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乙酸侵蚀作用下煤岩结构的演化规律与影响作用机理

乙酸,煤岩酸化,微观结构演化,分子动力学模拟,数字岩心,深度学习

针对深部高地应力煤层开采过程中，常规注水技术因煤体内矿物充填裂隙导致渗透性差、难以形成有效改造网络的工程难题，本研究提出采用乙酸作为酸化改造剂，系统开展了乙酸侵蚀作用下煤岩微观结构演化规律与影响机理的研究。通过整合实验分析、分子动力学模拟和深度学习技术，构建了从微观机制到宏观应用的完整研究体系。实验方面，综合利用傅里叶红外光谱、Micro-CT扫描等手段，系统考察了不同浓度（0%-75%）乙酸在长达72小时浸泡周期内对煤体孔隙结构、矿物质含量及有机官能团的演化规律。研究结果显示，75%浓度的乙酸对煤体改造效果最为显著，孔隙率随浓度增加呈上升趋势，且在时间尺度上呈现三阶段特征：初始反应期（0-12小时）、充分反应期（12-48小时）和反应减缓期（48小时以上）。分子水平上，通过分子动力学模拟揭示了乙酸分子优先吸附于煤分子中的苯环和含氧官能团，催化C=O向C-O转化，同时生成含羧酸根的沉淀物，这一过程有效削弱了矿物颗粒间的联结强度，为孔隙扩展提供了化学基础。本研究创新性地引入了基于U-Net架构的深度学习模型，实现了对Micro-CT图像的自动化高效分割，建立了精确的酸化煤体数字岩心，从而能够量化分析不同酸化条件下矿物溶蚀的动态过程。研究发现，煤体原生孔裂隙结构对酸化效果具有显著影响：连通性差的煤体有效溶蚀窗口约为12小时，而连通性良好的煤体可延长至24小时。这种差异化效应为现场应用中的参数优化提供了重要依据。机理层面，研究明确了乙酸主要通过作用于煤中的含氧官能团（如-OH、-OH-O等）和特定芳香结构，同时发现酸性腐蚀与干湿循环过程相互促进，共同推动煤体物理结构的持续破坏和孔隙网络的扩展。本研究成果不仅阐明了弱酸酸化改造煤体的多尺度作用机制，而且开发了基于深度学习的微观结构分析方法，为深部低渗透煤层的增渗改造提供了理论指导和技术支持，对提升煤层注水在粉尘防治、冲击地压预防等灾害治理效果，保障煤矿安全高效开采具有重要实践价值。