【文献解读】中国矿业大学周宏伟团队《IJMST》：煤中孔隙-裂缝结构演变的原位观测和建模
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中国矿业大学（北京）
周宏伟团队
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煤中孔隙-裂缝结构演变的原位观测和建模
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《International Journal of Mining Science and Technology》
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中科院分区
大类：工程技术（1区）
小类：矿业与矿物加工（1区）
周宏伟
中国矿业大学（北京）
教授、博士生导师
国家高层次人才特殊支持计划教学名师
教育部长江学者奖励计划特聘教授
孔隙-裂缝结构（PFS）的特征及其在采矿过程中的演变，对于防止气体爆发和提高气体开采效率至关重要。
在这项研究中，通过将机械测试系统与高精度可视化核磁共振设备相结合，直接捕捉到了在采矿应力条件下煤样品中PFS的演变。根据PFS在不同应力状态下的实验结果，建立了一个分数导数模型来描述应力和孔隙率之间的关系。
结果显示，随着三轴应力的增加，吸附孔隙含量Z初迅速增加，然后缓慢增加或保持不变；渗流孔隙和断裂（SPF）含量Z初减少，然后增加；SPF的可压缩性系数随着三轴应力的增加而降低。
分数导数模型可以准确地描述SPF在峰值前阶段的应力敏感性，从而为准确描述煤炭储层的渗流特征提供了一种新的方法。
煤炭形成产生了大量的天然气，这是一些灾害（如天然气爆炸、煤炭和天然气爆发）的主要原因，但却是一种高效的清洁能源。
煤炭中的孔隙-裂缝结构（PFS）为天然气提供了储存空间和流动渠道；它直接影响气体的渗流特性，影响煤矿的生产和安全。
因此，准确描述煤中PFS的应力敏感性及其对渗透率的影响以防止气体爆发和提高气体开采效率非常重要。
在实验研究中，许多测试方法可用于描述煤样品中的PFS检测，如高压汞注入法和低温氮吸附法。但是它们不能在加载过程中进行，且这些方法只有在加载前后才能获得PFS特性。
X射线微计算断层扫描可以在三轴加载过程中实现实时扫描，然而，由于测试的测量范围有限，它只能获得大孔隙和裂缝的数据。
扫描电子显微镜有很强的能力来观察煤样的局部条件，但提供的整体特征不足。
声发射检测方法简单而有效，但它很容易受到其他噪声的干扰。
与这些方法相比，核磁共振（NMR）具有快速、全面和无损的优点。因此，许多研究人员使用核磁共振来研究煤炭的PFS演变。
在这项研究中，一个纯钛加载腔和陶瓷加载头被用来进行三轴加载试验，在三轴加载过程中进行在线核磁共振测量。
机械测试系统和高精度可视化核磁共振设备的成功结合，促进了核磁共振技术在工程力学方面的应用。
通过断裂和渗流孔隙的概念模型，揭示了采矿应力下的渗透性演变机制。建立了一个分数导数模型来描述峰值压缩前阶段渗流孔隙和裂缝（SPFs）的应力敏感性，为准确描述煤炭储层的渗流特征提供了一种新的方法。
测试样本取自广西玉林的一座煤矿。所选的煤被埋在大约300米的深度，原位应力约为10兆帕。煤块被钻取芯、切割和抛光，并加工成六个高度为50毫米、直径为25毫米的圆柱形样品。我们选择了三个完整的煤样，并将其送到实验室进行以下实验。样品的物理特征如表1所示。
表一 样品基本信息
为了捕捉和描述受采矿应力影响的煤炭样品中PFS的演变，我们使用了一个在线观察和测试系统，该系统结合了机械测试系统和高精度可视化核磁共振设备。
核磁共振测量是使用MacroMR12-150H仪器进行的（苏州仪器股份有限公司生产）。
系统分别由轴向压力、供水、封闭压力、磁铁、三轴电池和数据收集等模块组成。见图一。
图一 在线核磁共振三轴加载试验系统
在煤炭开采过程中，煤炭经历了从原生岩石应力到垂直应力增加和水平应力缓慢下降的完全动力学演变（图二），煤的PFS和渗透率因此发生了改变。
因此，煤样的原位核磁共振实验是在轴向应力增加和约束压力减少的情况下进行的。核磁共振成像（NMRI）和T2测试是实时的，根据图中所示的应力路径，在不同的应力状态下对煤样进行模拟。
图二 采矿中煤炭的三轴应力示意图
具体的实验步骤如下：
1
在80°C的恒定温度下将样品干燥至少24小时，测量干重；抽真空2小时，加水压15兆帕饱和24小时，测量湿重。
2
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