瓦斯类灾害是煤炭开采中威胁最严重的灾害之一,瓦斯抽采是防控此类灾害的有效途径,但我国瓦斯赋存条件复杂,严重制约瓦斯抽采效率。溶剂水力压注是一种增渗增流的有效方法,相关研究多聚焦溶剂对粉状煤样孔隙结构和化学组分的影响,而真三轴方形煤样溶剂压注与高压渗流一体化测试分析不足,真实煤层赋存条件下溶剂原位水力压注煤体孔渗特性变化的量化规律有待进一步厘清。采用研发的多功能化学溶剂原位压注与高压渗流测试一体化实验平台开展四氢呋喃(THF)真三轴水力压注实验,结合实验测试、理论分析、分子动力学模拟和现场工程试验,分析煤体孔裂隙结构、微观分子结构、瓦斯储运特性变化规律。主要结论如下: (1)对煤样表面裂隙二值化处理,采用计盒分形理论定量表征表面裂隙发育形态特征,借助超声波测试分析煤体内部裂隙变化,并基于超声波损伤因子对煤体损伤进行量化分析。煤体压注损伤过程包括损伤孕育、快速损伤和残余损伤三个阶段,快速损伤阶段的损伤占比最大(70.88%~89.47%),损伤孕育阶段的损伤占比最小。实验煤样的破裂压力分别为12.47 MPa、12.08 MPa、13.69 MPa、14.06 MPa、17.74 MPa和19.73 MPa,宏观裂隙的计盒分形维数在1.0294~1.2563之间,清水压注和THF压注后的煤样均在X轴方向上纵波波速降低幅度最大,平均超声损伤因子在0.096~0.424之间,且THF压注后煤体的损伤程度高于清水压注后的损伤程度。 (2)结合低温液氮吸附法和高压压汞法对THF原位压注作用下煤体微观孔隙结构变化进行联合表征,基于Frenkel-Halsey-Hill模型和多重分形理论定量分析吸附孔和渗流孔的分形特征和非均质性。清水和THF压注均能促进孔隙发育,但THF压注后的孔隙改善效果优于清水压注,清水压注和THF压注后煤样总孔容最大增加幅度分别为15.83%和37.39%。实验原煤吸附孔的分形维数D₁和渗流孔分形维数D_Hg在清水和THF压注后均出现降低,前一种情形下D₁和D_Hg的降低程度最大分别为4.504%、1.450%,而后一种情形下D₁和D_Hg的降低程度最大分别为20.071%、3.078%。煤样广义分形维数曲线均呈“镜像S型”,质量指数谱单调递增,多重分形奇异谱均为不对称的连续上凸抛物线。煤体孔容、比表面积与奇异谱宽度(α₀)之间为正相关,与低概率参数呈现较强正相关,中大孔的α₀与孔容之间正相关,而微小孔的α₀与孔容之间的相关性不强。 (3)基于傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱和核磁共振碳谱测试,对THF压注前后煤样的微观分子结构变化进行分析。采用分子动力学模拟得到THF对煤大分子结构吸附特性的影响。THF压注后煤样芳香度全部降低,缩合度均出现增加。煤分子结构中的芳香碳/脂肪碳、酚碳或醚碳和羧基碳等得以溶解,其中对含氧的碳基官能团的溶解程度最高,煤样O(1s)谱图的主峰高度明显降低,含氧官能团从煤的大分子结构上断裂并被溶解,碳结构的基本组成未发生变化,但不同碳结构的相对含量发生不同程度变化,煤样中桥碳比例下降,周碳比例上升,B/P比降低。THF-煤大分子聚集态构型的甲烷吸附量明显低于原煤甲烷吸附量,表明THF分子能够有效减少甲烷分子的吸附空间,煤大分子结构的亲甲烷能力下降,甲烷吸附量显著减小。 (4)结合甲烷等温吸附实验、甲烷放散实验和渗透率测试,对THF原位压注前后煤体的瓦斯储运特性进行了定量化表征,阐明了THF压注对强化煤体渗流和弱化瓦斯吸附的双重优化原理,并通过现场工程试验验证了该技术的增渗促抽采效果。实验煤样的甲烷吸附常数a、b值和甲烷放散初速度均降低,渗透率显著提升,清水和THF压注后煤体渗透率的最大增大倍数分别为44.412倍和105.933倍。现场试验结果表明,THF压注后瓦斯抽采浓度、抽采纯量均明显增大,清水压注和THF压注钻孔的累积瓦斯抽采纯量分别是普通钻孔累积瓦斯抽采纯量的9.79倍和13.92倍,且THF压注钻孔比清水压注钻孔的累积瓦斯抽采纯量增加了42.15%。故THF原位水力压注技术能够提高煤体渗透率和瓦斯抽采效率,对保障煤矿安全生产及推动“双碳”目标下瓦斯资源化利用具有重要的现实意义。 图[105]表[16]参[199]