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【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(yàn)研究

時(shí)間:2019-9-12 閱讀:2921
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【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(yàn)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(jìn)行檢測,進(jìn)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(yàn)方法

1.試驗(yàn)煤樣制備

試驗(yàn)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(yàn)主要設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備流程

3.試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程

試驗(yàn)主要流程圖

試驗(yàn)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

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

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(kuò)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

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(jìn)行分段統(tǒng)計(jì),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

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(kuò)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(yùn)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

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(qiáng),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(dòng)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

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(shí)驗(yàn)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(kuò)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(xiàn):
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(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2017,45(06):24-29.

紐邁小編:小K.歡迎留言,索取原文!
 

推薦儀器:

核磁共振納米孔隙分析儀NMRC12-010V
 

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