煤炭学报

作者：王和堂, 王辉, 谭江龙, 王豪杰, 杨景皓, 何军,

关键词：液态CO₂–水, 循环作用, 孔隙结构, 力学特性, 物理改性, 减尘效应,

煤层注水是预防煤矿粉尘危害的主动性、治本性措施，也是防治瓦斯突出、冲击地压等灾害的重要手段之一。但我国大量煤层具有高地应力、低孔隙率、低渗透性的特点，传统方法和技术面临水注入难、注水周期长、煤体假性润湿等瓶颈。为此，利用液态CO2具有的低温冷冻、高渗透性、相变自增压、酸化解堵等优异特性，提出液态CO2–水循环作用致裂增润煤体的新思路，研制了液态CO2循环冷浸试验系统，联合低场核磁共振仪研究了液态CO2–水循环作用对煤孔隙结构的影响规律，联用电液伺服压力实验机探究了循环作用对煤体力学特性的改变机理，运用截齿破碎煤岩产尘试验系统研究了循环作用后煤体破碎过程的产尘特性。结果表明：液态CO2–水循环作用使煤体有效孔隙度(\varphi _\mathrmNF)增加，增幅与循环作用次数呈正相关，煤体内部束缚流体变少，自由流体增多，T2截止值(T2cutoff)随之降低，结合分形理论发现基于渗流孔隙的分形维数Ds具有明显的分形特征，煤体原生孔隙经历了“扩容”的过程，微裂隙与原始裂隙形成贯通，循环作用增强了有效渗流通道连通性，优化了煤的孔隙网络与渗流条件。随着循环次数的增加，煤的最大应力\sigma _\mathrmc呈指数衰减至4.93 MPa，应变\varepsilon _\mathrmc线性增加至2.29×10–2，煤的抗压强度减弱，变形能力增加，循环作用改变了煤基质间联结状态，产生的冻胀力对煤体施加挤压作用加剧了裂隙的扩展，脆性指数B_5最大降幅为34.71%，显著减弱了煤体脆性，具有了更好的抗动载荷或冲击能力；煤体对外加能量的存储能力弱化，改变了煤在截割过程中的破坏形式，试验条件下煤体破碎过程全尘产尘率降低了74%，呼吸性粉尘占比下降至2%，大幅减弱了粉尘危害性。

来源：2024年第3期

《煤炭学报》期刊编辑部

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