我国多数煤层普遍存在瓦斯含量高而渗透率偏低的特点,且复杂的地质条件和煤炭开采向深部转移,使井下瓦斯防治工作面临严峻挑战,同时也对提高瓦斯抽采效率提出了更高要求。液态CO₂相变致裂技术作为一种绿色增透手段,兼具煤体结构改造与CO₂封存潜力,但其对煤体的微观孔隙演化影响机制与瓦斯运移调控机理尚未明晰。本研究以贵州六盘水攀枝花煤矿7#煤层为研究对象,通过多尺度实验-模拟联用方法,系统揭示了CO₂相变致裂对煤体孔隙网络的重构规律及其对瓦斯运移特性的影响机制,为致裂增透技术优化提供理论支撑。 本研究首先对CO₂相变致裂原理进行了理论分析。随后通过梯度采集致裂前后的煤样进行实验分析。综合利用高压压汞、低温N₂吸附、CO₂吸附实验实现大孔(>50 nm)、介孔(2-50 nm)、微孔(<2 nm)的全孔径表征并结合分形理论量化孔隙非均质性演化规律。随后通过600 nm分辨率射线计算机断层扫描(CT扫描)与Avizo三维重构技术,构建孔隙网络模型,分析其孔隙结构的拓扑特征。进一步结合等温瓦斯吸附实验和COMSOL渗流模拟,分析基于煤三维孔隙结构的瓦斯渗流规律。最后结合多元分析方法和灰色关联度分析法,揭示孔隙拓扑参数对瓦斯运移的调控机制。 主要结论如下: (1)多尺度孔隙结构差异化响应:在致裂过程中,高压CO₂气体优先作用于宏观裂隙及较大孔径孔隙,促使其发生显著扩张。当气体压力降低至临界值以下时,其能量水平将无法满足微孔的改造需求。CO₂相变致裂显著改造大孔-介孔系统,不仅使大孔和介孔的数量明显增多,还令孔容和孔比表面积大幅增加。以致裂距离为0.5 m的样品Z1为例:大孔孔容和比表面积分别提高93.26%,94.78%。介孔孔容和比表面积分别提高165.4%,157.0%。而微孔孔隙结构参数基本不变。煤样大孔的渗流孔分形维数在2.83333-2.87225之间,扩散孔分形维数在2.07629-2.56104之间。渗流孔相较于扩散孔结构更加复杂。渗流孔的分形维数呈现下降趋势,非均质性减弱。介孔表面分形维数D_L1、空间分形维数D_L2和微孔体积分形维数D_S变化趋势不明显,说明CO₂相变致裂对煤中介孔、微孔孔隙分布非均质性影响不明显。 (2)煤体三维孔隙结构拓扑特征:CO₂相变致裂后,煤体的平均孔隙等效直径和平均孔喉等效直径无明显变化。但CO₂相变致裂使煤体中部分封闭孔隙转化为半开放孔隙或开放孔隙。致裂煤的孔隙率和连通孔隙率都有明显提高,而封闭孔隙率降低。以致裂距离为0.5 m的样品Z1为例:孔隙率和连通孔隙率分别提高45.89%,160.33%。封闭孔隙率降低54.63%。另外CO₂相变致裂使煤体连通孔隙配位数明显提高,煤体三维孔隙网络空间进一步扩展,为瓦斯运移提供更多通道。相比原煤,致裂煤Z1、Z2和Z3配位数大于4的孔隙数量占比分别提高了96.33%,27.52%,21.56%。除此之外,CO₂相变致裂对孔隙结构的改造具有明显的空间衰减效应,致裂距离越短,改造作用越强。 (3)瓦斯运移效率多参数调控:通过CH₄吸附实验和瓦斯渗流模拟,发现致裂前原煤Y1的最大吸附量分别为11.82786 cm³/g,而致裂后致裂煤(Z1、Z2、Z3)的最大吸附量分别为20.11315、16.41729和13.07578 cm³/g,分别是原煤的1.70、1.39和1.11倍。致裂煤Z1的平均最大渗流速度是原煤Y1的1.93倍。致裂煤Z1的平均瓦斯渗流流量最大,分别是致裂煤Z2、致裂煤Z3和原煤Y1的3.01、4.70和6.36倍。综合分析多元回归分析方法和灰色关联度分析法的分析结果,可以得出关键参数的影响排序:连通孔隙率>配位数大于3比例>平均喉道半径>平均配位数>孔隙率>平均喉道长度。煤孔隙结构中的瓦斯运移核心驱动因素包括连通孔隙率、配位数大于3比例、平均喉道半径。因此在提升瓦斯抽采效率方面可以从优化孔隙连通性和喉道几何特征着手。 液态CO₂相变致裂通过重塑煤体多尺度孔隙结构与三维拓扑网络,实现了瓦斯渗流效率的提升。研究揭示了CO₂相变致裂对孔隙的差异化改造、梯度能量衰减效应及拓扑参数主导的运移机制,为致裂增透技术的工程优化提供了理论支撑与量化工具。