1、目 录低透气性煤储层液氮循环冻融煤体孔隙演化规律 .1基于 CFD 的采空区瓦斯抽采下注氮防灭火设计 .15低氧浓度条件下煤氧化燃烧过程的热力学特性 .31砂蜡材料声发射响应规律及裂隙演化特征研究 .43不同受限距离对薄型 PMMA 竖向火蔓延的影响 .56单轴压缩过程中煤体电阻率变化各向异性实验研究 .65煤尘爆炸固态残留物的微观特征研究 .71综放采空区注氮条件下氧化自燃带数值模拟研究 .79发火初期煤田火区地电场特征 .86冻融循环对煤体损伤特性实验研究 .92煤低温氧化过程中羧基反应路径的量子化学计算研究 .102基于 FLUENT 模拟的工作面瓦斯抽采方式及优化布置 .112钻孔围岩
2、破碎区内气固两相流封堵试验研究 .124高瓦斯综采面采空区立体抽采瓦斯下的注氮防灭火模拟 .133邻近隧道爆破对既有隧道安全影响数值分析 .146掘进过程中声发射瓦斯耦合规律研究 .153含瓦斯煤受载损伤演化声发射特性实验研究 .159液压支架立柱外缸开裂失效分析 .1641低透气性煤储层液氮循环冻融煤体孔隙演化规律秦 雷摘 要：煤层气抽采是消除矿井瓦斯灾害、减少温室气体排放和减缓能源短缺的必要措施。由于煤层的低渗透性，实施有效的煤层增透手段尤为重要。基于此，本研究提出一种煤储层液氮循环冻融提高煤层渗透率方法。采用低场核磁共振技术（NMR）对液氮冻融煤样进行 T2 谱图、孔隙类型分类、孔隙演化
3、和孔隙度观测研究。研究发现，随着冻融时间的增加，煤体中各尺寸孔隙逐渐发育，出现更多新尺寸的小孔隙和大裂隙，微小孔隙逐渐发展连通为较大尺寸裂隙，煤体孔隙复杂性和连通性增强；吸附孔、渗流孔和全孔的孔隙数量增长率均与液氮冻结时间正相关。有效孔隙度与液氮冻结时间正相关，残余孔隙度与液氮冻结时间负相关。表明随着冻融时间的增加，煤体的束缚流体空间比例减少，自由流体空间比例增加。电镜结果显示，煤体中最大裂隙宽度由冻结 1min 的 5.56m 扩展到冻结 60min 的 100m，电镜扫描图片的可视化结果和 NMR 定量分析结果具有一致性规律。根据研究结果，本文提出一种循环注液氮冻融致裂煤体抽采煤层气实施方
4、案。关键词：液氮；冻融；致裂；NMR；孔隙；煤层气中图分类号：TD984 文献标识码 ：AThe evolution law of the pores in the coal circularly frozen-thawed by liquid nitrogen in the coal reservoir with low permeabilityAbstract: Coalbed methane (CBM) extraction is an essential procedure for minimizing coal mine gas disasters. CBM extraction a
5、lso reduces greenhouse gas pollution and mitigates energy resource shortages. Effective reservoir stimulation is particularly crucial because coal has low permeability. For these reasons, a new method for enhancing coal porosity and permeability using freeze-thaw cycling using liquid nitrogen (LN2)
6、was proposed. Evolution of fractures and porosity in coal after freeze-thaw using LN2 were evaluated using nuclear magnetic resonance (NMR). After using freeze-thaw on coal, pore sizes were increased and additional pores and fissure were generated. The growth rate of the pores correlated positively
7、with LN2 freezing time. Effective porosity had a positive correlation with freezing time but the correlation for residual porosity was negative. This means the volume of bound fluid in the coal decreased while the amount of free fluid increased. Scanning electron micrographs results indicated that t
8、he maximum fracture width in the coal samples grew from 5.56 m at a Tfreezing = 1 min to 100 m for Tfreezing = 60 min, which matched with the NMR results. This paper also present a conceptual design for a CBM extraction method that uses cyclic LN2 injection based on techniques employed for hydraulic
9、 fracturing.Keywords: Liquid nitrogen; Freeze-thaw; Fracturing; NMR; Pore; CBM1 引言煤层气是煤的伴生物，是中国煤矿主要灾害源，也是不可再生能源和强温室气体。中国煤矿高瓦斯煤层占 50%-70%，目前以每年 10-20m 的开采速度向下延伸，随开采深度的增加，煤层中的瓦斯含量、压力也逐渐增大，煤层气爆炸、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害日趋严重 1；2014 年中国共发生煤层气（瓦斯）事故47 起，死亡 266 人，占据煤矿事故总数和死亡总人数的 9.06%和 28.6%。煤层气灾害已成为制约煤矿安全高效生产的第一要素。中国国
10、家安监总局防治煤与瓦斯突出规定要求：高瓦斯矿井必须先抽瓦斯后采煤。瓦斯的高效抽采不仅减少矿井灾害事故保证安全生产，同时高浓度抽采瓦斯及利用对中国能源结构改变具有积极的影响 2。从 20 世纪 50 年代开始，中国开始在高瓦斯和突出矿井推广煤层气抽采技术，煤2层气抽采技术已经取得了很大的进步。但是，中国高瓦斯煤层具有地质构造复杂、微孔隙（10nm，占 65%） 、瓦斯高吸附、低渗透（占 70%煤层 k0.01md）的特点，瓦斯抽采困难，主要靠井下钻孔抽采瓦斯(占 70-80%)。常规井下钻孔抽采瓦斯存在主要问题是：钻孔影响范围小、数量多，工程量大（每个工作面需要数千个钻孔） ，效率低，抽出瓦斯浓
11、度低，难以资源化利用。随着高瓦斯低透气性煤层增透技术研究的深入开展，水力压裂 3,4、水力割缝 5-7等许多水力化措施得到应用，其特点都是用水力作为煤体卸压增透的介质，使煤层产生并发育裂隙，提高瓦斯抽采效果。但是采用水力化措施用水量大，水中的压裂液介质容易污染煤层，同时煤层孔隙中的水易封堵瓦斯解吸，实际抽采效果有时并不理想。因此无水化水力压裂将成为必然的选择 8。冻融现象是自然界中一种常见的物理地质现象，尤其出现在温差变化比较大的物体构造中，如中国青藏高原寒冷地区的公路和建筑物。冻融侵蚀是由于土壤及其母质孔隙中或岩石裂缝中的水分在冻结时，体积膨胀，使裂隙随之加大、增多所导致整块土体或岩石发生碎
12、裂，消融后其抗蚀稳定性大为降低，在重力作用下岩土顺坡向下方产生位移的现象。冻融侵蚀引起的反复融化与冻结，导致土体或岩体的破坏、扰动、变形甚至移动，造成物体构造的严重破坏。M. Ishikawa 等 9对日本北部某山顶部悬崖基岩的裂隙宽度和内部温度进行了一个月的监测，液态水在裂隙尖端冻结膨胀是引起裂隙扩展和破坏最重要的因素。A.Hasler 等 10对瑞士山体岩石滑坡行为进行了现场监测，发现裂隙扩展长度随温度的降低而增加，岩体的剪切膨胀主要是在冻融季节出现。同时，在冻融煤岩试样孔隙结构分析方法方面也开展了很多有效的探索。Yao 等 11研究发现，低场核磁共振技术在区分有效孔隙度和残余孔隙度，以及
13、分析孔隙结构方面具有优势。Cai 等 12,13通过核磁共振测试液氮冻结后的砂岩和煤体，指出液氮对煤体的冻结损伤大于对岩石的损伤，液氮冻结后的煤体孔隙度和渗透率增加且力学强度降低，并且损伤程度随含水率增加而增大 14。G. P. Davidson 和 J. F. Nye15在有机玻璃表面预制了一个狭槽，利用光弹性技术测得水在该狭槽中冻结产生的最大冻胀冰压力为 1.1MPa，裂隙中的冻胀水压力随冻结率几乎呈线性关系。对于饱和岩体，水冰相变大约产生 9%的体积膨胀，如果不考虑岩体的承压能力，理论上能够产生高达 207 MPa 的冻胀力 16。T. Sandstrm17、杨更社 18、徐光苗19,2
14、0等通过岩石冻融试验指出冻融循环次数对孔隙介质吸水量、岩体损伤裂隙发育、水分迁移和岩体力学强度有重要影响，张慧梅 21,22、J. P. McGreevy 和 W. B. Whalley23指出，岩体中的初始含水率决定岩体冻胀损伤程度，其水分含量会随着冻融循环次数、冻结时间变化而波动，工程实际情况下应该考虑岩体中水分含量变化对冻融损伤的影响。周科平等 24利用核磁共振技术对冻融前后 2 种颗粒花岗岩进行了检测，岩体经历多次冻融循环后会引起结构损伤。李杰林等 25基于核磁共振技术对经历多次冻融循环后的岩石孔隙行了测试，孔隙率随着冻融循环次数增加而增大。杨更社等 26 27对不同冻结温度和冻结速率
15、下的岩体进行了 CT 扫描，指出环境系统和岩石本身的结构构造、物理力学性质的差异会导致相同冻结温度对岩石的冻胀损伤的扩展作用不同，强度较高、孔隙贯通程度低的硬砂岩容易受到冻结速率的影响。在常压下，液氮温度可达-196，汽化潜热为 5.56kJ/mol，1 m3 的液氮可以膨胀为 696m3 的 21纯气态氮，汽化时可吸收周围大量热量。液氮具有制备简单、原料来源广泛等优点，在煤体冻融循环中液氮可作为一种高效的制冷和增透介质。本文基于冻融侵蚀和水冰相变的膨胀性，将煤层注水压裂和液氮循环冻融方法相结合，提出了液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法。本文采用低场核磁共振技术对液氮冻融煤样进行 T2 谱图、孔隙类
16、型分类、孔隙演化和孔隙度观测研究，并结合扫描电镜技术对液氮冻融过程中煤体微观裂隙演化规律进行定量分析，系统开展了低透气性煤储层液氮循环冻融煤体孔隙演化规律研究。希望把冻融循环应用于煤层增透抽采煤层气中，促使煤体裂隙发育，增加煤层透气性，从而达到高效抽采煤层瓦斯的效果。2 试样制备和实验方法2.1 试样制备本实验中，煤炭样品取自中国内蒙古胜利煤田，煤质为低变质煤，煤体结构为原生结构煤，通过钻机钻取直径为 25mm，高度 50mm 的煤样，为保证样品的统一性，同一试验条件下的样品均取自同一块煤炭，如图 1；煤炭样品初始含水量等参数见表 1。表 1 煤样参数3Table 1 Sample numbe
17、r and parameters编号 孔隙度(%)含水率 (%) Vp(ms-1)编号 孔隙度(%)含水率 (%) Vp(ms-1)TN-1 17.1 13.5 946 TN-30 12.4 9.6 946TN-5 17.1 13.3 1111 TN-40 17 13.7 1013TN-10 16.8 12.9 1073 TN-50 15.9 12.6 1040TN-20 18 14.2 1020 TN-60 13.9 11.0 1000注：TN-1 表示样品在液氮中冻结 1min 室温下融化 1min（1 次冻融循环） ，V P 为煤样超声波纵波波速。图 1 煤样制备及试验流程图Fig. 1
18、 Sample preparation and experimental procedures2.2 试验设备本研究涉及的主要设备包括：液氮冻融试验系统，包括液氮冻融试验箱 DN300，双通道温度监视器 TM201-2、静态应力应变测试分析系统 DH3818-1、自增压液氮罐 YDZ-50；核磁共振岩芯分析仪，上海纽迈电子科技有限公司 MR60 核磁共振成像分析系统，设备主磁场为0.51T， H 质子共振频率为 21.7MHz，射频脉冲频率为 1.049.9 MHz，磁体控温 25 35，磁体均匀度为 12.0 ppm，射频功率 300W；美国 FEI 制造商生产的 FEIQuantaTM25
19、0 型扫描电子显微镜 (SEM)，环境真空模式分辨率：3.5nm 30kV(SE)；放大倍数：6 倍 100 万倍；加速电压：0.2kV30KV；真空干燥箱 DZF-6020，真空饱水装置，岩石离心机。2.3 试验方法和过程（1）将煤样编号，在温度 60 真空压力值为-0.1MPa 真空干燥箱中烘干至恒重（两次测量重量误差不超过 0.1%） ，测量尺寸、重量等参数；（2）煤样在真空压力值为0.1MPa 真空饱水装置中饱和水 12h，取出后测量尺寸、重量等参数；（3）将不同编号样品分别放在液氮冻融试验系统中进行液氮冻结，如图 1，冻结完成后在室温环境下融化；4（4）把各组样品放入真空压力值为0.
20、1MPa 的真空饱水装置中饱水 12h，测量尺寸、重量等参数，然后利用 MR60 核磁共振成像分析系统测试液氮冻融后各组饱水样品的孔隙参数；（5）把各组饱水样品放在离心机中，在离心压力 200Psi 下离心 90min，测量尺寸、重量等参数，除去样品中自由水后，利用 MR60 核磁共振成像分析系统测试各组离心样品的孔隙参数。3 结果和讨论3.1 T2 谱图分析低场核磁共振测试技术，主要通过测量煤岩孔隙中流体的弛豫时间 T2 获取煤样孔隙系统中微小孔、中孔、大孔及裂隙的分布情况、连通性以及煤岩的各种物性参数。核磁共振的横向弛豫时间 T2 和孔径 r的关系可以表示为 28,29：（1）1T2=公式
21、（1）中，T 2 为横向弛豫时间(ms) ， 为横向表面弛豫强度(m/ms)，S 为孔隙表面积(cm 2)，V 为孔隙体积(cm 3)，Fs 为孔隙形状因子(球状孔隙，Fs=3;柱状孔隙， Fs=2，裂隙，Fs=1)，r 为煤样孔径。根据公式（1） ，煤体孔径 r 和核磁共振的横向弛豫时间 T2 的关系可以表示为：（2）=T2根据谢松彬 31研究，中低阶煤炭的横向表面弛豫强度 可取 0.98108 5108 m/ms，在低变质煤的T2 谱图中，第一个峰 T2 截止值在 2.54ms 之间，根据公式（ 2）和图 2 可得第一个峰对应直径为 0.1m 以下孔隙，第二个峰对应直径为 0.1m100m
22、 之间孔隙，第三个峰对应直径大于 100m 的裂隙，根据 Yao等 11对煤孔径的分类，低变质煤 T2 谱图中第一个峰对应煤体中孔隙为微小孔，属于煤层瓦斯的吸附孔（瓦斯吸附容积） ，第二个峰对应煤体中孔隙为中大孔，第三个峰对应煤体中孔隙为裂隙孔，根据陈向军32研究，可把第二个峰和第三个峰对应孔隙划分为渗流孔（瓦斯渗流空间） ，本文在低变质煤 T2 谱图第一个峰弛豫时间截止值处把煤体孔隙分为吸附孔和渗流孔两种。对于同一变质程度和孔径的煤，Fs 和 可认为是常数，设低变质煤微小孔 Fs1* 为常数 a，第 i 时间的弛豫时间 T2i 对应孔径为 ri，则低变质煤 T2谱图中所有孔径 ri 的计算公
23、式可由公式 2 计算得出：（3）=2 (微孔 ) 223 (中孔 ) 23 (大孔 ) 在本文 T2 谱图中，微小孔取值范围为第一个峰对应区间，中孔取值范围为第二个峰对应区间，大孔及裂隙取值范围为第三个峰及其后峰对应区间。根据液氮冻融前后真空饱和水煤样的低场核磁共振检测，得出不同液氮冻结时间下，煤样的 T2 谱图变化趋势，从而分析煤体中不同孔径孔隙随液氮冻结时间的变化规律。由公式（2）可得横向弛豫时间 T2与煤样孔径 r 成正比关系，T 2 越长对应的孔径越大，T 2 越短则相对应的孔径越小，T 2 就可以反映出煤样的孔径大小分布规律，不同峰值面积则表示不同孔径孔隙的数量 30。图 2a)为低
24、变质煤核磁共振 T2 谱图，第一个峰 P1 最高，第二个峰 P2 次之，第三个峰 P3 最小，说明低变质煤中微小孔发育较好，中孔次之，大孔不发育；经过液氮冻融后的煤体，各峰的起止弛豫时间区间宽度增加，T 2 曲线幅值增加，说明煤体经过液氮冻结后，出现更多尺寸的孔隙，各尺寸孔隙的数量也增加。煤体经过液氮冻结1min、10min、30min 和 60min 后，吸附孔 T2 谱面积分别增加 2484、3095、5332、8674，吸附孔 T2 谱面积增长率分别为 19%、31%、43%和 102%；渗流孔 T2 谱面积分别增加 865、1353、1202 和 1886，渗流孔T2 谱面积增长率分别
25、为 46%、39% 、54%和 80%；全孔 T2 谱面积分别增加 3349、4448、6534 和 10560，全孔 T2 谱面积增长率分别为 20%、33% 、45%和 97%。煤体经过液氮冻结后，微小孔、中孔和大孔面积均有增加，随着液氮冻结时间的增加，吸附孔、渗流孔和全孔的孔隙数量和 T2 谱面积增加率均增加，且与液氮冻结时间正相关。在图 2 a）中可知，冻融后 T2 谱图中随着液氮冻结时间的增加第一峰弛豫时间起5始值左移程度越来越大，说明随着冻融时间增加煤体中出现尺寸更小的孔隙；随着液氮冻结时间的增加三个峰 P1、P2、P3 之间界限越来越小，各弛豫时间对应不同尺寸孔隙的数量增加，煤体
26、孔隙复杂性和连通性增强；当冻结时间为 60min 时，各孔隙图 2 冻融时间 T2 谱图及电镜分析Fig. 2 T2 spectra of the freeze-thaw time and SEM analysisT2 谱面积增加率都最大，第三个峰 P3 的 T2 截止值比原始煤样明显增加，说明中孔和大孔逐渐连通生成更大的孔隙。可以得出，随着冻融时间的增加，各尺寸孔隙逐渐发育，出现更多尺寸的小孔隙和大裂隙，微小孔隙逐渐发展连通为较大尺寸裂隙，煤体孔隙复杂性和连通性增强；吸附孔、渗流孔和全孔的孔隙数量和 T2 谱面积增加率均与液氮冻结时间正相关，当煤体冻结达到一定程度，煤体表面出现明显的冻胀裂纹
27、，见图 1。图 2 b 为不同冻结时间的煤样扫描电镜分析结果。取扫描电镜放大 200 倍的不同冻结时间照片分析，电镜照片显示，随着液氮冻结时间的增加煤体中裂隙宽度和裂隙连通程度逐渐增加，煤体经过液氮冻结1min 后裂隙最宽处为 5.56m，经液氮冻结 10min 后裂隙最宽处为 33.33m，经液氮冻结 30min 后裂隙最T2(ms)P1P1P1P1P2P3P2P2P2P3P3P3a) 冻 融 1min2050m冻 融 10min50m20冻 融 30min2050m冻 融 60min2050mb)(中 孔 )渗 流 孔吸 附 孔(微 孔 ) (大 孔 )5.6ma3.mb38.c10md0
28、204060801001200204060801001200204060801001200.01 0.1 1 10 10 100 10002040608010012值值值值余余 余余值 1min值 10min值 30min值 60min6宽处为 38.88m，经液氮冻结 60min 后裂隙最宽处为 100m，可知煤体裂隙宽度随冻融时间的增加而增大。随着液氮冻结时间的增加，煤体中孔隙逐渐发展构成交叉裂隙，图 2 b）中冻融 1min、10min 、30min 和60min 后形成的交叉裂隙分别标记为 a、b、c 和 d，可见随着冻融时间的增加，交叉裂隙数量增多，裂隙越复杂，逐渐形成瓦斯渗流裂隙网
29、，使煤体连通性增加，电镜扫描图片的可视化结果和图 2 a）中 T2 谱面积变化规律具有一致性。3.2 液氮冻融过程中煤体孔隙变化趋势在 T2 谱图中，单位孔隙面积的增长率能很好地定量表达煤体中孔隙数量的增长速率。为了更好地定量分析煤体中孔隙经过液氮冻结后的变化，通过对液氮冻融前后煤体的 T2 谱图分析统计，得出煤体中全部孔隙 T2 谱面积增加率随液氮冻结时间的变化趋势，如图 3 所示。设冻融前后各孔 T2 谱面积变化量为S，全孔 T2 谱面积变化量为S t，时间 t 对应原始煤体孔隙 T2 谱面积为 St，全孔 T2 谱面积增长率为 Dt，见公式（4）和公式（5）：4）=（5）=通过对增长率数
30、据的拟合，得到全孔 T2 谱面积增长率随液氮冻结时间变化拟合曲线，从图 3 可以看出，全孔 T2 谱面积增长率和液氮冻结时间正相关，冻结 1min 后全孔 T2 谱面积增长 19%，冻结 30min 增长 45%，冻结 60min 增长 97%，可以得出经过液氮冻融后煤体孔隙数量是增加的，且增加率随液氮冻结时间的增加而增加。根据时间节点 T1 和 T2 把图 3 划分为（015min ） 、（1535min ） 、（3560min）三个时间区域，其中全孔 T2 谱面积增长率随时间的平均增加速率在区域 和区域分别为 1.38/min 和 1.9/min，在区域的平均增加速率为 0.56/min，
31、即在液氮冻融煤体过程中，煤体中全孔增加率的增长在 T1T2 时间段是缓慢的，表现出随液氮冻结时间先快速增加，后缓慢增加，再快速增加的过程。01020304050602040608010 v=1.9/minv=0.56/minT2T1 R2=0.97余余 S/t (%) 余余min余v=1.38/min图 3 全孔 T2 谱面积增长率趋势Fig.3 The growth rates of the T2 spectral area for all pores根据煤体中孔径大小，把图 3 中 T2 谱图中煤体孔隙分为吸附孔和渗流孔，吸附孔代表煤体中瓦斯的吸附容积，渗流孔代表煤体中瓦斯的渗流扩散空间。
32、设吸附孔 T2 谱面积增长率为 Da，渗流孔 T2 谱面积增长率为 Ds，见公式（6）和公式（7）：（6）=（7）=通过对谱面积中各孔径数量统计分析，得出吸附孔和渗流孔孔隙数量增长率随液氮冻融时间的数据散点图，如图 4。通过对数据的拟合分析，得出吸附孔和渗流孔 T2 谱面积增长率随液氮冻结时间变化拟合曲线，从图 4 中可以看出，吸附孔 T2 谱面积增加率与液氮冻融时间正相关，渗流孔 T2 谱面积增加率随液氮7冻融时间先下降后上升，经过液氮冻融处理后吸附孔和渗流孔孔隙整体数量都增加。液氮冻融时间tt1=12min，吸附孔增加率的增长速率保持较大增长；tt 2=14.5min，渗流孔增加率随时间负
33、相关，14.5min 达到最小增加率，这段时间以吸附孔增加为主，渗流孔增加减弱，表现为前期微小孔发育为主，可以解释为在煤体在 tt2 时间段，吸附孔发育速度大于渗流孔连通速度，在有限空间内，渗流孔隙空间受吸附孔发育压缩变形，表现为渗流孔隙空间的“增长下降”趋势；t 3=23.5mint4=32.4min，吸附孔增加率放缓，渗流孔增加率的增长速率明显提高，表现为微小孔逐渐连通转化为较大孔径的渗流孔；t 2=14.5min t5=48min，渗流孔增加率随时间正相关，渗流孔逐渐发育增多，到 t=48min 时，渗流孔增加率的增长速率达到最大值；t 4=32.4mint6=56min，吸附孔和渗流孔
34、增加率随时间均增加， t6=56min 吸附孔增加率的增长速率达到最大值，t 4t6 表现为吸附孔和渗流孔的同步增加。可知，煤体在液氮冻融中先以微小孔发育为主，随着冻融时间的增加，微小孔隙逐渐发展连通为较大尺寸孔隙，当微小孔隙产生速率不及微小孔隙连通速率时，出现微小孔数量增长的放缓或停滞。当煤体冻结达到一定程度，微小孔隙产生速率大于孔隙连通速率，微小孔隙继续发育并发展连通为更大尺寸的裂隙。在液氮冻融煤体过程中吸附孔 T2 谱面积增长率随时间变化表现为“增长上升-增长放缓- 增长上升” 趋势，渗流孔 T2 谱面积增长率随时间变化表现为“增长下降-增长上升”趋势。01020304050602040
35、608010 t6t5t4t3t2t1余余 余 余余S/t (%) 余余min余R2=0.98R2=0.9图 4 吸附孔和渗流孔 T2 谱面积增长率趋势Fig.4 Growth rate of the T2 spectral area for adsorption, and seepage, pores3.3 孔隙度煤为一种低渗、低透介质，煤层气主要吸附在煤体的吸附容积中，抽采煤层气就需要连通瓦斯吸附空间增大煤体渗透率，裂隙孔的发育程度决定了煤体渗透率的大小。通常把孔隙总体发育程度的指标作为总孔隙度，即煤中全部空隙体积占煤总体积的比例。总孔隙度包括煤中的密闭孔隙度和连通（有效）孔隙度。低场核磁
36、共振 T2 谱分析技术可以准确的测量煤体有效孔隙度 11。通过对煤样饱和水状态分析，得到一个孔隙度分量随弛豫时间变化的 T2 谱，将孔隙度分量随时间累加可得到一个最大值，T 2 谱中累计孔隙度最大值即为煤体总孔隙度 N。然后将煤样放在离心机中，在离心压力 200Psi 下离心 90min，取出后用同样方法可测得煤样的残余孔隙度 NB（表示煤体中含水空间中不能自由流动水空间孔隙度） ，煤体总孔隙度减残余孔隙度可得煤体的有效孔隙度 NF，见公式（8） 、公式（9）和公式（10） 。（8）=+（9）=+（10）=其中， NB 为煤体残余孔隙度， NF 为煤体有效孔隙度， N 为煤体总孔隙度， 为煤体
37、孔隙度增量，pre 为冻融前煤体的有效孔隙度， post 为冻融后煤体的有效孔隙度，BVI 为束缚流体系数由残余水状态下谱面积分数计算得出，FFI 为自由流体系数，BVI+FFI 代表全部流体由饱和水状态下谱面积分数计算得出，如图 5 所示。8图 5 冻融前后孔隙度谱图（1min ）Fig. 5 Porosity spectra of coal samples before, and after, being freeze-thawing for 1 min图 5 为煤样在液氮中冻融 1min 前后的有效孔隙度谱图，图 5 a-1)和 5 b-1)分别为原始煤样有效孔隙度谱图和液氮冻融 1mi
38、n 后煤样有效孔隙度谱图，图 5 a-2)和图 5 b-2)分别表示冻融 1min 前后归一化处理的孔径分布谱图。可利用核磁共振技术区分煤体中孔隙的类型，在 T2 谱中可划分为自由流体和束缚流体两部分，必然存在一个分界值来区分两种流体，定义这个分界值为 T2cutoff，在图 5 1）中给出了 T2cutoff 的确定方法，T 2cutoff 表现在孔径分布图中即可区分煤体中自由流体空间和束缚流体空间，冻融前，煤体中束缚水集中在孔径 0.021m 以下孔隙，液氮冻融 1min 后，T 2cutoff 线左移，束缚水主要集中在孔径 0.011m 以下孔隙，可知，煤体中残余（束缚）水主要集中在微米
39、级以下孔隙，见图 5 2） 。液氮冻融 1min 后，煤体残余孔隙度减小 2.83%，总孔隙度增加 0.95%，有效孔隙度增加 3.8%，T 2 截止值减少，即煤体的束缚流体空间比例减少，自由流体空间比例增加，宏观方面，反映出煤体内部裂隙逐渐连通发育，孔隙度和渗透率增加。煤体经过不同液氮冻融时间表现出不同的孔隙变化，随着液氮冻融时间的增加，渗流孔和吸附孔表现出不同的增长规律。通过核磁共振岩心分析技术对煤体冻融后的孔隙度进行了分析，对不同液氮冻结时间的煤样饱和水和残余水测试，得到不同冻融时间后的煤样孔隙度谱图，如图 6。通过与原始煤样有效孔隙、残余孔隙度和总孔隙度对比发现，煤体总孔隙度、有效孔隙
40、度与液氮冻融时间呈正相关，煤体残余孔隙度与液氮冻融时间负相关。随着冻融时间的加长，孔隙度谱图中各峰界限越来越不明显，各峰间对应尺寸的孔隙数量增加，煤体孔隙复杂性和连通性增强，表现为煤体冻融后总孔隙度和有效孔隙度的增加。9a)c)e)b)d)f)冻 融 5min冻 融 60min冻 融 40min冻 融 20min 冻 融 30min冻 融 10min0.10.1110101010.0.20.40.60.81.01.21.4T2值余T2 余 余余%T2(ms)FIBVI510152025余余%余余余余余余余余T2余 余余 0.10.1110101010.0.20.40.60.81.01.21.4
41、1.6余余余余余 T2值 余余%余T2(ms)FIBVI51015202530余余余余T2余余T2 余 余0.10.1110101010.0.20.40.60.81.01.21.4T2(ms) 51015202530T2值 余余%余余余余余余余余T2余余T2 余 余余% 余余 FIBVI 0.10.1110101010.0.20.40.60.81.01.21.41.6T2(ms)FIBVI510152025T2值 余余%余余余余余余余余T2余余T2 余 余余 0.10.1110101010.0.20.40.60.81.01.21.4T2值 余余%余余余余余余余余T2余余T2 余 余余 余余%T
42、2(ms)FIBVI51015202530 0.10.1110101010.0.20.40.60.81.01.21.4T2(ms)FIBVI51015202530T2值 余余%余余余余余余余余T2余余T2 余 余余 图 6 液氮冻融后孔隙度谱图Fig. 6 Porosity spectra of the coal freeze-thawed by liquid nitrogen通过测试原始煤样和冻融后煤样的饱和水和残余水两种状态，得到不同冻融时间的冻融前后两种有效孔隙度，二者之差定义为有效孔隙度增量 NF，通过饱和水煤样和离心 煤样 称重测出的有效孔隙度增量定义为 NFW。根据不同液氮冻融时间后对应煤样有效孔隙度增量 NF 和 NFW，画出有效孔隙度增量随冻融时间 T 的散点图，对散点数据进行多项式拟合和线性拟合，如图 7 所示。
