化学试剂对煤的裂隙结构和渗透率的影响研究

廖 峰

(安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤层气是一种潜在的新型清洁能源，对缓解能源危机、开发新型清洁能源具有重要意义。我国煤层气资源存储量丰富，如何安全高效开采煤层气资源是目前研究的热点。然而，我国煤层大多是低渗透率煤层，煤层气开采困难，因此对煤层进行增透处理就显得尤为重要[1-2]。煤层渗透率的增加能够提升煤层气的抽采效率，进而减少矿井瓦斯灾害，保障煤矿的安全生产。

为提升低渗透率煤层的增透效果，国内外众多学者对多种增透方式进行实验，例如水力压裂[3]、钻孔[4]、爆破[5]等，并取得不错的效果。但针对深部低渗透煤层的复杂特性，更多新的增透方式有待被提出。近年来，化学溶剂侵蚀成为一种新的增透方式[6-13]。刘生玉等[10]研究溶剂抽提作用对煤样的损伤效果，探究不同试剂对煤样的损伤效应，以及孔隙率变化规律；郭红玉等[11]研究氧化剂对煤样的作用，发现二氧化氯能够作为有效的破胶剂，同时通过氧化作用能够提升煤的渗透率；郝宗超等[12]发现有机溶剂均有扩孔效果，在二硫化碳、丙酮和过氧乙酸处理的煤样中，丙酮处理的煤样比表面积和孔容增加的最大；张小东等[13]研究不同类型的酸协同作用下煤样的接触角和表面张力变化。

综上所述，化学溶剂处理煤样是潜在提升煤层透气性的有效方式之一。以往学者也证实化学试剂改善煤样的裂缝和渗透率的可行性，但对不同试剂的作用效果研究还不够深入。本文旨在研究不同溶剂对煤样裂隙结构和渗透率的影响，利用非金属超声探测器和渗透率测试设备对处理前后煤样的裂隙结构和渗透率进行分析。并根据实验结果，选择出改变煤结构的最佳有机溶剂。

1 实验设计

1.1 样品准备

本文所使用的化学试剂为二硫化碳(CS2)、乙醇(C2H6O)、盐酸(HCl)和丙酮(Acetone)，基本都属于无害试剂。实验煤样取自于新集二矿，从井下采集新鲜煤样密封运至实验室。用钻孔取样器和打磨机制成直径50mm、高度100mm的标准圆柱形试样，如图1。

图1 煤样Fig.1 Coal samples

1.2 实验设备

实验设备有煤岩气水相对渗透率测定仪、电子分析天平和非金属超声探测器，如图2。煤岩气水相对渗透率测定仪用于测定煤样处理前后的渗透率变化；电子分析天平用于分析煤样处理前后质量变化；非金属超声探测器用于检测煤样的超声特性变化。

图2 实验设备Fig.2 Experiment device

1.3 实验流程

将准备好的4个煤样分别进行质量测定、超声波波速测定以及渗透率测定；然后将4个煤样分别放入装有二硫化碳、乙醇、盐酸和丙酮的反应瓶内浸泡6h；最后洗涤干燥后再次进行质量测定、超声波波速测定以及渗透率测定。

2 实验结果分析

2.1 煤样的裂隙结构变化

2.1.1 煤样的质量变化及萃取率变化

溶剂处理后，煤样内部裂隙中填充的部分物质被溶解，进而引起煤样质量变化。根据煤样处理前后的质量，计算各溶剂对煤样的萃取率，可以用公式(1)表示：

(1)

式中：

m0—溶剂处理前煤样的质量 ，g；

m1—溶剂处理后煤样的质量，g；

m2—总质量损失，g；

E—溶剂对煤的萃取率，%。

如图3所示，煤样处理前的质量都是230g左右，经过6h的溶剂处理后，煤样的质量发生变化。其中，二硫化碳的处理效果最好，质量变化最大，萃取率也是最大的，达到3.3%；丙酮处理效果居中，质量变化居中，萃取率为2.1%；盐酸和乙醇处理煤样的效果最弱，对煤样的萃取作用有限，萃取率分别为1.6%和1.5%。结果表明，化学试剂对煤有侵蚀作用，溶剂可以通过相似相溶作用，溶解煤中的小分子物质；或是通过化学反应溶解煤样中的矿物类物质，达到提升煤样内部孔裂隙之间的连通性，进而提升煤层的渗透率。从整体效果看，有机溶剂处理的效果略好于酸性溶剂，其中，二硫化碳的处理效果最好，对煤样的侵蚀作用最强，萃取率也最大，丙酮次之，盐酸和乙醇对煤样的处理效果较弱。

图3 不同溶剂处理前后的煤样质量变化及萃取率变化Fig.3 Changes of the quality and extraction rate of coal sample before and after different solvent treatments

2.1.2 煤的超声特性变化

煤裂隙中填充大量的有机小分子物质，化学试剂能够通过化学反应有效溶解这些小分子物质，进而促进煤样内部裂隙的发育。由于超声波在固体中的波速大于在空气中的波速，因此超声检测手段可以无损检测煤样内部裂隙的变化[14]。此外，煤样的超声特性变化能够反映溶剂处理对煤样内部的裂隙和孔隙的促进效果[15]。

如图4所示，溶剂处理后煤样的超声波波速都出现不同程度的下降，表明煤样内部出现新的孔裂隙，进而导致煤样的超声波波速出现大幅度下降。煤样处理前的超声波波速基本都在1 600m/s左右，其中二硫化碳处理后的煤样，超声波波速下降最为明显，波速从1 526m/s下降到1 243m/s，下降幅度达到18.54%，表明二硫化碳能够显著促进煤的内部裂隙发育，同时诱导产生新的孔裂隙；其次是丙酮处理的煤样的超声波波速出现大幅下降，波速从1 626m/s下降到1 423m/s，下降幅度为12.48%，表明丙酮能够有效促进煤内部裂隙的发育；乙醇和盐酸处理的煤样波速变化相对较小，下降幅度分别为7.62%和6.87%，表明乙醇和盐酸对煤内部裂隙发育作用有限。总之，溶剂能够一定程度上促进煤样内部裂隙的发育，由于溶剂促进效果的不同，超声波波速的衰减幅度也不同。

图4 不同溶剂处理前后煤样的超声波波速变化Fig.4 Changes of the ultrasonic wave velocity of coal samples before and after different solvent treatments

2.2 煤的渗透率变化

渗透率能够很好反应煤的透气性，因此通过渗透率的变化情况能够有效判断溶剂对煤样的作用效果。溶剂处理后，煤样的渗透率变化越大，说明增透效果就越好。使用煤岩气水相对渗透率测定仪测试煤样溶剂处理前后的渗透率变化。给煤样试件施加的轴压为2MPa，围压为4MPa，加压时轴压和围压交替施加，避免单一方向加压而破坏煤样。溶剂处理前后煤样的渗透率变化结果，如图5。

由图5可知，4种溶剂都使煤样渗透率出现增大趋势，由于溶剂对煤样的作用效果不同，渗透率增大的幅度也不同。二硫化碳处理后的煤样渗透率明显增加，渗透率从0.392×10-15m2增加到2.316×10-15m2，渗透率增加1.924×10-15m2，增幅为490.8%；乙醇处理效果较弱渗透变化较小，渗透率从0.476×10-15m2增加到0.616×10-15m2，渗透率增加0.14×10-15m2，增幅为29.4%；盐酸处理效果和乙醇相似，增透效果并不明显，渗透率从初始0.397×10-15m2增加到0.632×10-15m2，渗透率增加了0.235×10-15m2，增幅为59.1%；丙酮处理效果强于乙醇和盐酸略弱于二硫化碳，煤样渗透率从初始0.477×10-15m2增加到1.513×10-15m2，渗透率增加1.036×10-15m2，增幅为217.2%。

图5 不同溶剂处理前后煤样的渗透率变化Fig.5 Changes of the permeability of coal samples before and after different solvent treatments

综上，二硫化碳处理的煤样萃取率最高，超声波波速下降幅度最大，渗透率增加最为明显；丙酮处理的煤样萃取率、超声波波速下降幅度、渗透率增加都居于第二；盐酸和乙醇处理的煤样3个参数变化都最少。以上分析表明，作用效果最强的为二硫化碳，其次为丙酮，乙醇和盐酸处理效果最弱。

3 结论

通过实验研究在二硫化碳、乙醇、盐酸、丙酮4种溶剂作用下，煤的裂隙结构和渗透率变化规律。具体结论如下：

(1)溶剂处理后的煤样质量出现不同程度变化。溶剂的侵蚀作用越强，煤样质量减少的越多，萃取率也相应越大。其中二硫化碳的萃取作用最好，萃取率达到3.3%；丙酮处理效果次之，萃取率为2.1%；乙醇和盐酸处理效果最弱，萃取率分别为1.5%和1.6%。溶剂处理后的煤样的超声特性变化明显。其中，二硫化碳处理的煤样，超声波波速下降幅度达到18.54%，表明二硫化碳对煤样内部裂隙有明显的促进发育作用；盐酸处理效果最弱，波速下降幅度仅为6.87%，表明盐酸处理后裂隙发育程度低。

(2)二硫化碳处理的煤样渗透率增幅最大，达到490.8%；丙酮处理的煤样渗透率增幅为217.2%；相比之下，乙醇和盐酸处理的煤样渗透率增幅分别为29.4%和59.1%。结果表明，二硫化碳处理后煤样效果最佳，丙酮次之，乙醇和盐酸最弱。

(3)结果分析表明，二硫化碳处理后的煤样增透效果最佳，此研究可为工业试验化学试剂的选择和增透效果提供理论参考，提升煤层气的开采效率。