液氮冻融煤体孔隙裂隙结构损伤演化规律及增渗机制研究

摘要

矿井瓦斯（煤层气）不仅是一种煤矿重大灾害源，同时也是一种优质高效的清洁能源，煤层气的开发有利于中国控制瓦斯灾害事故并调整能源结构。由于中国的煤田地质条件复杂，导致中国的煤储层普遍具有低孔、低渗、低压和高非均质性特点，从而制约瓦斯的抽采。随着煤层增透技术的发展，以液氮作为介质的无水化致裂增透技术受到了广泛的关注。本文以液氮冻融致裂增渗煤体技术为背景开展研究，通过实验室实验和理论分析等方法和手段，对不同液氮冻结时间和冻融循环次数下煤体的孔隙裂隙结构损伤演化规律，物理力学性质以及渗透率演化特征开展了研究，并从热应力和冻融作用两个角度揭示了液氮冻融对煤体的损伤作用机理，主要研究成果如下：　　①液氮冻结和冻融循环能够促进煤体孔隙的发育，煤体的小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔，造成煤体的孔隙连通性增强，束缚水空间所占的比例减小，自由水空间的比例增大。随着冻结时间和冻融循环次数的增加，渗流孔的比例逐渐上升，而吸附孔的比例逐渐降低。煤体的总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度随着液氮冻结时间和冻融循环次数的增加而增加。通过核磁共振测试结果表明在相同液氮冻结时间下，冻融循环对煤体孔隙结构的损伤程度大于单一冻结的效果。　　②煤体孔隙的核磁分形维数根据流体的状态和孔径大小可分为5种。通过对煤体孔隙的核磁分形维数计算表明，煤体的吸附孔分形维数Da小于2，不具有分形特征。总分形维数Dw、束缚流体分形维数Dir、自由流体分形维数Df和渗流孔分形维数Ds均随着液氮冻结时间和冻融循环的次数的增加而减小，表明液氮冻结和冻融循环能够减弱孔隙的非均质性，造成孔隙分布均匀，有利于煤层气的解吸、扩散和渗流。　　③经过液氮冻结和冻融循环后煤样的总孔容与原始煤样相比有一定程度的增加，孔容的变化主要集中在煤样的中孔和大孔的部分。煤样的比表面积随着液氮冻结时间和冻融循环次数的增加而逐渐增大，通过对比各类孔比表面积比例变化表明，煤样的孔隙发生从小孔向中孔和大孔转化，导致煤样中孔和大孔的比例上升。　　④液氮冻融的过程中，煤体微观和宏观结构的损伤是一个累加的过程。孔隙的密集程度随着液氮冻结时间和冻融循环次数的增加而增大，孔隙之间相互连接并最终形成微裂隙，导致煤样原生裂隙的长度和宽度增加，造成煤样纵波波速降低。在热应力和冻胀力的作用下，原生裂隙逐渐扩展连通并产生次生裂隙。煤样的裂隙结构由单一裂隙扩展连通形成裂隙网络，从而为煤层气的运移提供空间。　　⑤煤样经过液氮冻结和冻融处理后，煤样的有效承载面积减小，导致煤样的力学强度和弹性模量降低。煤样在单轴加载过程中的最大声发射振铃数和累积声发射振铃计数随着液氮冻结时间和冻融循环次数的增加而逐渐减少，煤样的声发射幅值在单轴加载过程中的压密、弹性变形和屈服阶段增大，而在破坏阶段减小。煤样在单轴加载过程中的总能量，弹性势能和耗散能随着液氮冻结时间和冻融循环次数的增加呈现出下降趋势。　　⑥恒定围压和不同瓦斯压力条件下，煤样的渗透率、渗透率增量和相对渗透率增加速率随着液氮冻结时间的和冻融循环次数增加而增加，经过360min和12次冻融循环后，煤样的渗透率相对原煤的渗透率分别增长了125.7%和228.2%。恒定瓦斯压力和不同围压条件下，经过液氮冻结和冻融循环后煤样的渗透率也显著高于原煤的渗透率。液氮冻融循环对煤体渗透率的改善效果要显著大于液氮冻结的改善效果，在实际运用液氮冻融致裂增渗煤体的过程中，可采取适当增加液氮冻融循环次数以产生更好的增渗效果。

目录

1 绪 论

1.2 国内外研究现状

1.2.1 低渗煤层增透方法研究现状

1.2.2 冻融循环对岩石损伤研究现状

1.2.3 液氮冻融致裂增透煤体研究现状

1.3 研究内容

1.4 技术路线

2 液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律

2.1 概述

2.2.1 煤体孔隙结构的分类

2.2.2 煤体孔隙结构的测试方法

2.2.3 压汞法

2.2.4 核磁共振技术原理及测量

2.2.5 综合测试方法

2.3.1 实验方案

2.3.2 液氮冻融前后煤样T2谱的变化

2.3.3 液氮冻融前后孔隙度和截止值变化

2.3.4 液氮冻融煤体孔隙核磁分形维数研究

2.4.1 实验方案

2.4.2 液氮冻结和冻融循环对孔隙形态的影响

2.4.3 液氮冻结和冻融循环对孔径分布的影响

2.5 本章小结

3 液氮冻融煤体裂隙结构损伤演化规律

3.1 概述

3.2 液氮冻融下煤体宏观裂隙演化

3.3 液氮冻融对煤体传波特性的影响

3.4 液氮冻融下煤体微观裂隙演化

3.5 液氮冻融下煤体内部裂隙演化

3.5.1 CT扫描技术原理

3.5.2 实验方案

3.5.3 煤体内部裂隙结构演化

3.6 液氮冻融下煤体核磁共振成像

3.6.1 核磁共振成像技术原理

3.6.2 核磁共振成像后处理

3.6.3 核磁共振成像试验结果与分析

3.7 本章小结

4 液氮冻结煤体温度分布特征及破坏机制分析

4.1 概述

4.2 液氮冻结煤体的温度分布特征

4.3.1 热应力损伤作用

4.3.2 冻融作用

4.4 本章小结

5 液氮冻融煤体力学性质，声发射及能量演化特征研究

5.1 试验样品制备及方案设计

5.2 液氮冻结和冻融循环作用下煤体的力学演化特征

5.3 液氮冻结和冻融循环作用下煤体的声发射演化特征

5.4 液氮冻结和冻融循环作用下煤体的能量演化特征

5.5 本章小结

6 液氮冻融煤体的渗透率演化特征

6.1 试验方法

6.2 不同瓦斯压力下煤体的渗透率分析

6.3 不同围压下煤体的渗透率分析

6.4 本章小结

7 结论及展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 后续研究工作及展望

参考文献

附录

A．作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B．作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况

C．作者在攻读博士学位期间申请的专利

致谢