煤層膨脹增透材料放熱對煤體影響范圍研究

崔 嘯，郭立穩,張嘉勇，賈 靜

(1.華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210； 2.河北省礦業開發與安全技術實驗室，河北 唐山 063210)

隨著我國煤礦開采水平向深部延伸，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力顯著升高，嚴重威脅礦井生產安全[1-2]。目前常用的煤層增透技術包括鉆孔卸壓增透、水力壓裂增透、深孔爆破增透、膨脹材料增透等技術[3-6]。其中，膨脹材料增透技術是在煤層中布置鉆孔，灌注膨脹材料，依靠其膨脹能促使煤體破碎，提升煤體的透氣性。該技術具有反應速度較慢，壓力勻速增加，膨脹過程無聲、無飛石、無震蕩等特點[7-8]，同時膨脹材料是水泥類的膨脹凝膠材料，與水發生水化反應，會釋放熱量，導致環境溫度上升，放熱對煤體結構及瓦斯的影響有待進一步研究。

國內外研究者基于溫度對煤體及瓦斯的影響進行了大量研究。王登科等研究發現溫度沖擊會促使煤體內部裂隙擴展加寬，產生新裂隙，裂隙體積、壁厚、表面積均與溫差呈正相關關系[9]；王剛等應用CT三維重構技術并借助ANSYS軟件對煤體微觀孔裂隙結構分別進行共軛傳熱模擬和熱變形模擬，研究發現隨溫度載荷的增加，孔裂隙的變形量增加，孔裂隙之間的變形量差異越大[10]；楊凱等對不同溫度和圍壓耦合條件下的原煤瓦斯滲流進行了測定，煤樣滲透率均表現出較強的溫度、壓力敏感性[11]；孫光中等研究了不同參數變化下含瓦斯煤的滲透率與溫度變化的關系，發現煤體滲透率與溫度變化呈現負指數函數變化規律[12]。

針對膨脹材料水化反應放熱特征，筆者通過實驗分析和數值模擬進一步研究膨脹材料水化反應熱對煤體的影響，完善煤層膨脹致裂機理，為實現煤層膨脹致裂增透技術的現場應用提供理論基礎。

1 煤層膨脹增透機理

煤層鉆孔膨脹致裂使用的膨脹材料以氧化鈣CaO為主要成分，CaO發生水化反應，形成體積倍增的氫氧化鈣Ca(OH)2晶體，對煤體鉆孔起到膨脹致裂作用，導致煤體產生裂縫，形成瓦斯釋放空間[13]。同時，膨脹材料的水化過程會釋放一定熱量，通過熱傳導將熱量傳遞到煤體，導致煤體溫度升高，有助于吸附瓦斯的解吸，加速瓦斯釋放，可提高瓦斯抽采效率。煤層鉆孔膨脹致裂增透機理如圖1所示。

圖1 煤層鉆孔膨脹致裂增透機理示意圖

2 實驗裝置與方法

2.1 測溫環境條件

環境溫度條件對膨脹材料水化反應的影響較大，環境溫度高時，膨脹材料水化反應速率較快；溫度低時，水化反應速率較緩慢。在20.0 ℃室溫下對煤層鉆孔現場進行溫度和壓力測定。考慮到膨脹材料在煤層中的施工環境及填孔流動性等因素，選定水灰比為0.30的膨脹材料作為實驗測定對象。

2.2 實驗裝置及方法

在環境溫度20 ℃左右條件下，采用自主研制的膨脹材料水化反應溫度和壓力測試裝置進行實驗，測試裝置如圖2所示。用天平(精度為0.01 g)稱取總質量500 g的膨脹材料，加入150 mL水攪拌均勻后放入測試裝置。通過恒溫水浴模擬20.0 ℃環境溫度，并通過溫度傳感器、壓力傳感器和數據記錄儀記錄水化反應溫度及膨脹壓力隨時間的變化情況。為保證實驗數據的準確性，共進行3組重復實驗。

圖2 膨脹材料水化反應溫度和壓力測試裝置

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 膨脹材料膨脹壓力及溫度變化分析

通過3組重復實驗測得膨脹材料膨脹壓力和水化反應溫度數據基本一致，選取其中一組進行分析。膨脹材料膨脹壓力和水化反應溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。

(a)膨脹壓力變化

(b)水化反應溫度變化

由圖3(a)可知，在開始階段膨脹材料反應速度較快，膨脹壓力增長較快；當反應1 000 min后膨脹壓力增長速率逐漸減緩，但膨脹材料仍未完全發生水化反應，所以膨脹壓力仍會緩慢增長；隨著時間的推移，最大膨脹壓力穩定在47 MPa左右。

由圖3(b)可知，在環境溫度為20.0 ℃、水灰比為0.30的情況下，膨脹材料在溫度為20.0～43.0 ℃時，反應升溫緩慢；當溫度達到43.0 ℃后，反應迅速加快，升溫明顯；在反應70 min時，達到最高水化反應溫度103.5 ℃，隨后水化反應溫度開始緩慢下降。

2.3.2 膨脹材料溫度變化速率分析

對圖3(b)實驗數據進行分析，確定膨脹材料反應溫度每升高或下降10 ℃所需的時間Δt，并計算各溫度段的升溫速率K，將其作為水化反應過程中溫度變化快慢的指標，即K=10/Δt[14-15]。

膨脹材料水化反應溫度可依據溫度變化速率的情況來確定，反應過程可分為升溫階段和降溫階段，升溫速率和降溫速率變化曲線如圖4所示。

(a)升溫速率變化

(b)降溫速率變化

由圖4(a)可知，膨脹材料升溫過程主要分3個階段，在20.0～43.0 ℃溫度范圍時，膨脹材料升溫相對緩慢，升溫速率為0.48～0.78 ℃/min；40.0～100.0 ℃時，升溫速率呈指數趨勢增長，最高升溫速率為20.00 ℃/min；由于膨脹材料升溫主要依靠水化反應放熱，當溫度達到100.0 ℃時，升溫速率急劇下降。

膨脹材料達到最高水化反應溫度103.5 ℃后，膨脹材料降溫速率曲線如圖4(b)所示，由于降溫階段膨脹材料仍未完全反應，依舊會因水化反應放熱，所以降溫時間要長于升溫時間，并且由于散熱原因降溫速率會隨溫度的降低逐漸減緩。

根據膨脹材料反應溫度速率變化，整個水化反應過程的溫度變化可分為4個階段：①緩慢升溫階段(20.0～43.0 ℃)；②快速升溫階段(43.0～100.0 ℃)；③降速升溫階段(100.0～103.5 ℃)；④降溫階段。

對膨脹材料4個水化反應階段溫度變化進行擬合計算，其擬合曲線如圖5所示。

圖5 膨脹材料水化反應溫度擬合曲線

分別對膨脹材料水化反應的升溫和降溫4個階段進行擬合分析：

①緩慢升溫y1=20.736+0.57x，R2=0.987；

②快速升溫y2=-74.07+2.90x，R2=0.996；

③降速升溫y3=87+0.27x，R2=0.999；

④降溫階段y4=646.35x-0.416，R2=0.978。

3 膨脹材料放熱影響范圍數值模擬

3.1 幾何模型與煤層參數

在膨脹材料致裂的前提下，分析煤層鉆孔膨脹材料的4個溫度變化階段中水化反應熱對煤層的影響范圍。模型大小為4 m×4 m，鉆孔孔徑為100 mm，簡化的二維平面幾何模型如圖6所示。

圖6 幾何模型

計算幾何模型共劃分532個網格，其中三角形單元480個，邊界元44個，頂點單元8個。煤層基本物理性質參數如表1所示。

表1 煤層物理性質參數

3.2 計算結果及分析

膨脹材料產生的最大膨脹壓力約為47 MPa，煤體在膨脹壓力的作用下能被破碎，從而形成貫穿裂隙，提高瓦斯抽采效率。數值模擬膨脹材料水化反應過程中溫度變化，分別選擇4個階段中30、50、70、180 min的煤體溫度變化及影響范圍進行分析，各時間點膨脹孔周圍煤體溫度變化云圖如圖7所示。

(a)30 min

(b)50 min

(c)70 min

(d)180 min

由圖7可知，當膨脹材料水化反應30 min時，膨脹材料剛開始發生水化反應，其反應溫度較低，對煤體影響較小；當膨脹材料發生水化反應50 min后，進入快速升溫階段，煤體受熱后溫度和影響范圍顯著增加；當膨脹材料發生水化反應70 min時，反應溫度達到最高，但影響范圍變化不明顯；當膨脹材料發生水化反應180 min時，溫度變化進入降溫階段，煤體溫度有所降低，但受熱范圍繼續擴大。

膨脹材料在各溫度變化階段，距鉆孔不同位置的煤體溫度及影響范圍如圖8所示。

圖8 膨脹材料水化反應對煤體溫度的影響曲線

由圖8可知，隨著煤體與鉆孔距離的增加，煤體溫度呈遞減趨勢；隨著膨脹材料溫度的上升，煤體溫度上升，影響半徑增加；當膨脹材料進入水化反應降溫階段時，由于熱能被傳遞，雖然煤體溫度隨之下降，但影響半徑卻隨之增加。以煤體上升溫度超過1.0 ℃為條件，最大影響半徑可達1.2 m。通過膨脹材料水化反應溫度對煤體影響半徑的研究，進一步揭示了煤層鉆孔膨脹致裂增透機理，為煤層膨脹鉆孔的布孔參數選取提供了理論依據。

4 結論

1)通過膨脹材料水化反應溫度和壓力測試裝置實驗，測定膨脹材料的最高膨脹壓力約為47 MPa，最高反應溫度為103.5 ℃。

2)根據膨脹材料水化反應溫度變化情況，可將溫度變化過程分為升溫階段和降溫階段。升溫階段主要分3個階段：緩慢升溫(20.0～43.0 ℃)、快速升溫(43.0～100.0 ℃)和降速升溫(100.0～103.5 ℃)階段。降溫階段，降溫速率會隨溫度的降低逐漸減緩。

3)膨脹材料水化反應釋放熱量，既可使鉆孔周圍煤體受熱改變其力學性質，又可增加瓦斯氣體動能，加速瓦斯解吸，從而提高瓦斯抽采效率。通過數值模擬分析，煤體受膨脹材料水化反應放熱的影響范圍隨溫度的升高而增大；并且在膨脹材料的降溫階段，煤體的影響范圍依然增大；當反應至400 min時，最大影響半徑達到1.2 m。