煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究 论文

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系，采用了扫描电镜、偏光显微镜和分形理论等手段，对煤岩孔裂隙结构的分布特征进行深入分析。通过自主研发的出口端正压三轴渗流装置，在恒定有效应力条件下进行孔隙压力升高的渗流试验。研究基于分形理论，考虑了煤岩表面孔隙分布情况对渗透率的影响机理，建立了包含孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型。模型的合理性通过试验得到了验证，进一步对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率的耦合进行了定量分析。

研究结果表明，六盘水矿区煤岩表面存在一定数量的孔隙和裂隙，其中四角田7号煤层的孔裂隙发育情况尤为显著，裂隙宽度较大且清晰，同时伴有大量交叉微裂隙及孔隙的发育（更多详情参见煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究）。通过盒维数法计算发现，煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征，并且煤岩孔隙率与分形维数之间存在正相关关系。在恒定有效应力条件下，随着孔隙压力升高，煤岩渗透率先急剧降低，后趋于平缓；同一孔隙压力下，因孔裂隙结构差异，煤岩渗透率存在显著差异（详细研究请参考煤岩渗透率与有效应力耦合关系及控制机理）。煤岩表面孔裂隙结构越复杂，分形维数越大，有助于瓦斯运移，使渗透率呈上升趋势。

建立的考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型，无论是理论机理的适用性还是试验点的匹配性，都较为适用，能够更好地反映孔隙压力与渗透率之间的联动关系。相比于其他研究，这一模型在实际应用中的表现更具优势，如在新景矿3号煤层不同煤体结构研究中得到了充分验证。