Knowledge map analysis of coal and gas co-mining based on Citespace
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摘要:
为进一步了解我国煤与瓦斯共采领域的整体研究进展，以中国知网（CNKI）数据库作为样本来源，借助Citespace软件绘制出发文量、研究机构以及关键词聚类等知识图谱，对我国煤与瓦斯共采研究状况进行可视化分析。研究表明：在时间分布上，经历了缓慢萌芽期−快速成长期−平稳成熟期3个发展阶段，尤其是在2000—2014年之间开启了该领域快速发展的黄金时代，核心期刊和全部期刊的发文量均得到快速增长，反映出该阶段处于我国煤与瓦斯共采研究的高潮期；在合作网络方面，主要研究机构包括中国煤炭科工集团、中国矿业大学、河南理工大学等机构，均是国内从事煤炭领域研究的重要科研机构；结合关键词聚类和相关文献进行梳理分析，发现我国煤与瓦斯共采研究主要包括数值模拟、瓦斯、采空区和水力压裂等高频关键词，通过提取突现强度较高的前20位关键词，并按照突现年份重新排序，得到突现词随时间推进的演化情况；形成了以煤层增透、水力冲孔、以孔代巷以及碎软煤层等为主要突现关键词成为近年来研究人员高度关注的对象，表征了其是当前的研究热点，并有成为未来发展和关注的研究趋势。在此基础上，利用可视化知识图谱，挖掘研究领域的前沿热点和发展趋势，以期为我国煤与瓦斯共采研究提供科学参考。
Abstract:In order to further understand the overall research progress in the field of coal and gas co-mining in China, taking CNKI database as the sample source, with the help of Citespace software, the knowledge maps such as the articles published, research institutions and keyword clustering are drawn to visually analyze the research status of coal and gas co-mining in China. The results show that the time distribution has experienced three stages: slow germination period, rapid growth period, and stable maturity period, especially the golden age of rapid development in this field between 2000 and 2014. The number of publications in core journals and all journals has been growing rapidly, which reflects that this stage is at the climax of coal and gas co-mining research in China. In terms of cooperation network, the main research institutions include China Coal Science and Engineering Group, China University of Mining and Technology, Henan Polytechnic University and other institutions, which are important research institutions in the field of coal in China. Combined with keyword clustering and related literature analysis, the research on coal and gas co-mining in China mainly includes high-frequency keywords such as numerical simulation, gas, goaf and hydraulic fracturing. By extracting the top 20 keywords with high burst intensity and reordering them according to the burst years, the evolution of burst words with time is obtained. The keywords such as coal seam permeability enhancement, hydraulic punching, replacing roadways with holes and breaking soft coal seams have become highly concerning to researchers in recent years. It is characterized as the current research hotspot and has become the future development and research trend. On this basis, the frontier hotspots and development trends in the research field are excavated by using the visual knowledge maps, so as to provide scientific reference for the research on coal and gas co-mining in China.
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Keywords:
- coal and gas co-mining /
- CiteSpace /
- knowledge map /
- CNKI database /
- visualization
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0. 引 言
煤炭是我国的重要能源之一，所处地位非常重要。但在开采煤炭的同时，总会伴随着一些瓦斯灾害事故。如瓦斯超限、瓦斯窒息、瓦斯突出、瓦斯爆炸等。这些事故轻则导致财产损失、环境污染，重则导致人员伤亡。据统计，2011—2021年瓦斯灾害事故所导致的死亡人数占煤矿安全生产总死亡人数的46.12%。可见瓦斯灾害事故所造成的影响是非常大的，若要避免这些瓦斯灾害事故的发生，就需要进行瓦斯抽采。瓦斯抽采是解决所有瓦斯灾害的治本之策。然而，随着日趋深部化的煤炭开采，煤层渗透性系数越来越低，瓦斯抽采效果也越来越差。故为能够提高煤层的透气性系数，增强瓦斯抽采效果，水力压裂、深孔控制预裂爆破、超临界二氧化碳压裂等增透技术应运而生。
水力压裂技术可以有效提高煤体渗透率[1]，其增透效果在工程实践上也得到了验证[2–5]，但是水力压裂依旧存在着有效抽采时间短、所形成的裂缝单一以及造成煤储层损伤的缺点[6-7]。深孔控制预裂爆破技术也可提高煤层透气性[8–11]，但是该技术存在着施工要求高、材料受到严格管控以及能够造成顶板破坏的不足[12]。而超临界二氧化碳压裂技术即可以使煤体形成复杂的裂缝网络，也可以避免煤储层损伤和爆炸危险，并且在如今的双碳背景下，其可以在提高煤层渗透性的同时，还能够将二氧化碳封存入储层之中，达到地质封存的效果[13-14]。
除此之外，超临界二氧化碳压裂技术对煤体的增透效果也要更优于水力压裂[15]。因其具有超强的流动、传输和渗透性能，故可以很容易地穿透微孔和裂隙，使得煤体产生复杂的裂隙网络[16]。其还具有良好的萃取作用，能够萃取煤中的部分有机物，使得煤体的力学特性、矿物成分以及裂隙结构发生改变，从而提高煤体的孔隙度和渗透率。所以超临界二氧化碳可以有效增透煤体，提高煤层气的抽采效果。在前人研究的基础上，阐释了超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理以及影响因素，并讨论了现阶段超临界二氧化碳增透煤体所面临的问题，这对于超临界二氧化碳增透煤体、封存二氧化碳以及提高煤层气抽采效果具有一定的指导意义。
1. 超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理
煤体渗透性能的主要影响因素就是煤的孔裂隙结构[17]，煤体渗透性系数越小，其孔隙率相对越低，所以提高煤体的渗透性能就需要从改变煤体孔隙结构入手。超临界二氧化碳侵入煤体后，会与煤体发生地球化学效应。其可以萃取煤中的有机物、破坏煤中的晶体结构、使煤基质膨胀变形，从而改变煤体的孔裂隙结构、力学强度和瓦斯吸附能力，由此提高煤体的渗透率和瓦斯抽采效果。
1.1 超临界二氧化碳对煤体微观组分的改造作用
超临界二氧化碳作用后，煤体微观组分的变化可以通过X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、气相色谱质谱联用仪(GCMS)等仪器进行测定。其中，XRD主要测量煤体矿物成分和微晶结构的变化，FTIR主要测试煤体有机官能团的变化，GCMS主要分析煤体被萃取出的有机物成分。
1.1.1 矿物成分
煤中的矿物成分主要包括黏土矿物、硫化物类矿物、碳酸盐类矿物和氧化物类矿物。各类矿物组成成分见表1。经超临界二氧化碳处理后，煤体内的水会同二氧化碳形成碳酸，并与其内部的高岭石、伊利石、方解石、文石和白云石等矿物组分发生反应[18-19]，即煤中的黏土矿物和碳酸盐类矿物会因为超临界二氧化碳的作用而发生显著变化[20]。
表 1 煤中矿物组成成分Table 1. Mineral composition in coal煤中矿物 各类矿物组成 化学式 硅酸盐类矿物
(黏土矿物)高岭石 Al4(Si4O10)(OH)8 伊利石
(水白云母)K1～1.5 Al4(Si7～6.5 Al1～1.5O20)(OH)4 绿泥石 (Mg,Fe,Al)12[(Si,Al)8O20](OH)16 蒙脱石 (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O 白云母 KAl2(AlSi3O10)(OH)2 碳酸盐类矿物 方解石、文石 CaCO3 菱铁矿 FeCO3 白云石 CaMg(CO3)2 铁白云石 Ca(Mg,Fe)(CO3)2 氧化物类矿物 石英(玉髓) SiO2 赤铁矿 Fe2O3 氢氧化物类矿物 褐铁矿 FeO(OH)·nH2O 硫化物类矿物 黄铁矿、
白铁矿FeS2 二氧化碳遇水会生成氢离子、碳酸氢根离子和碳酸根离子(式(1))。方解石、文石和白云石含有钙元素与碳酸根，故会与氢离子反应生成钙离子和碳酸氢根离子，且生成的离子会同伊利石发生反应(式(2)、式(3)、式(6))。高岭石含有氢氧根，故会同氢离子反应生成新的水分子(式(4))。伊利石的成分与白云母相似，经过二氧化碳与水的共同作用后，其会反应生成白云母(式(5))。黏土矿物都属于硅酸盐类矿物，其内部含有硅酸根，故高岭石和伊利石这类矿物经二氧化碳与水的共同作用后会生成二氧化硅，即石英(式(4)—式(6))。而石英为酸性氧化物，不易与碳酸反应，故含有黏土矿物的煤体经超临界二氧化碳作用后，其内部的石英含量会相对增加。煤中的黄(白)铁矿可与二氧化碳和水反应，并生成硫化氢气体(式(7))。
上述矿物反应方程式[21]如下：
$$ {\text{CO}}_{\text{2}}\text+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\longleftrightarrow {\text{H}}^{\text+}\text+{\rm{HCO}}_3^- \longleftrightarrow \text{2}{\text{H}}^{\text+}\text{+2}{\rm{CO}}_3^2– $$ (1) $$ \begin{array}{c}{\text{CaCO}}_{\text{3}}\text+{\text{H}}^{\text+} \longleftrightarrow {\text{Ca}}^{\text{2+}}\text+{\rm{HCO}}_3^-\\\text{(}\text{方解石}\text{/}\text{文石}\text{)}\text{} \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \end{array}$$ (2) $$ \begin{array}{c}{{\text{CaMg(CO}}_{\text{3}}\text{)}}_{\text{2}}\text{+2}{\text{H}}^{\text+} \longleftrightarrow {\text{Ca}}^{\text{2+}}\text+{\text{Mg}}^{\text{2+}}\text{+2}{\rm{HCO}}_3^-\\\text{(}\text{白云石}\text{)}\text{}\qquad \qquad \qquad \qquad\qquad \qquad\qquad\qquad \end{array} $$ (3) $$ \quad\;\;\;\;\;\;\begin{array}{l}{{\text{Al}}_{\text{2}}\text{Si}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{5}}{\text{(OH)}}_{\text{4}}+\ {\text{6}\text{}\text{H}}^{\text+} \longleftrightarrow \text{5}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O+2}{\text{Al}}^{\text{3+}}\text{+2}{\text{SiO}}_{\text{2}}\\ \quad\text{(}\text{高岭石}\text{)}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad(\text{玉髓}\text{)}\end{array} $$ (4) $$ \;\;\;\begin{array}{l}{\text{K}}_{\text{0.6}}{\text{Mg}}_{\text{0.25}}{\text{Al}}_{\text{2.3}}{\text{Si}}_{\text{3.5}}{\text{O}}_{\text{10}}{\text{(OH)}}_{\text{2}}\text+{\text{0.25CO}}_{\text{2}}\text+{\text{0.1}\text{}\text{H}}_{\text{2}}\text{O} \longleftrightarrow 0.6\text{}\text{K}{\text{Al}}_{\text{3}}{\text{Si}}_{\text{3}}{\text{O}}_{\text{10}}{\text{(OH)}}_{\text{2}}\text{+0.25}{\text{Al}}_{\text{2}}{\text{Si}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{5}}{\text{(OH)}}_{\text{4}}\text{+1.2}{\text{SiO}}_{\text{2}}\text{+0.25}\text{}\text{Mg}{\text{CO}}_{\text{3}}\\\qquad\qquad\;\;\;\; \text{(}\text{伊利石}\text{)}\qquad\qquad\quad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad\text{(}\text{白云母}\text{)}\quad\qquad\qquad\quad\text{(}\text{高岭石}\text{)}\quad\;\;\;\;\text{(}\text{石英}\text{)}\end{array} $$ (5) $${ \begin{split} &{\text{K}}_{\text{0.6}}{\text{Mg}}_{\text{0.25}}{\text{Al}}_{\text{2.3}}{\text{Si}}_{\text{3.5}}{\text{O}}_{\text{10}}{\text{(OH)}}_{\text{2}} + {\text{1.5}\text{H}}^+ + \text{0.5}{\rm{HCO}}_3^- + \text{0.25}{\text{Ca}}^{\text{2+}} \longleftrightarrow \text{0.6}\text{K}{\text{Al}}_{\text{3}}{\text{Si}}_{\text{3}}{\text{O}}_{\text{10}}{\text{(OH)}}_{\text{2}} + \text{0.5}{\text{Al}}^{\text{3+}} + \text{1.4}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O+1.7}{\text{SiO}}_{\text{2}} + \text{0.25CaMg}{{\text{(CO}}_{\text{3}})}_{\text{2}}\\ &\qquad\qquad(\text{伊利石})\;\;\;\;\quad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad(\text{白云母})\qquad\qquad\quad\qquad\qquad\quad(\text{石英})\quad(\text{白云石}) \end{split} }$$ (6) $$ \begin{array}{l}{\text{FeS}}_{\text{2}}\text{+2C}{\text{O}}_{\text{2}}\text{+2}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O} \longleftrightarrow {\text{Fe}}^{\text{2+}}+2 \mathrm{H}_2 {{\rm{S}}}+2 \mathrm{CO}_3^{2-}\\ \text{(}\text{黄}\text{/}\text{白铁矿}\text{)}\end{array} $$ (7) 可见超临界二氧化碳对煤体的矿物成分有着一定的改造作用，其可以溶解煤中的部分矿物，如方解石、白云石、高岭石、伊利石等，并易生成酸性氧化物石英。石英具有光滑的表面，且不易溶于酸，故石英的生成可以提高煤体孔裂隙壁的光滑度，增强瓦斯在煤孔裂隙中的克林肯伯格效应，即改善了煤体的渗透性。
1.1.2 有机官能团
煤中的有机官能团主要包括芳香结构官能团、含氧官能团、脂肪官能团和羟基官能团[22]。经超临界二氧化碳作用后，煤体内的有机官能团种类基本不发生改变，但各官能团的含量都会发生不同程度的变化，该变化可通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)进行测量 。由FTIR测量后，能够得到超临界二氧化碳作用前后的煤体红外光谱图，如图1所示，可发现处理后的煤样FTIR谱图吸收峰强度要低于处理前的煤样[23–25]。
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超临界二氧化碳作用后，煤样的芳香环缩聚程度(DOC)显著降低，证明煤中的烃类有机物能够被萃取出，此结果有利于降低瓦斯的吸附能力[26]。张宇杰等[27]通过气相色谱质谱联用仪(GCMS)测定了被萃取出的有机物成分，指出萃取物中含量最高的为芳香族化合物，亦验证了超临界二氧化碳对于煤体有着良好的萃取作用。
超临界二氧化碳对煤体的有机官能团也具有一定的改造作用，其可以萃取煤基质中的芳香烃、脂肪烃、含氧官能团等有机化合物。煤中的烃类等有机小分子含量越高，瓦斯吸附能力越强，故煤体烃类有机物的减少能够劣化煤体的瓦斯吸附能力。然而，煤中含氧官能团含量越低，瓦斯吸附能力越强，故煤体含氧官能团含量的降低会强化煤体的瓦斯吸附能力，劣化瓦斯抽采效果[28-29]。总而言之，烃类有机物和含氧官能团变化的共同作用决定了煤体瓦斯吸附能力的强弱。
1.2 超临界二氧化碳对煤基质的溶胀效应
煤体经超临界二氧化碳作用后，其孔裂隙结构一方面会因为煤体内部无机物和有机物含量的改变而间接改变，另一方面会由于超临界二氧化碳对煤体有着溶胀效应，使得煤基质发生吸附膨胀，从而被直接改变[30–32]，煤基质溶胀过程如图2所示。煤体孔裂隙结构的变化通常是这两种作用的共同结果[33-34]。
煤体溶胀现象是指超临界二氧化碳侵入煤体后，一部分二氧化碳分子会被吸附在煤基质表面，使得煤体渗流孔道相对减小，一部分二氧化碳分子会充填在煤基质内部的孔隙之中(微孔和超微孔隙)，发生吸附和毛细凝结现象，使得煤基质体积膨胀。煤体孔隙可根据煤层瓦斯在不同孔隙中的流动状态划分为吸附孔和渗流孔，吸附孔内流体为吸附态气体，运移方式为扩散，渗流孔内流体为游离态气体，运移方式为渗流，该孔道是影响煤体瓦斯渗流特性的主要因素[36–38]。由于二氧化碳分子吸附在煤基质表面后，会占据渗流孔道的一部分体积，使得煤体渗流孔道体积相对减小，且在其充填入煤基质内部后，还会导致煤基质发生体积膨胀，使得煤基质“压缩”了渗流孔道，从而使渗流孔道进一步变窄。故溶胀现象会降低煤体的渗透性，不利于瓦斯、二氧化碳等流体的运移[35,39]。
1.3 超临界二氧化碳对煤中瓦斯的驱替作用
超临界二氧化碳注入含瓦斯煤体后，一方面超临界二氧化碳流体能够导致煤基质吸附膨胀，减小渗流通道体积，阻碍瓦斯渗流，另一方面该流体还会同瓦斯气体产生竞争吸附效应，且能够驱替出瓦斯气体，促进煤中瓦斯的解吸[40–43]，超临界二氧化碳驱替瓦斯过程如图3所示。
超临界二氧化碳所减小的瓦斯渗流通道，通常只导致了瓦斯抽采效率的降低，而二氧化碳所促进的瓦斯解吸是可以提高瓦斯的总抽采量，且驱替瓦斯能力越强，瓦斯的可抽采量越大。已有大量试验验证了不同相态二氧化碳的高效驱替作用，且超临界二氧化碳的瓦斯驱替效率要比常规二氧化碳的高，则其驱替能力更强，瓦斯的可抽采量更大，故超临界二氧化碳对煤中瓦斯的驱替作用是促进瓦斯抽采效果的重要原因之一[45–47]。
超临界二氧化碳对煤中瓦斯的驱替作用机理主要有2点：①煤体对二氧化碳的吸附能力要强于对瓦斯的吸附能力，故煤中的超临界二氧化碳能够驱替出大量瓦斯；②由于注入超临界二氧化碳提高了煤层中二氧化碳气体的分压，相对降低了瓦斯气体的分压，致使煤体对二氧化碳的吸附能力进一步增强，瓦斯气体的解吸效果也相对提升，因而导致更多的瓦斯气体被二氧化碳驱替而出[48-49]。
2. 影响超临界二氧化碳增透煤体的因素
超临界二氧化碳注入煤体后，其对煤体的增透效果受到多种因素的制约。由于超临界二氧化碳易溶于水，在不同温度和压力下的溶解度又不尽相同，且有研究揭示了二氧化碳对高压下且水分质量分数高于3%的煤体有着更高的瓦斯驱替效率，故超临界二氧化碳对煤体的增透效果受到了煤体含水率、煤层压力和温度的制约[50–54]；以上因素皆是煤层的赋存环境，而超临界二氧化碳的注入压力、作用时间和温度也是影响其增透效果的重要因素[55–59]。除此之外，地层水的矿化程度、煤体煤阶等因素也影响了超临界二氧化碳对煤体的增透效果[60]。
2.1 作用温度
温度不仅影响了超临界二氧化碳在地层水中的溶解度，还影响了超临界二氧化碳在煤体中的地球化学反应。该因素对超临界二氧化碳作用下煤体的微观组分、孔裂隙结构和渗流特性都有着不同程度的影响。
GE[61]指出超临界二氧化碳作用后，煤中矿物成分的溶解能力随温度升高呈先增强再减弱的趋势，煤体芳香度随温度升高呈下降趋势，煤体芳香环缩聚程度(DOC)与温度呈“U”型关系，如图4所示。而芳香环缩聚程度的降低不利于瓦斯吸附，故DOC值最小时所对应的温度是能够致使煤体瓦斯吸附能力最弱的超临界二氧化碳浸泡温度[62]。
由图4可知，超临界二氧化碳作用后，煤体芳香环缩聚程度随温度的升高而呈现先下降后上升的趋势，即“U”型变化，故当温度为55 ℃，DOC值最小，此时煤体的瓦斯吸附能力最弱，瓦斯抽采效果相对更好。郝志勇等[63]研究发现超临界二氧化碳作用后煤体的孔隙率和渗透率都有了一个数量级以上的提高，且孔隙率和渗透率均随着温度的升高呈递减的趋势，如图5所示。
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通过函数拟合可得，煤体孔隙率和渗透率同温度皆呈负指数函数关系，且相关性良好，见表2。由超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理可知，该规律原因有二：①随着作用温度的升高，超临界二氧化碳的密度逐渐降低，其对煤体的微观结构改造作用也因此降低；②随着作用温度的升高，超临界二氧化碳分子的活跃性增大，其对煤体的溶胀效应增强，即煤体对超临界二氧化碳的吸附能力增强，致使煤基质膨胀速率增大，煤孔隙被压缩，因而煤体孔隙率和渗透率逐渐降低。
表 2 渗透率、孔隙率与作用温度的函数关系式Table 2. Functional relationship between permeability, porosity and action temperature煤体参数 函数关系式 拟合度 渗透率 y=4.975 8e−0.035 5x+0.965 5 R2=0.991 8 孔隙率 y=229.174 9e−0.069 2x+9.823 6 R2=0.970 4 2.2 作用压力
超临界二氧化碳在不同的作用压力下对煤体有着不同的增透效果。压力不仅影响了超临界二氧化碳在煤基质中的流动活跃性，还影响了其对煤中微观组分的改造作用强弱。一般认为，超临界二氧化碳的浸泡压力越大，其对煤中有机质的萃取溶解能力越强，煤的孔隙率和渗透性也就越大。
岳立新等[64]通过微观成像试验研究计算了不同作用压力下超临界二氧化碳作用后的煤体孔隙率和渗透率变化，指出超临界二氧化碳作用后的煤体渗透率是作用前的9.11倍，且随着压力的增大，其孔隙率和渗透率皆呈指数增加趋势，如图6所示。除此之外，亦有众多研究皆得到同样的渗透率变化规律，如图7所示。
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图7通过对文献[64–66]的数据统计和函数拟合所得到，可见渗透率与作用压力呈正指数函数关系，且函数相关性良好，见表3。根据超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理可知，渗透率随作用压力的增大而呈正指数增加的原因共有两点：①随着作用压力的增大，超临界二氧化碳对煤中微观组分的改造作用增强，致使部分矿物成分和有机官能团的溶解，并产生具有光滑表面的石英，促使煤孔裂隙通道光滑度提升，瓦斯渗透率也因此增强；②由于超临界二氧化碳对煤体中的瓦斯有着置换驱替作用，随着作用压力的增大，煤基质内部与外部的超临界二氧化碳压力梯度随之增大，煤体对二氧化碳的吸附能力和瓦斯解吸能力也就增强，致使瓦斯渗透能力增大。
表 3 渗透率与作用压力的函数关系式Table 3. Functional relationship between permeability and action stress2.3 作用时间
作用时间决定了超临界二氧化碳对煤中微观组分的改造程度。作用时间越长，超临界二氧化碳对煤中矿物组分和有机官能团的改造越彻底。一般来讲，随着超临界二氧化碳作用时间的增加，煤体的渗透率会越来越大，抗压强度会越来越小并趋于平缓。
国内外学者[67–69]考察了超临界二氧化碳在不同作用时间下的煤体渗透率和孔隙率的变化规律，均指出随着超临界二氧化碳作用时间的增加，煤体渗透率呈增加趋势，如图8所示。作用时间又分长时浸泡和短时浸泡，其作用效果大不相同。长时浸泡的煤体渗透率一般呈逐渐增加且趋于平缓的趋势，而短时浸泡的煤体渗透率一般呈指数增加趋势。
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分析图8a可知，文献[67]曲线中的煤体渗透率在第5天时发生转折。其中，作用时间小于5 d为短时浸泡，煤体渗透率随着作用时间的增加大概呈指数增加趋势；作用时间大于5 d为长时浸泡，煤体渗透率随作用时间的增加呈逐渐增加且趋于平缓的趋势。而文献[68]曲线为长时浸泡下的渗透率变化，呈逐渐增加且趋于平缓的趋势。岳立新等[69]为研究超临界二氧化碳作用后的煤体渗透率和孔隙率变化规律，开展了微观成像试验，得出了短时间浸泡下的渗透率和孔隙率演化规律，如图8b所示。分析图8b可知，短时浸泡下的煤体渗透率和孔隙率同作用时间皆呈正指数函数关系，且相关性良好，见表4。
表 4 渗透率、孔隙率与作用时间的函数关系式Table 4. Functional relationship between permeability, porosity and action time煤体参数 函数关系式 拟合度 渗透率 y=0.108 7e0.077 9x R2=0.976 8 孔隙率 y=7.163 9e0.077 1x R2=0.970 8 煤体的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量等力学特性也受到超临界二氧化碳作用时间的影响。梁卫国等[70]对超临界二氧化碳不同浸泡时间下的煤体力学特性变化开展了研究，指出随着超临界二氧化碳能够大幅弱化煤体力学强度，且随着作用时间的增加，煤体的抗压强度、弹性模量等力学性能逐渐降低。WANG等[71–73]的研究也验证了超临界二氧化碳作用时间同煤体力学特性之间的关系，如图9所示。
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分析图9可知，煤体抗压强度、弹性模量和抗拉强度都随超临界二氧化碳浸泡时间的增加而逐渐降低，且趋于平缓，证明超临界二氧化碳对煤体的力学特性有显著的劣化作用。将图9进行函数拟合得到图10。由图10可知，煤体的抗压强度、弹性模量和抗拉强度与作用时间皆呈负指数函数关系，且相关性良好，见表5。
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图 10 煤体力学特性与作用时间的函数关系Figure 10. Functional relationship between mechanical properties of coal and action time表 5 煤体力学特性与作用时间的函数关系式Table 5. Functional relationship between mechanical properties of coal and action time综上所述，随着超临界二氧化碳作用时间的增加，煤体渗透率呈增加并逐渐平缓的趋势，且在短时浸泡条件下，煤体渗透率和孔隙率皆呈正指数增加趋势，而抗压强度、弹性模量和抗拉强度皆呈负指数降低趋势，即煤体渗透特性和力学特性的变化随作用时间的增加终趋于某一特值。究其原因共有两点：①随着作用时间的增加，超临界二氧化碳对煤中矿物组分和有机官能团的改造作用逐渐减弱，到达某一临界时间点时，超临界二氧化碳与煤中微观组分完全发生反应，之后几乎不会存在对微观组分的改造。矿物成分和有机官能团的溶解与萃取一般都会促进煤体孔裂隙发育，致使煤体渗透率和孔隙率变大，但由于微观组分的变化很容易致使煤体的胶结程度和黏聚力降低，故其对煤体力学特性有着劣化作用；②随着作用时间的增加，超临界二氧化碳对煤体的溶胀和瓦斯驱替效应逐渐趋于稳定，不会继续使煤基质膨胀，而且超临界二氧化碳与瓦斯的竞争吸附也会处于动态平衡，故煤体的渗流特性和力学特性变化最终会趋于稳定。
2.4 煤体含水率
水分在超临界二氧化碳增透煤体中发挥着重要作用，煤体含水量决定了超临界二氧化碳对煤体矿物成分的改造强度。二氧化碳会同水形成碳酸，并产生氢离子和碳酸根离子，而煤中矿物成分易于氢离子发生反应，从而致使煤体中矿物成分被溶解，故煤体含水率也是影响超临界二氧化碳对煤体增透效果的重要因素之一。
LI[51]研究了超临界二氧化碳处理对不同含水量煤样微观结构的影响，并指出随着含水量的增加，超临界二氧化碳作用下的煤样微孔体积呈增加趋势，而含氧官能团数量呈减少趋势，且含水量对于超临界二氧化碳溶解煤样中黏土矿物的影响大于碳酸盐矿物。LI[54]指出水含量的增加能够降低煤体对瓦斯的吸附能力，但低水分含量抑制了超临界二氧化碳对煤中瓦斯的驱替效应，而高水分含量有利于二氧化碳对瓦斯的置换，如图11所示。肖畅等[72]对比了超临界二氧化碳作用下干燥状态和饱水状态煤样的力学性能变化，并指出饱水状态煤样受到的劣化作用更大，如图12所示。
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分析图11可知，超临界二氧化碳作用下，随着煤体含水率的提高，瓦斯抽采效果越来越好。这是由于煤体含水率越大，氢离子含量越高，超临界二氧化碳对煤中微观组分的溶解和萃取能力更强，煤体渗透性更好。而由图12可知，超临界二氧化碳对饱水煤体力学特性的劣化效果最好，这也是因为高水分煤体的微观组分变化更大，其对煤骨架的改造效果越强，煤体的力学强度也就越弱。SONG[74]也进行了超临界二氧化碳作用下干燥状态和饱水状态煤样的微观结构对比试验，研究得出超临界二氧化碳对饱水状态煤样中的矿物成分溶解效果更好，且孔裂隙结构变化更为显著，可见超临界二氧化碳对饱水煤体的增透效果更好。对文献[74]的孔隙结构变化进行线性拟合，并得到图13。
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通过对比图13中饱水状态和干燥状态下，煤体各孔径线性拟合函数斜率的绝对值可以发现：饱水煤样微孔和大孔的斜率绝对值比干燥煤样大，而干燥煤样中孔的斜率绝对值要比饱水煤样大，故可知超临界二氧化碳对饱水煤体的微孔和大孔改造效果强；饱水煤样的孔隙度变化斜率要比干燥煤样大，故可知超临界二氧化碳对饱水煤体的整体增透效果要更好。
综上所述，煤体含水率是影响超临界二氧化碳改造煤体微观组分的主要影响因素。在超临界二氧化碳作用下，随着含水率的增加，煤体孔隙率和渗透性会更大，煤体的力学强度会更弱。究其原因，主要因为在酸性环境中，超临界二氧化碳会随着水分含量的增加而溶解更多的矿物成分，如碳酸盐矿物和黏土矿物。矿物成分的溶解会导致煤体孔隙结构变化，并降低煤粒的胶结程度和黏聚力，故煤体的孔隙率和渗透性会变大，其力学强度会变弱。
3. 目前研究存在的问题
3.1 忽略浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响
学者们在研究超临界二氧化碳浸泡时间对煤体增透效果的影响时，忽略了浸泡次数这一因素的影响。如浸泡时间设计为1、3、5、7 d的梯度时(浸泡次数为4次)，每个梯度浸泡完成后都会降压，从而对煤体造成超临界二氧化碳的降压解吸。
超临界二氧化碳的降压解吸一方面会由于二氧化碳从煤基质中脱离出来，对煤体微观结构造成2次破坏，另一方面二氧化碳的解吸会将煤孔隙中被溶解和萃取出的微观组分携带出来，从而对煤体的微观结构和渗流特性造成影响。故循环浸泡次数越多，超临界二氧化碳降压解吸的作用次数也就越多，那么其对煤体造成的影响也就越大。因此循环浸泡次数也是影响超临界二氧化碳对煤体增透效果的重要因素之一，该因素应当被重视和研究。
针对浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体的影响这一问题，可按照循环液氮冷试验方案[75-76]来设计超临界二氧化碳循环浸泡试验方案，以研究在相同超临界二氧化碳浸泡时间下，不同浸泡次数对煤体增透效果的影响，以及相同超临界二氧化碳浸泡次数下，不同浸泡时间对煤体增透效果的影响。
3.2 缺乏主控因素和最佳增透条件分析
超临界二氧化碳增透煤体的影响因素有温度、压力、时间、煤体含水率、煤阶等等，各因素对其增透效果的影响程度肯定不一样，而现今的超临界二氧化碳增透煤体的影响因素研究中尚未有主控因素分析。
据统计研究得到，作用温度、作用压力、作用时间和煤体含水率都是影响超临界二氧化碳对煤体增透效果的主要因素，但各因素的影响程度不一，影响效果也不同。如随着温度的升高，煤体孔隙率和渗透率随之降低，而随着压力和时间的增加，煤体孔隙率和渗透率却随之升高，故应存在一个最佳增透条件使得超临界二氧化碳对煤体的增透效果最好，而现今尚未存在对最佳增透条件的研究分析。
针对上述2个问题，可通过正交实验法来设计试验方案，以得到超临界二氧化碳增透煤体的主控因素以及最佳增透条件。除此之外，也可通过建立数学模型求得超临界二氧化碳对煤体的最佳增透条件，如非线性规划模型、层次分析模型等。
4. 结论和展望
1)超临界二氧化碳侵入煤体后，会萃取煤中的有机物、破坏煤中的晶体结构、使煤基质膨胀变形，从而改变煤体的孔裂隙结构、力学强度和瓦斯吸附能力。其对煤体增透的作用机理共有3点：对煤体微观组分的改造作用、对煤基质的溶胀效应以及对煤中瓦斯的驱替作用。
2)影响超临界二氧化碳增透煤体的主要因素包含作用温度、压力、时间和煤体含水率。其中，煤体孔隙率和渗透率会随着作用温度的升高而降低，随着作用压力、时间和煤体含水率的增加而增大，且孔隙率和渗透率同作用压力和短时浸泡时间皆呈正指数函数关系；煤体力学强度会随着作用时间和含水率的增加而逐渐弱化，且抗压强度、弹性模量和抗拉强度皆与作用时间呈负指数函数关系。
3)目前研究忽略了浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响，且缺乏对主控因素和最佳增透条件的分析。可根据循环液氮致裂实验研究来进行超临界二氧化碳循环浸泡次数研究；可通过正交实验法来确定超临界二氧化碳增透煤体的主控因素和最佳增透条件，也可通过建立数学模型求得超临界二氧化碳对煤体的最佳增透条件。
致谢：感谢瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室开放基金项目 (2021SKLKF01)对本文的资助！
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图 1 煤与瓦斯共采领域发文量趋势及期刊分布情况
Figure 1. The trend of articles published and distribution of journal in coal and gas co-mining field
表 1 发文量位于前10位的研究机构排名
Table 1 Top 10 articles published with the strongest research institutions
编号 研究机构 发文量/篇 1 中煤科工集团重庆研究院有限公司 293 2 中国矿业大学安全工程学院 243 3 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 221 4 河南理工大学安全科学与工程学院 200 5 中煤科工集团西安研究院有限公司 159 6 煤科集团沈阳研究院有限公司 158 7 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院 131 8 煤矿安全技术国家重点实验室 129 9 安徽理工大学能源与安全学院 124 10 河南理工大学能源科学与工程学院 98 
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表 2 引文突现位于前20位的关键词排名
Table 2 Top 20 Keywords with the strongest citation bursts
关键词 年份 强度 起始年 终止年 2001～2022 瓦斯治理 2001 45.65 2001 2009 
瓦斯 2001 28.24 2001 2010 综合治理 2001 16.59 2001 2010 治理 2001 17.51 2002 2009 瓦斯抽放 2001 27.91 2003 2012 瓦斯涌出 2001 6.67 2005 2013 瓦斯事故 2001 6.64 2005 2010 地面钻井 2001 6.4 2006 2014 先抽后采 2001 5.53 2006 2010 保护层 2001 9.3 2007 2012 抽采 2001 8.13 2007 2012 增透 2001 6.53 2014 2017 安全工程 2001 5.92 2014 2016 瓦斯浓度 2001 5.6 2014 2020 水力冲孔 2001 6.6 2015 2019 煤层增透 2001 7.92 2017 2022 抽采效果 2001 5.82 2017 2022 碎软煤层 2001 5.77 2018 2022 以孔代巷 2001 6.46 2019 2022 抽采钻孔 2001 6.07 2019 2022
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表 3 聚类信息表
Table 3 Clustering information table
分类 关键词（按照频次排序，频次大于10） 研究对象 瓦斯、采空区、上隅角、煤层气、突出煤层、松软煤层、卸压瓦斯、低透气性、保护层、煤层群、
特厚煤层、裂隙带、底抽巷、碎软煤层增透措施 水力压裂、卸压增透、水力冲孔、增透、煤层增透、水力割缝、增透技术、卸压、深孔预裂爆破、
液态CO2、埋管抽采、强化抽采、水射流、割缝抽采方式 高位钻孔、穿层钻孔、顺层钻孔、高抽巷、地面钻井、沿空留巷、保护层开采、
定向长钻孔、埋管抽采工具/方法 数值模拟、钻孔布置、流固耦合、相似模拟、抽采参数、物理模拟、优化 测定参数/指标 抽采效果、瓦斯压力、渗透率、抽采半径、瓦斯浓度、抽采负压、瓦斯含量、抽采率、
煤层透气性、瓦斯流量、消突、卸压范围、残余瓦斯含量其他 瓦斯超限、瓦斯运移、安全工程、封孔
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