冷凍消融技術對煤裂隙的影響

張 延， 曹香蓮，黃師夢，王 菊

(六盤水師范學院礦業(yè)與土木工程學院，貴州 六盤水 553000)

0 引言

煤層中賦存大量瓦斯(煤層氣)，瓦斯是溫室氣體，溫室效應是二氧化碳的幾十倍；瓦斯在井下能夠造成瓦斯爆炸等重大安全事故，造成財產(chǎn)和人員的損失。但同時，瓦斯也是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源。

貴州省是中國南方煤炭最豐富的省區(qū)，素有“西南煤?！敝Q，但貴州省瓦斯賦存呈現(xiàn)“兩高一低”的特點，即高瓦斯壓力、高瓦斯含量(10～20 m3/t)、透氣性差(滲透率多小于0.5 mD)，動力災害危險性大，致使貴州煤礦高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占70%左右，煤與瓦斯突出災害嚴重，瓦斯事故的發(fā)生率和傷亡率比其他事故都高。因此，將煤層中瓦斯抽采出來，不僅能夠有效提高煤礦的安全系數(shù)，而且能夠達到“碳中和”的目的。

目前，貴州省普遍采用預抽煤層瓦斯作為煤與瓦斯突出防治手段。預抽煤層瓦斯可以有效降低突出的動力，達到消突的目的，然而預抽煤層瓦斯需要耗費大量時間和工程量，再加上煤層透氣性能差等因素，造成抽采濃度較低，抽采的效果一般[1]，采掘交替緊張，嚴重制約生產(chǎn)。為了提高抽采效率，多采用水力壓裂等增透技術，但高壓對煤體結構的破壞嚴重且壓裂液容易造成環(huán)境污染[2]。

1 凍融技術對煤裂隙影響的研究現(xiàn)狀

目前，對煤層裂隙的研究多采用液氮凍融循環(huán)技術來增大煤的透氣性[3]。李和萬、王來貴等人通過對液氮不同溫度下煤層裂隙的變化進行研究，用顯微鏡、測速儀、單軸壓縮等實驗證明液氮凍融循環(huán)可以使裂隙發(fā)育，但存在著實驗復雜、周期長等問題[4]。張春會等人通過煤樣注入液氮實驗，發(fā)現(xiàn)液氮浸溶下，煤塊內(nèi)的裂隙間水變成冰，發(fā)生體積膨脹，使得煤裂隙發(fā)育，發(fā)生擴展[5]。研究表明液氮凍融循環(huán)對煤的抗壓強度和原生裂隙的擴展產(chǎn)生影響，能夠改變煤體微觀孔隙特征[6]。在此基礎上，本文通過實驗數(shù)據(jù)具體分析冷凍消融技術對煤裂隙的影響，從而找出增大裂隙的方法。

2 煤層裂隙分類

煤的裂隙主要是指煤體在受到外力作用下，被破壞而產(chǎn)生的縫隙。煤的裂隙發(fā)育、連通性以及煤體本身的性能等直接影響著煤層氣的開采和利用[7-8]。裂隙一般可以分為內(nèi)生裂隙和外生裂隙，外生裂隙一般是煤體在外部條件的作用下，發(fā)生的煤體表面被破壞的現(xiàn)象。在不同條件下，煤體被破壞的程度不同，比如溫度的變化，高溫能夠?qū)е铝严杜蛎洝４送?，包括壓力、剪切作用等影響，均會使煤體裂隙的面積、長、寬、連通性等發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)新的裂隙。

3 冷凍前后裂隙對比實驗

實驗選在六盤水地區(qū)某煤礦，該煤礦設計生產(chǎn)能力15萬t/a。礦區(qū)工程地質(zhì)條件為中等，瓦斯含量較高，某一采區(qū)絕對瓦斯涌出量為29.69 m3/min，相對瓦斯涌出量為29.82 m3/t，曾發(fā)生過煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象，屬于瓦斯突出礦井。選取礦層理清晰、裂隙明顯的煤樣，用切割機切割成60 mm×40 mm×20 mm的長方形煤塊，然后用拋光的方式將煤塊表面打磨至光滑。將打磨光滑的觀察樣品固定在載玻片上用光學顯微鏡觀察；然后將煤樣凍融處理，對比前后裂隙的變化情況。

3.1 實驗過程

1)樣品制備：選取一塊大小、寬度適當?shù)拿簤K，用打磨機打磨并拋光。

2)原樣品觀察：將拋光好的煤塊用橡皮泥固定在載玻片上，放在光學顯微鏡上(見圖1)，調(diào)節(jié)目鏡和物鏡，放大100倍，選取煤塊上的裂隙，移動顯微鏡，觀察裂隙，用計算機拍下照片，編號，并記錄裂隙的位置。共選取3組裂隙圖片。

圖1 裂隙觀測實驗

3)樣品處理：將樣品浸泡在水里3 d后取出，放入冰箱冷凍3 d，將冷凍后的煤塊解凍，放入干燥箱內(nèi)烘干煤樣中的水分。

4)冷凍后的樣品，放在顯微鏡下觀察，找到與原樣品相同的裂隙位置，計算機拍下，編號，并記錄圖片。

5)對比冷凍前后的2組圖片，用軟件技術對裂隙進行標尺，對比前后裂隙的變化情況，包括寬度、長度、面積，觀察是否有新裂隙出現(xiàn)。

3.2 實驗結果及分析

1)煤樣1號實驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 冷凍前1號裂隙比例圖

圖3 冷凍后1號裂隙比例圖

冷凍前后1號裂隙對比數(shù)據(jù)及曲線圖如表1及圖4所示。

表1 裂隙1號數(shù)據(jù)對比表

圖4 冷凍前后1號裂隙寬度對比折線圖

選取冷凍前1號裂隙中4組位置的裂隙，通過軟件測量了4組裂隙的寬度，從左到右分別為127.4 μm、123.6 μm、100 μm、107.4 μm，平均裂隙寬度為114.6 μm，同樣方法測定冷凍后相同位置的裂隙，得出冷凍后的裂隙分別為130.3 μm、131.6 μm、104.6 μm、111.2 μm，平均裂隙寬度為119.43 μm，通過計算得出冷凍后1號裂隙從左到右分別加寬了2.9 μm，8 μm，4.6 μm，3.8 μm，平均加寬裂隙為4.83 μm，加寬了4.2%。

2)煤樣2號實驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 冷凍前2號裂隙比例圖

圖6 冷凍后2號裂隙比例圖

冷凍前后2號裂隙對比數(shù)據(jù)及曲線圖如表2及圖7所示。

表2 裂隙2號數(shù)據(jù)對比表

圖7 冷凍前后2號裂隙寬度對比折線圖

選取了冷凍前2號裂隙中4組位置的裂隙，通過軟件測量了4組裂隙的寬度，從左到右分別為80.2 μm、84.5 μm、104.9 μm、105.3 μm，平均裂隙寬度為93.725 μm，同樣方法測定冷凍后相同位置的裂隙，得出冷凍后的裂隙分別為92.4 μm、99.7 μm、115 μm、117.9 μm，平均裂隙寬度為106.25 μm，通過計算得出冷凍后2號裂隙從左到右分別加寬了12.2 μm、15.2 μm、10.1 μm、12.6 μm，平均加寬裂隙為12.525 μm，加寬了13.3%。

3)煤樣3號實驗結果見圖8、圖9所示。

圖8 冷凍前2號裂隙比例圖

圖9 冷凍后2號裂隙比例圖

冷凍前后3號裂隙對比數(shù)據(jù)及曲線圖見表3及圖10所示。

表3 裂隙3號數(shù)據(jù)對比表

圖10 冷凍前后3號裂隙寬度對比折線圖

選取了冷凍前3號裂隙中4組位置的裂隙，通過軟件測量了4組裂隙的寬度，從左到右分別為71.4 μm、83.4 μm、86.6 μm、77.9 μm，平均裂隙寬度為79.825 μm，同樣方法測定冷凍后相同位置的裂隙，得出冷凍后的裂隙分別為86.2 μm、97.8 μm、103.9 μm、90.4 μm，平均裂隙寬度為94.575 μm，通過計算得出冷凍后3號裂隙從左到右分別加寬了14.8 μm、13.9 μm、17.3 μm、12.5 μm，平均加寬裂隙為14.625 μm，加寬了18.32%。

通過以上對3組裂隙圖片的數(shù)據(jù)分析，冷凍前后的1～3號裂隙均變寬了，1號裂隙平均加寬4.83 μm，變化率為4.2%，2號裂隙加寬12.525 μm，變化率為13.3%，3號裂隙加寬14.625 μm，變化率為18.32%。數(shù)據(jù)表明：冷凍消融后煤塊中的裂隙均變寬，且在顯微鏡下能看到部分區(qū)域出現(xiàn)了新的裂隙和裂隙相容等現(xiàn)象?？梢姡?jīng)過煤層凍融技術處理后，煤裂隙擴展，增加了裂隙連通性能。因此，通過冷凍消融技術可以增加煤層的透氣性和滲透性。

4 結語

通過實驗數(shù)據(jù)的分析，對煤層凍融技術處理后，增大了煤體裂隙的面積，增加了裂隙連通性能及煤的滲透性，還產(chǎn)生了新的裂隙。因此得出結論：冷凍消融技術可以使煤裂隙擴展，裂隙的增大有利于提高煤層透氣性，從而能夠為煤層氣的開采和煤與瓦斯突出防治工作帶來效益。