超临界二氧化碳射流冲击短时浸泡煤体破坏特征分析
刘勇
张东鑫
张宏图
魏建平
司磊磊
河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作 454000;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 454000
摘要：煤体力学和物理性质在超临界二氧化碳氛围下容易劣化,尤其在长时作用下,超临界二氧化碳能够充分发挥其溶解和萃取能力,改变煤体力学强度和孔隙结构.超临界二氧化碳作为极具应用前景的钻井液,在钻井过程中与煤体接触时间极短.在较短接触时间内,超临界二氧化碳是否能够改变煤体力学强度和孔隙结构对超临界二氧化碳射流冲击破煤效率和钻井效率至关重要.为此,为进一步研究超临界二氧化碳短时浸泡对破煤效率的影响,开展了超临界二氧化碳冲击破碎短时浸泡煤体研究,分析了不同浸泡条件下煤体冲击破碎特征,通过对比分析浸泡前后孔隙结构和力学性质的变化,明确短时浸泡对煤体冲击破碎特征的影响.结果表明:在短时浸泡条件下,超临界二氧化碳射流对浸泡煤体的冲击破坏特征具有重要影响.仅浸泡3 min,超临界二氧化碳便可使煤体发生吸附膨胀,影响煤体的孔隙结构和力学强度,使煤体累计孔体积降低了 5.54％,力学强度降低13.10％,使煤体冲击破碎粒径小于1 mm煤屑增加了 5.76％.延长浸泡时间,煤体冲击破碎程度持续提高.浸泡60 min后,超临界二氧化碳对煤体虽仍以吸附膨胀为主,但煤体出现矿物溶蚀现象,致使煤体累计孔体积降低了 30.19％,单轴抗压强度降低33.41％,导致煤体的破碎程度发生了大幅提高.相同浸泡时间条件下,提高浸泡温度和压力,煤体吸附膨胀作用增强,孔体积增大,抗压强度降低,使破碎程度规律性提高.但当浸泡压力超过16 MPa后,抗压强度降低了 38.43％,冲击破坏程度显著提升.综上所述,超临界二氧化碳射流辅助钻井过程中,其吸附膨胀作用是影响煤体物理和力学性质的主要形式,有效降低了煤体孔体积和抗压强度,提高了破碎程度,有利于钻井效率的提高.
关键词：超临界二氧化碳射流短时浸泡破坏特征孔隙结构力学强度
分类号：P618.11(矿床学)
资助基金：国家自然科学基金(52174170)河南理工大学基本科研业务费专项资助项目(NSFRF220205)河南省高校科技创新人才资助项目(21HASTIT009)
论文发表日期：2022-09-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 3310-3319 )
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