CN114608864A - 构造煤定向样品采样装置、采样方法及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种构造煤定向样品采样装置、采样方法及测试方法，构造煤定向样品采样装置包括采样盒，采样盒包括：开口端，开口端的边缘设置有插入部，插入部呈尖角结构；封闭端，与开口端相对设置，构成封闭端的端板呈平板结构；侧围板，围绕封闭端的边缘设置，侧围板的第一端与封闭端连接，第二端构成开口端的端口。该采样盒可以采集碎粒煤、鳞片煤、糜棱煤、揉皱煤等强烈变形类型的构造煤样品，能够较好地保留构造煤结构和构造特征，且简单易行，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及构造煤定向样品采样技术领域，尤其涉及一种构造煤定向样品采样装置、采样方法及测试方法。
背景技术
构造煤是煤层在构造力作用下发生明显物理化学变化的产物，其原生结构、构造受到不同程度破坏而产生碎裂、揉皱、擦光面等构造变动，引起煤层厚度变化、煤岩流变、甚至达到内部化学成分和大分子结构变化，其含义与岩石学中的构造岩相对应。根据煤的变形机制和变形程度，通常构造煤划分为碎裂煤、碎粒煤、鳞片煤、糜棱煤、揉皱煤等类型。构造煤是煤矿瓦斯灾害防治和煤层气开发的重要研究内容之一，构造煤具有微孔多、比表面积大、渗透率差、强度小等特点，使之具有较大的瓦斯含量和较高的瓦斯压力，大量研究表明，煤与瓦斯突出与构造煤类型密切相关，通常碎裂煤为突出危险煤，碎粒煤和糜棱煤为严重突出危险煤。构造煤的储层物性变差，增大煤层气排采的难度，构造煤力学强度降低，煤层气井抽水降压排采过程中应力状态改变容易产生的煤粉，影响煤层气井连续稳定生产。
构造煤的形成是构造应力、温度、压力、流体等多种地质因素综合作用的结果，煤体变形与构造应力方位和强度直接有关，因此，恢复形成构造煤的古构造应力场和应变特征是构造煤研究的核心内容，其中，3个主应力轴方位(σ1、σ2、σ3)是古构造应力场的基本要素。由于煤田构造属于浅层次的脆性或脆-韧性变形的构造环境，缺乏合适的应变标志物，造成确定主应力轴方位和相对大小的困难性。上世纪末期以来，人们逐渐认识到煤镜质体反射率各向异性(vitrinite reflectance anisotropy，简称VRA)与应力应变有关，是有效的变形组构要素，最大、中间和最小反射率方位及其镜质体反射率椭球体与应力轴方位和应变椭球体存在对应关系，可用于恢复古构造应力场、有限应变分析和变形途径分析等方面。VRA测试方法的必要条件是测试样品的精确定向(地理方位)，未变形的原生结构煤定向样品和构造煤非定向样品的采集与制备已有成熟方法，但是，由于构造煤(尤其是鳞片煤、糜棱煤、揉皱煤等强烈变形类型)的力学强度低、结构松散，难以采集和制备定向测试样品，阻碍了VRA技术的应用。因此，研发构造煤定向样品采集、制备和测试方法，对于开展构造煤VRA分析，应用于煤与瓦斯突出防治和煤层气开发具有重要实用意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种构造煤定向样品采样装置、采样方法及测试方法。
为达到上述目的，第一方面，本发明采用以下技术方案：
一种构造煤定向样品采样装置，所述构造煤定向样品采样装置包括采样盒，所述采样盒包括：
开口端，所述开口端的边缘设置有插入部，所述插入部呈尖角结构；
封闭端，与所述开口端相对设置，构成所述封闭端的端板呈平板结构；以及，
侧围板，围绕所述封闭端的边缘设置，所述侧围板的第一端与所述封闭端连接，第二端构成所述开口端的端口。
优选地，所述插入部的内表面与所述侧围板的内表面平齐，所述插入部的外表面相对所述侧围板的外表面倾斜，且由所述封闭端向所述开口端的方向，所述插入部的外表面向所述侧围板的内侧倾斜。
第二方面，本发明采用以下技术方案：
一种构造煤采样方法，所述构造煤采样方法包括步骤：
S100、将如上所述的构造煤定向样品采样装置由其开口端的插入部插入待采样构造煤体，以使得所述采样盒的其中一个面作为标准面，所述标准面平行于待采样构造煤体的结构面、层理面、煤层顶底板层面或水平面，并在所述采样盒的封闭端标注产状，以作为确定构造煤定向面产状的基准；
S200、对完成采样的所述采样盒进行标准面的原位产状恢复和标注；
S300、对所述采样盒内的构造煤进行加固；
S400、除去所述采样盒，得到测试构造煤立方体。
优选地，步骤S200中，采用沙盘或可塑性泥质材料恢复并测量构造煤样品标准面的原位产状。
优选地，步骤S300包括：
由所述采样盒的开口端向所述采样盒内注入粘结剂，以使得所述采样盒内的构造煤固结；或者，
将粘合材料和采样盒共同置于容器中加热，使粘合材料融化为液态并由所述采样盒的开口端进入到所述采样盒中，继续加热预定时长后，将采样盒冷却，以使得所述采样盒内的构造煤固结。
优选地，在对加入了粘合材料的采样盒进行加热之前，采用纱布将采样盒的开口端包裹，然后用绳线捆绑住所述采样盒，以维持构造煤样品标准面的原位产状。
优选地，所述绳线包括麻绳和/或金属绳；和/或，
将所述绳线以十字交叉形式分别沿所述标准面走向和倾向捆绑所述采样盒。
优选地，步骤S400包括：沿距离所述采样盒的各边沿预定距离处、并与边沿平行的切割线对所述采样盒的进行切割，得到所述测试构造煤立方体。
第三方面，本发明采用以下技术方案：
一种构造煤的测试方法，用于对如上所述的构造煤采样方法采样得到的测试构造煤立方体进行测试，所述测试方法包括步骤：
S10、对所述测试构造煤立方体构建XYZ坐标系，其中，所述测试构造煤立方体的标准面为XY面；
S20、对所述测试构造煤立方体上的三个截面进行研磨和抛光以得到三个光片，三个截面分别为标准面、与YZ面平行的第一截面以及与XZ面平行的第二截面；
S30、分别对三个光片进行反射率测试，以得到三个光片的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角；
S40、根据三个光片的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角，得到镜质体反射率光率体参数和镜质体反射率各向异性参数。
优选地，步骤S30具体包括：
对于每一个光片，将该光片置于载物台上，转动所述载物台360°，确定并记录该光片上每一个测点的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角，计算该光片所有测点的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角的平均值，分别作为该光片的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角；或者，
对于每一个光片，将该光片置于载物台上，以10°为间隔测量该光片上的每个测点的反射率值，从而得到每个测点的36个反射率值，根据得到的各个测点的反射率值拟合得到该光片平面的反射率椭圆，从所述反射率椭圆中提取镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角。
优选地，步骤S40具体包括：
根据三个相互正交截面光片内的镜质体反射率数据，采用通过椭球中心的三个互不平行的椭圆拟合有限应变椭球体的算法，求解镜质体反射率光率体参数，所述镜质体反射率光率体参数包括3个主反射率Ra、Rb、Rc，及其空间方位αa∠βa、αb∠βb、αc∠βc，其中，α和β分别为反射率主轴的倾向和倾角，计算镜质体反射率各向异性参数，所述镜质体反射率各向异性参数包括双反射率Ra-Rc、各向异性比Ra/Rc和相对各向异性(Ra-Rc)/Ra。
本发明提供的构造煤定向样品采样装置具有采样盒，采样盒的开口端的边缘设置有插入部，插入部呈尖角结构，从而方便采样盒插入待采样构造煤体中，以实现构造煤定向样品的采样，与开口端相对的封闭端的端板呈平板结构，以便于在封闭端施力使得采样盒整体插入待采样构造煤体中而进行采样，且便于在封闭端的端面上标注产状，以作为确定构造煤定向面产状的基准。该采样盒可以采集碎粒煤、鳞片煤、糜棱煤、揉皱煤等强烈变形类型的构造煤样品，能够较好地保留构造煤结构和构造特征，且简单易行，成本低。
本发明提供的构造煤采样方法中，采用上述的构造煤定向样本采样装置能够插入待采样构造煤体中进行采样，之后对完成采样的采样盒进行产状恢复和标注、加固、除去采样盒等操作，从而得到测试构造煤立方体，以利于对构造煤的测试，保证测试中构造煤原位产状。
本发明提供的构造煤的测试方法中，能够对测试构造煤立方体上的三个截面进行反射率测试，得到镜质体反射率光率体参数和镜质体反射率各向异性参数，以便于估算古应力方位和进行应变分析，为煤与瓦斯突出防治和煤层气开发储层评价提供基础依据。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出本发明具体实施方式提供的构造煤定向样品采样装置的立体图；
图2示出本发明具体实施方式提供的构造煤定向样品采样装置的剖视图；
图3示出本发明具体实施方式提供的构造煤采样方法的流程图；
图4示出本发明具体实施方式提供的构造煤定向样品采样装置与测试构造煤立方体的对应关系的立体图；
图5示出本发明具体实施方式提供的构造煤定向样品采样装置与测试构造煤立方体的对应关系的正视图；
图6示出本发明具体实施方式提供的构造煤定向样品采样装置的剖视图；
图7示出本发明具体实施方式提供的构造煤定向样品采样装置内的丝状物的结构示意图；
图8示出本发明具体实施方式提供的构造煤的测试方法的流程图；
图9示出本发明具体实施方式提供的构造煤的测试方法中构建XYZ坐标系的示意图；
图10示出反射率光率体示意图；
图11示出反射率光率体与应力应变关系示意图。
图中：
100、采样盒；10、开口端；20、封闭端；30、侧围板；40、插入部；50、丝状物；51、第一段；52、第二段；
200、测试构造煤立方体；201、标准面；202、第一截面；203、第二截面。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
本发明一示例性实施例提供了一种构造煤定向样品采样装置，如图1和图2所示，构造煤定向样品采样装置包括采样盒100，采样盒100包括开口端10、封闭端20及侧围板30，其中，开口端10的边缘设置有插入部40，插入部40呈尖角结构。封闭端20与开口端10相对设置，构成封闭端20的端板呈平板结构。侧围板30围绕封闭端20的边缘设置，侧围板30的第一端与封闭端20连接，第二端构成开口端10的端口。
本发明提供的构造煤定向样品采样装置具有采样盒100，采样盒100的开口端10的边缘设置有插入部40，插入部40呈尖角结构，从而方便采样盒100插入待采样构造煤体中，以实现构造煤定向样品的采样，与开口端10相对的封闭端20的端板呈平板结构，以便于在封闭端20施力使得采样盒100整体插入待采样构造煤体中而进行采样，且便于在封闭端20的端面上标注产状，以作为确定构造煤定向面产状的基准。该采样盒100可以采集碎粒煤、鳞片煤、糜棱煤、揉皱煤等强烈变形类型的构造煤样品，能够较好地保留构造煤结构和构造特征，且简单易行，成本低。
其中，一些实施例中，插入部40与开口端10为一体结构，例如由侧围板30的第二端延伸形成，如图2所示，插入部40的内表面与侧围板30的内表面平齐，插入部40的外表面相对侧围板30的外表面倾斜，且由封闭端20向开口端的方向，插入部40的外表面向侧围板30的内侧倾斜。由于插入部40的外表面呈倾斜设置，从而形成尖角结构，另外，由于是插入部40的外表面倾斜形成尖角结构，插入部40的内表面与侧围板30的内表面平齐，从而保证插入过程中进入采样盒100内的构造煤保持原有结构和构造特征，保证采样得到的构造煤样品能够准确反映出构造煤体的特性，进而保证后续得到的测试结果的准确性。在一个具体的实施例中，用厚度0.5-1mm的铁皮或其它金属材料制作采集构造煤定向样品的采样盒100，采样盒100为长方体，尺寸为80mm×60mm×60cm，长边一端为开口端10，用锉刀加工开口端10以形成插入部40。当然，可以理解的，采样盒100的尺寸可根据具体需求进行调整，以适于不同厚度的构造煤分层定向样，示例性地，以能够留出切制测试构造煤立方体的保护部分为原则，最小极限尺寸为50mm×40mm×40cm。
在另一些实施例中，插入部40与开口端10为可拆卸结构，例如，插入部40可通过卡扣卡接、紧固件连接等方式与开口端10形成可拆卸连接，如此，可根据具体的待采样构造煤体选择合适的插入部40，以使得插入部40能够更好地与构造煤体的形态适配，从而进一步避免插入部40在插入过程中对原有结构的破坏。示例性地，采样盒100配套设置多个插入部40，不同的插入部40，其外表面相对侧围板30的外表面的倾斜角度也不相同，在进行构造煤的采样时，可根据具体的构造煤体的结构特征，选择合适的外表面倾斜角度的插入部40，以更好地适配构造煤体的构造特征。
本发明一示例性实施例还提供了一种构造煤采样方法，如图3所示，该构造煤采样方法包括步骤：
S100、将如上所述的构造煤定向样品采样装置由其开口端的插入部插入待采样构造煤体，以使得采样盒的其中一个面作为标准面，标准面平行于待采样构造煤体的结构面、层理面、煤层顶底板层面或水平面，并在采样盒的封闭端标注产状，以作为确定构造煤定向面产状的基准；
S200、对完成采样的采样盒进行标准面的原位产状恢复和标注；
S300、对采样盒内的构造煤进行加固；
S400、除去采样盒，得到测试构造煤立方体。
本发明提供的构造煤采样方法中，采用上述的构造煤定向样本采样装置能够插入待采样构造煤体中进行采样，之后对完成采样的采样盒100进行产状恢复和标注、加固、除去采样盒100等操作，从而得到测试构造煤立方体200，以利于对构造煤的测试，保证测试中构造煤原位产状。
其中，步骤S100中，将采样盒100的开口端10紧贴清理平整的煤壁，通过连续适度敲击加压将采样盒100插入煤体直至底面封闭端20与煤壁齐平，敲击过程不可过于强烈，以减少对构造煤结构的扰动破坏。采样盒100一个面平行构造煤的结构面(如构造片理面)作为标志面，若构造煤无明显的结构面，则将采样盒100标准面平行构造煤分层的层理面、或煤层顶底板层面、或水平面。构造煤定向样品应在煤层露头新鲜面或煤矿井下煤壁新鲜面采集。
该采样方法尤其适于碎粒煤、鳞片煤、糜棱煤、揉皱煤等强烈变形类型的构造煤体的采样。
在步骤S100应用于鳞片煤的实施例中，鳞片煤分层，片理清晰，采样盒100一个面平行构造煤片理面作为标准面，采样盒100完全插入煤体后，在采样盒100的封闭端20测量并标注产状，作为确定构造煤定向面产状的基准。扒开采样盒100周围的煤体，取出采样盒100，用样品袋封闭开口端10，再用胶带缠紧，完成现场采样用记号笔。
在步骤S100应用于碎粒煤的实施例中，碎粒煤分层，煤体破碎，粒径多数＜0.1cm，无明显的结构面，分层厚度＞10cm，分层层面清楚，将采样盒100一个面平行碎粒煤分层的层面，作为构造煤定向标准面，后续采样过程同鳞片煤。
在步骤S100应用于揉皱煤的实施例中，揉皱煤分层，煤体呈形态复杂的揉皱和糜棱结构，片理极不稳定，构造煤厚度＞100cm，揉皱煤分层上、下界面不清晰，将采样盒100一个面平行水平面，作为构造煤定向标准面，后续采样过程同鳞片煤。
一示例性实施例中，步骤S200中，采用沙盘或可塑性泥质材料恢复并测量构造煤样品标准面的原位产状。
在采用沙盘进行恢复和测量的实施例中，可根据定向样原位产状恢复方法，从样品袋中取出采样盒100，置于沙盘中，移动采样盒100，使采样盒100底部基准面恢复至标注的产状，此时采样盒100恢复到原位地理方位，测量采样盒100标准面的产状并用记号笔标注，即为该构造煤定向样品结构面的原位产状。
当然，也可以采用可塑性泥质材料进行上述的回复和测量过程，可塑性泥质材料例如可以为橡皮泥，具体的操作过程与沙盘方式类似，在此不再赘述。
一实施例中，步骤S300具体为，由采样盒100的开口端10向采样盒100内注入粘结剂，以使得采样盒100内的构造煤固结。该方式适于碎裂煤、碎粒煤等孔隙较大的煤体，示例性地，采用环氧树脂等粘结剂从采样盒100的开口端10注入，多次加注，直至充满构造煤缝隙使其固结。
另一实施例中，采用煮胶法进行加固，步骤S300具体为，将粘合材料和采样盒共同置于容器中加热，使粘合材料融化为液态并由采样盒100的开口端10进入到采样盒100中，继续加热预定时长，使粘合材料与采样盒100中的构造煤充分接触融合，将采样盒100冷却，以使得采样盒100内的构造煤固结。该方式适于鳞片煤、揉皱煤等结构致密的煤体，示例性地，粘合材料为松香和石蜡的混合物，混合比10:2左右，在容器加热使其熔化混合，放入采样盒100，加热2小时左右，以煤样不再产生气泡为准，停止加热5-10分钟后取出采样盒自然冷却。
在采用煮胶法进行加固的实施例中，为了原位产状的维持，优选地，在对加入了粘合材料的采样盒100进行加热之前，采用纱布将采样盒100的开口端10包裹，以防止煮胶过程中构造煤破散逸出，然后用绳线捆绑住采样盒100，以维持构造煤样品标准面的原位产状。
其中，绳线可采用麻绳、金属绳等绳线，优选地，绳线由麻绳和金属绳编织形成，从而使得绳线兼具强度和柔韧性。为了使得采样盒100内的构造煤样能够保持原位产状，一个优选的实施例中，将绳线以十字交叉形式分别沿标准面走向和倾向捆绑采样盒100。
在一个示例性实施例中，步骤S400中，沿距离采样盒100的各边沿预定距离处、并与边沿平行的切割线对采样盒100的进行切割，得到测试构造煤立方体200。本实施例中，测试构造煤立方体200尽量位于采样盒100中心，从而去除周边可能受到采样过程扰动的部分。示例性地，加固后的样品连同采样盒100用切片机切制得到测试构造煤立方体200，如图4和图5所示，长边开口端10和封闭端20各切除25mm、其余4个边各切除15mm，得到位于采样盒100中心的边长30mm的测试构造煤立方体200。
本实施例中，为了便于切割，优选地，采样盒100的外壁上设置有切槽，切槽沿切割线方向延伸，从而无需测量、划线等操作，直接沿切槽进行切割，进而提高了采样效率。
当然，在其他的实施例中，也可以只去除采样盒100，在该实施例中，为了避免靠近采样盒100的构造煤受到采样过程的扰动，如图6所示，采样盒100的内壁上设置有丝状物50，在将采样盒100插入构造煤体的过程中，使得丝状物50插入构造煤体中，通过丝状物50将进入采样盒100内的构造煤体形成很好的支撑。优选地，各丝状物50中，不同的丝状物50具有不同的倾斜方向，一部分朝向开口端10方向倾斜，另一部分朝向封闭端20方向倾斜，从而进一步提高了支撑作用。
进一步地，丝状物50为常温状态下呈固态的粘合材料，在采样盒100完成采样后，可对采样盒100进行加热，以使得插入构造煤体内的丝状物50融化为液体，从而使得液态的粘合材料将煤体内的缝隙进行填充，在冷却后完成对构造煤体的加固。
为了方便采样盒100的去除，在进一步地实施例中，如图7所示，丝状物50包括相连的第一段51和第二段52，第一段51与采样盒100的内壁相连，第一段51为脱模剂材料，第二段52为粘合材料，且在常温下，第一段51和第二段52均为固态，第一段51的熔点高于第二段52，如此，在采样盒100完成采样后，可对采样盒100进行加热，第二段52首先融化为液体，从而使得液态的粘合材料将煤体内的缝隙进行填充，进一步升温，第一段51融化为液体，以使得采样盒100发生松动，从而在冷却后，方便去除采样盒100。
本公开一示例性实施例还提供了一种构造煤的测试方法，用于对如上所述的构造煤采样方法采样得到的测试构造煤立方体200进行测试，如图8所示，该测试方法包括步骤：
S10、对测试构造煤立方体构建XYZ坐标系(参考图9)，其中，测试构造煤立方体的标准面为XY面；
S20、对测试构造煤立方体上的三个截面进行研磨和抛光以得到三个光片，三个截面分别为标准面、与YZ面平行的第一截面以及与XZ面平行的第二截面；
S30、分别对三个光片进行反射率测试，以得到三个光片的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角；
S40、根据三个光片的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角，得到镜质体反射率光率体参数和镜质体反射率各向异性参数。
本发明提供的构造煤的测试方法中，能够对测试构造煤立方体200上的三个截面进行反射率测试，三个截面分别为标准面201、与YZ面平行的第一截面202以及与XZ面平行的第二截面203，得到镜质体反射率光率体参数和镜质体反射率各向异性参数，以便于估算古应力方位和进行应变分析，为煤与瓦斯突出防治和煤层气开发储层评价提供基础依据。
步骤S30中，根据截面镜质体反射率测试方法，在单偏光条件下，采用显微镜光度计测量镜质体油浸反射率，测量对象为均质镜质体或基质镜质体，每一个截面光片均匀选择30-50个测点。镜质体反射率测试可采用现有的相关方法，在此不再赘述。其中，在放置光片时，如图所示，各光片的两个边即两个坐标轴分别与载物台呈0°和90°。
一实施例中，步骤S30具体包括：
对于每一个光片，将该光片置于载物台上，转动载物台360°，确定并记录该光片上每一个测点的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角，计算该光片所有测点的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角的平均值，分别作为该光片的镜质体视最大反射率Rmax、镜质体视最小反射率Rmin、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角θ。
在另一实施例中，步骤S30具体包括：
对于每一个光片，将该光片置于载物台上，以10°为间隔测量该光片上的每个测点的反射率值，从而得到每个测点的36个反射率值，根据得到的各个测点的反射率值拟合得到该光片平面的反射率椭圆，从反射率椭圆中提取镜质体视最大反射率Rmax、镜质体视最小反射率Rmin、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角θ。
镜质体反射率各向异性是指单偏光条件下，反射率随偏振方向不同而改变的性质。与构造煤成因研究和应用有关的VRA特征包括：各主反射率值及其方位，双反射率(Rmax-Rmin)、各向异性比(Rmax/Rmin)和相对各向异性((Rmax-Rmin)/Rmax)等参数。在平面偏振光条件下，镜质体反射率为空间矢量，可以用几何图形和函数关系表示，任意方位截面内各测点的反射率值分布为近似的椭圆，两个主轴a、b分别相当于该测点Rmax、Rmin，所有截面椭圆的集合构成三维椭球体，称为镜质体反射率光率体(VRI)。结合图10和图11所示，VRI可以用中心通过坐标原点的椭球体方程描述：
式中Ra、Rb、Rc为椭球体的三个主轴，物理意义为镜质体最大、中间和最小反射率，分别坐标系的X、Y、Z轴。
根据VRA成因研究成果，建立主反射率与主应力方位的对应关系，最大主压应力σ1、中间主应力σ2和最小主压应力σ3分别对应3个主反射率Rc、Rb、Ra。在共轴变形条件下，应变与应力存在几何对应关系，最大伸长轴X、中间应变轴Y和最小伸长轴Z分别对应最小主压应力σ3、中间主应力σ2、最大压主应力σ1，因此，以VRI三主轴轴率表示的镜质体反射率各向异性，可近似类比与有限应变椭球体，用于构造煤应变分析。
根据上述原理，仅当立方体样品3个截面平行于VRI的3个对称面才能直接测得Rc、Rb、Ra，但实际操作中，3个对称面为未知，样品3个截面相当于过椭球中心的3个任意正交截面，每个截面只能测得视反射率Rmax和Rmin，需要采用数学模拟方法确定镜质体反射率光率体参数。
对于同一样品而言，理想情况下所有测点的镜质体反射率应属于同一反射率光率体，实际条件下这一假设具有统计学意义，步骤S40中，示例性地，根据通过椭球中心的三个互不平行的椭圆唯一确定一个椭球体的原理，采用有限应变椭球体拟合方法，利用三个相互正交截面光片内的镜质体反射率数据，采用通过椭球中心的三个互不平行的椭圆拟合有限应变椭球体的算法，求取镜质体反射率光率体参数3个主反射率Ra、Rb、Rc及其空间方位αa∠βa、αb∠βb、αc∠βc，其中，α和β分别为反射率主轴的倾向和倾角，进而求取镜质体反射率各向异性参数，例如双反射率(Rmax-Rmin)、各向异性比(Rmax/Rmin)和相对各向异性((Rmax-Rmin)/Rmax)等，据以恢复构造煤形成的应力方位和应变。
可以理解的，本发明提供的方法，除用于构造煤镜质体反射率测试分析之外，还可用于构造煤显微结构观察、裂缝统计分析等与地理方位有关的测试分析，因此，包括但不限于上述研究采用本发明提供方法采集和制备构造煤定向样品，均属于本发明权利保护范围。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种构造煤定向样品采样装置，其特征在于，所述构造煤定向样品采样装置包括采样盒，所述采样盒包括：
开口端，所述开口端的边缘设置有插入部，所述插入部呈尖角结构；
封闭端，与所述开口端相对设置，构成所述封闭端的端板呈平板结构；以及，
侧围板，围绕所述封闭端的边缘设置，所述侧围板的第一端与所述封闭端连接，第二端构成所述开口端的端口。
2.根据权利要求1所述的构造煤定向样品采样装置，其特征在于，所述插入部的内表面与所述侧围板的内表面平齐，所述插入部的外表面相对所述侧围板的外表面倾斜，且由所述封闭端向所述开口端的方向，所述插入部的外表面向所述侧围板的内侧倾斜。
3.一种构造煤采样方法，其特征在于，所述构造煤采样方法包括步骤：
S100、将如权利要求1或2所述的构造煤定向样品采样装置由其开口端的插入部插入待采样构造煤体，以使得所述采样盒的其中一个面作为标准面，所述标准面平行于待采样构造煤体的结构面、层理面、煤层顶底板层面或水平面，并在所述采样盒的封闭端标注产状，以作为确定构造煤定向面产状的基准；
S200、对完成采样的所述采样盒进行标准面的原位产状恢复和标注；
S300、对所述采样盒内的构造煤进行加固；
S400、除去所述采样盒，得到测试构造煤立方体。
4.根据权利要求3所述的构造煤采样方法，其特征在于，步骤S200中，采用沙盘或可塑性泥质材料恢复并测量构造煤样品标准面的原位产状。
5.根据权利要求3所述的构造煤采样方法，其特征在于，步骤S300包括：
由所述采样盒的开口端向所述采样盒内注入粘结剂，以使得所述采样盒内的构造煤固结；或者，
将粘合材料和采样盒共同置于容器中加热，使粘合材料融化为液态并由所述采样盒的开口端进入到所述采样盒中，继续加热预定时长后，将采样盒冷却，以使得所述采样盒内的构造煤固结。
6.根据权利要求5所述的构造煤采样方法，其特征在于，在对加入了粘合材料的采样盒进行加热之前，采用纱布将采样盒的开口端包裹，然后用绳线捆绑住所述采样盒，以维持构造煤样品标准面的原位产状。
7.根据权利要求6所述的构造煤采样方法，其特征在于，所述绳线包括麻绳和/或金属绳；和/或，
将所述绳线以十字交叉形式分别沿所述标准面走向和倾向捆绑所述采样盒。
8.根据权利要求3所述的构造煤采样方法，其特征在于，步骤S400包括：沿距离所述采样盒的各边沿预定距离处、并与边沿平行的切割线对所述采样盒的进行切割，得到所述测试构造煤立方体。
9.一种构造煤的测试方法，用于对如权利要求3至8任一项所述的构造煤采样方法采样得到的测试构造煤立方体进行测试，其特征在于，所述测试方法包括步骤：
S10、对所述测试构造煤立方体构建XYZ坐标系，其中，所述测试构造煤立方体的标准面为XY面；
S20、对所述测试构造煤立方体上的三个截面进行研磨和抛光以得到三个光片，三个截面分别为标准面、与YZ面平行的第一截面以及与XZ面平行的第二截面；
S30、分别对三个光片进行反射率测试，以得到三个光片的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角；
S40、根据三个光片的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角，得到镜质体反射率光率体参数和镜质体反射率各向异性参数。
10.根据权利要求9所述的构造煤的测试方法，其特征在于，步骤S30具体包括：
对于每一个光片，将该光片置于载物台上，转动所述载物台360°，确定并记录该光片上每一个测点的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角，计算该光片所有测点的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角的平均值，分别作为该光片的镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角；或者，
对于每一个光片，将该光片置于载物台上，以10°为间隔测量该光片上的每个测点的反射率值，从而得到每个测点的36个反射率值，根据得到的各个测点的反射率值拟合得到该光片平面的反射率椭圆，从所述反射率椭圆中提取镜质体视最大反射率、镜质体视最小反射率、以及镜质体视最大反射率与其所在坐标系的主坐标轴的夹角；
步骤S40具体包括：
根据三个相互正交截面光片内的镜质体反射率数据，采用通过椭球中心的三个互不平行的椭圆拟合有限应变椭球体的算法，求解镜质体反射率光率体参数，所述镜质体反射率光率体参数包括3个主反射率Ra、Rb、Rc，及其空间方位αa∠βa、αb∠βb、αc∠βc，其中，α和β分别为反射率主轴的倾向和倾角，计算镜质体反射率各向异性参数，所述镜质体反射率各向异性参数包括双反射率Ra-Rc、各向异性比Ra/Rc和相对各向异性(Ra-Rc)/Ra。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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