水力沖孔對(duì)煤微觀孔隙和結(jié)構(gòu)成分影響的試驗(yàn)研究

李 冰，劉見寶，任建剛，陳 鋒，宋志敏

(1.河南工程學(xué)院,河南 鄭州 451191;2.煤礦環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害綜合治理技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 451191;3.河南省煤產(chǎn)地土壤污染檢測(cè)與治理工程研究中心,河南 鄭州 451191;4.河南理工大學(xué),河南 焦作 454000;5.開封大學(xué),河南 開封 475004)

0 引 言

煤炭始終占據(jù)著我國(guó)能源的主要地位。煤礦瓦斯災(zāi)害是制約我國(guó)煤炭工業(yè)安全高質(zhì)量發(fā)展的最大障礙之一，而且隨著開采深度越大，瓦斯災(zāi)害的威脅越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前存在的高瓦斯煤層中，約有90%以上屬于低滲透性煤層[1]，尤其是軟煤的滲透性更低，不利于瓦斯抽采，瓦斯抽采效果較差。實(shí)踐證明，水力沖孔技術(shù)是目前針對(duì)碎軟低滲性煤層的一種最為行之有效的治理手段。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)水力沖孔技術(shù)進(jìn)行了研究，主要包括理論、試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)研究[2-4]。王凱等[5]利用RFPA2D-Flow軟件對(duì)沖孔鉆孔周圍的應(yīng)力分布和透氣性系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了模擬，結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值較為吻合。藺海曉等[6]以煤巖體加載作用下的滲透率測(cè)試試驗(yàn)為前提，揭示了不同結(jié)構(gòu)煤體卸壓增透機(jī)理，提出了軟煤(碎粒煤和糜棱煤)可通過(guò)沖孔出煤卸壓增透，形成了基于煤體結(jié)構(gòu)的水力強(qiáng)化增透瓦斯抽采技術(shù)。馮文軍等[7]通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變-煤體結(jié)構(gòu)-滲透率的耦合試驗(yàn)，揭示了“三軟”煤層滲透率隨煤體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)軟煤在卸壓后滲透率得到大規(guī)模提升，且水力沖孔出煤后的卸壓增透范圍顯著增大。郝富昌等[8]建立了蠕變-滲流耦合作用下的水力沖孔周圍煤體滲透率動(dòng)態(tài)演化模型，揭示了水力沖孔周圍煤體滲透率的時(shí)空演化規(guī)律，闡明了蠕變變形和基質(zhì)收縮對(duì)滲透率的控制作用機(jī)理。

綜上可知，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在試驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬等方面對(duì)水力沖孔后煤體卸壓增透機(jī)理有了一定的認(rèn)識(shí)，提出了一些獨(dú)特的見解。但是，關(guān)于水力沖孔對(duì)煤體的物理化學(xué)性質(zhì)(孔隙結(jié)構(gòu)、甲烷吸附性能、表面官能團(tuán)和化學(xué)成分等)是否也存在著一定的影響，還需要進(jìn)一步深入研究。而且，一些礦井資料顯示，水力沖孔后煤體的瓦斯抽采效率提升，瓦斯流量衰減系數(shù)非常小，持續(xù)抽采能力變強(qiáng)，這一現(xiàn)象如果只從宏觀裂隙層面難以解釋。因此，筆者利用幾種常見的測(cè)試分析手段，探討水力沖孔技術(shù)對(duì)煤的微觀孔隙和結(jié)構(gòu)成分的影響，以期解釋水力沖孔后煤體存在的上述現(xiàn)象。研究結(jié)果不僅是對(duì)水力沖孔卸壓增透機(jī)理的有益補(bǔ)充，而且可以有效指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

1 試驗(yàn)樣品

研究主要圍繞水力沖孔前和沖孔后2種煤樣開展試驗(yàn)。樣品取自河南省永城礦區(qū)陳四樓礦二2煤層的無(wú)煙煤，其煤質(zhì)特征見表1。

表1 試驗(yàn)煤樣煤質(zhì)特征

水力沖孔采用型號(hào)為BRW(GRB)315/31.5的礦用乳化泵站供高壓水。鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，沖孔水刀僅向鉆頭提供低壓水。鉆進(jìn)過(guò)程結(jié)束后，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入沖孔流程。沖孔過(guò)程中，水刀向鉆孔徑向噴射高壓射流，實(shí)施沖孔作業(yè)。水力沖孔的水壓為10 MPa。沖出煤量為30～50 kg/m。每米段沖孔時(shí)間設(shè)定為15 min。沖孔的煤樣粒徑多為毫米級(jí)，含少量厘米級(jí)顆粒。沖孔后的煤樣采用沖出來(lái)的煤粉制作。煤樣采集、封裝、運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，采用球磨機(jī)粉碎至試驗(yàn)所需粒徑。沖孔前煤樣反映原始煤體內(nèi)部物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)。沖孔過(guò)程則因水的沖擊作用加入了應(yīng)力波振動(dòng)擾動(dòng)，可以反映沖孔過(guò)程中的應(yīng)力波對(duì)煤體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和成分的影響。沖孔前后煤樣均取自21012工作面的鄰近區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境一致，可排除煤樣物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)先天差異的影響。該煤層可采厚度0.80～3.85 m，平均厚度2.45 m，煤層穩(wěn)定，煤層傾角5°～20°，礦井瓦斯含量普遍較低，實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量最高為7.51 cm3/g。

2 微觀孔隙對(duì)比研究

2.1 壓汞測(cè)試

壓汞測(cè)試所用儀器為美國(guó)AutoPore Ⅳ 9500壓汞儀，最大壓力可以達(dá)到228 MPa，孔徑測(cè)量范圍為5 nm～360 μm，進(jìn)汞和退汞的體積精度小于0.1 μL。所選樣品粒徑為3～6 mm，在測(cè)試前都要在105 ℃條件下二次烘干至恒重，壓汞試驗(yàn)包括加壓進(jìn)汞、減壓退汞過(guò)程，試驗(yàn)的最高壓力選定為200 MPa。

2.1.1 進(jìn)汞-退汞曲線

沖孔前后煤樣進(jìn)汞-退汞曲線如圖1所示，可以看出沖孔后煤樣的進(jìn)汞累積壓入量明顯多于沖孔前，且退汞曲線末端的累積壓入量不為0，表明退汞結(jié)束后，依然有部分汞液留在樣品孔隙中，也從側(cè)面反映了煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

圖1 沖孔前后煤樣進(jìn)汞-退汞曲線

表2 沖孔前后煤樣壓汞試驗(yàn)結(jié)果

可以看出，水力沖孔前后2種煤樣的孔隙率相差較大，沖孔后的煤樣孔隙率增大了近10倍，達(dá)到了51.7%，總孔容增大20倍，總孔面積增大近5倍。

2.1.2 孔容分布

沖孔前后煤樣的孔容(由壓入汞體積微分代表)隨著孔徑的減小均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖2)。在大于1 μm的孔徑范圍內(nèi)，孔容非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。而對(duì)于小于1 μm的孔徑而言，即在中孔范圍內(nèi)，孔容開始上升。對(duì)比沖孔前后煤樣的退汞曲線可知，沖孔后的煤樣在10～100 nm的退汞曲線與沖孔前存在著較大差別，說(shuō)明沖孔過(guò)程對(duì)煤的過(guò)渡孔(尤其是50 nm以下的孔)影響較大，增大了過(guò)渡孔的孔容。

圖2 沖孔前后煤樣壓汞孔容分布

2.1.3 比表面積分布

比表面積與孔容都是反映孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)，孔容從體積量的角度反映，比表面積則可從側(cè)面反映該孔徑下孔的數(shù)量情況，二者互為補(bǔ)充，可更為全面地反映樣品的微觀孔隙特征(圖3)。沖孔前后煤樣的累積比表面積分布一致，從100 nm以下，累積比表面積均隨孔徑的減小而呈指數(shù)形式增加。不同的是，沖孔后樣品累積比表面積比沖孔前增大了5倍。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了沖孔過(guò)程對(duì)過(guò)渡孔的影響較為明顯。

圖3 沖孔前后煤樣壓汞比表面積分布

2.2 液氮吸附測(cè)試

液氮吸附試驗(yàn)是研究顆粒微觀孔隙特征的重要測(cè)試手段，與壓汞法共同組成了從細(xì)觀孔隙到微觀孔隙的研究體系[9-11]。試驗(yàn)所用系統(tǒng)為MicroActive for ASAP 2460 Version 2.01型比表面與孔分布測(cè)試儀。該設(shè)備可以利用氮?dú)?、二氧化碳、氪氣作為吸附氣體，進(jìn)行比表面積和孔徑分布(大于2 nm)的計(jì)算。試驗(yàn)樣品的粒徑為0.17～0.25 mm(60～80 目)，測(cè)試前需在110 ℃下加熱8 h，以保證樣品中的雜質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間加熱后蒸發(fā)、排出。

2.2.1 孔容和比表面積分布

習(xí)近平總書記指出，“治理國(guó)家和社會(huì)，今天遇到的很多事情都可以在歷史上找到影子，歷史上發(fā)生過(guò)的很多事情也都可以作為今天的鏡鑒”，“治理好今天的中國(guó)，需要對(duì)我國(guó)歷史和傳統(tǒng)文化有深入了解，也需要對(duì)我國(guó)古代治國(guó)理政的探索和智慧進(jìn)行積極總結(jié)”。中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化是我們國(guó)家治理體系和治理能力現(xiàn)代化“直接碰到的、既定的、從過(guò)去承繼下來(lái)的條件”，啟示著我們當(dāng)下治國(guó)理政的新探索。沈壯海和劉水靜就認(rèn)為，重民、尚公、貴和、尊德、行健、化新等為政理念，包含著中華民族傳統(tǒng)治國(guó)智慧的精華，反映著許多治國(guó)理政的“古今共通之理”，是新時(shí)代治國(guó)理政應(yīng)當(dāng)認(rèn)真梳理、積極開掘的慧思之源。〔5〕

沖孔之后，煤樣的孔容和比表面積都得到了較大的改善(圖4)?？兹菖c比表面積均具有錯(cuò)峰增加的規(guī)律，根據(jù)十進(jìn)制孔隙結(jié)構(gòu)分類法[12]，即孔容的增加主要來(lái)自過(guò)渡孔和中孔，而比表面積的增加則更多源于微孔和過(guò)渡孔，尤其是微孔。其中，微孔比表面積增加到近15倍，過(guò)渡孔比表面積增加到近3倍。由此得出，沖孔對(duì)增加微孔具有顯著成效。

圖4 沖孔前后煤樣液氮孔孔容、比表面積分布

2.2.2 吸附-解吸等溫線

水力沖孔前后煤樣的等溫線均屬于第Ⅳ類等溫線[13]，在相對(duì)壓力為0～0.1時(shí)，氮?dú)忾_始快速吸附于樣品微孔中，曲線在這一區(qū)間上凸(圖5)。

圖5 沖孔前后氮?dú)馕?解吸等溫線示意

在中壓部分，沖孔前后樣品的等溫曲線幾乎為水平狀態(tài)。在相對(duì)壓力大于0.9的區(qū)間，曲線開始快速上揚(yáng)。對(duì)比沖孔前后2種樣品的等溫線可以發(fā)現(xiàn)，在低相對(duì)壓力區(qū)間，沖孔后煤樣的吸附量遠(yuǎn)高于沖孔前煤樣，表明其微孔發(fā)育較好，微孔數(shù)量較多。吸附量測(cè)試結(jié)果顯示，沖孔前煤樣的最大吸附量只有0.5 cm3/g，而沖孔后煤樣的最大吸附量達(dá)到了1.5 cm3/g，增加到3倍。因此，從吸附-解吸等溫線可以確定，沖孔過(guò)程使煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)，微孔數(shù)量大幅增加。

2.2.3 孔徑分布

沖孔前后2種樣品的孔徑分布曲線具有一定的相似性，但存在差異。沖孔前煤樣孔徑存在10 nm的主峰和20 nm的次峰，而沖孔后的煤樣孔徑主峰為2 nm，次峰為10 nm，液氮吸附量也顯著增大，說(shuō)明沖孔過(guò)程造成了10 nm以下微孔的發(fā)育，與等溫吸附測(cè)試結(jié)果一致(圖6)。

圖6 沖孔前后煤樣液氮孔徑分布

總體而言，結(jié)合壓汞和液氮吸附測(cè)試可知，沖孔過(guò)程對(duì)煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的改造作用，可以大幅度增加煤體內(nèi)部過(guò)渡孔(主要是50 nm以下的孔)和微孔的數(shù)量，但對(duì)大孔和中孔的影響不大。這樣使煤體內(nèi)部的孔隙通道得以大幅增多，使大孔、中孔、過(guò)渡孔以及微孔之間形成連通性更好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.3 甲烷等溫吸附測(cè)試

甲烷主要以吸附態(tài)賦存于煤基質(zhì)孔隙中，少量以游離態(tài)與溶解態(tài)賦存在煤孔裂隙中[14-16]。煤層甲烷吸附特性是評(píng)價(jià)水力沖孔效果和瓦斯持續(xù)抽采能力的重要參數(shù)，同時(shí)對(duì)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)具有十分重要的意義[17-19]。本次試驗(yàn)所用系統(tǒng)為TriStar Ⅱ 3flex Version 5.00比表面與孔隙度分析儀。對(duì)沖孔前、沖孔后煤樣分別開展30、40和50 ℃三個(gè)溫度的甲烷等溫吸附試驗(yàn)。沖孔前后煤樣的等溫吸附曲線形態(tài)相似，但是吸附量不同。沖孔后煤樣的甲烷吸附量顯著增加，增加1～2倍。50 ℃條件下沖孔后的甲烷吸附量與30 ℃條件下沖孔前的吸附量基本相同，說(shuō)明沖孔可以造成一定的吸附溫差效應(yīng)(圖7)。沖孔后甲烷吸附量的增加可能是由于煤體內(nèi)部的過(guò)渡孔以及微孔的數(shù)量增加，從而導(dǎo)致甲烷的賦存空間增加，等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步佐證了壓汞和液氮測(cè)試的結(jié)果，即水力沖孔可以大幅度增加煤體內(nèi)部微觀孔隙的數(shù)量。

圖7 沖孔前后煤樣甲烷等溫吸附線對(duì)比

3 結(jié)構(gòu)成分對(duì)比研究

3.1 傅里葉紅外光譜分析

傅里葉紅外光譜分析主要測(cè)定的是煤樣中的官能團(tuán)種類并大致反映其含量。通過(guò)官能團(tuán)的測(cè)定，可以了解沖孔過(guò)程是否會(huì)對(duì)煤體的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)、形式產(chǎn)生影響以及改變煤體的化學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)所用紅外光譜儀為NICOLET iS10，取1～2 mg粉末試樣(粒徑0.17～0.25 mm)，200 mg純KBr研磨均勻，置于模具中，在油壓機(jī)上壓成透明薄片，將樣片放入紅外光譜儀中測(cè)試，波數(shù)范圍400～4 000 cm-1，掃描32次，分辨率4 cm-1。

表3 煤的官能團(tuán)光譜吸收強(qiáng)度

圖8 沖孔前后煤樣傅里葉紅外光譜對(duì)比

3.2 拉曼光譜分析

圖9 沖孔前后煤樣拉曼光譜對(duì)比

4 討 論

沖孔前煤樣經(jīng)過(guò)了人工破碎和球磨機(jī)的研磨作用，屬于機(jī)械破壞的范疇。沖孔后煤樣經(jīng)歷了沖孔過(guò)程中的高壓射流對(duì)煤體的高速?zèng)_擊作用、排渣作用和制樣過(guò)程中的球磨機(jī)研磨作用，以上各種作用也都屬于機(jī)械破壞的范疇。所不同的是，沖孔后煤樣在經(jīng)歷高速射流對(duì)煤壁造成沖擊破壞的同時(shí)，也會(huì)持續(xù)產(chǎn)生應(yīng)力波。因此，可以認(rèn)為沖孔后樣品微觀孔隙和結(jié)構(gòu)成分的改變并不是機(jī)械破壞作用引起的，而是沖孔過(guò)程中的水力產(chǎn)生的持續(xù)應(yīng)力波導(dǎo)致的。即煤體在被沖出之前，就出現(xiàn)了微觀孔隙和結(jié)構(gòu)成分的改變。在沖孔過(guò)程中，射流撞擊孔壁產(chǎn)生持續(xù)的、具有較大能量的應(yīng)力波，孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)在應(yīng)力波的應(yīng)力擾動(dòng)下不斷被拉伸、剪切和扭轉(zhuǎn)，在長(zhǎng)時(shí)間、多周期的疲勞載荷下發(fā)生變形和破壞。在應(yīng)力的傳遞作用下，這種應(yīng)力波擾動(dòng)是持續(xù)的和立體的，在沖孔鉆孔周圍一定區(qū)域內(nèi)都是存在的。因此可以認(rèn)為，在沖孔過(guò)程中，煤體在被沖擊和破碎之前，已經(jīng)發(fā)生了微觀孔隙、結(jié)構(gòu)成分和甲烷吸附性能的較大變化。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]報(bào)道，大孔中的瓦斯主要以層流或湍流為主，中孔中瓦斯的流動(dòng)狀態(tài)為層流，而過(guò)渡孔和微孔中的瓦斯主要以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主。由壓汞和液氮測(cè)試可知，沖孔后煤體孔隙發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在大孔和中孔變化不大，而過(guò)渡孔和微孔的數(shù)量大幅度增加，大幅改善了煤體內(nèi)部的孔隙通道。而甲烷的等溫吸附試驗(yàn)表明，沖孔后甲烷的吸附量大幅提升。由于吸附解吸是一個(gè)可逆過(guò)程，故推測(cè)，沖孔后煤體內(nèi)部的大孔、中孔、過(guò)渡孔以及微孔之間形成了連通性更好的三維網(wǎng)絡(luò)體系，從而大幅提升了煤體內(nèi)部瓦斯的解吸-擴(kuò)散-滲流能力。

以往研究指出，沖孔作用可使煤體卸壓，裂隙快速發(fā)育，透氣性得到增強(qiáng)[3-5,7-8]。此外，侯泉林等[28]也指出，不到10%的應(yīng)變就足以使煤結(jié)構(gòu)中的含氧基團(tuán)或醚鍵發(fā)生降解，并生成氣態(tài)小分子，即可產(chǎn)生大量超量煤層氣[28]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，沖孔后煤體的表面官能團(tuán)含量和化學(xué)組成發(fā)生變化，以及結(jié)構(gòu)缺陷的發(fā)育和芳香型碳的富集，且沖孔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大能量的應(yīng)力波。因此推測(cè)，在沖孔過(guò)程中，煤體大分子在應(yīng)力作用下，煤體表面的部分含氧基團(tuán)不斷發(fā)生裂解，產(chǎn)生小分子結(jié)構(gòu)的氣體，導(dǎo)致新生氣體的總量變大。且由于煤體的大分子芳核結(jié)構(gòu)發(fā)生裂解，導(dǎo)致芳環(huán)數(shù)量相對(duì)增加，即煤體中的缺陷增多，芳香型碳含量也增多。

綜上討論可知，水力沖孔作用不僅可大幅改善煤體內(nèi)部的孔隙通道，形成連通性更好的三維網(wǎng)絡(luò)體系，從而提升煤體內(nèi)部瓦斯的解吸-擴(kuò)散-滲流能力，而且還可使煤體新產(chǎn)生一些小分子結(jié)構(gòu)的氣體，且這些氣體可賦存于煤體內(nèi)部豐富的孔隙中，在抽采過(guò)程中可不斷緩慢釋放。因此，這很好地解釋了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)水力沖孔后，煤體的瓦斯抽采效率提升，瓦斯流量衰減系數(shù)較小和持續(xù)抽采能力變強(qiáng)這一宏觀現(xiàn)象。同時(shí)也說(shuō)明了沖孔作用后的瓦斯抽采效果受煤體的孔隙結(jié)構(gòu)、透氣性和地應(yīng)力等因素的綜合影響。

5 結(jié) 論

1)沖孔過(guò)程對(duì)于煤體內(nèi)部微觀孔隙具有一定的改造作用，主要集中在過(guò)渡孔(尤其是孔徑50 nm以下)和微孔段，可以大幅度增加微觀孔隙的數(shù)量，從而使煤的甲烷吸附性能大幅度提升，提高幅度可達(dá)1～2倍。

2)沖孔后煤樣的傅里葉紅外光譜各峰位強(qiáng)度有所減小，拉曼光譜D峰和G峰面積有所增大，即沖孔過(guò)程對(duì)煤的結(jié)構(gòu)成分也產(chǎn)生了影響，主要表現(xiàn)為官能團(tuán)的相對(duì)含量變化、結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)育和芳香型碳富集。

3)水力沖孔作用不僅可大幅改善煤體內(nèi)部的孔隙通道，從而提升煤體內(nèi)部瓦斯的解吸-擴(kuò)散-滲流能力，還可使煤體新產(chǎn)生一些小分子結(jié)構(gòu)的氣體，且賦存于煤體內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)中。