化學(xué)試劑對煤的裂隙結(jié)構(gòu)和滲透率的影響研究

廖 峰

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤層氣是一種潛在的新型清潔能源，對緩解能源危機(jī)、開發(fā)新型清潔能源具有重要意義。我國煤層氣資源存儲量豐富，如何安全高效開采煤層氣資源是目前研究的熱點(diǎn)。然而，我國煤層大多是低滲透率煤層，煤層氣開采困難，因此對煤層進(jìn)行增透處理就顯得尤為重要[1-2]。煤層滲透率的增加能夠提升煤層氣的抽采效率，進(jìn)而減少礦井瓦斯災(zāi)害，保障煤礦的安全生產(chǎn)。

為提升低滲透率煤層的增透效果，國內(nèi)外眾多學(xué)者對多種增透方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如水力壓裂[3]、鉆孔[4]、爆破[5]等，并取得不錯的效果。但針對深部低滲透煤層的復(fù)雜特性，更多新的增透方式有待被提出。近年來，化學(xué)溶劑侵蝕成為一種新的增透方式[6-13]。劉生玉等[10]研究溶劑抽提作用對煤樣的損傷效果，探究不同試劑對煤樣的損傷效應(yīng)，以及孔隙率變化規(guī)律；郭紅玉等[11]研究氧化劑對煤樣的作用，發(fā)現(xiàn)二氧化氯能夠作為有效的破膠劑，同時通過氧化作用能夠提升煤的滲透率；郝宗超等[12]發(fā)現(xiàn)有機(jī)溶劑均有擴(kuò)孔效果，在二硫化碳、丙酮和過氧乙酸處理的煤樣中，丙酮處理的煤樣比表面積和孔容增加的最大；張小東等[13]研究不同類型的酸協(xié)同作用下煤樣的接觸角和表面張力變化。

綜上所述，化學(xué)溶劑處理煤樣是潛在提升煤層透氣性的有效方式之一。以往學(xué)者也證實(shí)化學(xué)試劑改善煤樣的裂縫和滲透率的可行性，但對不同試劑的作用效果研究還不夠深入。本文旨在研究不同溶劑對煤樣裂隙結(jié)構(gòu)和滲透率的影響，利用非金屬超聲探測器和滲透率測試設(shè)備對處理前后煤樣的裂隙結(jié)構(gòu)和滲透率進(jìn)行分析。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇出改變煤結(jié)構(gòu)的最佳有機(jī)溶劑。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 樣品準(zhǔn)備

本文所使用的化學(xué)試劑為二硫化碳(CS2)、乙醇(C2H6O)、鹽酸(HCl)和丙酮(Acetone)，基本都屬于無害試劑。實(shí)驗(yàn)煤樣取自于新集二礦，從井下采集新鮮煤樣密封運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。用鉆孔取樣器和打磨機(jī)制成直徑50mm、高度100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，如圖1。

圖1 煤樣Fig.1 Coal samples

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備有煤巖氣水相對滲透率測定儀、電子分析天平和非金屬超聲探測器，如圖2。煤巖氣水相對滲透率測定儀用于測定煤樣處理前后的滲透率變化；電子分析天平用于分析煤樣處理前后質(zhì)量變化；非金屬超聲探測器用于檢測煤樣的超聲特性變化。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Experiment device

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

將準(zhǔn)備好的4個煤樣分別進(jìn)行質(zhì)量測定、超聲波波速測定以及滲透率測定；然后將4個煤樣分別放入裝有二硫化碳、乙醇、鹽酸和丙酮的反應(yīng)瓶內(nèi)浸泡6h；最后洗滌干燥后再次進(jìn)行質(zhì)量測定、超聲波波速測定以及滲透率測定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 煤樣的裂隙結(jié)構(gòu)變化

2.1.1 煤樣的質(zhì)量變化及萃取率變化

溶劑處理后，煤樣內(nèi)部裂隙中填充的部分物質(zhì)被溶解，進(jìn)而引起煤樣質(zhì)量變化。根據(jù)煤樣處理前后的質(zhì)量，計(jì)算各溶劑對煤樣的萃取率，可以用公式(1)表示：

(1)

式中：

m0—溶劑處理前煤樣的質(zhì)量 ，g；

m1—溶劑處理后煤樣的質(zhì)量，g；

m2—總質(zhì)量損失，g；

E—溶劑對煤的萃取率，%。

如圖3所示，煤樣處理前的質(zhì)量都是230g左右，經(jīng)過6h的溶劑處理后，煤樣的質(zhì)量發(fā)生變化。其中，二硫化碳的處理效果最好，質(zhì)量變化最大，萃取率也是最大的，達(dá)到3.3%；丙酮處理效果居中，質(zhì)量變化居中，萃取率為2.1%；鹽酸和乙醇處理煤樣的效果最弱，對煤樣的萃取作用有限，萃取率分別為1.6%和1.5%。結(jié)果表明，化學(xué)試劑對煤有侵蝕作用，溶劑可以通過相似相溶作用，溶解煤中的小分子物質(zhì)；或是通過化學(xué)反應(yīng)溶解煤樣中的礦物類物質(zhì)，達(dá)到提升煤樣內(nèi)部孔裂隙之間的連通性，進(jìn)而提升煤層的滲透率。從整體效果看，有機(jī)溶劑處理的效果略好于酸性溶劑，其中，二硫化碳的處理效果最好，對煤樣的侵蝕作用最強(qiáng)，萃取率也最大，丙酮次之，鹽酸和乙醇對煤樣的處理效果較弱。

圖3 不同溶劑處理前后的煤樣質(zhì)量變化及萃取率變化Fig.3 Changes of the quality and extraction rate of coal sample before and after different solvent treatments

2.1.2 煤的超聲特性變化

煤裂隙中填充大量的有機(jī)小分子物質(zhì)，化學(xué)試劑能夠通過化學(xué)反應(yīng)有效溶解這些小分子物質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)煤樣內(nèi)部裂隙的發(fā)育。由于超聲波在固體中的波速大于在空氣中的波速，因此超聲檢測手段可以無損檢測煤樣內(nèi)部裂隙的變化[14]。此外，煤樣的超聲特性變化能夠反映溶劑處理對煤樣內(nèi)部的裂隙和孔隙的促進(jìn)效果[15]。

如圖4所示，溶劑處理后煤樣的超聲波波速都出現(xiàn)不同程度的下降，表明煤樣內(nèi)部出現(xiàn)新的孔裂隙，進(jìn)而導(dǎo)致煤樣的超聲波波速出現(xiàn)大幅度下降。煤樣處理前的超聲波波速基本都在1 600m/s左右，其中二硫化碳處理后的煤樣，超聲波波速下降最為明顯，波速從1 526m/s下降到1 243m/s，下降幅度達(dá)到18.54%，表明二硫化碳能夠顯著促進(jìn)煤的內(nèi)部裂隙發(fā)育，同時誘導(dǎo)產(chǎn)生新的孔裂隙；其次是丙酮處理的煤樣的超聲波波速出現(xiàn)大幅下降，波速從1 626m/s下降到1 423m/s，下降幅度為12.48%，表明丙酮能夠有效促進(jìn)煤內(nèi)部裂隙的發(fā)育；乙醇和鹽酸處理的煤樣波速變化相對較小，下降幅度分別為7.62%和6.87%，表明乙醇和鹽酸對煤內(nèi)部裂隙發(fā)育作用有限。總之，溶劑能夠一定程度上促進(jìn)煤樣內(nèi)部裂隙的發(fā)育，由于溶劑促進(jìn)效果的不同，超聲波波速的衰減幅度也不同。

圖4 不同溶劑處理前后煤樣的超聲波波速變化Fig.4 Changes of the ultrasonic wave velocity of coal samples before and after different solvent treatments

2.2 煤的滲透率變化

滲透率能夠很好反應(yīng)煤的透氣性，因此通過滲透率的變化情況能夠有效判斷溶劑對煤樣的作用效果。溶劑處理后，煤樣的滲透率變化越大，說明增透效果就越好。使用煤巖氣水相對滲透率測定儀測試煤樣溶劑處理前后的滲透率變化。給煤樣試件施加的軸壓為2MPa，圍壓為4MPa，加壓時軸壓和圍壓交替施加，避免單一方向加壓而破壞煤樣。溶劑處理前后煤樣的滲透率變化結(jié)果，如圖5。

由圖5可知，4種溶劑都使煤樣滲透率出現(xiàn)增大趨勢，由于溶劑對煤樣的作用效果不同，滲透率增大的幅度也不同。二硫化碳處理后的煤樣滲透率明顯增加，滲透率從0.392×10-15m2增加到2.316×10-15m2，滲透率增加1.924×10-15m2，增幅為490.8%；乙醇處理效果較弱滲透變化較小，滲透率從0.476×10-15m2增加到0.616×10-15m2，滲透率增加0.14×10-15m2，增幅為29.4%；鹽酸處理效果和乙醇相似，增透效果并不明顯，滲透率從初始0.397×10-15m2增加到0.632×10-15m2，滲透率增加了0.235×10-15m2，增幅為59.1%；丙酮處理效果強(qiáng)于乙醇和鹽酸略弱于二硫化碳，煤樣滲透率從初始0.477×10-15m2增加到1.513×10-15m2，滲透率增加1.036×10-15m2，增幅為217.2%。

圖5 不同溶劑處理前后煤樣的滲透率變化Fig.5 Changes of the permeability of coal samples before and after different solvent treatments

綜上，二硫化碳處理的煤樣萃取率最高，超聲波波速下降幅度最大，滲透率增加最為明顯；丙酮處理的煤樣萃取率、超聲波波速下降幅度、滲透率增加都居于第二；鹽酸和乙醇處理的煤樣3個參數(shù)變化都最少。以上分析表明，作用效果最強(qiáng)的為二硫化碳，其次為丙酮，乙醇和鹽酸處理效果最弱。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究在二硫化碳、乙醇、鹽酸、丙酮4種溶劑作用下，煤的裂隙結(jié)構(gòu)和滲透率變化規(guī)律。具體結(jié)論如下：

(1)溶劑處理后的煤樣質(zhì)量出現(xiàn)不同程度變化。溶劑的侵蝕作用越強(qiáng)，煤樣質(zhì)量減少的越多，萃取率也相應(yīng)越大。其中二硫化碳的萃取作用最好，萃取率達(dá)到3.3%；丙酮處理效果次之，萃取率為2.1%；乙醇和鹽酸處理效果最弱，萃取率分別為1.5%和1.6%。溶劑處理后的煤樣的超聲特性變化明顯。其中，二硫化碳處理的煤樣，超聲波波速下降幅度達(dá)到18.54%，表明二硫化碳對煤樣內(nèi)部裂隙有明顯的促進(jìn)發(fā)育作用；鹽酸處理效果最弱，波速下降幅度僅為6.87%，表明鹽酸處理后裂隙發(fā)育程度低。

(2)二硫化碳處理的煤樣滲透率增幅最大，達(dá)到490.8%；丙酮處理的煤樣滲透率增幅為217.2%；相比之下，乙醇和鹽酸處理的煤樣滲透率增幅分別為29.4%和59.1%。結(jié)果表明，二硫化碳處理后煤樣效果最佳，丙酮次之，乙醇和鹽酸最弱。

(3)結(jié)果分析表明，二硫化碳處理后的煤樣增透效果最佳，此研究可為工業(yè)試驗(yàn)化學(xué)試劑的選擇和增透效果提供理論參考，提升煤層氣的開采效率。