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【土木專欄】低溫循環致裂煤體孔隙結構演化規律試驗研究

低溫循環致裂煤體增透方法在提高瓦斯效率中具有廣闊的應用前景，其主要原理是通過低溫循環致裂過程產生的循環凍融作用改變煤儲層內部的孔隙結構，從而引起煤體滲透性能的改變。利用低場核磁共振技術可以對凍融循環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構的變化，以全面了解低溫循環致裂對煤體孔隙結構特征和滲透性能的影響規律。

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.試驗主要設備

試驗主要設備流程

3.試驗流程

試驗主要流程圖

試驗結果

1.T2圖譜面積分析

不同凍融次數下飽水煤樣的T2分布曲線

從上圖可以看出，該煤樣的T2分布曲線呈現出明顯的三峰結構，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，隨著凍融次數增多，中、大孔隙逐漸發育，隨之譜面積也有表現出逐步增多的趨勢。

煤樣譜面積隨凍融次數的變化

引起上述孔隙結構發生變化的主要原因是由于凍融循環會改造煤體內部的孔隙結構，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化為大尺寸孔隙，小尺寸孔隙數量減少，大尺寸孔隙數量增加，煤體結構更為疏松，透氣性提高。

2.孔徑分布分析

初始狀態煤樣T2分布及孔徑分布曲線

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

煤樣孔徑分布隨凍融次數的變化情況

上述數據表明：初始煤樣微、小孔數量較多，大、中孔數量較少，隨著凍融次數的增加，熱應力與凍脹力的綜合作用使孔隙擴展，造成中、大孔數量顯著增加，使得煤樣瓦斯滲流孔隙空間增加，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滲流能力的程度。

煤樣飽水及殘余水狀態下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的變化

分析可知，隨著凍融次數的增加，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滲流的能力，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的變化

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

5.實驗結論

（1）低溫凍融致裂增透方法可以改造煤體內部的孔隙結構，使煤樣孔隙擴展、延伸、連通，從而形成交織貫通的裂隙網絡，透氣性顯著提高，提高瓦斯抽采的效率。
（2）隨著凍融次數的增加，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.低溫循環致裂煤體孔隙結構演化規律試驗研究[J].煤炭科學技術,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