中国高瓦斯煤层具有地质构造复杂、微孔隙、瓦斯高吸附、低渗透性的特点,瓦斯抽采困难,煤层渗透率成为制约瓦斯抽采的主要瓶颈。随着煤层增透技术开发研究,许多无水化致裂增透措施得到应用并取得了广泛关注,其特点都是用非水物质作为煤层致裂增透介质。尤其是在一些水资源匮乏地区更为迫切。基于冻融侵蚀现象和水冰相变的膨胀性,本文提出一种液氮循环注入致裂煤层抽采煤层气的方法。煤体在水-冰相变冻胀力、液氮气化膨胀力以及低温液氮对煤体的损伤共同作用下,促使宏观裂隙和微观裂隙扩展联通,构成裂隙网,增加煤层透气性。本文立足于研究液氮循环致裂煤体孔隙结构演化及其致裂增透机制,利用实验室实验、理论分析和数值模拟等手段,搭建了液氮致裂增透实验测试系统,基于弛豫谱分析技术和扫描电镜技术,实现了液氮致裂过程中煤体孔隙分布精细量化表征;获得了液氮注入参量与煤体破裂特征参量之间的关系;揭示了液氮致裂过程中煤体宏观-微观裂隙空间扩展、连通规律及液氮致裂增透机制;证明了液氮致裂煤层改善煤体孔隙结构的可行性,探究了液氮致裂煤体的致裂机制并提出了液氮致裂煤体抽采煤层气的应用思路。获得以下主要结论:1)随着液氮致裂时间的增加,煤体中各尺寸孔隙逐渐发育,出现更多新尺寸的小孔隙和大裂隙,微小孔隙逐渐发展连通为较大尺寸裂隙,煤体孔隙复杂性和连通性增强;煤体的有效孔隙度和总孔隙度增量率均同液氮致裂时间和致裂循环正相关;煤体残余孔隙度增量率同致裂时间和致裂循环负相关。扫描电镜结果表明,随着液氮致裂循环的增加,在煤体内部沿割理方向逐渐形成相互贯通的裂隙网络,进而在煤体表面形成宏观的冻融裂纹。煤体在液氮冻结中发生“冻缩-冻胀-冻缩”循环交变的应力作用,因此可利用液氮循环冻融来实现交变应力循环加载促进煤体裂隙发育。通过控制合理的致裂循环次数可实现煤体致裂的高效性。2)开展了关于液氮致裂时间,致裂循环,煤体含水率和煤变质程度对致裂煤体物性改造规律的探索试验。4种致裂变量对致裂煤体的孔隙结构、孔隙度和渗透率均具有不同的改造规律。其中致裂循环次数对煤体物性的改造尤为明显。液氮对不同煤阶煤体物性的改造规律受煤体初始孔隙度影响,一般情况下,改造效果为:褐煤>无烟煤>烟煤。本文分析了3种经典的NMR渗透率模型,通过精度对比,发现SDR模型渗透率与气体渗透率最吻合。并基于SDR渗透率模型,得出了适用于低变质煤的渗透率与致裂变量的预测公式。3)利用核磁共振技术和分形维数理论对致裂过程中的低阶煤体孔隙特征进行了关联分析。推导了基于横向弛豫时间T₂和孔隙度的核磁共振分形维数的表达式。文中根据煤体孔隙中的流体状态和孔径大小,把致裂煤体内部孔隙的分形维数分为5种。结果表明吸附孔分形维数D_A小于2,吸附孔不具有分形特征;束缚水状态和饱和水状态的分形维数D_ir和D_T拟合不规律,密闭孔隙的分形特征不明显;自由水状态的分形维数D_F和渗流孔分形维数D_S拟合度高,开放孔隙和瓦斯渗流孔隙具有很好的分形特征。通过关联分析发现,D_F和D_S与液氮致裂时间和致裂循环次数负相关。致裂过程中,煤体孔隙度和渗透率均与分形维数负相关,并得出了渗透率与分形维数D_F和D_S的预测模型。分形维数越小,孔隙分布越均匀,连通程度越高,越有利于煤层气的产出。4)研究了致裂煤样的单轴压缩破坏过程中压密、弹性、屈服和破坏四个阶段的力学特性、声发射特征及裂隙发展规律。液氮致裂后煤体的弹性模量、单轴抗压强度、纵波波速均减小,泊松比增大。得出了基于弹性模量的损伤变量和液氮致裂参量间的关系模型,发现损伤变量随着致裂时间增加到0.12的时候基本停止增加,但致裂循环作用对煤体造成的损伤则不断加深,且在致裂20次循环后有一个损伤加速的过程。研究了液氮致裂时间、致裂循环次数和煤体含水率对致裂煤体在单轴加载条件下的力学特征。液氮致裂时间和煤体含水率在一定范围内会降低煤体强度,但致裂循环则会对煤体造成持续性损伤作用,其中煤体含水率的对煤体的致裂损伤受饱和含水率的限制。5)研究了真三轴围压下液氮注射过程中试样的传热与致裂特征。结果表明单次液氮注射主要是通过固体介质进行冷量的传递,且损伤区域只出现在注射管附近,不能持续扩散;但循环式注射能形成有效的裂隙网络,液氮的冷量沿着裂隙进行传递,且伴随着主裂隙的贯通会在试样整体范围内产生塑性变形,直到试样屈服破坏。结果表明循环式液氮注射相比单次注射具有冻结过程降温快和融化过程升温快的特点。在相同的注射时间下,循环式注射的制冷范围远远大于单次注射。得出在流动状态下,高压氮气促使水分运移至新裂隙尖端的过程是循环式注射形成有效冻胀力和高效致裂的必要条件。