煤田地质与勘探

作者：庞明坤, 张天宇, 潘红宇, 宋宪峰, 伍珊, 张天军,

关键词：能源安全, CO₂泡沫压裂, 裂隙扩展, 渗流理论, 渗流方程, 渗透率,

目的为解决高瓦斯煤层特殊低孔渗结构限制瓦斯抽采效率的问题，精准测定CO2泡沫压裂钻孔孔周“环状”破裂煤体的渗透参数，提高煤层瓦斯预抽钻孔设计的准确性和瓦斯抽采效率。方法采用自主设计的孔周破碎煤体渗流试验仪器，从不同初始孔隙结构的角度，对钻孔周围“环状”孔隙、裂隙的煤体进行研究。测试不同初始孔隙结构试样的渗透率，分析孔周破裂煤体渗透率的演变特征。基于改进的Ergun方程，得到破裂煤体介质瓦斯渗流基本方程，并对其合理性进行验证。结果对于孔周“环状”破裂煤体在压实过程中会经历三个阶段的破碎变形过程。当应力在1.2~1.3 kPa时，即颗粒变形后期，破碎量明显减少。这是由于颗粒变形后期之前阶段产生的细小颗粒已填充了大部分孔隙。在外部载荷的作用下，煤体颗粒会经历进一步的压缩变形，最终导致颗粒之间相互压缩，形成一个致密的整体。随着流速的持续增加，流动过程主要受惯性力作用，通过将方程中的二次项系数中的参数设置成与流动状态相关的变量，得到a/b与v基本上符合负指数关系。改进型Ergun公式克服了传统公式的缺陷，能够较好地预测不同孔隙率、不同颗粒直径以及不同流速时孔隙介质渗流过程中的负压损失。结论在煤层瓦斯预抽工作中，通过运用改进后的破裂煤体瓦斯渗流方程，可以计算瓦斯预抽钻孔孔周的“环状”破碎煤体渗透率，进而可以准确给出有效致裂半径，为优化设计瓦斯抽采钻孔布孔方式提供了重要的理论基础，并为高瓦斯低透煤层绿色高效抽采提供新思路和新方法。

来源：2025年第5期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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