液態(tài)CO2溶浸作用下煤體孔隙結(jié)構損傷特性研究

摘要：為分析液態(tài)CO2作用后煤體的孔隙結(jié)構變化，開展了3種不同變質(zhì)程度煤樣的液態(tài)CO2溶浸實驗，采用壓汞法測試了煤樣溶浸前后的孔容分布，分析了低溫液態(tài)CO2溶浸作用下煤體的損傷特性。結(jié)果表明：液態(tài)CO2溶浸煤體后大孔孔容增加，中、小、微孔孔容減小，溶浸過程中存在微孔→小孔→中孔→大孔的轉(zhuǎn)化；液態(tài)CO2溶浸過程主要為溫度應力對煤體的損傷作用，損傷后總孔容降低，這是由于煤體孔隙破壞后形成宏觀裂隙網(wǎng)絡，損傷效應包括原生孔隙轉(zhuǎn)化及新孔隙生成；低溫作用下形成煤體基質(zhì)收縮應力及水結(jié)冰膨脹擠壓應力，形成拉伸、剪切、擠壓等綜合破壞及孔隙擴容作用，進一步增加了煤體的滲透性。關鍵詞：孔容變化；溫度應力；結(jié)構損傷；液態(tài)CO2；煤基質(zhì)破壞中圖分類號：TD 712文獻標志碼： A

Abstract：In order to analyze the variation of coal pore structure under the

treatment of liquid CO2，leaching experiments of three coal samples with different metamorphic degree were carried out.Pore volume distribution of raw coal and treated coal with the leaching experiment was tested by the mercury intrusion method.Based on the variation of pore volume，damage property of coal under the effect of low temperature liquid CO2 was analyzed.The results indicated that macropore volume increases contrary to the decrease of volume of mesopore，small pore and micropore.Pore volume goes through the basic process of micropore→small pore→mesopore→macropore.In the leaching process，the temperature stress caused the damage of coal and the decrease of whole pore volume which are results from the formation of the macro fracture network caused by coal pore breakage.The damage effect contains the transformation of original pores and generation of new pores.The comprehensive tensileshearcompression failure and the effect of enlarging volume，which are caused by the shrinkage induced stresses of coal matrix and compressive stresses of frozen water finally increase coal permeability.Key words：pore volume change；temperature stress；structural damage；liquid carbon dioxide；coal matrix failure

0引言“高儲低滲”是我國煤層賦存的普遍特征，據(jù)統(tǒng)計，我國37%以上的礦井為高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井，其中95%的開采煤層又屬于低滲透性煤層[1]。煤體的孔隙及裂隙是煤層瓦斯運移的主要通道，原煤孔裂隙較小或者不連通嚴重影響了滲透性。我國煤層滲透率在0002～1617 mD之間，滲透率小于1 mD的煤層占已探明煤碳資源總量的72%，這給礦井煤層瓦斯抽采帶來了技術難題[2]。因此，如何提高煤層的滲透性是解決我國煤層瓦斯抽采的關鍵。國內(nèi)外先后提出了多種提高煤層滲透性的技術方法，如爆破致裂[3-4]、大孔徑密集打鉆[5]、水力壓裂[6-7]等，但目前應用效果仍不理想。

近年來，國內(nèi)外采用低溫材料（如液態(tài)二氧化碳、液氮等）進行原煤結(jié)構改造，促進孔隙及裂隙發(fā)育，達到增透促抽煤層氣[8-9]。低溫流體注入煤儲層后，內(nèi)部形成溫度梯度，產(chǎn)生冷沖擊應力導致煤體孔裂隙發(fā)生改變，同時低溫流體氣化后體積可膨脹數(shù)百倍，高壓氣體可有效致裂煤體，增加煤層的滲透性[10]。目前，學者對低溫冷裂砂巖、頁巖和混凝土方面開展了一系列試驗。任韶然等[11]采用聲波測試研究了液氮作用煤體后的波速變化規(guī)律；李萬和等[12]研究了煤樣多次液氮凍融后的單軸抗壓強度變化規(guī)律；楊更社等[13]借助CT掃描技術研究了巖石凍融循環(huán)下的損傷劣化特性。煤儲層是一種非均勻的多孔介質(zhì)，其孔隙分布特征直接決定了儲層中氣體的滲流能力。筆者擬在開展低溫液態(tài)CO2對煤體溶浸試驗的基礎上，分析溫度應力對煤體的孔隙結(jié)構損傷特征，為液態(tài)二氧化碳在煤層壓裂增透技術的應用提供理論基礎。

1實驗

11煤樣制備為使實驗結(jié)果較全面地反映液態(tài)二氧化碳溶浸煤體的效果，選擇不同變質(zhì)程度煤樣開展實驗。所用煤樣取自硫磺溝礦長焰煤、張集礦的1/3焦煤和新莊礦的無煙煤。將實驗煤樣破碎3～6 mm的小煤塊各50 g，置于DZF-6050型真空干燥箱，在105 ℃下干燥處理1 h后密封保存。

12實驗原理

汞對煤體沒有潤濕作用，在壓汞過程中，需要克服孔喉內(nèi)部的毛細阻力。假設煤體是由不同尺寸的圓柱形孔隙組成，則產(chǎn)生浸潤面積S所需要的功為[14]

W1=-Sscosq=-2prcosq/s，

（1）

式中S為汞浸潤面積，也為圓柱形孔的比表面積，cm2；s為水銀的表面張力，N/m；q為水銀的潤濕接觸角，（°）；r為孔隙喉道半徑，cm.迫使汞進入圓柱形孔隙所做的功等于注入壓力、孔截面積和圓柱孔長度之積，即

W2=Ppr2l，

（2）

式中l(wèi)為圓柱孔隙長度，cm；P為毛細管力，N/m2.壓汞過程中W1和W2相等，聯(lián)合（1）（2）2個方程可得

P=2scosqr.

（3）式（3）即為Washburn方程，根據(jù)注入水銀毛細管力就可以計算出相應的孔隙喉道半徑。

13實驗方法

1.3.1煤樣溶浸處理

3種煤樣各選擇20 g左右，裝入30目鐵砂網(wǎng)制成的樣品袋中，并標上標簽。如圖1所示，將3個樣品袋依

次放入耐壓大于4 MPa的密閉壓力容器中，用耐壓膠管將液態(tài)CO2杜瓦瓶與壓力容器相連接，緩慢注入液態(tài)CO2，持續(xù)浸溶煤樣1 h后（經(jīng)測試得到溶浸溫度為-500～-552 ℃），取出煤樣，將煤樣放入干燥皿中升至常溫狀態(tài)密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2浸溶前后孔隙分布測試本實驗采用壓汞法測定煤樣的孔隙結(jié)構參

數(shù)。儀器選用美國Autopore 9500型全自動壓汞

儀，取適量處理前后的3種樣品放入壓汞儀，實驗儀器從0003 MPa至240 MPa逐步施加壓力并自動記錄注入試樣孔隙的體積，依次完成6個實驗樣品。

2實驗結(jié)果及分析

3種原煤樣及液態(tài)CO2溶浸后煤樣的孔容分布見表1.通過對比可以發(fā)現(xiàn)

1）液態(tài)CO2溶浸后3種煤樣的大孔孔容比原煤樣依次增加0005，0008，0006 ml/g，增長率分別為86%，91%，72%；

2）中孔、小孔及微孔孔容體積及其各自所占百分比均有所下降，說明在溫度應力作用下，煤體的孔隙存在從微孔→小孔→中孔→大孔的轉(zhuǎn)化；3）在溫度應力損傷煤體孔隙結(jié)構過程中，3種煤樣的總孔容分別降低0006，-0007，0004 ml/g，結(jié)合大孔的孔容變化情況，可以推斷出部分孔隙在低溫應力作用下孔隙尺寸增大，甚至轉(zhuǎn)化為宏觀的裂隙，有效孔容降低，裂隙發(fā)育形成并連通成為裂隙網(wǎng)絡，這與文獻[15-16]的研究結(jié)果一致。綜上所述，在低溫荷載的作用下，煤體不斷生成新的孔隙，且生成的孔隙及原有孔隙不斷轉(zhuǎn)化為尺寸更大的孔隙。總的來說，煤體在低溫液態(tài)CO2溶浸過程中，受溫度應力的作用一方面有新孔隙的積累，另一方面部分孔隙向更大尺寸孔隙及裂隙的轉(zhuǎn)換。

3液態(tài)CO2溶浸煤體孔隙損傷特性分析煤是由基質(zhì)、孔隙及流體為主組成的多重介質(zhì)，其一是煤體的基質(zhì)骨架連續(xù)介質(zhì)，其二是煤體基質(zhì)中的孔隙（包括滲流孔、擴散孔和盲孔），其三是充填或者化合作用于孔隙空間的流體（主要包括水和氣）。三者重疊分布，共同形成多重介質(zhì)體系[17]，如圖2所示。

圖2煤體孔隙介質(zhì)模型

Fig.2Pore medium material model of coal

孔隙是液態(tài)CO2溶浸過程的主要滲透通道。在浸溶過程中，CO2與煤體發(fā)生熱量交換，并伴隨著表面吸附現(xiàn)象，煤體產(chǎn)生應變及內(nèi)部破壞，增加了煤體的孔隙發(fā)育。從浸溶過程的力學特征入手，對液態(tài)CO2浸溶煤體過程損傷特性分析如下。

31煤體冷卻收縮孔隙擴容煤體內(nèi)部的每一個基質(zhì)單元作為一個連續(xù)整體，在溫度變化過程中符合固體的熱脹冷縮特性。當煤體基質(zhì)表面與低溫的液態(tài)CO2接觸時，溫度快速下降，并逐漸向內(nèi)基質(zhì)部分發(fā)生熱量傳遞，整個基質(zhì)骨架收縮，裂隙面之間受拉力作用發(fā)生塑性變形。具體表現(xiàn)為孔隙的有效容積擴大，使煤體滲流通道更加暢通，利于流體在孔隙中的運移。

32煤基質(zhì)收縮孔隙拉伸及剪切破壞煤基質(zhì)在冷卻作用下，內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，基質(zhì)骨架發(fā)生收縮，形成煤體溫度應力，在煤體的孔隙表面及內(nèi)部形成一定的應力場。當溫度應力達到破壞極限值時，基質(zhì)失穩(wěn)擴展，形成更多的孔隙。此過程中，煤體的破壞形態(tài)表現(xiàn)為拉伸破壞或者剪切破壞。具體表現(xiàn)為原始孔隙空間的增大和新孔隙的生成，孔隙數(shù)目增多，孔隙連通性加強，滲透性增大。設煤體基質(zhì)微元的溫度變化為ΔT，各部分微元存在外在及內(nèi)在約束應力，則基質(zhì)微元的實際應變?yōu)閇11]

別為平行和垂直層理方向的泊松比；sx，sy，sz分別為x，y，z 3個方向的收縮應力。假定煤體基質(zhì)為各向均勻同性連續(xù)介質(zhì)，取煤體的線性膨脹系數(shù)1.2×10-5 ℃-1，彈性模量5 890 MPa，煤體抗拉強度14 MPa，煤層原始溫度為26 ℃，CO2浸溶后壁面溫度降低為-566 ℃（CO2的三相溫度點），計算得到基質(zhì)內(nèi)部最大溫度應力為51 MPa.溫度應力超過了煤體的抗拉及剪切強度，基質(zhì)內(nèi)部結(jié)構發(fā)生熱應力破壞。

33水結(jié)冰膨脹應力擠壓破壞根據(jù)煤層的賦存結(jié)構，煤體孔隙空間充填一定的自由水及結(jié)合水，當液態(tài)CO2溶浸煤體時，低溫作用使得水分結(jié)冰膨脹，對煤體產(chǎn)生兩方面的影響：一是水結(jié)冰膨脹使煤體的天然孔隙空間增大，冰融化后并不能完全恢復原始狀態(tài)產(chǎn)生塑性變形，煤體滲透性增強；二是煤體水結(jié)冰產(chǎn)生膨脹應力，對煤基質(zhì)產(chǎn)生擠壓作用，在一定溫差下，膨脹力將會超過煤體的抗壓強度，基質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生擠壓破壞。研究表明：煤體內(nèi)部孔隙冰在-5，-10，-22 ℃時產(chǎn)生的膨脹應力分別為61，113，212 MPa，遠大于煤體的抗壓強度[18]，使原生孔裂隙進一步擴展并產(chǎn)生新孔隙結(jié)構，煤體孔裂隙度增大。文獻[12]測試了低溫條件下煤體表面平均裂隙寬度擴展794%～1406%，研究結(jié)果推論與文獻一致。綜上所述，煤體在液態(tài)CO2溶浸過程中，產(chǎn)生溫度應力，對煤體基質(zhì)形成拉伸、剪切、擠壓等綜合破壞及孔隙擴容作用，導致煤體內(nèi)部原始孔隙損傷及新孔隙生成，增加了煤體的滲透性。

4結(jié)論1）液態(tài)CO2溶浸煤體后大孔孔容增加，中、小、微孔孔容減小，溶浸過程中存在微孔→小孔→中孔→大孔的轉(zhuǎn)化；2）液態(tài)CO2溶浸后總孔容降低，這是由于煤體孔隙破壞后形成宏觀裂隙網(wǎng)絡，損傷效應包括原生孔隙轉(zhuǎn)化及新孔隙的生成；3）低溫作用下形成拉伸、剪切、擠壓等綜合破壞及孔隙擴容作用，增加了煤體的滲透性。

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