【土木專欄】低溫循環(huán)致裂煤體孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律試驗研究

低溫循環(huán)致裂煤體增透方法在提高瓦斯效率中具有廣闊的應(yīng)用前景，其主要原理是通過低溫循環(huán)致裂過程產(chǎn)生的循環(huán)凍融作用改變煤儲層內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，從而引起煤體滲透性能的改變。利用低場核磁共振技術(shù)可以對凍融循環(huán)過程中煤樣進行檢測，進而可以分析凍融過程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化，以全面了解低溫循環(huán)致裂對煤體孔隙結(jié)構(gòu)特征和滲透性能的影響規(guī)律。

試驗方法

1.試驗煤樣制備

試驗樣本取自某低透煤層工作面，再加工制作成φ25mm x 50mm規(guī)格的圓柱體試樣，剔除視覺上存在明顯差異的試樣，挑選出10塊完整性較好、無明顯裂隙的煤樣。

2.試驗主要設(shè)備

試驗主要設(shè)備流程

3.試驗流程

試驗主要流程圖

試驗結(jié)果

1.T2圖譜面積分析

不同凍融次數(shù)下飽水煤樣的T2分布曲線

從上圖可以看出，該煤樣的T2分布曲線呈現(xiàn)出明顯的三峰結(jié)構(gòu)，其中第yi峰面積大，三峰平均譜面積之比約為44:20:1，表明該煤樣中微小孔隙占主要比重，隨著凍融次數(shù)增多，中、大孔隙逐漸發(fā)育，隨之譜面積也有表現(xiàn)出逐步增多的趨勢。

煤樣譜面積隨凍融次數(shù)的變化

引起上述孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要原因是由于凍融循環(huán)會改造煤體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，使小尺寸孔隙擴展、孔隙之間相互連通，從而使小尺寸孔隙轉(zhuǎn)化為大尺寸孔隙，小尺寸孔隙數(shù)量減少，大尺寸孔隙數(shù)量增加，煤體結(jié)構(gòu)更為疏松，透氣性提高。

2.孔徑分布分析

初始狀態(tài)煤樣T2分布及孔徑分布曲線

對孔隙分布曲線進行分段統(tǒng)計，得到不同孔徑孔隙分布占比在不同凍融次數(shù)下的變化情況，具體可見下圖。

煤樣孔徑分布隨凍融次數(shù)的變化情況

上述數(shù)據(jù)表明：初始煤樣微、小孔數(shù)量較多，大、中孔數(shù)量較少，隨著凍融次數(shù)的增加，熱應(yīng)力與凍脹力的綜合作用使孔隙擴展，造成中、大孔數(shù)量顯著增加，使得煤樣瓦斯?jié)B流孔隙空間增加，瓦斯抽采的效率將大幅提高。

3.孔隙度變化

將煤樣孔隙度分為殘余孔隙度和有效孔隙度，其中殘余孔隙度代表封閉孔隙空間的大小，有效孔隙度代表瓦斯可以運行的連通孔隙空間的大小，其值真正決定了煤樣瓦斯?jié)B流能力的程度。

煤樣飽水及殘余水狀態(tài)下T2分布曲線及累積孔隙度曲線

煤樣總孔隙度及有效孔隙度隨凍融次數(shù)的變化

分析可知，隨著凍融次數(shù)的增加，總孔隙度和有效孔隙度都呈增加趨勢。有效孔隙度的增大，意味著孔隙之間的連通性增強，滲流空間也隨之增大，終可以增加煤層的透氣性，從而提高瓦斯的抽采效率。

4.滲透率變化

滲透率是表征多孔介質(zhì)傳輸液體能力的物理量，煤層滲透率可以直觀表示煤層允許瓦斯?jié)B流的能力，滲透率越大，則瓦斯流動更為容易，瓦斯抽采的效率也會提高。

煤樣滲透率增幅隨凍融次數(shù)的變化

從上圖可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，煤樣滲透率增幅逐漸增加，煤樣滲透率逐漸增大；且凍融次數(shù)越高，滲透率增幅曲線的斜率越大。

5.實驗結(jié)論

（1）低溫凍融致裂增透方法可以改造煤體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，使煤樣孔隙擴展、延伸、連通，從而形成交織貫通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，透氣性顯著提高，提高瓦斯抽采的效率。
（2）隨著凍融次數(shù)的增加，煤樣總孔隙度增加，孔隙空間增大；有效孔隙度增加，增速逐漸加快。

參考文獻：
翟成,孫勇.低溫循環(huán)致裂煤體孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律試驗研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2017,45(06):24-29.

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推薦儀器：

核磁共振納米孔隙分析儀NMRC12-010V