煤层气是一种重要的煤伴生资源,具有丰富的资源储量和重大的开发利用价值。如何提高煤层渗透性,实现煤层气高效抽采,一直是煤层气开采领域的研究热点与难点之一。液氮致裂是一种有效的煤层增透技术,具有较大的应用开发前景。煤层渗透率是评价煤层可抽采性的重要参数,而渗透率高低、透气性的好坏主要取决于煤层内部裂隙发育程度。本文以安徽省许疃煤矿烟煤作为研究对象,开展了煤体单次和循环液氮致裂实验,探究了致裂前后煤体孔隙和裂隙结构以及渗流特性演变规律。首先,对液氮致裂机理进行了分析,并对液氮致裂技术的可行性和应用现状进行了总结。其次,借助X射线衍射仪对实验煤样进行了矿物组成鉴定和半定量分析。利用压汞实验和CT扫描技术定量表征了液氮致裂前后煤体孔隙和裂隙变化规律。采用分形几何和孔隙网络模型对煤体微观裂隙分形特征、空间尺寸分布和连通性进行了定量分析。最后,借助受载煤体注气驱替瓦斯测试仪开展了渗流实验,揭示了单次和循环液氮致裂不同应力条件下煤体渗透率的变化规律。本文得出的主要结论如下:(1)在水-冰相变膨胀力和煤基质非均匀收缩引起的热应力共同作用下,造成原有裂隙扩展和延伸,并伴随着新裂隙的形成和裂隙间相互贯通,从而导致渗透率升高。液氮致裂作为一种无水致裂技术,具有清洁无污染、节约水资源、价格低廉和注液氮对煤层瓦斯有驱替增产作用等优点。然而,目前液氮致裂技术还处于基础研究阶段,距离商业化应用还有较长的路要走。(2)矿物组分分析结果表明,实验煤样中的矿物由高岭石(60.8%)、黄铁矿(16.2%)、石英(14.4%)和方解石(8.6%)四种矿物质组成。压汞实验结果表明,液氮处理能够有效促进煤体孔隙发育,液氮致裂后煤体孔隙率由原始的2.95%增加到了4.77%。煤样进汞曲线呈“S”型,曲线可划分为快速上升、缓慢上升和再次快速上升三个阶段。液氮致裂后煤体内孔隙尺寸分布发生了显著变化。相较于原始煤样,液氮致裂后煤体中微孔、小孔和中孔占比均有减小。大孔占比显著增加,由19.11%增加到50.32%,而大孔的占比越高越有利于流体的运输。(3)液氮处理能够有效促进煤体宏观裂隙产生,煤体损伤程度随循环次数增加而增大。结合DTM阈值分割法和深度学习模型实现了对CT图像中微观裂隙结构的精准分割。分形分析结果表明,液氮致裂后微裂隙分形维数有明显增加,水平方向由0.9462增加到1.3023,垂直方向由1.0153增加到1.3585。将CT二维切片导入Dragonfly软件中进行三维重构,结果表明液氮致裂后煤体微裂隙数量和尺寸明显高于致裂前,孔隙总体积由306.48 mm~3增加到967.55 mm~3,孔隙度由0.38%增加到1.22%。孔隙网络模型分析结果表明,液氮致裂后等效孔隙和喉道数量和尺寸均明显高于致裂前。煤体中尺寸相对较大的孔裂隙(直径>1000μm)对煤体渗透率起决定性作用,尽管它们占比很小。(4)测试了液氮单次和循环致裂下煤体渗透率的变化规律。单次液氮致裂结果表明,渗透率基本随着气体压力的增长呈指数增大。液氮致裂后渗透率有明显提升,渗透率增量随着气体压力的增大而增大,满足指数函数。与单次液氮处理结果不同,液氮循环致裂渗透率随着气体压力增大,先减小后增大,满足二次函数分布。相同应力条件下,煤样渗透率随液氮循环致裂次数增加呈衰减指数增长。在绝对致裂时间相同时,液氮循环致裂有更高的致裂效率。因此,在实际应用中实行“少时多次”可以取得更好的致裂效果。本论文有图48幅,表15个,参考文献116篇。