液態(tài)CO2溶浸煤體孔裂隙演化特征的實(shí)驗(yàn)研究

文虎 劉名陽(yáng) 樊世星 魏高明 劉蔭 郝建池 程小蛟 王虎

摘 要：為研究煤層在液態(tài)CO2溶浸作用下煤體孔裂隙的演化特征，設(shè)計(jì)液態(tài)CO2溶浸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選取3種不同煤質(zhì)的煤樣，干燥后對(duì)其進(jìn)行液態(tài)CO2溶浸實(shí)驗(yàn)，在一定壓力溫度下溶浸30 min，通過(guò)掃描電鏡和核磁共振測(cè)試方法對(duì)溶浸前后的煤樣進(jìn)行觀測(cè)，基于分形理論和T2譜分布方法定量地對(duì)煤體孔裂隙進(jìn)行分析，分形理論分析得出：3種煤樣分形維數(shù)均為增大趨勢(shì)，且直線擬合系數(shù)均大于0.967;T2譜分布分析得出經(jīng)液態(tài)CO2溶浸后，吸附孔T2譜面積增長(zhǎng)率分別為15.9%，38.1%，29.1%;滲流孔增長(zhǎng)率分別為11.9%，55.7%，61.1%;全孔T2譜面積分別增加24.7%，54.6%，56.1%.結(jié)合滲透率理論模型計(jì)算1/3焦煤、氣煤和褐煤滲透率分別提高了

556%，13.79%和14.80%.液態(tài)CO2溶浸可有效促進(jìn)煤體裂隙發(fā)育，有利于提高煤體的滲透性。關(guān)鍵詞：液態(tài)CO2;溶浸;孔裂隙;掃描電鏡;核磁共振;滲透率中圖分類(lèi)號(hào)：TD 712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）06-0935-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0601開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Experimental study on variations of pore-fissure in

coal-rock leached by liquid CO2

WEN Hu1，2，LIU Ming-yang1，2，F(xiàn)AN Shi-xing1，2，WEI Gao-ming1，2，

LIU Yin1，2，HAO Jian-chi1，2，CHENG Xiao-jiao1，2，WANG Hu1，2

（1.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to study the evolution characteristics of coal pore-fissure under the treatment of liquid CO2（L-CO2），the experimental system of liquid CO2leaching was designed.Three kinds of coal samples with different coal quality were selected，after drying the experiment was carried out at a certain pressure and temperature for 30 min treatment.The coal samples before and after liquid CO2 treatment were observed by means of scanning electron microscope and nuclear magnetic resonance.According to the analysis of fractal theory and T2 spectrum，the paper quantitatively analyzed the pore-fissure of coal body.The fractal theory analysis shows an increasing trend in the fractal dimension of three kinds of coal samples，and the linear fitting coefficient is greater than 0.967.T2 spectrum analysis indicates that the area growth rate of adsorption pore T2 spectrum are 15.9%，38.1% and 29.1%，and the seepage pore growth rate are 11.9%，55.7% and 61.1% respectively.The total pore T2 spectrum area grows by 24.7%，54.6% and 56.1% respectively.Calculation based on permeability theory model obtains the permeability of 1/3 coking coal，gas coal and lignite rise by 5.56%，13.79% and 14.80% separately.The relationship between permeability increment and coal rank after leaching indicates that the lignite is superior to gas coal，and the gas coal is superior to 1/3 coking coal，which is consistent with the analysis of effective porosity.The results of experiment show that the liquid CO2 leaching can effectively promote the development of coal fractures，possible to improve the permeability of coal.

Key words：liquid CO2;leaching;pore-fissure;scanning electron microscope;nuclear magnetic resonance;permeability

0 引 言

我國(guó)煤層氣資源豐富，但具有滲透率低、瓦斯壓力大及強(qiáng)吸附性的特點(diǎn)，致使瓦斯抽采效率低，瓦斯治理難度大[1-2]。如何提高煤層滲透率，疏通滲流通道，提高瓦斯抽采率一直是瓦斯抽采和災(zāi)害防治的研究重點(diǎn)[3]。國(guó)內(nèi)外先后提出了多種提高煤層滲透性的技術(shù)方法，如爆破致裂、液態(tài)CO2相變致裂、水力壓裂、超臨界CO2改造煤層等，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果仍不理想[4-9]。

近年來(lái)，液態(tài)CO2對(duì)煤體的內(nèi)部孔隙特性及煤層滲透性的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者也獲得一些成果。文虎等開(kāi)展了煤層注液態(tài)CO2壓裂增透現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究煤層壓裂過(guò)程裂隙擴(kuò)展規(guī)律，得出煤層注液態(tài)CO2有效壓裂半徑范圍及裂隙擴(kuò)展形式及壓裂孔周?chē)后w受到CO2作用產(chǎn)生裂隙發(fā)育初期擴(kuò)展較快，延伸速度逐漸降低[10]。張東明等建立了液態(tài)CO2相變氣體射流壓力模型，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了不同地應(yīng)力及射流壓力條件下液態(tài)CO2相變射孔破巖及裂隙分布特征，可有效提高低滲煤層瓦斯抽采效率[11]。梁衛(wèi)國(guó)等研究發(fā)現(xiàn)超臨界CO2在煤巖體中的滲透性遠(yuǎn)高于其在常態(tài)下的滲透性[12]。岳立新等對(duì)超臨界CO2作用下煤體的滲透性變化進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究，研究了CO2在不同溫度、壓力下密度和黏度的變化對(duì)煤層滲透性的影響，通過(guò)CT成像技術(shù)觀察煤體微觀結(jié)構(gòu)的變化。煤體經(jīng)超臨界CO2作用后，煤的滲透率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，煤體微觀孔、裂隙較增透前尺寸明顯增大[13]。高莎莎等研究煤中礦物質(zhì)與CO2反應(yīng)引起的煤層滲透率隨時(shí)間變化以及滲透率的改善效果。得出煤體滲透率隨CO2注入時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，滲透率變化量最大值出現(xiàn)在注入CO2后的1.75個(gè)月左右，煤儲(chǔ)層中注入CO2對(duì)中等原始滲透率的煤層改善效果較好[14]。文虎等采用壓汞法測(cè)試了煤樣溶浸前后的孔容分布，分析了低溫液態(tài)CO2溶浸作用下煤體的損傷特性，給出了液態(tài)CO2溶浸煤體后大孔孔容增加，中、小、微孔孔容減小，溶浸過(guò)程中存在微孔→小孔→中孔→大孔的轉(zhuǎn)化定性分析[15]。以往研究的主要成果主要集中在致裂增透和驅(qū)替置換煤層瓦斯，并在試驗(yàn)及理論方面均取得了很大進(jìn)展，在液態(tài)CO2對(duì)煤體內(nèi)部孔隙特征及煤層滲透性影響的研究較少。液態(tài)CO2可以改變煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，受液態(tài)CO2低溫?fù)p傷及相變?cè)鰤旱淖饔?，促使煤基質(zhì)收縮變形[16]，產(chǎn)生新的裂隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)，在一定程度上提高了多孔介質(zhì)的有效孔隙度[17]，增大了煤體裂隙面積，改善滲透性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)液氮吸附法、X射線測(cè)試、聲發(fā)射技術(shù)、壓汞法、CT掃描測(cè)試、掃描電鏡測(cè)試和核磁共振等實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法來(lái)研究煤層微觀孔裂隙特征 [18-21]。不同測(cè)試方法在研究煤巖裂隙時(shí)均存在局限性，高壓壓汞法需考慮高壓對(duì)煤的彈性壓縮效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有可能會(huì)破壞煤的原生孔隙系統(tǒng)[22]，造成測(cè)量結(jié)果的不確定性;低溫氮吸附技術(shù)不能測(cè)試孔徑大于300 nm的孔隙;CT技術(shù)由于分辨率的限制無(wú)法有效應(yīng)用于納米孔隙分析;聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)適合監(jiān)測(cè)裂隙變化過(guò)程，但難以將內(nèi)部孔隙變化量化。核磁共振技術(shù)（NMR）對(duì)煤巖中孔隙流體反應(yīng)敏感，通過(guò)核磁共振弛豫來(lái)獲取巖石孔隙分布及孔隙結(jié)構(gòu)特征、滲透率等信息，具有快速、無(wú)損、直觀觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合掃描電鏡測(cè)試方法具有極高的放大倍數(shù)、分辨率，圖像立體感強(qiáng)，清晰度高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別及類(lèi)型的孔隙觀測(cè)，定量、半定量煤孔隙的描述和表征[23-24]。因此，文中設(shè)計(jì)液態(tài)CO2溶浸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同礦區(qū)煤樣進(jìn)行溶浸實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)掃描電鏡（SEM）和核磁共振（NMR）實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，定量研究煤體液態(tài)CO2溶浸作用下表面裂隙和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化，為研究液態(tài)CO2溶浸作用下煤體孔裂隙演化特征、提高煤層滲透性提供理論基礎(chǔ)。

1 煤樣制備與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 煤樣選擇

實(shí)驗(yàn)選用的3種煤分別取自淮南礦業(yè)集團(tuán)潘

三煤礦（13-1#煤）、山東兗礦集團(tuán)趙樓煤礦（3#煤）、新疆哈密大南湖礦（3#煤），煤樣均取自掘進(jìn)巷道，用袋子包裝好，煤樣結(jié)構(gòu)均為原生結(jié)構(gòu)煤，取樣直徑為10 mm，高度為20 mm，然后對(duì)初步鉆取的煤樣進(jìn)行物性測(cè)試，通過(guò)物性測(cè)試選擇相似的樣品。3種煤樣試件的基本參數(shù)和工業(yè)分析見(jiàn)表1.

為研究液態(tài)CO2溶浸前后對(duì)煤體微觀結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)采集的煤樣破碎后，選取1～1.5 cm3大小的立方體塊煤樣用200目的細(xì)砂紙進(jìn)行打磨和拋光，以去除煤表面的雜物。在進(jìn)行導(dǎo)電處理之后將其放入掃描電鏡腔體進(jìn)行表面裂隙觀察。觀察結(jié)束后，將煤樣用200目的金屬網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，然后進(jìn)行液態(tài)CO2溶浸實(shí)驗(yàn)，重復(fù)以上步驟進(jìn)行溶浸后煤表面裂隙的觀測(cè)。

1.2 液態(tài)CO2溶浸實(shí)驗(yàn)

1.2.1 液態(tài)CO2溶浸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

液態(tài)CO2溶浸系統(tǒng)為自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要由液態(tài)CO2杜瓦瓶、空氣壓縮機(jī)、液態(tài)CO2增壓泵、壓力變送器、溫度變送器、高壓保溫容器、數(shù)據(jù)采集裝置等組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，液態(tài)CO2由杜瓦瓶直接供給，壓力通過(guò)液態(tài)CO2增壓泵實(shí)現(xiàn)，采用智能溫控器對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行采集顯示。

1.2.2 液態(tài)CO2溶浸實(shí)驗(yàn)方案

1）實(shí)驗(yàn)流程。①選擇直徑10 mm、長(zhǎng)度20 mm的6個(gè)柱狀煤樣，對(duì)制備好的煤樣分2組并編號(hào)，將所選取的樣品置于真空干燥箱中干燥48 h，直到室溫下重量沒(méi)有變化;②連接管路系統(tǒng)、增壓泵及高壓容器，在容器2個(gè)出口安裝溫度和壓力傳感器，并與數(shù)據(jù)采集儀連接，實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)溫度和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);③將一組煤樣進(jìn)行液態(tài)

CO2處理前后SEM測(cè)試;④將另一組煤樣進(jìn)行含水率測(cè)試并記錄，進(jìn)行處理前NMR測(cè)試，之后將其放入真空加壓飽水裝置12 h，將經(jīng)過(guò)液態(tài)CO2溶浸后的煤樣進(jìn)行NMR測(cè)試，然后進(jìn)行60 min離心，獲取離心狀態(tài)的煤樣，再進(jìn)行煤樣的NMR測(cè)試。

2）實(shí)驗(yàn)條件。液態(tài)CO2溶浸實(shí)驗(yàn)過(guò)程大致可以分為4個(gè)階段：第Ⅰ階段耐高壓容器預(yù)冷階段，第Ⅱ階段增壓階段，第III階段煤樣溶浸階段，第IV階段壓力釋放階段。液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)預(yù)冷、增壓后，將壓力維持在18～20 MPa，溫度在-17～-10 ℃，溶浸時(shí)間30 min后進(jìn)行卸壓。圖2為液態(tài)CO2溶浸過(guò)程中耐高壓容器中溫度和壓力變化情況。

1.3 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)FEI所生產(chǎn)的Quanta 450FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)溶浸前后煤樣表面裂隙進(jìn)行觀測(cè)。該設(shè)備在高真空模式30 kV下分辨率能達(dá)到1.0 nm（SE），低真空模式30 kV下分辨率2.5 nm（BSE），環(huán)境真空度：10～400 Pa，放大倍數(shù)6×1 000 000x.

分形理論能夠表征多孔材料的孔隙分布不規(guī)則度，已被廣泛用于煤孔隙結(jié)構(gòu)的表征。分形維數(shù)越大，說(shuō)明煤孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜;分形維數(shù)越小，則煤表面越光滑。采用計(jì)盒分形維數(shù)可對(duì)煤巖體裂隙分布和貫通性進(jìn)行定量分析[25]。

計(jì)盒分形維數(shù)的計(jì)算過(guò)程如圖3所示，首先獲得煤樣表面掃描電鏡圖片，然后將掃描電鏡圖片通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行二值化處理，緊接著利用邊長(zhǎng)為δ的網(wǎng)格去覆蓋裂隙表面，并且統(tǒng)計(jì)完全覆蓋二進(jìn)制照片所需要的網(wǎng)格數(shù)N（δ），最后在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，利用最小二乘法對(duì)網(wǎng)格數(shù)N（δ）和網(wǎng)格邊長(zhǎng)進(jìn)行回歸分析[26]，回歸方程如式（1）

D=-lim

δ→0

ln（N（δ））

ln（δ）

（1）

式（1）也可以改寫(xiě)成式（2），如下

ln（N（δ））=-D·lnδ+const

（2）

在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下繪制ln（δ）和ln（N（δ））的關(guān)系圖。由式（2）可得，D即為直線的斜率。

1.4 核磁共振（NMR）實(shí)驗(yàn)測(cè)試

核磁共振測(cè)試采用MicroMR60核磁共振巖芯分析儀。溶浸過(guò)程中，煤樣分別在真空壓力為-0.1 MPa真空飽水裝置中飽和12 h，在離心機(jī)中離心60 min，以獲取飽水和離心2種含水狀態(tài)。

將液態(tài)CO2溶浸前后的煤樣分別進(jìn)行核磁共振測(cè)試，得到溶浸前后3種煤樣的T2分布。可獲取煤樣孔隙中的不同孔隙分布特征及連通性。橫向弛豫時(shí)間T2和孔徑r的關(guān)系可表示為[27]

1T2=ρ

SV

pore=Fs·

ρr

（3）

式中 T2為橫向弛豫時(shí)間，ms;ρ為橫向表面弛豫強(qiáng)度，μm/ms;S為煤樣品表面積，μm2;V為煤樣品孔隙體積，μm3;Fs為孔隙形狀因子，一般對(duì)于球狀孔隙Fs=3，柱狀孔隙Fs=2，裂隙Fs孔隙體積=1;r為孔徑。上式可轉(zhuǎn)換為

r=T2·FS·ρ

（4）

據(jù)式（4）煤中孔徑r與T2呈正相關(guān)，T2曲線幅值與對(duì)應(yīng)孔徑數(shù)量也是正相關(guān)。T2越長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的孔徑越大，T2越短則相應(yīng)的孔徑越小，T2分布反映了煤樣孔隙大小分布規(guī)律，而不同峰值面積則表示不同孔徑的數(shù)量。對(duì)于同一變質(zhì)程度和孔徑的煤，F(xiàn)s和ρ可以認(rèn)為是常數(shù)，中低階煤的橫向表面弛豫強(qiáng)度ρ取0.98×10-8～5×10-8 m/ms[28]。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

2.1 掃描電鏡（SEM）測(cè)試分析

圖4為液態(tài)CO2溶浸前后煤樣表面放大2 000倍的掃描電鏡圖像，由圖可得液態(tài)CO2溶浸前煤樣表面裂隙分布較少，且大部分是單一裂縫。經(jīng)過(guò)30 min液態(tài)CO2溶浸后，出現(xiàn)了煤樣的原始裂隙有效容積變大。在煤樣表面沿著煤體割理方向產(chǎn)生平行于原始裂隙的新生裂隙，煤基質(zhì)骨架收縮變形產(chǎn)生新的裂隙，裂隙逐漸演化成裂隙網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合圖4溶浸前后的掃描電鏡圖像，應(yīng)用計(jì)盒維數(shù)的計(jì)算方法，分別得出不同煤樣的分形維數(shù)，如圖5及表2所示。經(jīng)過(guò)液態(tài)CO2溶浸后，3種煤樣表面分形維數(shù)均出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，其中潘三1/3焦煤分形維數(shù)由1.64增加至1.69，趙樓氣煤由1.47增加至1.58，大南湖褐煤由1.26增加至1.41.圖中各直線擬合系數(shù)均大于0.966，說(shuō)明分形理論可較好地表征液態(tài)CO2溶浸煤巖的孔隙變化特征。發(fā)生上述現(xiàn)象的主要原因：①煤中基質(zhì)經(jīng)過(guò)液態(tài)CO2溶浸后，在溫度變化過(guò)程中遇冷收縮，裂隙表面產(chǎn)生拉應(yīng)力發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致裂隙的有效容積擴(kuò)大;②煤基質(zhì)在冷卻作用下形成溫度應(yīng)力，在煤體的孔隙表面及內(nèi)部形成一定的應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)溫度應(yīng)力達(dá)到煤基質(zhì)破壞極限時(shí)，基質(zhì)失穩(wěn)擴(kuò)展，形成更多的裂隙。由此促使新生裂隙的生成，裂隙數(shù)量增多，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，使裂隙連通性加強(qiáng)，滲透性增大。通過(guò)分形維數(shù)的計(jì)算分析，3種煤樣表面分形維數(shù)均出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，表明裂隙形態(tài)增多，裂隙比表面積增大。這些現(xiàn)象均有利這在一定程度上說(shuō)明了液態(tài)CO2溶浸作用增加了煤

體內(nèi)部氣體運(yùn)移通道，將一些無(wú)效孔隙轉(zhuǎn)化為有效孔隙，形成了裂隙網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高煤體滲透性[29-30]。

2.2 核磁共振（NMR）測(cè)試分析

結(jié)合公式（4）得出3種煤樣液態(tài)CO2溶浸前后飽水和離心2種狀態(tài)下橫向弛豫時(shí)間T2變化趨勢(shì)，如圖6所示。姚艷斌、謝松彬等研究發(fā)現(xiàn)，煤中孔裂隙若按孔徑大小分為吸附孔（微小孔，<0.1 μm）、滲流孔（中大孔0.1～100 μm）和裂隙（>100 μm）[31-32]。在本次測(cè)試中，在典型T2譜中能夠識(shí)別出3類(lèi)孔裂隙，其中微小孔T2譜峰主要分布在T2=0.3～0.6 ms，中大孔T2譜峰主要分布在T2=30～90 ms，裂隙T2譜峰則主要分布在T2>100 ms段，根據(jù)YAO等對(duì)煤孔徑的分類(lèi)，圖中T2譜中第1個(gè)峰對(duì)應(yīng)煤樣內(nèi)的瓦斯吸附孔，第2個(gè)峰對(duì)應(yīng)煤體中的滲流孔，第3個(gè)峰對(duì)應(yīng)煤體中的裂隙[33]。煤中孔隙直徑和橫向弛豫時(shí)間成正比關(guān)系，T2值越大對(duì)應(yīng)煤中孔隙越大，T2值越小對(duì)應(yīng)的孔徑越小。因此，可以從T2值的分布推測(cè)煤樣孔徑大小的分布規(guī)律。

對(duì)比液態(tài)CO2溶浸前后煤中孔隙的分布可得：溶浸后3種煤樣T2譜中所對(duì)應(yīng)的3個(gè)峰幅值均增加，各峰所對(duì)應(yīng)的峰面積也增大，個(gè)別煤樣起止弛豫時(shí)間出現(xiàn)不同程度外擴(kuò)，這說(shuō)明液態(tài)CO2溶浸后煤中各種尺寸孔隙呈現(xiàn)出不同程度的增加，煤樣中出現(xiàn)新生裂隙，這與掃描電鏡中所觀測(cè)的結(jié)果相一致。

分別對(duì)3種煤樣飽和狀態(tài)下的T2譜圖進(jìn)行積分求面積核磁共振T2譜峰的面積代表了所對(duì)應(yīng)的孔徑的孔隙數(shù)量，核磁共振T2譜的全部面積可以認(rèn)為是煤樣內(nèi)部的全部孔隙的體積[21]，結(jié)果見(jiàn)表3.3種煤樣經(jīng)過(guò)液態(tài)CO2溶浸后，吸附孔T2譜面積分別增加57.67，252.59，193.44，吸附孔T2譜面積增長(zhǎng)率分別為15.9%，38.1%，29.1%;對(duì)瓦斯運(yùn)移起主要影響作用的滲流孔T2譜面積分別增加6 280.31，6 027.72，2 242.51，滲流孔面積增長(zhǎng)率分別為11.9%，55.7%，61.1%;全孔T2譜面積分別增加13 111.83，6 280.31，2 434.08，全孔面積分

別增加24.7%，54.6%，56.1%.3種煤樣溶浸前后吸附孔占比分別由6.82%，5.77%，15.34%降至634%，5.15%，12.65%，而滲流孔面積占比則從93.16%，94.22%，84.66%上升至93.65%，9485%，87.34%.煤層經(jīng)過(guò)液態(tài)CO2溶浸后，有新生的孔隙出現(xiàn)，孔隙由微小孔隙向中大孔發(fā)展，有相互溝通裂隙網(wǎng)絡(luò)。滲流孔的增加有利于煤層瓦斯?jié)B流擴(kuò)散，有助于提高煤層的滲透性。同時(shí)液態(tài)CO2溶浸作用對(duì)不同變質(zhì)程度的煤體損傷效果不同，由于本次研究所取煤樣較少，不能完全反映不同變質(zhì)程度的影響效果。

3 液態(tài)CO2溶浸作用對(duì)滲透率影響

為了研究液態(tài)CO2溶浸煤體對(duì)滲透率的影響，通過(guò)對(duì)不同煤樣進(jìn)行液態(tài)CO2溶浸，觀測(cè)煤樣表面及內(nèi)部孔裂隙的變化，評(píng)價(jià)液態(tài)CO2溶浸作用對(duì)瓦斯?jié)B流孔和全孔隙的改造效果。滲透率常用的經(jīng)典表達(dá)式有2種，第1種表達(dá)式采用自由流體模型（Coates模型），孔隙尺寸參數(shù)一般通過(guò)T2cutoff體現(xiàn)，該值由FFI和BVI的比值確定，其中BVI為束縛水系數(shù)，F(xiàn)FI為自由水系數(shù)。另一種表達(dá)式是采用T2平均值或SDR模型，孔隙尺寸的輸入?yún)?shù)是弛豫譜的幾何平均值T2gm[34]。

3.1 自由流體模型（Coates模型）

自由流體模型（Coates模型）是基于Timur-Coats方程推導(dǎo)得的，Timur-Coats方程的表達(dá)式如下[35]

k1=a·m·

FFIBVI

n

（5）

基于Timur-Coats模型，目前也有學(xué)者通過(guò)回歸分析，提出修正的自由流體模型，表達(dá)式如下[34]

k2=0.05×

（Ta2gm）0.235·

NFNB

3.365

（6）

式中 為煤巖的總孔隙率;a，m，n為與煤巖質(zhì)量性質(zhì)有關(guān)的系數(shù);NF和NB分別為有效孔隙率和殘余孔隙率;Ta2gm為離心狀態(tài)下煤巖的幾何平均值。

3.2 T2平均值模型（SDR模型）

T2平均值模型（SDR模型）也有幾種表達(dá)方式，其中一種常用的表達(dá)方式如下[28]

k3=a·m·（Tb2gm）n

（7）

式中 a，b，m和n為與煤巖質(zhì)量性質(zhì)有關(guān)的系數(shù);為煤巖總孔隙率;

Tb2gm

為飽和水煤樣的T2幾何平均值。修正的SDR模型可表示如下[36]

k4=0.022 4×

（Ta2gm）0.182

×

（Tb2gm）1.534

（8）

式（6）、式（7）和式（8）中T2的幾何平均數(shù)可以表示為T(mén)2gm

T2gm=exp

T2maxT2s

AiATln（T2i）

（9）

式中 T2max取值104 ms;T2s為T(mén)2弛豫時(shí)間分布曲線初始值;Ai為T(mén)2i曲線譜圖的幅度;AT為T(mén)2譜圖總振幅。

依據(jù)自由流體模型和SDR模型求解，對(duì)經(jīng)過(guò)溶浸前后煤樣的滲透率進(jìn)行估算。圖7為3種煤樣經(jīng)液態(tài)CO2溶浸前后煤樣NMR滲透率變化情況。當(dāng)計(jì)算滲透率小于1 mD時(shí)，Timur-Coates模型評(píng)估誤差較大，而SDR模型具有較好評(píng)估精度[37]。

經(jīng)過(guò)對(duì)溶浸前后煤樣的束縛水孔隙率NB和有效孔隙率NF進(jìn)行了歸一化處理，得到煤樣溶浸前后的孔隙度變化情況，如圖8所示。3組煤樣溶浸前后有效孔隙度分別從39%提升到61%，42%提升到53%，56%提升到70%.由于采用Timur-Coates模型計(jì)算得到的2種滲透率差距較大，對(duì)采用SDR模型所求得的滲透率進(jìn)行分析，在經(jīng)過(guò)液態(tài)CO2溶浸作用，1/3

焦煤、氣煤和褐煤的滲透率分別從0.095 3，0.020 3，0.019 6 mD增加至0.100 6，0.023 1，0.022 5 mD，提高了5.56%，13.79%和14.80%.

4 結(jié) 論

1）通過(guò)SEM觀測(cè)液態(tài)CO2溶浸后，3種煤樣表面均有新生裂隙生產(chǎn)，并生產(chǎn)裂隙網(wǎng)絡(luò)?；诜中卫碚摲治?，1/3焦煤、氣煤、褐煤經(jīng)過(guò)液態(tài)CO2溶浸后，分形維數(shù)分別增加0.05，0.11，0.20，表明煤體裂隙發(fā)育程度增加。

2）液態(tài)CO2溶浸后，通過(guò)核磁共振測(cè)試，煤樣各尺寸孔隙均出現(xiàn)不同程度增加，存在由吸附孔向滲流孔轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，利于瓦斯?jié)B流通道的形成，有助于提高煤層滲透性。

3）液態(tài)CO2溶浸后，3種煤樣殘余孔隙度降低，有效孔隙度和總孔隙度增大，說(shuō)明煤樣內(nèi)部孔隙逐漸連通發(fā)育，逐漸生成尺寸更大的孔隙并相互連通。經(jīng)過(guò)液態(tài)CO2溶浸作用，1/3焦煤、氣煤和褐煤滲透率分別提高了5.56%，13.79%和1480%.

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