煤孔隙结构多重分形特征对低压气体吸附下导热与热扩散性能的影响机制研究

针对煤层安全开采、地热场研究及地下气化技术中的热传导难题，中国矿业大学团队通过低压N2/CO2吸附(LPGA)和瞬态平面热源法，揭示了西南地区不同变质程度煤的孔隙多重分形特征与热物性关联规律。研究发现中孔体积/比表面积与导热系数正相关、与热扩散系数负相关，且微孔分形特征更强，为煤层热能调控提供了理论依据。

　　

煤炭作为中国能源体系的支柱，其开采安全与高效利用始终是科研焦点。随着低碳能源需求增长，地下煤气化技术(UCG)成为新宠，但该过程涉及复杂的热传导机制——煤的导热系数(λ)和热扩散系数(α)直接决定气化温度场分布。然而，煤作为多孔介质，其孔隙结构的极端非均质性使得热物性预测困难重重。前人研究多聚焦于煤质成分（如灰分、固定碳）的影响，却忽视了孔隙系统的分形特性这一关键因素。

针对这一空白，中国矿业大学团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表研究，首次将多重分形理论引入煤热物性研究。团队采集西南地区8个矿点的煤样（涵盖中高挥发分烟煤至无烟煤），采用低压N₂/CO₂吸附(LPGA)表征孔隙结构，结合瞬态平面热源法测定λ和α，通过广义分形维数谱分析揭示孔隙多重分形特征与热传导的深层关联。

关键技术方法

1. 样本队列：取自云南东部/贵州西部8个矿井，以二叠系龙潭组煤为主
2. 孔隙分析：LPGA-N₂（2-300 nm孔隙）与LPGA-CO₂（<2 nm微孔）联用
3. 热物性测试：瞬态平面热源法(ISO 22007-2标准)
4. 分形计算：基于吸附等温线数据，采用盒计数法求取广义分形维数D_q

研究结果

基础物性特征
煤样镜质体反射率(R_o,max)跨度达1.13%-3.68%，固定碳含量与λ/α呈显著正相关（图7b），但工业分析参数（灰分、挥发分）相关性较弱，证实煤阶而非成分是基质热传导的主控因素。

孔隙结构分形特性
多重分形谱宽度Δα显示所有煤样均具强多重分形性（Δα>0.5），其中微孔分形强度(D₀-D₁₀)是中孔的1.3-2.1倍。凤凰山矿无烟煤(FHS)表现出最显著的孔隙非均质性，其微孔分形奇异指数α_min达0.72。

热物性调控机制
• 中孔调控：2-50 nm孔隙体积与λ呈正相关（R²=0.68），却与α呈负相关，源于气体分子在较大孔隙中的"热短路效应"
• 微孔主导：<2 nm孔隙比表面积每增加10 m²/g，λ提升8%-12%，因其高表面能增强了声子传导
• 分形参数关联：广义分形维数D₂与λ的相关系数达0.81，证实孔隙均匀性（而非复杂度）是热传导的关键

结论与意义
该研究首次建立煤孔隙多重分形特征与热物性的定量关系模型，揭示：

1. 微孔分形特征对导热系数的贡献量是中孔的2.3倍，推翻传统"中孔主导"认知
2. 孔隙均匀性参数D₂可作为煤层热物性预测的新指标
3. 为地下煤气化选区提供新标准——高D₂值煤