。具体步骤如下：
- 样品制备：从中国辉县赵固煤矿的2号煤层中采集煤样，样品属于高变质无烟煤。通过岩石钻机将煤样沿平行和垂直于层理方向进行钻孔，制备标准样品。
- SHPB冲击试验：使用SHPB系统对煤样进行不同冲击载荷（60-140 MPa）的动态冲击试验，记录冲击速度和冲击载荷。
- 低温液氮吸附/解吸试验：冲击试验后，使用Tristar3020自动比表面积/孔隙分析仪进行低温液氮吸附/解吸试验，分析煤样的孔隙结构参数，如比表面积（SSA）、平均孔径（APD）和孔径分布（PSD）。
- 分形理论分析：基于FHH模型，计算煤样的分形维数，分析孔隙结构的复杂性和不规则性。
研究结果
- 吸附等温线变化：冲击前，煤样的吸附等温线属于II型，而冲击后的煤样吸附等温线转变为III型。随着冲击载荷的增加，吸附和解吸等温线从滞后环变为重叠，表明孔隙结构从开放孔隙结构转变为死端孔隙结构。
- 孔隙结构变化：随着冲击载荷的增加，煤样中的中孔和微孔受到明显破坏，吸附能力下降，尤其是平行于层理方向的煤样。孔隙体积主要分布在中孔和大孔中，而比表面积主要分布在中孔和微孔中。
- 分形维数变化：分形维数D2随着冲击载荷的增加而减小，表明孔隙结构的复杂性降低。吸附能力与分形维数呈线性关系，分形维数越大，吸附能力越高。
结论
- 孔隙结构变化：冲击载荷的增加导致煤样中孔和微孔的破坏，吸附能力下降。平行于层理方向的煤样吸附能力低于垂直于层理方向的煤样。
- 分形特征：分形维数D2随冲击载荷增加而减小，吸附能力随分形维数减小而线性下降。平行于层理方向的煤样吸附能力下降速度更快。
研究意义
本研究通过实验和分形理论分析，揭示了不同冲击载荷下结构各向异性煤的孔隙结构变化规律，为煤层气抽采和瓦斯灾害防治提供了理论依据。研究结果对提高煤层渗透性和瓦斯抽采效率具有重要的应用价值。
研究亮点
- 创新性方法：结合SHPB冲击试验和低温液氮吸附/解吸试验，首次系统研究了不同冲击载荷下煤的孔隙结构变化。
- 分形理论应用：通过分形理论定量分析了孔隙结构的复杂性和不规则性，为煤的微观结构研究提供了新的视角。
- 实际应用价值：研究结果为煤层气抽采和瓦斯灾害防治提供了重要的理论支持，具有广泛的应用前景。
其他有价值的内容
研究还指出，煤样的孔隙体积和比表面积在垂直于层理方向均大于平行于层理方向，表明层理方向对煤的孔隙结构有显著影响。此外，研究还发现，煤样的中孔含量丰富，而大孔含量较少，这为煤层气抽采提供了重要的参考依据。
总之，本研究通过系统的实验和理论分析，深入探讨了不同冲击载荷下结构各向异性煤的孔隙结构变化及其分形特征，为煤层气抽采和瓦斯灾害防治提供了重要的理论依据和实践指导。