深部煤体注水过程中渗流通道演化特征.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 1 深部煤体注水过程中渗流通道演化特征 周宏伟1 ’2 ，刘泽霖3 ，孙晓彤3 ，任伟光3 ，钟江城3 ，赵家巍3 ，薛东杰2 ，3 ’4 1 ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ；3 ．中国 矿业大学 北京 力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；4 ．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4 0 0 0 3 0 摘要在煤炭开采中，煤层注水可有效防突降尘和防治冲击地压。为了研究深部煤样注水过程中 孔隙结构和渗流通道的演化过程，以平煤十二矿己1 5 - 3 1 0 3 0 工作面的深部煤体为研究对象，通过 低场核磁共振成像设备在线测试了3 个原煤试样在不同注水压力下的L 谱和含水量分布情况。 通过对不同注水压力下的T 2 谱进行分析，获得了煤样注水过程中的孔径分布和孔隙结构的演化过 程。通过核磁共振成像技术，初步实现了煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道演化的可视化，可更 直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程，更深入地理解不同煤样T ，谱演化过程异同的内在原 因。进一步提出了一种根据T 2 谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法，定量分析了煤样注 水过程中不同孔径的孔对水渗过程的贡献度。并对L 谱进行了孔裂隙的分形维数计算，定量分析 煤样孔裂隙的渗流空间含量和异质性。研究发现平煤十二矿深部煤样注水过程中T 2 谱表现出三 峰特点，中孔、大孔和微裂隙的含量与连通性都大于微孔和小孔，注水过程中渗流通道主要由连通 性较好的中孔、大孔和微裂隙构建。煤样注水过程中大孔和微裂隙贡献了9 9 ％以上的渗透率；微 孔、小孔和连通性较差的孔主要参与储水而不参与运水。注水过程中当煤样孔隙连通性较差，不存 在明显的优势渗流通道时，提高注水压力可以使更多的孔隙参与到渗流的过程中；但当煤样中部分 孔隙连通性较好形成优势渗流通道时，提高注水压力也很难使更多的孔隙参与到渗流的过程中。 在设计煤层注水参数时应特别关注这一现象。 关键词煤层注水；渗流通道；核磁共振成像；可视化；渗透率贡献度；分形维数 中图分类号T D 3 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 0 8 6 7 - 0 9 E v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e e p a g ec h a n n e ld u r i n gw a t e ri n f u s i o n i nd e e pc o a ls a m p l e s Z H O UH o n g w e i l ”，L I UZ e l i n 3 ，S U NX i a o t o n 9 3 ，R E NW e i g u a n 9 3 ，Z H O N GJ i a n g c h e n 9 3 ，Z H A OJ i a w e i 3 ，X U ED o n g j i e 2 ，3 ，4 1 ．S c h o o lo f E n e r g ya n dM i n i n gE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i f i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f C o a lR e s o u r c e sa n dS a f eM i n i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；3 ．S c h o o lo f M e c h a n i c sa n dC i v i lE n g i n e e r - i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；4 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lM i n eD i s a s t e rD y n a m i c sa n dC o n t r o l ， C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 3 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nc o a lm i n i n g ，c o a ls e a mw a t e ri n f u s i o nc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tc o a lo u t b u r s t ，d u s ta n dr o c kb u r s t ．I no r d e r t os t u d yt h ee v o l u t i o np r o c e s so fp o r es t r u c t u r ea n ds e e p a g ec h a n n e l sd u r i n gw a t e ri n f u s i o ni nd e e pc o a ls a m p l e s ，t h e c o a la tt h eN o ．3 1 0 1 3 0w o r k i n gf a c eo ft h ej i 一1 5c o a ls e a mi nN o ．1 2P i n g d i n g s h a nC o a lM i n ew a ss a m p l e df o rt h i s 收稿日期2 0 2 0 1 2 1 6修回日期2 0 2 1 一O 卜2 0责任编辑常琛D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ，c n k i ．j C C S ．Y T 2 0 ．1 9 6 6 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 6 Y F C 0 6 0 0 7 0 4 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 6 7 4 2 6 6 作者简介周宏伟 1 9 6 5 一 ，男，重庆合川人，教授，博士生导师。E m a i l z h w c u m t b ．e d u ．v i i 引用格式周宏伟，刘泽霖，孙晓彤，等．深部煤体注水过程中渗流通道演化特征[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 3 8 6 7 8 7 5 ． Z H O UH o n g w e i ，L I UZ e l i n ，S U NX i a o t o n g ，e ta 1 ．E v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e e p a g ec h a n n e ld u r i n gw a t e ri n f u s i o n i nd e e pc o a ls a m p l e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 8 6 7 8 7 5 ． 移动阅读 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 s t u d y ．T h eT 2s p e c t r u ma n dw a t e rc o n t e n td i s t r i b u t i o no ft h r e er a wc o a ls a m p l e su n d e rd i f f e r e n tw a t e ri n f u s i o np r e s s u r e s w e r et e s t e do n l i n eb yl o w f i e l dn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n ge q u i p m e n t ．B ya n a l y z i n gt h eT 2s p e c t r au n d e rd i f - f e r e n tw a t e ri n f u s i o np r e s s u r e s ，t h ep o r es i z ed i s t r i b u t i o na n dp o r es t r u c t u r ee v o l u t i o np r o c e s so ft h ec o a ls a m p l ed u r i n g w a t e ri n j e c t i o nw e r eo b t a i n e d ． T h r o u g ht h en u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gt e c h n o l o g y ，t h ev i s u a l i z a t i o no ft h ee v o l u t i o no ft h ep o r es t r u c t u r ea n ds e e p a g ec h a n n e l sd u r i n gt h ew a t e ri n f u s i o np r o c e s so fc o a ls a m p l e sw a si n i t i a l l yr e a l i z e d ，t h ed y n a m i ce v o l u t i o np r o c e s so ft h ec o a ls a m p l e sd u r i n gt h ew a t e ri n f u s i o np r o c e s sw a so b s e r v e dm o r ei n t u i t i v e l y ，a n dt h ei n t e r n a lr e a s o n sf o rt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so ft h eT 2s p e c t r u me v o l u t i o np r o c e s so fd i f f e r e n tc o a l s a m p l e sw e r em o r ed e e p l yu n d e r s t o o d ．Am e t h o df o rc a l c u l a t i n g p o r ed i a m e t e r sb a s e do nt h eT 2s p e c t r u mw a sp r o p o s e d ，a n dt h e t h ep e r m e a b i l i t yc o n t r i b u t i o no fp o r e sw i t hd i f f e r e n t c o n t r i b u t i o no fp o r e sw i t hd i f f e r e n tp o r ed i a m e t e r st o t h ew a t e rp e r m e a b i l i t yp r o c e s sd u r i n gt h ew a t e ri n f u s i o np r o c e s so fc o a ls a m p l e sw a sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d ．T h ef r a c t a ld i m e n s i o nc a l c u l a t i o no fT 2s p e c t r u mw a sp e r f o r m e d ，a n dt h ec o n t e n ta n dh e t e r o g e n e i t yo ft h es e e p a g es p a c eo fc o a l s a m p l e sw e r eq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d ．T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eT 2s p e c t r u mo ft h ed e e pc o a ls a m p l ei nt h eN o ．1 2 P i n g d i n g s h a nC o a lM i n es h o w st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ep e a k sd u r i n gt h ew a t e ri n j e c t i o np r o c e s s ．T h ec o n t e n ta n d c o n n e c t i v i t yo fm e s o p o r e s ，m a c r o p o r e s ，a n dm i c r o c r a c k sa r ea l lg r e a t e rt h a nt h o s eo fm i c r o p o r e s ．I nt h ep r o c e s so fw a t e r i n f u s i o no fc o a ls a m p l e s ，m a c r o p o r e sa n dm i c r o c r a c k sc o n t r i b u t em o r et h a n9 9 ％o ft h ep e r m e a b i l i t y ．T h em i c r o p o r e s a n dp o r e sw i t hp o o rc o n n e c t i v i t ya r em a i n l yi n v o l v e di nw a t e rs t o r a g er a t h e rt h a nw a t e rt r a n s p o r t ．D u r i n gt h ew a t e ri n - f u s i o np r o c e s s ，w h e nt h ep o r ec o n n e c t i v i t yo ft h ec o a ls a m p l ei sp o o ra n dt h e r ei sn oo b v i o u sd o m i n a n ts e e p a g ec h a n - n e l ，i n c r e a s i n gt h ew a t e ri n j e c t i o np r e s s u r ec a nm a k em o r ep o r e sp a r t i c i p a t ei nt h es e e p a g ep r o c e s s ．H o w e v e r ，w h e nt h e c o a ls a m p l eh a sb e t t e rc o n n e c t i v i t ya n dh a sd o m i n a n ts e e p a g ec h a n n e l ，i ti sd i f f i c u l tt oi n c r e a s et h ew a t e ri n f u s i o n p r e s s u r et om a k em o r ep o r e sp a r t i c i p a t ei nt h es e e p a g ep r o c e s s ．T h e r e f o r e ，i ti sw o r t hn o t i n gi td u r i n gt h ed e s i g no fc o a l s e a mw a t e ri n f u s i o np a r a m e t e r s ． K e yw o r d s c o a ls e a mw a t e ri n f u s i o n ；s e e p a g ec h a n n e l ；n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ；v i s u a l i z a t i o n ；p e r m e a b i l i t y c o n t r i b u t i o n ；f r a c t a ld i m e n s i o n 随着我国浅部煤炭资源逐渐衰竭，深部煤炭开采 成为未来重要发展趋势，而深部开采面临冲击地压、 底板突水、煤体瓦斯突出和煤尘爆炸等诸多工程灾害 防治难题0 1 - 3 ] 。煤层注水作为一种有效的防突降尘 手段广泛应用于煤炭领域H 巧J 。此外煤层注水可以 增大煤体的含水量，使煤体的性质发生改变，降低冲 击倾向性，有效预防冲击地压的发生∞J 。然而煤层 注水过程的机理较为复杂，工程中参数的设定往往依 靠经验，因此研究煤层注水过程中含水量动态演化、 孔隙结构和渗流通道的变化规律对改进煤层注水技 术，保证煤炭开采安全有着重要意义。 注水过程中，煤样的孔裂隙结构变化是一个动态 的演化过程，常规的孔隙结构检测手段，如压汞 法 M I P 、扫描电镜法 S E M 、低压气体吸附法 L P G A 等都无法实现驱替过程中的动态监测，微米电 子计算机断层扫描 C T 和纳米电子计算机断层扫描 虽然能够实现动态监测，但检测的孔隙范围有局限 性[ 7 。1 0J 。核磁共振 N M R 作为一种无损快速准确的 孔隙结构测试方法，近年来被学者广泛应用于煤样孔 隙结构的测试，并取得了很多科研成果。L u 等L l 纠通过对不同围压和注水压力下的水压致裂实验 进行N M R 动态监测，根据球面膨胀理论，确定了孔 隙和裂隙结构的演化机理。除了常用的T 谱分析手 段，也有很多新的N M R 技术被应用到煤样的孔隙结 构表征和气液两相驱替演化的研究。S U N 等到通过 进行T 。一T 序列测试，实现了对煤体孔隙结构和流体 组分更精确的描述。Z H A O 等4o 利用核磁共振低温 孔隙测量方法对煤样的孔隙结构进行测定，发现这种 方法与低温液氮吸附法计算的孔径分布结果有着很 好的相关性。L I 等纠通过T 2 、成像和分层T 等核 磁共振技术和C T 测试研究了煤样氮气驱水后残留 水的特点，发现孔隙连通性较好的煤样中的水才能被 氮气有效驱替。X U E 等卜1 。刊提出了一种新的孔隙分 类方法，并将核磁共振成像 N M R I 技术引入致密煤 体的气液两相驱替中，成功获得了氮气驱水和氦气驱 水过程中含水量变化的动态演化过程。分形几何是 研究岩土材料的一种有力工具，广泛应用于评价岩体 的断裂、损伤、表面粗糙度和孔隙裂隙分布等扣20 | 。 通过对T 谱进行分维计算，可以用于评价煤样的物 理性质‘2 1 | 、估算T 截止值‘2 2 1 和预测渗透率等‘23 ‘。 由于空问分辨率有限，N M R I 技术目前主要用于 研究不含顺磁性物质的高孔隙率的岩石。煤样由于 万方数据 第3 期周宏伟等深部煤体注水过程中渗流通道演化特征 8 6 9 结构致密，孑L 隙中的流体无法提供足够的信号获得清 晰的N M R I 图像，大多数研究都是基于T 谱来研究 其微观结构，只能获得孔径的分布情况，无法获得孔 隙的空间信息。笔者成功利用N M R I 技术，初步实现 了深部致密煤样注水过程中渗流通道演化的可视化， 可更直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程，更 深入地理解不同煤样T ’谱演化过程异同的内在原 因。笔者还通过对T ，谱进行孔裂隙分维计算定量表 征注水煤体渗流通道的结构特征，并提出了一种根据 T ’谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法。 1 试验概况 1 ．1 煤样制备 原煤试样均取自河南省平煤十二矿己1 5 3 1 0 3 0 工作面，煤层牌号为焦煤，垂深l0 0 6 ～1 l3 7m ，瓦斯 相对涌出量为1 8 ．1lm 3 ／t ，属于瓦斯突出矿井，且煤 层具有煤尘爆炸危险性。在工作面选取较为完整的 煤块，严格密封小心包裹后运输到实验室，按照国际 岩石力学协会的相关标准，在同一煤块上平行于节理 方向钻取加工3 个直径2 5m i l l ，长度5 0m m 左右的圆 柱体煤样，如图1 所示。通过x 射线荧光光谱成分 分析，煤样基本不含影响核磁共振结果的物质【2 4 j ，煤 样的基本物理参数见表1 。 表1 煤样物理参数 T a b l e1 P h y s i c a lp a r a m e t e r so fc o a ls a m p l e s 图1 煤样 F i g ．1 C o a ls a m p l e 1 ．2 实验方案 N M R I 实验采用高温高压核磁共振在线检测系 统，型号为M a c r o M R l 2 1 5 0H 一一I 。所用磁体为永磁 体，磁场强度为 0 ．3 0 ．0 5 T ，主频率1 2 ．4 2M H z ，磁 体温度为 3 2 ．0 0 _ 0 ．0 2 o C ，可施加3 个方向的梯度 磁场，用于核磁共振成像测试。图2 为该系统的主要 装置示意。实验过程如下 图2 高压驱替核磁共振成像示意 F i g ．2H i g hp r e s s u r ed i s p l a c e m e n tN M R Is c h e [ i l a l i cd i a g r a m 1 将煤样放置在烘干箱中，以8 0 ℃恒温烘干 至重量变化可以忽略不计，约为2 4h 。 2 将干燥煤样四周用热缩管小心包裹后放人 夹持器中，并安装到高压驱替核磁共振成像装置中。 3 通过注射氟油对煤体施加2M P a 的围压，氟 油无核磁信号，对测试结果无影响。 4 打开注水装置，设置注水压力为1M P a 、追踪 压力为2M P a ，即围压始终比注水压力大2M P a 。观 察到出水口有少量水流出，说明水已经通过了整个煤 样。 5 注水过程中持续进行T 谱测试，3 0r a i n 时 T ，谱不再发生变化，说明在该注水压力下注水量达 到饱和，保持注水压力和围压不变进行N M R I 测试， 整个过程持续6 0r a i n 。 6 将注水压力从lM P a 逐渐增加到5M P a ，并 重复步骤 5 ，注水压力及围压设置情况如图3 所 不。 1 ．3N M R 基本原理 N M R 技术是基于氢原子核在外加磁场作用下会 发生定向排列的基本原理，测量被测对象的含氢原子 流体的弛豫特征。通过对氢原子核的特定射频扫描， 可以得到其中各种含氢原子成分的弛豫响应，水分子 也包含在其中。C a r t P m ’c e l l M e i b o o m G i l l C P M G 万方数据 8 7 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 图3 注水压力和围压设置 F i g ．3 S e t t i n go ft h ew a t e ri n j e c t i o np r e s s u r ea n dc o n f i n i n g p r e s s u r e 序列用于测量横向弛豫时间 疋 和相应的信号旧5 I 。 弛豫特征由式 1 表示 I 嘉一P ㈩一，雩I 1 n 2 2 l 可J 一，r 【1 其中，疋为横向弛豫时间，m s ；P 为表面弛豫率， n m ／m s ；S 为孔隙的表面积，n m 2 ；V 为流体体积，n m 3 ； 以为几何因数；r 为孑L 隙半径，n m 。因此，疋值与孔 隙之间存在固定的对应关系；T 2 值越大，其相应的孔 隙半径越大，N M R 信号的大小可以反映对应于不同 L 值的水含量。2 ⋯。 1 ．4N M R I 基本原理 通过施加梯度磁场，将信号的空间位置和频率联 系起来，以获得不同空间位置的含水量变化情况。本 实验是煤样注水实验，图4 a 所示注水口和出水口 内存在大量的水，会对图4 b 中煤样两端绿色区域 产生信号干扰，导致此区域信号量过高 图5 ；图 4 b 中煤样两侧紫色区域，投影时信噪比过低导致 此区域成像结果失真 图5 。 注水 b 有效区域 图4N M R I 技术不意 F i g ．4 S c h e m a t i cd i a g r a mo fN M R It e c h n i q u e 为了避免受到干扰区域影响结果分析，选取图 4 b 中煤样中间蓝色区域作为有效区域，有效区域 的大小为1 8 ．7 5m m x 4 3 ．7 5m i l l ，分别为煤样实际直 径的7 5 ％和高度的8 7 ．5 ％，本文之后的N M R I 测试 结果仅展示有效区域。此外，由于软脉冲成像回波时 间间隔 T ， 较大，会导致煤样s J , 孑L 隙信号丢失，所以 ■■■■■■■E 】■■■●■■■■■■■■■■●●■■■■■■■■● 01 00 0 02 00 0 03 00 0 04 00 0 05 00 0 06 00 0 0 信l j 强度 图51 号煤样1M P a 注水压力完整N M R I 结果 F i g ．5C o m p l e t eN M R Ir e s u l to f1M P a w a t e ri n j e c t i o n p r e s s u r eo ft h eN o ．1c o a ls a m p l e 本实验采用硬脉冲成像序列，减少梯度磁场对小孔隙 信号的损失。 2 试验结果及分析 2 ．1 T 谱演化特征 图6 为3 个煤样在不同注水压力下的T 谱，均 表现出三峰特点，根据霍多特提出的孔隙分类方 法担7 。2 9 1 ，其中左侧的峰P 1 T 2 1 0 0m s 对应着大孔和微裂隙。由图 6 可以看出，P 2 和P 3 连通性较好，而P 1 独立于P 2 和P 3 存在，说明微孔、过渡孔和其他孔隙之间连通 性较差。 在注水过程中3 个煤样的P 2 P 3 的峰面积均 始终大于P 1 的峰面积，中孔、大孑L 和微裂隙由于 更好的连通性、更小的毛细管力构成了煤样的渗 流通道；而微孔和过渡孔由于受到贾敏效应和毛 细管力的共同阻碍，水很难进入，即使提高注水压 力，大多数水也直接从渗流通道流出，只有少量的 水由于注水压力提高克服贾敏效应和毛细管力进 入小孔。此外水的扩孔作用会使部分孔的孔径增 加，如3 号煤样当注水压力增大到2M P a 时，P 3 峰发生了明显的右移。 不同煤样由于受到孔隙空问分布异质性的影响， 增大注水压力过程中的T 谱峰面积变化情况也存在 一定的差异。随着注水压力从IM P a 增大到5M P a ， 1 号煤样的P l 峰的峰面积增加了8 ．8 7 ％，P 2 P 3 峰 的峰面积增加了2 8 ．4 8 ％；2 号煤样的P 1 峰的峰面积 增加了2 4 ．0 5 ％，P 2 P 3 峰的峰面积增加了2 0 ．1 9 ％； 3 号煤样的P 1 峰的峰面积减少了0 ．9 5 ％，P 2 P 3 峰 万方数据 第3 期周宏伟等深部煤体注水过程中渗流通道演化特征 8 7 l 的峰面积减少了0 ．9 9 ％。说明随着注水压力的提 高，煤体内的含水量并不一定会提高，还受到煤样异 质性的影响，将在下一节中借助N M R I 的结果进行进 一步分析。 横向弛豫时间／m s a 1 号煤样 横向弛豫时问／m s b 2 号煤样 图6 煤样T 谱 F i g ．6T 2s p e c t r u mo fc o a ls a m p l e s 2 ．2 煤样渗流通道演化过程 如图7 所示，分别展示了3 个煤样渗流通道的动 态演化过程，由图7 可以直观地看出煤样含水量的高 低和均匀程度，进而初步实现了煤样注水过程中孔隙 结构和渗流通道演化的可视化，其中z 轴坐标的大小 和颜色的冷暖代表了该点的含水量高低，暖色表示含 水量高，冷色表示含水量低；z 轴和Y 轴分别表示 N M R [ 测试展示的煤样有效区域的长和宽。 由图7 可以看出，2 号煤样的渗流通道分布最为 均匀，没有明显的含水量集中，随着注水压力的提高， 渗流通道附近的含水量逐渐提高。1 号煤样注水压 力为1M P a 时，其沿Y 轴方向上部的含水量明显高于 下部，说明1 号煤样沿Y 轴方向下部的孑L 隙连通性比 上部差、部分渗流通道由较小的孑L 相连；当注水压力 增加到2M P a 时，1 号煤样下部的含水量显著增加， 这是由于水压提高使水克服毛细管力和贾敏效应进 入这些由较／I , 一f L S H 连的渗流通道，此外水的扩孔作用 使部分孔的孑L 径增大，参与到渗流的过程中，随着注 水压力进一步增加，渗流通道附近的含水量进一步提 高。对于这种孔隙连通性较差，没有明显优势渗流通 道的煤样，提高注水压力可以使更多的孔隙参与到渗 流的过程中。 横向弛豫时间／m s C 3 号煤样 3 号煤样与另外2 个煤样差别很大，其沿Y 轴方 向上部的含水量明显高于下部，存在优势渗流通道， 只有少量的水进入了下部的孔隙网络中。当注水压 力增大，3 号煤样沿Y 轴方向下部的含水量出现下 降，这是由于3 号煤样的孔隙度大，骨架疏松，应力敏 感性更高，在增大围压和渗透压时，围压是全断面同 步增大的，然而渗透压力需要逐步从注水口传递到出 水口，因此3 号煤样Y 轴方向下部靠近出水口的部分 在围压的作用下被压密，导致含水量下降。对于这种 部分孔隙连通性较好，存在优势渗流通道的煤样，提 高注水压力也很难使更多的孔隙参与到渗流的过程 中。 借助N M R I 的结果，发现煤样渗流通道演化规律 深受煤样孔隙结构的影响，当煤样孔隙连通性较差， 不存在明显的优势渗流通道时，提高注水压力可以使 更多的孑L 隙参与到渗流的过程中；但当煤样中部分孔 隙连通性较好形成优势渗流通道时，提高注水压力也 很难使更多的孑L 隙参与到渗流的过程中。在设计煤 层注水参数时应特别关注这一现象。 2 ．3 渗透率贡献度计算 为了进一步研究不同孔径的孔对水渗过程的贡 献，根据T 谱的测试结果，进行渗透率贡献度计算。 万方数据 8 7 2 式4 00 0 0 黑2 00 0 0 ～4 00 0 0 镪2 00 0 0 4 00 0 0 2 00 0 0 O ．一4 00 0 0 般2 00 0 0 0 2 0 鲞4 0o o o 书2 0 0 0 ‘ 0 N4 00 0 0 ．} b 一 鞘2 00 0 0 “ 3 S 0 煤炭学报 4 00 0 0 扫一 囊2 00 0 0 2 0业0 ～4 00 0 0 爱2 00 0 0 2 0g 0 a 1 号煤样 2 0 ～4 00 0 0 七“ 裂2 00 0 0 逛0 ～4 0 掣 蕊2 0 卜 坦 b 2 号煤样 2 0 嵌4 0 0 0 0 嗣2 00 0 0 一O ～4 00 0 0 壮一 醴2 00 0 0 扪￡0 c 3 号煤样 1 二o H 、o 图7 煤样含水量演化过程 F i g ．7 E v o l u t i o no fw a t e rc o n t e n ti nc o a l , s a m p l e s 2 0 2 1 年第4 6 卷 2 0 如， 万方数据 第3 期 周宏伟等深部煤体注水过程t f J 渗流通道演化特征 8 7 3 将泊肃口f - 方程与达西定律联啦，可以得到多孑L 介质渗 透率的计算公式【Ⅲ’为 厶 三∑，o 芎 2 8 A 鲁川 、7 其中，k 为总渗透率；A 为总横截面积；Ⅳ为小同半径 的毛细管的总数量；九，为半径等于r J 的毛细管数量； r ，为毛细管的半径。假没孑L 隙为等直径的毛细管，则 半径为r ，的毛细管的渗透率为 一 聂，。亏 上8 等弓 ≥号 3 勺2 丽7 0 02 一苜o2 蓄丐 l3 ’ 其中，后，为半径为r ，的毛细管的渗透率；驴，为半径为 r J 的孔隙体积占总体积的比例。凶此渗透率贡献度 为 17| 、 等 竹孑／∑”； 4 。 t2 ‘P i r i | 2 一‘p t r t k 再将式 1 代入，即可得到通过T 谱获得的不 同孔径的孑L 的渗透率贡献度的计算方法 L／ 、 等 哆 疋 ；／∑妒， 咒 ； 5 1 3 ． I 2 式巾，妒，为横向弛豫时间为T 2 的孑L 隙体积占。 4 L 隙 体积的比例，妒，的分布称为横向弛豫时问的分布频 率。 根据式 5 计算r 本次实验煤样注水过程中不 同孔径的Y L x , 寸水渗过程的贡献度，图8 展示了lM P a 水压注水后横向弛豫时间分布频率及渗透率贡献度。 其中微孔和过渡孑L 的渗透率贡献度比其他孑L 低了几 个数量级，且根据2 ．1 节的分析，微孔和过渡孑L 与其 他孔隙问的连通性较差，因此微孔和过渡孔几乎不参 与水的运移过程；而大孔和微裂隙f l g 孑L 隙率贡献度均 在9 9 ％以上，且和中孑L 连通性较好，因此煤样中流体 运移主要发牛在大孔、微裂隙和部分连通性较好的中 孑L 中。 横向弛豫时I i l l ／m s a 1 号煤样 横m 弛豫1 1 “i l j ／m s b 2 号煤样 横向弛豫时间／m s C 3 号煤样 图8 横向弛豫时间分前j 频率及渗透率贡献度 F i g ．8 T r a n s v e r s er e l a x a t i o nt i m ed i s t l ‘i b u t i o nf r c q t l e n ya l l ] p e r m e a b i l i t yc o n t r i l m t i o n 2 ．4 渗流空间分形维数算法及分析 近年来，对T 谱进行分维计算被广泛采用。周 三栋等。引。对不同尺度f l g 孑L 裂隙分形维数进行计算分 析，发现渗流空间分形维数 D 。 与煤样的渗流空间 含量 L 2 ．5m s 的峰面积 和分选系数相关，D 。越 小，煤样孔裂隙的渗流空问含量越大，分选系数越大， 异质性越小。D 。的计算公式为 l g 形 1 一D 。 l gT 2 D s