蓄热相变对煤体渗透率的影响作用研究

2021-06-23徐德宇崔洪庆王天瑜屈丽娜

煤矿安全 2021年6期

徐德宇，崔洪庆，王天瑜，屈丽娜，刘涛

（1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003；2.中原工学院能源与环境学院，河南郑州451191；3.中原经济区煤层（页岩）气协同创新中心，河南焦作454000；4.河南平宝煤业有限公司首山一矿，河南平顶山461700）

低渗透性煤层是制约煤矿瓦斯高效抽采的重要因素。在低渗透煤层中，瓦斯易于富集又难于治理，易引发瓦斯涌出、煤与瓦斯突出等问题，严重影响煤矿的安全高效生产[1]。针对低渗透性煤层，通常需要实施各种强化增透措施，人为强迫沟通煤层内原有的裂隙网络或产生新的裂隙网络，以达到增加煤层透气性的目的[2]。目前，国内外强化抽采措施以水力化方式为主，主要包括水力压裂、水力冲孔、水力割缝等[3－5]，但是，水力化增透措施用水量大，在一些水资源匮乏地区难以开展，且含有松软黏性矿物质的煤层吸水膨胀后易堵塞瓦斯运移通道，影响水力化增透和瓦斯抽采的效果。在此背景下，运用液氮溶浸煤体进行损伤处理的强化增透方法近年来不断发展[6－8]。在液氮溶浸增透方面，煤体水分由液态变为固态的体积膨胀力是其重要的增透作用力，液固相变理论上具有较高的膨胀力，以水冰相变为例，水冰相变约产生9%的体积膨胀，能够产生高达207 MPa的冻胀力，可达到煤体增透的效果[9－10]，但是，液氮溶浸煤体属于低温冷处理增透，在一定的低温范围内，煤体的强度会增加，且煤体中未含自由水的孔裂隙结构会收缩，其对煤体孔裂隙网络扩展和增透效果具有一定的阻碍作用。综上所述，研究蓄热膨胀相变作用对煤体渗透率的影响，对煤体热处理环境下膨胀增透及低渗透煤层瓦斯高效抽采等具有科学和工程指导意义。

1 实验原理和方法

1.1 实验原理

实验主要通过蓄热相变材料的特性实现热处理环境下的煤体增透，蓄热相变材料被广泛应用于太阳能利用、太空热控技术等储能领域，以液固蓄热相变为例，其特点为材料在升温过程中通过固态转变为液态储存蓄积热量，而在降温过程中，材料由液态变为固态并能够逐渐释放所蓄积的热量，从而使整个相变过程保持在一定的热环境中，起到蓄热储能的目的[11]。实验选用液固蓄热相变材料Na2HPO4·7H2O为相变载体，它是一种低熔点结晶水合盐，熔点为45℃左右，该材料在熔点以上呈透明状液态，在熔点以下呈冰状固态结晶，且常温下不易与空气发生反应。实验以Na2HPO4·7H2O为相变载体，通过Na2HPO4·7H2O溶液浸润煤样，在低范围内（30～50℃左右）调节温度，运用材料载体结晶相变的体积膨胀力和放热效应，达到煤体热处理环境下膨胀增透的目的，并通过观测煤样蓄热相变增透效果，揭示煤体热处理环境下膨胀增透规律。

1.2 实验方法

1）蓄热相变增透实验。在玻璃罐中装入Na2HPO4·7H2O晶体，置于恒温水浴中，温度调节至50℃，待晶体融化为液态后，将煤样置于溶液中，然后将玻璃罐继续放置于恒温水浴中静置2 h，使Na2HPO4·7H2O溶液逐渐渗入到煤样中。待溶液有效渗入煤样后，将盛有煤样的玻璃罐置于24℃的室温环境中，使溶液逐渐降温并结晶为固态，并运用其蓄热性和结晶膨胀力对煤样进行热环境下的膨胀相变增透。

2）煤体渗透率测试实验。在增透实验前，将圆柱状煤样在围压2 MPa、轴压2 MPa及室温条件下测试其渗透率；测试结束之后，将煤样进行蓄热相变增透实验，待增透实验结束后，将盛有煤样和固态Na2HPO4·7H2O的玻璃罐置于50℃的恒温水浴中，使固态Na2HPO4·7H2O融化，然后从溶液中取出煤样，并用吸水棉吸出煤样中的残留溶液，最后在相同围压和轴压下，测定蓄热相变增透后的煤样渗透率。

2 实验煤样和实验结果

2.1 实验煤样

实验所用煤样采集于河南平宝煤业有限公司首山一矿己16－17煤层，该煤层埋深600 m左右，以中高等变质程度的焦煤和瘦煤为主，煤层厚度2.76～10.22 m，平均6.15 m，煤的坚固性系数平均值0.34，煤体破坏类型以碎粒煤为主，实验所采煤样的坚固性系数实测0.38，所采块状煤样用岩心钻取机沿垂直层理钻取，用切磨机加工成直径50 mm，长度50 mm的圆柱状，并将煤样上下端打磨光滑，以保证渗透率测试压力加载时的均匀性。实验所用共6块煤样，均钻取自同一煤块，钻取后的煤样置于75℃的干燥箱中，所制煤样经干燥后均满足实验要求。

2.2 实验结果

将盛有实验煤样和溶液的玻璃罐从恒温水浴中取出，此时溶液温度为50℃，相变溶液为透明澄清状液体，煤样完全溶浸于相变溶液底部并清晰可见。然后将玻璃罐静置于室温24℃的空气中，其中，A组实验煤样自然冷却至24℃，B组煤样用18℃冷风直吹降温至24℃，所有实验煤样在24℃时均由液态逐渐相变成结晶固态。结晶后，蓄热相变材料呈冰絮状白色不透明固态物，煤样被包裹于固态材料中且不可见。不同温度下含煤样蓄热相变材料的状态如图1。

图1 不同温度下含煤样蓄热相变材料的状态Fig.1 The state of coal-containing thermal storage phase changematerials at different temperatures

相变强化增透前和增透后，煤样渗透率测试结果见表1。2组6个煤样在强化增透后渗透率都有不同程度的升高，其中A组煤样中最大增幅为150.8%，平均119.6%，B组煤样中最大增幅87.4%，平均78.8%，A组煤样增透实验后的渗透率增幅要显著大于B组。

表1 煤样渗透率测试结果Table 1 Coal sam ple permeability test results

3 实验结果分析

3.1 蓄热相变放热量对煤体渗透率的影响

蓄热相变放热量的大小和降温速度有密切关系，降温速度越慢，相变放热越均匀，整个过程的相变放热量越大[12]。为研究不同程度的热环境对煤体渗透率的影响，A组实验煤样自然冷却至24℃，B组煤样用18℃冷风直吹降温至24℃，同时，每2 min用红外测温仪测量A、B 2组溶液的温度值，并分析2组溶液温度平均值的变化规律。蓄热相变溶液冷却时的温度变化如图2。

图2 蓄热相变溶液冷却时的温度变化Fig.2 The temperature change of the thermal storage phase change solution during cooling

实验结果表明：在整个蓄热相变过程中，A组煤样降至24℃用时132 min，B组煤样降至24℃用时74 min。其中，A组煤样前86 min温度在35℃以上，B组煤样前24 min温度保持在35℃以上。A组煤样从38 min开始稳定的相变放热，温度在38～66 min内保持在37℃左右，维持时间28 min；而B组煤样在26～38 min之间开始稳定的相变放热，温度保持在34.5℃左右，持续时间12 min，且38 min后，B组煤样温度开始呈阶段性快速下降。A组煤样相变放热的整体温度和持续时长均显著大于B组，放热量大于B组。根据渗透率测试结果，A组煤样渗透率的增幅显著大于B组，最大增幅150.8%，平均119.6%，而B组最大为87.4%，平均78.8%。结合蓄热相变放热量和煤样渗透率变化规律综合分析，蓄热相变的放热量是影响煤体渗透率变化的重要因素，且放热量越大，蓄热相变对煤体的增透效果越明显，同时也表明热环境可以促进液固相变膨胀增透的效果。

3.2 蓄热相变对煤体孔裂隙结构的影响

在蓄热相变的过程中，材料的液固态结晶相变导致的体积膨胀力，使煤体孔裂隙膨胀；同时，材料结晶固化过程中释放的热量，促进了煤体孔裂隙结构的开放、保持和扩展，达到了煤体热处理环境下膨胀增透的目的。为进一步研究蓄热相变对煤体渗透率的影响，对相变增透前和增透后的A2煤样进行了低场核磁共振测试，并通过得到T2弛豫时间谱，分析蓄热相变对煤体孔裂隙结构的影响。增透前后A2煤样T2弛豫时间对比如图3。

T2谱峰一般为3峰结构，由低到高分布在0.1～1 ms，10～50 ms和100 ms左右，分别代表微小孔、中大孔和裂隙中的流体信号[13－14]。由图3可知，A2煤样增透前后T2在0.1～1 ms之间的谱峰变化不大，最大由322.46增加至343.29，增幅为6.46%，表明蓄热相变增透后煤样中微小孔增加程度不大；而T2在10～50 ms之间和100 ms左右的谱峰明显上升，分别由189.16增至218.21，以及由221.17增至261.05，增幅分别达到15.36%及18.03%，表明中大孔和裂隙数量增加明显，且介于2个谱峰之间的T2值增幅最为显著，最大由106.41增至156.54，增幅达到47.11%，表明介于中大孔和裂隙之间的孔裂隙结构的连通性增强，上述研究表明蓄热相变主要通过增加中大孔、裂隙的数量以及两者之间孔裂隙结构的连通性进而增加煤体的渗透率。