相變蓄熱作用下煤體增透影響因素研究

徐德宇，馬豪娟，崔洪慶，王天瑜，劉 濤

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.中原工學院 能源與環境學院，河南 鄭州 451191；3.中原經濟區煤層（頁巖）氣協同創新中心，河南 焦作 454000；4.河南平寶煤業有限公司首山一礦，河南 平頂山 461700）

煤層瓦斯是制約我國煤礦安全生產的主要因素[1]，為了有效進行瓦斯治理工作，我國高瓦斯煤礦多對煤層進行強化增透處理，進而增加煤層的透氣性，以提高煤層瓦斯的抽采和治理效果[2]。在此背景下，運用水力化增透方法[3-5]，以及運用液氮溶凍、液態CO2相變致裂等方法對煤體進行增透的研究不斷發展[6-7]；而近年來，運用溫度沖擊[8]、注熱蒸汽[9]、膨脹放熱等[10]熱處理的方法對煤體進行增透，因其能夠有效促進煤層裂隙網絡的擴展和貫通，并具有加速周圍煤體瓦斯解吸等作用，逐漸受到相關學者的重視[11-12]。其中，運用相變蓄熱的方法，在煤體中注入相變蓄熱材料，能夠應用相變蓄熱的熱環境和材料相變的結晶固化膨脹力對煤體進行增透[13]，具有多種作用綜合增透的效果，也逐漸受到了相關學者的關注。然而，影響煤層增透的因素較多[14]，如溫度、煤體破碎程度、含水率等[15]，但是目前尚缺乏相變蓄熱影響因素方面的系統研究，相關研究尚不能滿足工程實踐的需求。基于上述分析，對相變蓄熱作用下煤體增透的影響因素進行研究，可為熱環境作用下和相變蓄熱作用下煤層強化增透措施和瓦斯高效治理工程實踐提供科學依據，具有重要的科學意義。

1 試驗方法

1.1 試驗煤樣和相變蓄熱材料

試驗所用煤樣均采集于河南平寶煤業有限公司首山一礦己16-17 煤層，以碎粒型焦煤為主，煤樣采集后加工成直徑和長度均為50 mm 的圓柱狀試樣，并置于75 ℃的干燥箱中干燥后備用。試驗選取結晶水合鹽Na2HPO4·7H2O 為相變蓄熱材料，該材料熔點較低，在45～48 ℃之間，且常溫下不與空氣和煤體發生反應；該材料在升溫過程中可逐漸熔化為透明狀液態，并通過固態轉變為液態儲存蓄積熱量，而在降溫過程中，材料可由液態逐漸結晶固化為固態，產生體積膨脹力，并釋放所蓄積的熱量，進而可使煤體增透過程保持在一定的熱環境中，達到煤體熱處理環境下膨脹增透的目的。

1.2 試驗步驟

對煤樣在室溫下進行瓦斯滲透率測試試驗，試驗條件為圍壓2 MPa、軸壓2 MPa；測試結束后，分別將盛有相變蓄熱材料的容器和煤樣置于恒溫箱中加熱，使相變蓄熱材料升溫達到預設溫度并轉變為液態，待材料完全受熱液化后，將煤樣置于液態相變材料中浸潤，并間隔若干時間后不斷取出稱重，使煤樣的含液率達到飽和含液率的百分比預設值，然后將煤樣從相變蓄熱溶液中取出，用鋁箔紙包裹密封并置于20 ℃的恒溫箱中降溫2 h，使相變蓄熱材料逐漸結晶固化，進行煤體相變蓄熱增透試驗；并根據試驗條件中的相變次數，重復循環調節恒溫箱中的溫度，進行1 次或多次相變蓄熱增透試驗，待煤體增透試驗結束后，取出煤樣并干燥，在相同圍壓和軸壓下，再次進行煤體瓦斯滲流試驗，并記錄滲透率測試試驗結果。煤體增透試驗預設條件見表1。

表1 煤體增透試驗預設條件Table 1 Preset conditions for coal permeability enhancement test

2 不同因素對煤體相變蓄熱增透效應的影響

2.1 相變初始溫度對煤體滲透率的影響

相變蓄熱環境的初始溫度對煤體增透效應具有影響作用，相變初始溫度越高，蓄熱材料所蓄積和釋放的總熱量則越大，可以有效影響煤體熱處理增透的實際效果。為研究相變蓄熱初始溫度對煤體增透效果的影響，根據試驗條件1（表1），分別在相變初始溫度55、65、75 ℃的環境下，對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組共9 個煤樣進行了煤體增透試驗，不同相變溫度下煤體滲透率增幅對比如圖1。

圖1 不同相變溫度下煤體滲透率增幅對比Fig.1 Comparison of coal permeability increase at different phase transition temperatures

由圖1 可知：當相變蓄熱初始溫度為55 ℃時，煤體滲透率增幅較小，在65.33%～111.33%之間，平均增幅為82.64%，而隨著相變初始溫度的增高，煤體滲透率增幅逐漸增大；當相變初始溫度達到75 ℃時，煤體滲透率增幅增大至139.86%～193.00%，平均增幅增大至165.41%。研究結果表面，相變蓄熱的初始環境溫度越高，增透環境的總熱量越大，可以更有效地使煤體骨架產生熱膨脹，促進煤體內部孔隙結構的擴展，且整體上，煤體滲透率增幅隨相變初始溫度的增加呈線性增長趨勢。

2.2 煤體含液率對滲透率的影響

在相變蓄熱增透煤體的過程中，煤樣含液率的大小可以直接影響相變材料結晶固化膨脹力的大小，是決定煤體增透效果的主要作用。為了分析煤樣含液率對增透效果的影響，根據試驗條件2，在Ⅰ組煤樣20%含液率的基礎上，增設了含液率為40%和60%的2 組煤樣（表1），并進行了增透試驗，不同含液率煤體滲透率變化規律如圖2。

圖2 不同含液率煤體滲透率變化規律Fig.2 Change law of coal permeability with different liquid contents

由圖2 可知：相較于Ⅰ組煤樣，當煤樣含液率從20%增至40%時，Ⅳ組煤樣的滲透率增幅明顯，平均增幅由82.64%增至180.81%；而當煤體含液率增至60%時，Ⅴ組煤樣的滲透率顯著增大，滲透率平均增幅達到494.86%，最大可增至556.04%。整體上，煤體滲透率隨煤體相變材料含液率的增加呈指數型增長，相關變化規律表明，當煤體相變蓄熱材料含液率較高時，煤體內部因材料結晶固化所引起的體積膨脹力增強，進而使煤體內部孔裂隙結構有效擴展，煤體的增透效應顯著提高。

2.3 相變次數對煤體滲透率的影響

通過試驗溫度的循環調節，煤體內的相變蓄熱材料可以反復結晶固化，進而實現相變蓄熱的循環以及對煤體增透作用的累加，因此，相變次數的大小對煤體的增透效應具有重要影響。為分析相變蓄熱次數對煤體滲透率的影響，在Ⅰ組煤樣相變次數為1 的基礎上，按照試驗條件3（表1），分別增設相變次數為4 次、7 次、10 次的Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ組煤樣共9個，并測定了增透試驗前后煤樣的瓦斯滲透率，不同相變次數作用下煤體滲透率變化圖3。

圖3 不同相變次數作用下煤體滲透率變化Fig.3 Changes of coal permeability under different phase transition times

由圖3 可知：相變次數由1 次升至4 次時，煤樣滲透率增幅較小，平均值由82.64%增至139.52%；而當相變達到7 次時，滲透率增幅較大，平均值為333.41%，最高值可增至381.06%；整體上相變次數由1 次增至7 次時，煤體滲透率增幅呈指數形式增長；但是，當相變次數繼續增至10 次的過程中，煤體滲透率增幅趨于平緩，平均值僅由333.41%增至385.81%，最大值僅由381.06%增至406.92%。研究結果表明，隨著相變蓄熱次數的增加，循環的相變蓄熱作用可以實現煤體裂隙結構的開放和增透效應的累積增加，進而使煤體滲透率呈指數型增長，但當相變蓄熱的循環次數增高至一定值時，相變蓄熱的增透作用顯著減小，煤體滲透率的增幅趨于穩定。

2.4 煤體破碎程度對滲透率的影響

煤體的破碎程度是影響煤體增透效果的重要因素，在相同的煤體增透條件下，不同破碎程度的煤體，因其煤體致裂強度和內部裂隙結構的不同，相變蓄熱增透的效果會有較大差異。為研究煤體破碎程度對相變蓄熱增透作用的影響，根據試驗條件4（表1），對Ⅸ、Ⅹ組共6 個不同破碎程度的煤樣進行了增透試驗和瓦斯滲流試驗，不同破碎程度煤體增透后滲透率分布區間如圖4。

圖4 不同破碎程度煤體增透后滲透率分布區間Fig.4 Coal permeability distribution interval with different crushing degrees after enhancement

由圖4 可知：2 組煤樣均以碎粒煤為主，第Ⅹ組煤樣的堅固性系數f 值在0.19～0.27 之間，破碎程度較第Ⅸ組煤樣高，通過相變蓄熱的增透作用后，第Ⅹ組煤樣滲透率增幅也較大，平均值為234.46%，最大增幅達到271.79%，均顯著大于Ⅸ組煤樣的滲透率增幅。研究表明，在相同條件下，破碎程度高的煤體在相變蓄熱作用下，煤體增透效應較高；但在增透后，Ⅸ組煤樣滲透率增大至2.36×10-16～3.30×10-16m2之間，Ⅹ組煤樣在2.08×10-16～3.54×10-16m2之間，2 組煤樣增透后的滲透率差值較小，整體穩定在一定區間內，該規律表明Ⅸ組煤樣的滲透率增幅較高，主要與煤體初始滲透率較低相關，而當相變蓄熱的增透條件相同時，煤體破碎程度對煤體致裂增透的最終效應影響不顯著。

3 結 論

1）相變蓄熱環境的初始溫度越高，煤體增透環境所蓄積和釋放的總熱量則越大，進可使煤體骨架產生的熱膨脹增強，增加煤體增透的效果，且煤體滲透率增幅隨相變初始溫度的增加呈線性增長趨勢。

2）含液率是影響相變蓄熱作用下煤體增透效果的重要影響，隨著煤體含液率的增加，相變材料結晶固化所引起的體積膨脹力增強，煤體內部孔裂隙結構有效擴展，造成煤體滲透率增幅隨煤體含液率的增加呈指數型增長。

3）相變蓄熱次數對煤體增透的影響作用顯著，循環的相變蓄熱作用可以使煤體的致裂效應有效累積增加，進而使煤體滲透率增幅在一定范圍內隨相變次數的增加呈指數型增長，但是當相變蓄熱的循環次數增高至一定值后，煤體增透效應逐漸減小，煤體滲透率增幅趨于穩定。

4）在相變蓄熱作用下，破碎程度高的煤體增透效應顯著，煤體滲透率增幅較大，其主要與煤體初始滲透率較低密切相關；而當相變蓄熱的增透條件相同時，破碎程度對煤體增透最終效應的影響不顯著。