煤体原位水力压注多尺度孔裂隙演化及渗透率跃变规律
作者：
郑春山1,3，韩飞林1,3，江丙友3，薛生1,3，李国富2，刘帅丽3
单位：
1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室
2.煤与煤层气共采国家重点实验室
3.安徽理工大学 安全科学与工程学院
01摘要
煤体水力压注有助于促进瓦斯抽采流动，研发了煤岩多相多场真三轴动态渗流试验系统，验证分析了该系统方形样品高压渗流测试的边界密封性和三向应力加载稳定性，研究了不同应力加载和注水速率影响下原位水力压注煤体孔裂隙扩展、损伤破坏及渗透率跃变规律。采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）、Barrett-Joyner-Halenda（BJH）、Frenkel-Halsey-Hill(FHH)等理论模型量化分析比表面积、孔径分布及孔隙分形特征，基于声发射系统监测煤体破裂损伤特性。结果表明：水力压注促进裂隙发育，煤体超声波速降低。水力压裂后，煤样磁滞回线范围增大，孔径主峰区域由0.7~2 nm扩展至0.7~30 nm，总孔容增大，1#煤样微孔和中孔体积百分比分别增加了10.57%和3.06%。3组煤样的比表面积分别增加了276.17%，224.59%和283.18%，分形维数D1值减小，而D2值增大，孔隙表面变得更加光滑。3组煤样破裂的水压值分别为14.49，19.26，22.40 MPa，破裂时间分别为164.7，107，205.5 s，表明同等情况下三向不等压加载比三向等压加载煤体的破裂压力小，注水速率越快，煤体破裂所需时间越短。1#煤样的声发射定位点最多（最大幅值83 dB），2#煤样的最少，声发射定位点的投影基本与煤样XY和XZ端面的裂隙相吻合。水力压注后1#煤样的渗透率增大63.07倍，2#煤样的渗透率增大11.91倍，3#煤样仅增大2.33倍。每组煤样的孔隙、裂隙、损伤及渗透率变化规律均相互吻合，非等压加载和3 mL/min注水速率条件下的1#煤样改造效果最好。
02创新点
煤体水力压注作为一种常用的煤储层改造技术，能够增加渗透率和润湿性，相关学者在该领域开展了卓有成效的研究，但真三轴大煤样水力压注实验研究较少，该实验过程煤体孔渗特性动态演变的量化规律有待进一步厘清，故采用研发的煤岩多相多场真三轴动态渗流实验系统（特色功能是真三轴原位水力压注与方形样品高压渗流测试），分析了不同应力加载和注水速率影响下原位水力压注煤体孔裂隙扩展、损伤破坏及渗透率跃变规律，探究了不同参数条件下水力压注过程的真三轴渗流特性，各组煤样的孔隙、裂隙、损伤及渗透率变化规律相互吻合，相关结果可为水力压注改造煤体技术提供实验数据支撑和理论借鉴。
取得的主要成果如下：
（1）水力压注促进裂隙发育，煤体超声波速降低。同时，压注后煤样磁滞回线范围增大，孔径主峰区域由0.7~2 nm扩展至0.7~30 nm，总孔容增大，1#煤样微孔和中孔体积百分比分别增加了10.57%和3.06%。3组煤样的比表面积分别增加了276.17%，224.59%和283.18%，分形维数D1值减小，而D2值增大，孔隙表面变得更加光滑。
（2）3组煤样破裂的水压值分别为14.49，19.26，22.40 MPa，破裂时间分别为164.7，107，205.5 s，表明同等情况下三向不等压加载比三向等压加载煤体的破裂压力小，注水速率越快，煤体破裂所需时间越短。1#煤样的声发射定位点最多（最大幅值83 dB），2#煤样的最少，声发射定位点的投影基本与煤样XY和XZ端面的裂隙相吻合。
（3）水力压注后1#煤样的渗透率增大63.07倍，2#煤样的渗透率增大11.91倍，3#煤样仅增大2.33倍。每组煤样的孔隙、裂隙、损伤及渗透率变化规律相吻合，非等压加载和3 mL/min注水速率条件下的1#煤样改造效果最好。
03部分图表
煤岩多相多场真三轴动态渗流试验系统
高压密封腔体结构
超声特性检测示意
煤体超声波速变化
煤样处理前后α值和β值变化
煤样孔径分布变化
3组煤样的注水压力曲线与声发射振铃计数
不同水平应力下煤样水力压注前后渗透率变化
第一作者介绍
郑春山
安徽理工大学安全科学与工程学院安全工程系主任，教授、博士生导师。
研究方向:
矿井瓦斯/煤层气抽采、煤体渗流与多场耦合、煤体增渗强润理论与技术。
主要成果：
主持国家自然科学基金面上项目、青年项目及国家重点研发计划子课题等纵向项目10项，入选人力资源和社会保障部“国家高层次留学人才回国工作资助计划”、安徽省青年“皖江学者”、安徽省高校“优青”、安徽省科协“青年科技人才托举计划”、安徽理工大学“青尖”计划。在《International Journal of Coal Geology》等行业重要期刊上发表论文50余篇。担任国家自然科学基金委、国家留学基金委评审专家、行业一区Top期刊IJMST青年编委。授权国内外发明专利10项，获得安徽省科技进步奖二等奖1项、安徽省教学成果奖一等奖1项、中国煤炭工业协会科技奖一等奖1项。
本文引用格式：
郑春山,韩飞林,江丙友,等.煤体原位水力压注多尺度孔裂隙演化及渗透率跃变规律[J].中国矿业大学学报,2024,53(4)：710-725.
ZHENG Chunshan, HAN Feilin, JIANG Bingyou, et al. Coal multi-scale pore fracture variations and permeability sharp increase characteristics induced by in-situ hydraulic injection[J].Journal of China University of Mining & Technology, 2024,53(4):710-725.
