【摘 要】
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煤层气在煤矿俗称“瓦斯”,是一种与煤伴生的独立矿种,属于非常规天然气矿产资源。实践证明,开发利用煤层气具有多重价值,不仅能大幅度减少矿井瓦斯事故的发生、避免矿井瓦斯直接排入大气引起的温室效应,还能作为清洁能源产生巨大的经济效应、有效改善中国能源结构,对保障我国能源安全和降低天然气对外依存度具有十分重要意义。我国大多数煤层属于渗透率较低的煤层,在进行煤层气开采时必须采取煤层增透措施。现有的煤层气增产
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煤层气在煤矿俗称“瓦斯”,是一种与煤伴生的独立矿种,属于非常规天然气矿产资源。实践证明,开发利用煤层气具有多重价值,不仅能大幅度减少矿井瓦斯事故的发生、避免矿井瓦斯直接排入大气引起的温室效应,还能作为清洁能源产生巨大的经济效应、有效改善中国能源结构,对保障我国能源安全和降低天然气对外依存度具有十分重要意义。我国大多数煤层属于渗透率较低的煤层,在进行煤层气开采时必须采取煤层增透措施。现有的煤层气增产工艺存在致裂效果不理想、稳产周期短、容易造成水资源浪费污染环境、压裂液配方复杂回收返排困难等不足。液氮在常压下温度极低,利用液氮对煤进行冻融处理,会对煤造成损伤极大增加煤层的渗透性,达到增产煤层气的目的。本文利用低温气体吸附法和压汞法,分别对原始煤样和经过液氮冻融处理的煤样进行孔隙结构测试,探究在液氮作用下煤体孔隙结构的演化规律;利用金相显微镜观测不同含水度煤样经过液氮循环冻融后煤表面裂隙演变规律,同时利用CT扫描观测液氮作用下煤样内部裂隙发育规律;通过制备不同粒径煤样进行循环液氮冻融,对不同冻融循环次数的煤样进行甲烷等温吸附实验,研究粒径和液氮冻融次数对煤吸附性能的影响。主要研究结论如下:（1）液氮冻融后,煤样的孔容和平均孔径均有所提升,液氮冻结和致裂作用对于煤中的中孔含量和微孔含量的提升程度最大;对于大孔和过渡孔,液氮对其的影响作用就不如微孔和小孔的作用明显。液氮冻融对煤体孔隙结构演化特征为,液氮低温作用下促进煤中微孔发育为过渡孔和中孔,中孔和过渡孔进一步发育为大孔和裂隙,此过程中会改变煤的孔隙结构特征,有效促进煤中瓦斯的解吸和渗流。（2）通过CT技术和金相显微镜观测,液氮冻融后在煤的表面和内部都会发生明显的细观破坏;煤表面裂隙的扩展程度于煤中含水度和液氮冻融次数密切相关,煤中的含水度越高,液氮冻融后煤表面裂隙的扩展率越高,液氮冻融次数越多,煤表面裂隙的扩展率越高。（3）液氮循环冻融干燥柱状煤样的甲烷等温吸附实验结果表明,液氮冻融处理能够有效增强煤的吸附性能。运用Langmuir吸附模型对不同次数的液氮冻融煤样吸附数据进行拟合得出:在液氮冻融后煤样的Langmuir体积VL和PL均有所提升;与原始未处理煤样相比2次冻融后煤样吸附参数VL和PL的提升最为明显;4次冻融循环后煤样的吸附参数VL和PL在2次冻融的基础上有所提升但不如原始煤样到2次冻融煤样提升程度大;6次冻融循环煤样的吸附参数VL和PL在4次冻融的基础上提升的程度很小,说明本实验所用煤样在6次液氮冻融后对煤样吸附性能提升的影响基本达到饱和。（4）分别对不同粒径的煤样进行液氮循环冻融后的甲烷等温吸附实验,实验结果表明:液氮循环冻融作用对柱状煤吸附性能的提升最为明显,在本实验有限次数的液氮冻融循环作用下,最终吸附量随着液氮循环次数的增加而增加;粒煤在液氮作用下,最终吸附量在2次冻融后达到最大值,然后就随着液氮冻融次数的增加而出现下降。（5）利用吸附动力学的Lagergren模型对吸附实验数据进行拟合,研究不同粒径煤样吸附速率常数液氮冻融次数变化,结果表明:考虑分形特征的改进Lagergren模型能够更好的描述不同液氮冻融次数下煤吸附过程中吸附速率常数k的变化;柱状煤样的吸附速率常数呈现出先减少后增加的趋势,并在4次冻融后增加的趋势趋于平缓;小粒径煤样随着液氮冻融次数的增多,小粒径煤样吸附量先增加后减少,达到冻融饱和以后,继续冻融将不利于吸附量的增多。但是吸附速率常数却随着冻融次数的增多而增大。（6）液氮对煤的致裂作用主要由煤体遇冷收缩产生的热应力、煤中水分冻结产生的膨胀应力和液氮遇热汽化产生的高能气体冲击的共同作用下对煤体造成损伤改变煤的孔裂隙结构。液氮作为压裂液不仅环保节约资源具有常规压裂液所不具备的优势。
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