有机酸与无机酸对煤体力学性质的影响对比研究

2024-02-27孙功帅

山东煤炭科技 2024年1期

梁锋田军孙功帅

（1.山东省三河口矿业有限责任公司，山东济宁 277600；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛 266590）

煤层气作为一种极具潜力的清洁能源，在国家能源利用中占有重要地位，如何安全、高效地开采煤层气对于国家能源开发战略具有重要意义[1-2]。中国煤层气储层透气性差，微孔隙普遍发育，这导致大部分煤层抽采困难，常规技术又难以达到预抽效果，如何增加煤层渗透性成为制约煤层气开发和瓦斯抽采的瓶颈[3-4]。水力压裂技术是将压裂液通过高压泵组注入煤层中，使其压裂煤层产生新的裂缝，形成煤层气扩散运移人工通道，从而增加煤层的渗透性[5-6]。王玉杰等[7]研究了注水压力对低透气性煤层水力压裂增透效果的影响，通过工程实践研究发现合理确定注水压力，压裂增透效果提高明显，瓦斯抽采浓度和纯量大幅度提升。为了研究煤在水力压裂中的损伤机理，Minke Duan 等[8]利用真三轴试验系统，研究了各主应力循环对煤的变形和损伤特征的影响。Liang 等[9]对煤样进行了水力压裂三轴试验，结果表明：水力压裂作用下煤体的变化可分为微裂缝形成、裂缝起裂、不稳定裂缝扩展和裂缝闭合4 个阶段。Mengyao Xing 等[10]为了优化压裂液，探究多组分酸溶液对褐煤孔隙结构的影响，采用液氮吸附法、扫描电镜、能谱分析等方法得出不同的多组分酸溶液促进了不同类型腐蚀孔的形成，能显著改善煤样的连通性。本文选用山东省三河口煤矿原煤，制备有机酸、无机酸液体系，分设不同浓度浸泡煤样，通过单轴压缩实验，探究不同浓度的有机酸与无机酸对煤体力学性质的影响机理，对酸化压裂技术的发展具有一定的理论意义。

1 实验准备

1.1 酸液制备

选用实验室高浓度氢氟酸、甲酸分别制备出5%、10%、15%、20%浓度的氢氟酸溶液及5%、10%、15%、20%浓度的甲酸溶液。将制备好的酸性溶液采用特氟龙惰性塑料瓶储存。

1.2 煤样制备

以山东省三河口煤矿为实验试样采集地点，使用取芯钻沿着原煤层理面钻取直径为50 mm、高为100 mm 的圆柱体原煤试样，共制备9 组试样。

将其中8 组原煤试样分别放入对应的8 组酸性溶液中浸泡48 h，浸泡完成后将煤样取出洗涤干净，直至洗涤水呈中性或接近中性，用吸水纸将煤样吸至干燥后放入干燥袋，袋上标明浸泡过的酸液浓度。同时将另外一组原煤试样浸入蒸馏水中48 h 后取出，用吸水纸吸干作为空白对照组实验。

2 实验方法

实验仪器采用AG-X250 电子万能试验机。将所有煤样移至实验室中放入单轴压缩机中进行位移加载速度为0.01 mm/s 的压缩实验，加载精度控制在0.1%，直至试样破裂，载荷大幅下降。将记录的载荷位移图进行相关的公式转化，制作成应力应变曲线图进行数据分析。

3 结果讨论与分析

3.1 应力应变曲线分析

在单轴压缩实验中，通过控制加载位移对煤样进行压缩，获得载荷以及位移数据，进一步得到各煤样应力与应变的关系[11-12]。原煤的应力应变曲线分析如图1 所示。

图1 原煤应力应变曲线分析图

根据煤岩的力学性质，可将各煤样的应力应变曲线划分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、失稳阶段四个阶段。

从图1、图2 及图3 可以看出，除了15%浓度氢氟酸煤样之外，其他酸液煤样的压实阶段都比原煤的长，这是因为酸性溶液将煤体中的部分矿物杂质溶蚀掉，使发育的孔隙在应力作用下被压实。15%浓度氢氟酸溶液将煤中矿物质很大程度进行溶解，孔隙裂隙完全发育，使煤样的力学支撑结构发生变化，峰值应变最低，煤样变得疏松，所以压实阶段比原煤短。除了5%浓度和10%浓度的氢氟酸煤样的塑性阶段与煤样相差不大之外，其他酸液煤样的塑性阶段均比原煤长，抗变形能力均比原煤强，这说明酸液煤样的韧性要比原煤高。此外，15%浓度的甲酸煤样的压实阶段和塑性阶段最长，峰值应变最长，这说明15%浓度的甲酸溶液最适合用来提高煤体的韧性。

图2 各浓度氢氟酸溶液腐蚀煤体应力应变曲线图

图3 各浓度甲酸溶液腐蚀煤体应力应变曲线图

峰值应力又称单轴抗压强度，是单轴压缩中描述煤体破坏的重要参数。峰值应力越低，表明煤样的抗压承载能力越低，越容易被破坏[13-14]。

由表1 数据可知，原煤在经过酸液浸泡处理后，单轴抗压强度明显下降，并且随着酸液浓度的增加出现了不同程度上的下降。经过同一浓度但不同种类的酸液浸泡处理后的煤样的峰值应力也有所不同。氢氟酸和甲酸处理后的煤样的峰值应力分别下降25.26%、45.77%、54.28%、57.09%、18.34%、27.04%、42.86%、50.37%。在同一浓度条件下，氢氟酸煤样的峰值应力比甲酸煤样的峰值应力低，氢氟酸在降低煤样峰值应力方面效果要比甲酸显著。

表1 各煤样峰值应力

经酸液处理后的煤样出现软化行为，使煤样的脆性降低、韧性增强，特别是15%左右浓度的甲酸溶液效果最明显，有助于煤体失稳产生复杂裂隙网络。在降低单轴抗压强度方面，15%左右浓度的氢氟酸溶液综合效果最佳，能够有效地降低峰值应力，使煤样在较小的压力下失稳破坏。有机酸在降低煤体的脆性、增强韧性方面效果显著，无机酸在降低失稳破坏所需的峰值压力方面效果显著。

3.2 能量转化分析

煤样的单轴压缩通常伴随着能量的输入、积累、耗散和释放，揭示煤岩内的能量变化将有助于理解煤岩变形、破坏过程[15-16]。根据热力学第一定律，能量的总值在转换和传递过程中保持不变，且单轴压缩产生的热辐射能很小，因此，本实验煤样的能量可以用方程（1）进行计算[17]。

式中：U是压缩装置向煤样中输入的总能量，Ue是弹性阶段储存在煤样中的弹性应变能，Ud是用于煤样进行塑性变形和裂隙扩展的耗散能。这些物理量表示为能量密度，单位为kJ/m3。

对于单轴压缩实验，总能量U可以用方程（2）计算，弹性应变能Ue用方程（3）计算，耗散能Ud用方程（4）计算[18-20]。

式中：σ是轴向应力，ε是轴向应变，Eu是煤样卸载弹性模量，E是煤样初始弹性模量。本实验中未涉及煤样的卸载过程，卸载弹性模量Eu可用加载过程的初始弹性模量E进行代替[21-22]。

图4～6 分别显示了不同浓度各酸液煤样在单轴压缩实验中总能量U、弹性变性能Ue、耗散能Ud随着应变的演变。

图4 各煤样弹性变形能对比

图4 中各煤样弹性变形能的形状与各煤样的应力应变曲线形状相似，这是因为在整个压缩过程中，各煤样都在不同程度上被输入能量并将其转化为弹性变形能储存在煤体中。原煤的弹性变形能释放是线性形式的快速减少。这是因为原煤储存的弹性变形能较多，耗散能释放的能量相对较少，使得原煤具有较高的脆性。经酸液处理后的煤样其弹性变形能释放过程先经历缓冲式下降再急剧下降，煤样的脆性得到了缓解降低。

图5 中，在到达峰值应力之前，耗散能Ud最小，在加载过程前段中，大部分煤样的耗散能Ud接近0 kJ/m3。煤样在单轴压缩过程中吸收的能量主要作为弹性变形能储存在内部。各煤样的耗散能在峰值应变处分为两个阶段，最初阶段的特点是数值增长非常缓慢，最后阶段增长趋势分为阶梯型和快速增长型。峰值应变之后的逐步增加明显快于峰值应变之前的缓慢增加。原煤峰值应变后耗散能曲线没有缓冲，急剧快速直线增长，表明原煤在压缩过程中是在一瞬间崩塌破坏的，具有较高的脆性。酸液浸泡处理后的煤样峰值应变后耗散能先是较缓慢地增加，后来急剧增长，表明酸液浸泡处理削弱了煤体的脆性，增强了煤体的韧性。

图5 各煤样耗散能对比

从图6 中可知，所有煤样积累的总能量U与轴向应变之间的非线性正相关关系持续到样品被破坏。总能量U在峰值应力之前呈抛物线状加快提升，峰值应变之后，总能量U虽有继续增加，但增长速率比之前小。原煤输入总能量为142.558 7 kJ/m3。5%浓度氢氟酸煤样输入总能量为92.993 8 kJ/m3，10%浓度氢氟酸煤样输入总能量为53.257 2 kJ/m3，15%浓度氢氟酸煤样输入总能量为37.448 0 kJ/m3，20%浓度氢氟酸煤样输入总能量为52.241 1 kJ/m3，5%浓度甲酸煤样输入总能量为94.394 4 kJ/m3，10%浓度甲酸煤样输入总能量为70.695 3 kJ/m3，15%浓度甲酸煤样输入总能量为65.709 7 kJ/m3，20%浓度甲酸煤样输入总能量为42.699 8 kJ/m3。相比于原煤，氢氟酸煤样和甲酸煤样输入的总能量分别降低34.77%、62.64%、73.73%、63.35%、33.79%、50.41%、53.91%、70.05%。原煤输入的能量最多，是因为原煤未经酸液浸泡侵蚀，弹性模量较大，失稳破坏所需的峰值应力较大，从而使得压缩装置在实验进程中对原煤的应力也相对偏高造成的。15%浓度氢氟酸煤样压裂所需的总能量最低，说明15%浓度的氢氟酸溶液最适宜用来改善煤样的抗压强度。原煤峰值应变为1.525 3×10-2，5%浓度氢氟酸煤样峰值应变为1.178 6×10-2，10%浓度氢氟酸煤样峰值应变为0.924 6×10-2，15%浓度氢氟酸煤样峰值应变为0.749 1×10-2，20%浓度氢氟酸煤样峰值应变为1.035 6×10-2，5%浓度甲酸煤样峰值应变为1.176 1×10-2，10%浓度甲酸煤样峰值应变为0.955 2×10-2，15%浓度甲酸煤样峰值应变为1.238 6×10-2，20%浓度甲酸煤样峰值应变为0.896 6×10-2。相比于原煤，氢氟酸煤样和甲酸煤样的峰值应变分别降低22.73%、39.38%、50.89%、32.11%、22.89%、37.38%、18.80%、41.22%。15%浓度的甲酸煤样总能量U增长速率最缓，输入的总能量U较高，峰值应变相较于原煤降低最少，仅为18.80%。可见，15%浓度的甲酸在提高煤样的韧性方面效果较为显著。