煤田地质与勘探

作者：曹运兴, 张新生, 张军胜, 郭帅房, 孟兵兵,

关键词：煤, CO₂相变致裂, 显微构造, 网状裂隙, 瓦斯治理, 消突机理,

CO2相变致裂是一种高效增渗、增抽和消突的新型煤矿瓦斯治理技术，应用效果显著。该技术的核心是高压动力载荷作用于煤层的强化造缝及其卸压增渗效应。然而，新生裂缝的形貌特征以及破坏成因机制研究薄弱。目前井下厘米—米级尺度裂缝的观察和描述，主要用于揭示煤层的造缝增透机理。更小尺度的微米级显微裂隙研究，可更系统和全面描述裂缝的形貌和发育规律，揭示CO2相变致裂作用下煤的破坏机理。应用自行研制的高压CO2冲击大型物模试验装置系统，对无烟煤试件进行了120 MPa高压CO2冲击，基于场发射扫描电镜(FESEM)的观察，研究了微米级裂隙特征、发育规律及其形成机理。结果表明：(1) 致裂后煤样的割理系统充分沟通，形成多尺度的复杂微裂隙网络。(2) 煤基质破碎并发育大量微米尺度的新生显微构造，发现了3种典型显微构造是“损伤坑” “三翼型”裂隙和“页理状构造”。(3) CO2的超临界相、气相、或者二者的混合相态冲击破碎近喷孔端煤样，冲击波可能是试件远端破坏造缝的主要力学机制。(4) 显微构造的形成和损伤演化机制为：在煤基质表面形成损伤坑，并以损伤坑为中心形成 “三翼型”张性锯齿状分支裂隙，多个“三翼型”裂隙组合形成复杂的微裂隙网络系统。强化造缝形成的复杂网状裂隙系统，是煤层卸压、增渗、增抽和高效消突的内在原因。

来源：2023年第2期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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