液氮冷浸前后煤體的微觀結構精細化表征方法研究

劉淑敏 ，李學龍 ，王登科

（1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地, 山東 青島 266590；2.山東科技大學 能源與礦業工程學院, 山東 青島266590；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地(河南理工大學), 河南 焦作 454000）

0 引 言

煤層氣（瓦斯）作為煤的伴生物，是潔凈的不可再生能源[1]。中國煤礦50%以上屬于高瓦斯煤層[2]，隨著開采深度逐年增加，瓦斯氣體壓力和儲量均增大，而煤層透氣性逐漸降低，煤與瓦斯突出、煤層氣爆炸等事故日趨嚴重[3]。因此，如何有效改造煤層透氣性是煤層氣開發和瓦斯高效抽采的一項重大挑戰。從20 世紀50 年代開始，多種造縫增透技術（如水力壓裂[4]、水力割縫[5]和水力沖孔[6]等）在煤礦開采中得到推廣與應用，這些技術能夠提高瓦斯抽采效果[7]。然而，水力化措施在工程實踐中壓裂液會污染水資源環境，引起水資源浪費，在水資源匱乏地區難以應用。因此研究低滲透性煤層的無水化人工致裂技術具有重要意義。

為深入開展與推動煤礦井下瓦斯治理工作，無水化人工造縫增透技術（如超臨界CO2或液態CO2[8]、電化學法和微波致裂[9]等增透技術）取得了很好的應用效果并得到推廣。20 世紀90 年代，MCDANIEL等[10]在San Juan 煤層氣產地進行了低溫液氮注入煤層等一系列嘗試性研究工作，研究表明低溫液氮能夠有效增大煤層滲透率。在常壓下，液氮溫度可達-195.8 ℃，氮氣在室溫（20 ℃）和有限空間內的液/氣化膨脹比為1∶694，同時由于液氮來源廣泛，獲取簡單等優勢[11]，低溫液氮致裂技術引起了更多學者的關注。……