蓄熱相變對煤體滲透率的影響作用研究

徐德宇，崔洪慶，王天瑜，屈麗娜，劉 濤

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454003；2.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州451191；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層（頁巖）氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作454000；4.河南平寶煤業(yè)有限公司 首山一礦，河南 平頂山461700）

低滲透性煤層是制約煤礦瓦斯高效抽采的重要因素。在低滲透煤層中，瓦斯易于富集又難于治理，易引發(fā)瓦斯涌出、煤與瓦斯突出等問題，嚴(yán)重影響煤礦的安全高效生產(chǎn)[1]。針對低滲透性煤層，通常需要實施各種強化增透措施，人為強迫溝通煤層內(nèi)原有的裂隙網(wǎng)絡(luò)或產(chǎn)生新的裂隙網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到增加煤層透氣性的目的[2]。目前，國內(nèi)外強化抽采措施以水力化方式為主，主要包括水力壓裂、水力沖孔、水力割縫等[3－5]，但是，水力化增透措施用水量大，在一些水資源匱乏地區(qū)難以開展，且含有松軟黏性礦物質(zhì)的煤層吸水膨脹后易堵塞瓦斯運移通道，影響水力化增透和瓦斯抽采的效果。在此背景下，運用液氮溶浸煤體進(jìn)行損傷處理的強化增透方法近年來不斷發(fā)展[6－8]。在液氮溶浸增透方面，煤體水分由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的體積膨脹力是其重要的增透作用力，液固相變理論上具有較高的膨脹力，以水冰相變?yōu)槔嘧兗s產(chǎn)生9%的體積膨脹，能夠產(chǎn)生高達(dá)207 MPa的凍脹力，可達(dá)到煤體增透的效果[9－10]，但是，液氮溶浸煤體屬于低溫冷處理增透，在一定的低溫范圍內(nèi)，煤體的強度會增加，且煤體中未含自由水的孔裂隙結(jié)構(gòu)會收縮，其對煤體孔裂隙網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和增透效果具有一定的阻礙作用。綜上所述，研究蓄熱膨脹相變作用對煤體滲透率的影響，對煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透及低滲透煤層瓦斯高效抽采等具有科學(xué)和工程指導(dǎo)意義。

1 實驗原理和方法

1.1 實驗原理

實驗主要通過蓄熱相變材料的特性實現(xiàn)熱處理環(huán)境下的煤體增透，蓄熱相變材料被廣泛應(yīng)用于太陽能利用、太空熱控技術(shù)等儲能領(lǐng)域，以液固蓄熱相變?yōu)槔涮攸c為材料在升溫過程中通過固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)儲存蓄積熱量，而在降溫過程中，材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)并能夠逐漸釋放所蓄積的熱量，從而使整個相變過程保持在一定的熱環(huán)境中，起到蓄熱儲能的目的[11]。實驗選用液固蓄熱相變材料Na2HPO4·7H2O為相變載體，它是一種低熔點結(jié)晶水合鹽，熔點為45℃左右，該材料在熔點以上呈透明狀液態(tài)，在熔點以下呈冰狀固態(tài)結(jié)晶，且常溫下不易與空氣發(fā)生反應(yīng)。實驗以Na2HPO4·7H2O為相變載體，通過Na2HPO4·7H2O溶液浸潤煤樣，在低范圍內(nèi)（30～50℃左右）調(diào)節(jié)溫度，運用材料載體結(jié)晶相變的體積膨脹力和放熱效應(yīng)，達(dá)到煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透的目的，并通過觀測煤樣蓄熱相變增透效果，揭示煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透規(guī)律。

1.2 實驗方法

1）蓄熱相變增透實驗。在玻璃罐中裝入Na2HPO4·7H2O晶體，置于恒溫水浴中，溫度調(diào)節(jié)至50℃，待晶體融化為液態(tài)后，將煤樣置于溶液中，然后將玻璃罐繼續(xù)放置于恒溫水浴中靜置2 h，使Na2HPO4·7H2O溶液逐漸滲入到煤樣中。待溶液有效滲入煤樣后，將盛有煤樣的玻璃罐置于24℃的室溫環(huán)境中，使溶液逐漸降溫并結(jié)晶為固態(tài)，并運用其蓄熱性和結(jié)晶膨脹力對煤樣進(jìn)行熱環(huán)境下的膨脹相變增透。

2）煤體滲透率測試實驗。在增透實驗前，將圓柱狀煤樣在圍壓2 MPa、軸壓2 MPa及室溫條件下測試其滲透率；測試結(jié)束之后，將煤樣進(jìn)行蓄熱相變增透實驗，待增透實驗結(jié)束后，將盛有煤樣和固態(tài)Na2HPO4·7H2O的玻璃罐置于50℃的恒溫水浴中，使固態(tài)Na2HPO4·7H2O融化，然后從溶液中取出煤樣，并用吸水棉吸出煤樣中的殘留溶液，最后在相同圍壓和軸壓下，測定蓄熱相變增透后的煤樣滲透率。

2 實驗煤樣和實驗結(jié)果

2.1 實驗煤樣

實驗所用煤樣采集于河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦己16－17煤層，該煤層埋深600 m左右，以中高等變質(zhì)程度的焦煤和瘦煤為主，煤層厚度2.76～10.22 m，平均6.15 m，煤的堅固性系數(shù)平均值0.34，煤體破壞類型以碎粒煤為主，實驗所采煤樣的堅固性系數(shù)實測0.38，所采塊狀煤樣用巖心鉆取機沿垂直層理鉆取，用切磨機加工成直徑50 mm，長度50 mm的圓柱狀，并將煤樣上下端打磨光滑，以保證滲透率測試壓力加載時的均勻性。實驗所用共6塊煤樣，均鉆取自同一煤塊，鉆取后的煤樣置于75℃的干燥箱中，所制煤樣經(jīng)干燥后均滿足實驗要求。

2.2 實驗結(jié)果

將盛有實驗煤樣和溶液的玻璃罐從恒溫水浴中取出，此時溶液溫度為50℃，相變?nèi)芤簽橥该鞒吻鍫钜后w，煤樣完全溶浸于相變?nèi)芤旱撞坎⑶逦梢姟Ｈ缓髮⒉ＡЧ揿o置于室溫24℃的空氣中，其中，A組實驗煤樣自然冷卻至24℃，B組煤樣用18℃冷風(fēng)直吹降溫至24℃，所有實驗煤樣在24℃時均由液態(tài)逐漸相變成結(jié)晶固態(tài)。結(jié)晶后，蓄熱相變材料呈冰絮狀白色不透明固態(tài)物，煤樣被包裹于固態(tài)材料中且不可見。不同溫度下含煤樣蓄熱相變材料的狀態(tài)如圖1。

圖1 不同溫度下含煤樣蓄熱相變材料的狀態(tài)Fig.1 The state of coal-containing thermal storage phase changematerials at different temperatures

相變強化增透前和增透后，煤樣滲透率測試結(jié)果見表1。2組6個煤樣在強化增透后滲透率都有不同程度的升高，其中A組煤樣中最大增幅為150.8%，平均119.6%，B組煤樣中最大增幅87.4%，平均78.8%，A組煤樣增透實驗后的滲透率增幅要顯著大于B組。

表1 煤樣滲透率測試結(jié)果Table 1 Coal sam ple permeability test results

3 實驗結(jié)果分析

3.1 蓄熱相變放熱量對煤體滲透率的影響

蓄熱相變放熱量的大小和降溫速度有密切關(guān)系，降溫速度越慢，相變放熱越均勻，整個過程的相變放熱量越大[12]。為研究不同程度的熱環(huán)境對煤體滲透率的影響，A組實驗煤樣自然冷卻至24℃，B組煤樣用18℃冷風(fēng)直吹降溫至24℃，同時，每2 min用紅外測溫儀測量A、B 2組溶液的溫度值，并分析2組溶液溫度平均值的變化規(guī)律。蓄熱相變?nèi)芤豪鋮s時的溫度變化如圖2。

圖2 蓄熱相變?nèi)芤豪鋮s時的溫度變化Fig.2 The temperature change of the thermal storage phase change solution during cooling

實驗結(jié)果表明：在整個蓄熱相變過程中，A組煤樣降至24℃用時132 min，B組煤樣降至24℃用時74 min。其中，A組煤樣前86 min溫度在35℃以上，B組煤樣前24 min溫度保持在35℃以上。A組煤樣從38 min開始穩(wěn)定的相變放熱，溫度在38～66 min內(nèi)保持在37℃左右，維持時間28 min；而B組煤樣在26～38 min之間開始穩(wěn)定的相變放熱，溫度保持在34.5℃左右，持續(xù)時間12 min，且38 min后，B組煤樣溫度開始呈階段性快速下降。A組煤樣相變放熱的整體溫度和持續(xù)時長均顯著大于B組，放熱量大于B組。根據(jù)滲透率測試結(jié)果，A組煤樣滲透率的增幅顯著大于B組，最大增幅150.8%，平均119.6%，而B組最大為87.4%，平均78.8%。結(jié)合蓄熱相變放熱量和煤樣滲透率變化規(guī)律綜合分析，蓄熱相變的放熱量是影響煤體滲透率變化的重要因素，且放熱量越大，蓄熱相變對煤體的增透效果越明顯，同時也表明熱環(huán)境可以促進(jìn)液固相變膨脹增透的效果。

3.2 蓄熱相變對煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的影響

在蓄熱相變的過程中，材料的液固態(tài)結(jié)晶相變導(dǎo)致的體積膨脹力，使煤體孔裂隙膨脹；同時，材料結(jié)晶固化過程中釋放的熱量，促進(jìn)了煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的開放、保持和擴(kuò)展，達(dá)到了煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透的目的。為進(jìn)一步研究蓄熱相變對煤體滲透率的影響，對相變增透前和增透后的A2煤樣進(jìn)行了低場核磁共振測試，并通過得到T2弛豫時間譜，分析蓄熱相變對煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的影響。增透前后A2煤樣T2弛豫時間對比如圖3。

T2譜峰一般為3峰結(jié)構(gòu)，由低到高分布在0.1～1 ms，10～50 ms和100 ms左右，分別代表微小孔、中大孔和裂隙中的流體信號[13－14]。由圖3可知，A2煤樣增透前后T2在0.1～1 ms之間的譜峰變化不大，最大由322.46增加至343.29，增幅為6.46%，表明蓄熱相變增透后煤樣中微小孔增加程度不大；而T2在10～50 ms之間和100 ms左右的譜峰明顯上升，分別由189.16增至218.21，以及由221.17增至261.05，增幅分別達(dá)到15.36%及18.03%，表明中大孔和裂隙數(shù)量增加明顯，且介于2個譜峰之間的T2值增幅最為顯著，最大由106.41增至156.54，增幅達(dá)到47.11%，表明介于中大孔和裂隙之間的孔裂隙結(jié)構(gòu)的連通性增強，上述研究表明蓄熱相變主要通過增加中大孔、裂隙的數(shù)量以及兩者之間孔裂隙結(jié)構(gòu)的連通性進(jìn)而增加煤體的滲透率。

圖3 增透前后A2煤樣T2弛豫時間對比Fig.3 Comparison of T2 relaxation time of A2 coal sam ple before and after coal permeability enhancement

4結(jié) 論

1）蓄熱相變作用能夠有效增加煤體的滲透率，且蓄熱相變的放熱量是影響煤體增透效應(yīng)的重要因素。

2）蓄熱相變作用所提供的熱環(huán)境可以促進(jìn)煤體相變膨脹增透的效果，且蓄熱相變降溫速度越慢，相變放熱量越大，煤體增透效應(yīng)越明顯。

3）蓄熱相變主要通過增加中大孔和裂隙的數(shù)量以及兩者之間孔裂隙結(jié)構(gòu)的連通性進(jìn)而增加煤體的滲透率。