酸蚀诱导煤体多尺度孔隙演化规律及对煤层气运移的调控机制

针对传统煤孔隙表征方法存在尺度断层和模型碎片化的问题，研究人员通过混合酸(HCl+HF+CH3COOH)蚀刻典型褐煤，采用扫描电镜(SEM)、低温氮吸附和X射线衍射(XRD)等多尺度分形分析方法，揭示了酸蚀选择性溶解碳酸盐/硅酸盐矿物驱动孔隙网络优化的机制，构建了跨尺度分形维度关联方程(λ>1000时以盒计数法为主，λ<1000时采用小岛法/低温氮吸附法)，为提升煤层气(CBM)吸附/解吸效率提供了理论支撑。

　　

煤炭作为复杂的多孔介质，其孔隙结构直接影响着煤层气（CBM）的吸附/解吸行为和瓦斯灾害发生机制。随着全球能源结构向低碳化转型，煤层气作为清洁能源的高效开发备受关注，同时煤矿瓦斯突出等灾害防治也依赖于对煤体孔隙结构的深入认知。然而，传统表征方法如扫描电镜（SEM）难以有效表征孔隙三维分布，CT成像分辨率不足，低温氮吸附法无法揭示宏观裂隙特征，这些方法存在明显的尺度断层和模型碎片化问题。

为解决这一挑战，辽宁工程技术大学团队在《Results in Engineering》发表研究，以内蒙古乌海矿区的典型褐煤为对象，采用30%氢氟酸+盐酸+乙酸混合酸进行蚀刻处理，通过多尺度分形分析方法，首次建立了从纳米到微米尺度的孔隙演化全息表征体系。研究团队运用SEM图像盒计数法（微米尺度）、小岛法（亚微米尺度）和低温氮吸附FHH模型（纳米尺度）三重分形表征技术，结合XRD矿物组分分析，系统解析了酸蚀对煤体孔隙结构的改造机制。

关键技术方法包括：（1）SEM图像分形处理：通过Image J软件二值化处理，采用盒计数法和小岛法计算不同放大倍数（2000X-10000X）下的表面分形维度；（2）低温氮吸附实验：基于Frenkel-Halsey-Hill方程计算孔隙粗糙度维度D₁和体积复杂度维度D₂；（3）XRD矿物定量：采用MDI Jade 6软件分析酸蚀前后碳酸盐/硅酸盐矿物的相对含量变化。

孔隙形貌定量表征显示：酸蚀煤体裂隙宽度增至5-20μm，亚微米级孔隙增殖，SEM观察到蜂窝状次级孔隙（图2c,d）。低温氮吸附证实介孔体积显著增加，2-10nm区间出现突出峰（图9d），微孔向介孔转化，吸附量提升23%。

分形维度分析表明：酸蚀煤盒计数法维度达1.9997（2000X），高于原煤1.9965（表2），揭示表面复杂度提升；小岛法维度从1.2594增至1.2820（表3），反映孔隙离散性增强；低温氮吸附维度D₂由2.4638升至2.6056（表4），表明纳米级孔隙结构复杂性增加。

矿物溶解-孔隙演化关联：XRD证实酸蚀优先溶解方解石（反应式8）和石英（反应式9），使莫来石相对含量从10.8%被动提升至55.3%（图11c,d）。这种"碳酸盐>硅酸盐"的选择性溶解特性，直接导致介孔（2-10nm）体积增加和分形维度升高。

研究创新性构建了以归一化尺度参数λ为核心的跨尺度分形关联模型（式17）：当λ?1000（微米尺度）时以盒计数法为主；λ?1000（纳米尺度）时以小岛法和低温氮吸附法为主导。该模型填补了煤孔隙全尺度分形表征的空白，证实酸蚀通过矿物溶解协同提升孔隙连通性与离散性。

这项研究为煤层气增产提供了重要理论指导：（1）酸浓度-分形维度响应曲线可优化处理参数；（2）基于矿物溶解差异性（碳酸盐→大孔，硅酸盐→介孔）可定制酸液配方；（3）分形维度增量可作为工艺优化指标。未来研究需关注酸蚀对煤体强度的负面影响，并探索分形理论指导下的智能开发工艺。论文通过多尺度分形分析这一新颖视角，为非常规天然气开发和煤矿安全开采提供了跨尺度研究方法范式。