冷冻消融技术对煤裂隙的影响

张 延， 曹香莲，黄师梦，王 菊

(六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553000)

0 引言

煤层中赋存大量瓦斯(煤层气)，瓦斯是温室气体，温室效应是二氧化碳的几十倍；瓦斯在井下能够造成瓦斯爆炸等重大安全事故，造成财产和人员的损失。但同时，瓦斯也是一种优质清洁能源。

贵州省是中国南方煤炭最丰富的省区，素有“西南煤海”之称，但贵州省瓦斯赋存呈现“两高一低”的特点，即高瓦斯压力、高瓦斯含量(10～20 m3/t)、透气性差(渗透率多小于0.5 mD)，动力灾害危险性大，致使贵州煤矿高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占70%左右，煤与瓦斯突出灾害严重，瓦斯事故的发生率和伤亡率比其他事故都高。因此，将煤层中瓦斯抽采出来，不仅能够有效提高煤矿的安全系数，而且能够达到“碳中和”的目的。

目前，贵州省普遍采用预抽煤层瓦斯作为煤与瓦斯突出防治手段。预抽煤层瓦斯可以有效降低突出的动力，达到消突的目的，然而预抽煤层瓦斯需要耗费大量时间和工程量，再加上煤层透气性能差等因素，造成抽采浓度较低，抽采的效果一般[1]，采掘交替紧张，严重制约生产。为了提高抽采效率，多采用水力压裂等增透技术，但高压对煤体结构的破坏严重且压裂液容易造成环境污染[2]。

1 冻融技术对煤裂隙影响的研究现状

目前，对煤层裂隙的研究多采用液氮冻融循环技术来增大煤的透气性[3]。李和万、王来贵等人通过对液氮不同温度下煤层裂隙的变化进行研究，用显微镜、测速仪、单轴压缩等实验证明液氮冻融循环可以使裂隙发育，但存在着实验复杂、周期长等问题[4]。张春会等人通过煤样注入液氮实验，发现液氮浸溶下，煤块内的裂隙间水变成冰，发生体积膨胀，使得煤裂隙发育，发生扩展[5]。研究表明液氮冻融循环对煤的抗压强度和原生裂隙的扩展产生影响，能够改变煤体微观孔隙特征[6]。在此基础上，本文通过实验数据具体分析冷冻消融技术对煤裂隙的影响，从而找出增大裂隙的方法。

2 煤层裂隙分类

煤的裂隙主要是指煤体在受到外力作用下，被破坏而产生的缝隙。煤的裂隙发育、连通性以及煤体本身的性能等直接影响着煤层气的开采和利用[7-8]。裂隙一般可以分为内生裂隙和外生裂隙，外生裂隙一般是煤体在外部条件的作用下，发生的煤体表面被破坏的现象。在不同条件下，煤体被破坏的程度不同，比如温度的变化，高温能够导致裂隙膨胀。此外，包括压力、剪切作用等影响，均会使煤体裂隙的面积、长、宽、连通性等发生变化，甚至出现新的裂隙。

3 冷冻前后裂隙对比实验

实验选在六盘水地区某煤矿，该煤矿设计生产能力15万t/a。矿区工程地质条件为中等，瓦斯含量较高，某一采区绝对瓦斯涌出量为29.69 m3/min，相对瓦斯涌出量为29.82 m3/t，曾发生过煤与瓦斯突出动力现象，属于瓦斯突出矿井。选取矿层理清晰、裂隙明显的煤样，用切割机切割成60 mm×40 mm×20 mm的长方形煤块，然后用抛光的方式将煤块表面打磨至光滑。将打磨光滑的观察样品固定在载玻片上用光学显微镜观察；然后将煤样冻融处理，对比前后裂隙的变化情况。

3.1 实验过程

1)样品制备：选取一块大小、宽度适当的煤块，用打磨机打磨并抛光。

2)原样品观察：将抛光好的煤块用橡皮泥固定在载玻片上，放在光学显微镜上(见图1)，调节目镜和物镜，放大100倍，选取煤块上的裂隙，移动显微镜，观察裂隙，用计算机拍下照片，编号，并记录裂隙的位置。共选取3组裂隙图片。

图1 裂隙观测实验

3)样品处理：将样品浸泡在水里3 d后取出，放入冰箱冷冻3 d，将冷冻后的煤块解冻，放入干燥箱内烘干煤样中的水分。

4)冷冻后的样品，放在显微镜下观察，找到与原样品相同的裂隙位置，计算机拍下，编号，并记录图片。

5)对比冷冻前后的2组图片，用软件技术对裂隙进行标尺，对比前后裂隙的变化情况，包括宽度、长度、面积，观察是否有新裂隙出现。

3.2 实验结果及分析

1)煤样1号实验结果如图2、图3所示。

图2 冷冻前1号裂隙比例图

图3 冷冻后1号裂隙比例图

冷冻前后1号裂隙对比数据及曲线图如表1及图4所示。

表1 裂隙1号数据对比表

图4 冷冻前后1号裂隙宽度对比折线图

选取冷冻前1号裂隙中4组位置的裂隙，通过软件测量了4组裂隙的宽度，从左到右分别为127.4 μm、123.6 μm、100 μm、107.4 μm，平均裂隙宽度为114.6 μm，同样方法测定冷冻后相同位置的裂隙，得出冷冻后的裂隙分别为130.3 μm、131.6 μm、104.6 μm、111.2 μm，平均裂隙宽度为119.43 μm，通过计算得出冷冻后1号裂隙从左到右分别加宽了2.9 μm，8 μm，4.6 μm，3.8 μm，平均加宽裂隙为4.83 μm，加宽了4.2%。

2)煤样2号实验结果如图5、图6所示。

图5 冷冻前2号裂隙比例图

图6 冷冻后2号裂隙比例图

冷冻前后2号裂隙对比数据及曲线图如表2及图7所示。

表2 裂隙2号数据对比表

图7 冷冻前后2号裂隙宽度对比折线图

选取了冷冻前2号裂隙中4组位置的裂隙，通过软件测量了4组裂隙的宽度，从左到右分别为80.2 μm、84.5 μm、104.9 μm、105.3 μm，平均裂隙宽度为93.725 μm，同样方法测定冷冻后相同位置的裂隙，得出冷冻后的裂隙分别为92.4 μm、99.7 μm、115 μm、117.9 μm，平均裂隙宽度为106.25 μm，通过计算得出冷冻后2号裂隙从左到右分别加宽了12.2 μm、15.2 μm、10.1 μm、12.6 μm，平均加宽裂隙为12.525 μm，加宽了13.3%。

3)煤样3号实验结果见图8、图9所示。

图8 冷冻前2号裂隙比例图

图9 冷冻后2号裂隙比例图

冷冻前后3号裂隙对比数据及曲线图见表3及图10所示。

表3 裂隙3号数据对比表

图10 冷冻前后3号裂隙宽度对比折线图

选取了冷冻前3号裂隙中4组位置的裂隙，通过软件测量了4组裂隙的宽度，从左到右分别为71.4 μm、83.4 μm、86.6 μm、77.9 μm，平均裂隙宽度为79.825 μm，同样方法测定冷冻后相同位置的裂隙，得出冷冻后的裂隙分别为86.2 μm、97.8 μm、103.9 μm、90.4 μm，平均裂隙宽度为94.575 μm，通过计算得出冷冻后3号裂隙从左到右分别加宽了14.8 μm、13.9 μm、17.3 μm、12.5 μm，平均加宽裂隙为14.625 μm，加宽了18.32%。

通过以上对3组裂隙图片的数据分析，冷冻前后的1～3号裂隙均变宽了，1号裂隙平均加宽4.83 μm，变化率为4.2%，2号裂隙加宽12.525 μm，变化率为13.3%，3号裂隙加宽14.625 μm，变化率为18.32%。数据表明：冷冻消融后煤块中的裂隙均变宽，且在显微镜下能看到部分区域出现了新的裂隙和裂隙相容等现象。可见，经过煤层冻融技术处理后，煤裂隙扩展，增加了裂隙连通性能。因此，通过冷冻消融技术可以增加煤层的透气性和渗透性。

4 结语

通过实验数据的分析，对煤层冻融技术处理后，增大了煤体裂隙的面积，增加了裂隙连通性能及煤的渗透性，还产生了新的裂隙。因此得出结论：冷冻消融技术可以使煤裂隙扩展，裂隙的增大有利于提高煤层透气性，从而能够为煤层气的开采和煤与瓦斯突出防治工作带来效益。