【土木专栏】低温循环致裂煤体孔隙结构演化规律试验研究

低温循环致裂煤体增透方法在提高瓦斯效率中具有广阔的应用前景，其主要原理是通过低温循环致裂过程产生的循环冻融作用改变煤储层内部的孔隙结构，从而引起煤体渗透性能的改变。利用低场核磁共振技术可以对冻融循环过程中煤样进行检测，进而可以分析冻融过程中微观孔隙结构的变化，以全面了解低温循环致裂对煤体孔隙结构特征和渗透性能的影响规律。

试验方法

1.试验煤样制备

试验样本取自某低透煤层工作面，再加工制作成φ25mm x 50mm规格的圆柱体试样，剔除视觉上存在明显差异的试样，挑选出10块完整性较好、无明显裂隙的煤样。

2.试验主要设备

试验主要设备流程

3.试验流程

试验主要流程图

试验结果

1.T2图谱面积分析

不同冻融次数下饱水煤样的T2分布曲线

从上图可以看出，该煤样的T2分布曲线呈现出明显的三峰结构，其中第yi峰面积大，三峰平均谱面积之比约为44:20:1，表明该煤样中微小孔隙占主要比重，随着冻融次数增多，中、大孔隙逐渐发育，随之谱面积也有表现出逐步增多的趋势。

煤样谱面积随冻融次数的变化

引起上述孔隙结构发生变化的主要原因是由于冻融循环会改造煤体内部的孔隙结构，使小尺寸孔隙扩展、孔隙之间相互连通，从而使小尺寸孔隙转化为大尺寸孔隙，小尺寸孔隙数量减少，大尺寸孔隙数量增加，煤体结构更为疏松，透气性提高。

2.孔径分布分析

初始状态煤样T2分布及孔径分布曲线

对孔隙分布曲线进行分段统计，得到不同孔径孔隙分布占比在不同冻融次数下的变化情况，具体可见下图。

煤样孔径分布随冻融次数的变化情况

上述数据表明：初始煤样微、小孔数量较多，大、中孔数量较少，随着冻融次数的增加，热应力与冻胀力的综合作用使孔隙扩展，造成中、大孔数量显著增加，使得煤样瓦斯渗流孔隙空间增加，瓦斯抽采的效率将大幅提高。

3.孔隙度变化

将煤样孔隙度分为残余孔隙度和有效孔隙度，其中残余孔隙度代表封闭孔隙空间的大小，有效孔隙度代表瓦斯可以运行的连通孔隙空间的大小，其值真正决定了煤样瓦斯渗流能力的程度。

煤样饱水及残余水状态下T2分布曲线及累积孔隙度曲线

煤样总孔隙度及有效孔隙度随冻融次数的变化

分析可知，随着冻融次数的增加，总孔隙度和有效孔隙度都呈增加趋势。有效孔隙度的增大，意味着孔隙之间的连通性增强，渗流空间也随之增大，终可以增加煤层的透气性，从而提高瓦斯的抽采效率。

4.渗透率变化

渗透率是表征多孔介质传输液体能力的物理量，煤层渗透率可以直观表示煤层允许瓦斯渗流的能力，渗透率越大，则瓦斯流动更为容易，瓦斯抽采的效率也会提高。

煤样渗透率增幅随冻融次数的变化

从上图可以看出，随着冻融次数的增加，煤样渗透率增幅逐渐增加，煤样渗透率逐渐增大；且冻融次数越高，渗透率增幅曲线的斜率越大。

5.实验结论

（1）低温冻融致裂增透方法可以改造煤体内部的孔隙结构，使煤样孔隙扩展、延伸、连通，从而形成交织贯通的裂隙网络，透气性显著提高，提高瓦斯抽采的效率。
（2）随着冻融次数的增加，煤样总孔隙度增加，孔隙空间增大；有效孔隙度增加，增速逐渐加快。

参考文献：
翟成,孙勇.低温循环致裂煤体孔隙结构演化规律试验研究[J].煤炭科学技术,2017,45(06):24-29.

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推荐仪器：

核磁共振纳米孔隙分析仪NMRC12-010V