相變蓄熱作用下煤體增透影響因素研究

徐德宇，馬豪娟，崔洪慶，王天瑜，劉 濤

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層（頁巖）氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；4.河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦，河南 平頂山 461700）

煤層瓦斯是制約我國煤礦安全生產(chǎn)的主要因素[1]，為了有效進(jìn)行瓦斯治理工作，我國高瓦斯煤礦多對煤層進(jìn)行強(qiáng)化增透處理，進(jìn)而增加煤層的透氣性，以提高煤層瓦斯的抽采和治理效果[2]。在此背景下，運(yùn)用水力化增透方法[3-5]，以及運(yùn)用液氮溶凍、液態(tài)CO2相變致裂等方法對煤體進(jìn)行增透的研究不斷發(fā)展[6-7]；而近年來，運(yùn)用溫度沖擊[8]、注熱蒸汽[9]、膨脹放熱等[10]熱處理的方法對煤體進(jìn)行增透，因其能夠有效促進(jìn)煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和貫通，并具有加速周圍煤體瓦斯解吸等作用，逐漸受到相關(guān)學(xué)者的重視[11-12]。其中，運(yùn)用相變蓄熱的方法，在煤體中注入相變蓄熱材料，能夠應(yīng)用相變蓄熱的熱環(huán)境和材料相變的結(jié)晶固化膨脹力對煤體進(jìn)行增透[13]，具有多種作用綜合增透的效果，也逐漸受到了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。然而，影響煤層增透的因素較多[14]，如溫度、煤體破碎程度、含水率等[15]，但是目前尚缺乏相變蓄熱影響因素方面的系統(tǒng)研究，相關(guān)研究尚不能滿足工程實(shí)踐的需求?；谏鲜龇治?，對相變蓄熱作用下煤體增透的影響因素進(jìn)行研究，可為熱環(huán)境作用下和相變蓄熱作用下煤層強(qiáng)化增透措施和瓦斯高效治理工程實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)煤樣和相變蓄熱材料

試驗(yàn)所用煤樣均采集于河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦己16-17 煤層，以碎粒型焦煤為主，煤樣采集后加工成直徑和長度均為50 mm 的圓柱狀試樣，并置于75 ℃的干燥箱中干燥后備用。試驗(yàn)選取結(jié)晶水合鹽Na2HPO4·7H2O 為相變蓄熱材料，該材料熔點(diǎn)較低，在45～48 ℃之間，且常溫下不與空氣和煤體發(fā)生反應(yīng)；該材料在升溫過程中可逐漸熔化為透明狀液態(tài)，并通過固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)儲存蓄積熱量，而在降溫過程中，材料可由液態(tài)逐漸結(jié)晶固化為固態(tài)，產(chǎn)生體積膨脹力，并釋放所蓄積的熱量，進(jìn)而可使煤體增透過程保持在一定的熱環(huán)境中，達(dá)到煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透的目的。

1.2 試驗(yàn)步驟

對煤樣在室溫下進(jìn)行瓦斯?jié)B透率測試試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為圍壓2 MPa、軸壓2 MPa；測試結(jié)束后，分別將盛有相變蓄熱材料的容器和煤樣置于恒溫箱中加熱，使相變蓄熱材料升溫達(dá)到預(yù)設(shè)溫度并轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，待材料完全受熱液化后，將煤樣置于液態(tài)相變材料中浸潤，并間隔若干時(shí)間后不斷取出稱重，使煤樣的含液率達(dá)到飽和含液率的百分比預(yù)設(shè)值，然后將煤樣從相變蓄熱溶液中取出，用鋁箔紙包裹密封并置于20 ℃的恒溫箱中降溫2 h，使相變蓄熱材料逐漸結(jié)晶固化，進(jìn)行煤體相變蓄熱增透試驗(yàn)；并根據(jù)試驗(yàn)條件中的相變次數(shù)，重復(fù)循環(huán)調(diào)節(jié)恒溫箱中的溫度，進(jìn)行1 次或多次相變蓄熱增透試驗(yàn)，待煤體增透試驗(yàn)結(jié)束后，取出煤樣并干燥，在相同圍壓和軸壓下，再次進(jìn)行煤體瓦斯?jié)B流試驗(yàn)，并記錄滲透率測試試驗(yàn)結(jié)果。煤體增透試驗(yàn)預(yù)設(shè)條件見表1。

表1 煤體增透試驗(yàn)預(yù)設(shè)條件Table 1 Preset conditions for coal permeability enhancement test

2 不同因素對煤體相變蓄熱增透效應(yīng)的影響

2.1 相變初始溫度對煤體滲透率的影響

相變蓄熱環(huán)境的初始溫度對煤體增透效應(yīng)具有影響作用，相變初始溫度越高，蓄熱材料所蓄積和釋放的總熱量則越大，可以有效影響煤體熱處理增透的實(shí)際效果。為研究相變蓄熱初始溫度對煤體增透效果的影響，根據(jù)試驗(yàn)條件1（表1），分別在相變初始溫度55、65、75 ℃的環(huán)境下，對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組共9 個(gè)煤樣進(jìn)行了煤體增透試驗(yàn)，不同相變溫度下煤體滲透率增幅對比如圖1。

圖1 不同相變溫度下煤體滲透率增幅對比Fig.1 Comparison of coal permeability increase at different phase transition temperatures

由圖1 可知：當(dāng)相變蓄熱初始溫度為55 ℃時(shí)，煤體滲透率增幅較小，在65.33%～111.33%之間，平均增幅為82.64%，而隨著相變初始溫度的增高，煤體滲透率增幅逐漸增大；當(dāng)相變初始溫度達(dá)到75 ℃時(shí)，煤體滲透率增幅增大至139.86%～193.00%，平均增幅增大至165.41%。研究結(jié)果表面，相變蓄熱的初始環(huán)境溫度越高，增透環(huán)境的總熱量越大，可以更有效地使煤體骨架產(chǎn)生熱膨脹，促進(jìn)煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，且整體上，煤體滲透率增幅隨相變初始溫度的增加呈線性增長趨勢。

2.2 煤體含液率對滲透率的影響

在相變蓄熱增透煤體的過程中，煤樣含液率的大小可以直接影響相變材料結(jié)晶固化膨脹力的大小，是決定煤體增透效果的主要作用。為了分析煤樣含液率對增透效果的影響，根據(jù)試驗(yàn)條件2，在Ⅰ組煤樣20%含液率的基礎(chǔ)上，增設(shè)了含液率為40%和60%的2 組煤樣（表1），并進(jìn)行了增透試驗(yàn)，不同含液率煤體滲透率變化規(guī)律如圖2。

圖2 不同含液率煤體滲透率變化規(guī)律Fig.2 Change law of coal permeability with different liquid contents

由圖2 可知：相較于Ⅰ組煤樣，當(dāng)煤樣含液率從20%增至40%時(shí)，Ⅳ組煤樣的滲透率增幅明顯，平均增幅由82.64%增至180.81%；而當(dāng)煤體含液率增至60%時(shí)，Ⅴ組煤樣的滲透率顯著增大，滲透率平均增幅達(dá)到494.86%，最大可增至556.04%。整體上，煤體滲透率隨煤體相變材料含液率的增加呈指數(shù)型增長，相關(guān)變化規(guī)律表明，當(dāng)煤體相變蓄熱材料含液率較高時(shí)，煤體內(nèi)部因材料結(jié)晶固化所引起的體積膨脹力增強(qiáng)，進(jìn)而使煤體內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)有效擴(kuò)展，煤體的增透效應(yīng)顯著提高。

2.3 相變次數(shù)對煤體滲透率的影響

通過試驗(yàn)溫度的循環(huán)調(diào)節(jié)，煤體內(nèi)的相變蓄熱材料可以反復(fù)結(jié)晶固化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相變蓄熱的循環(huán)以及對煤體增透作用的累加，因此，相變次數(shù)的大小對煤體的增透效應(yīng)具有重要影響。為分析相變蓄熱次數(shù)對煤體滲透率的影響，在Ⅰ組煤樣相變次數(shù)為1 的基礎(chǔ)上，按照試驗(yàn)條件3（表1），分別增設(shè)相變次數(shù)為4 次、7 次、10 次的Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ組煤樣共9個(gè)，并測定了增透試驗(yàn)前后煤樣的瓦斯?jié)B透率，不同相變次數(shù)作用下煤體滲透率變化圖3。

圖3 不同相變次數(shù)作用下煤體滲透率變化Fig.3 Changes of coal permeability under different phase transition times

由圖3 可知：相變次數(shù)由1 次升至4 次時(shí)，煤樣滲透率增幅較小，平均值由82.64%增至139.52%；而當(dāng)相變達(dá)到7 次時(shí)，滲透率增幅較大，平均值為333.41%，最高值可增至381.06%；整體上相變次數(shù)由1 次增至7 次時(shí)，煤體滲透率增幅呈指數(shù)形式增長；但是，當(dāng)相變次數(shù)繼續(xù)增至10 次的過程中，煤體滲透率增幅趨于平緩，平均值僅由333.41%增至385.81%，最大值僅由381.06%增至406.92%。研究結(jié)果表明，隨著相變蓄熱次數(shù)的增加，循環(huán)的相變蓄熱作用可以實(shí)現(xiàn)煤體裂隙結(jié)構(gòu)的開放和增透效應(yīng)的累積增加，進(jìn)而使煤體滲透率呈指數(shù)型增長，但當(dāng)相變蓄熱的循環(huán)次數(shù)增高至一定值時(shí)，相變蓄熱的增透作用顯著減小，煤體滲透率的增幅趨于穩(wěn)定。

2.4 煤體破碎程度對滲透率的影響

煤體的破碎程度是影響煤體增透效果的重要因素，在相同的煤體增透條件下，不同破碎程度的煤體，因其煤體致裂強(qiáng)度和內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)的不同，相變蓄熱增透的效果會有較大差異。為研究煤體破碎程度對相變蓄熱增透作用的影響，根據(jù)試驗(yàn)條件4（表1），對Ⅸ、Ⅹ組共6 個(gè)不同破碎程度的煤樣進(jìn)行了增透試驗(yàn)和瓦斯?jié)B流試驗(yàn)，不同破碎程度煤體增透后滲透率分布區(qū)間如圖4。

圖4 不同破碎程度煤體增透后滲透率分布區(qū)間Fig.4 Coal permeability distribution interval with different crushing degrees after enhancement

由圖4 可知：2 組煤樣均以碎粒煤為主，第Ⅹ組煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)f 值在0.19～0.27 之間，破碎程度較第Ⅸ組煤樣高，通過相變蓄熱的增透作用后，第Ⅹ組煤樣滲透率增幅也較大，平均值為234.46%，最大增幅達(dá)到271.79%，均顯著大于Ⅸ組煤樣的滲透率增幅。研究表明，在相同條件下，破碎程度高的煤體在相變蓄熱作用下，煤體增透效應(yīng)較高；但在增透后，Ⅸ組煤樣滲透率增大至2.36×10-16～3.30×10-16m2之間，Ⅹ組煤樣在2.08×10-16～3.54×10-16m2之間，2 組煤樣增透后的滲透率差值較小，整體穩(wěn)定在一定區(qū)間內(nèi)，該規(guī)律表明Ⅸ組煤樣的滲透率增幅較高，主要與煤體初始滲透率較低相關(guān)，而當(dāng)相變蓄熱的增透條件相同時(shí)，煤體破碎程度對煤體致裂增透的最終效應(yīng)影響不顯著。

3 結(jié) 論

1）相變蓄熱環(huán)境的初始溫度越高，煤體增透環(huán)境所蓄積和釋放的總熱量則越大，進(jìn)可使煤體骨架產(chǎn)生的熱膨脹增強(qiáng)，增加煤體增透的效果，且煤體滲透率增幅隨相變初始溫度的增加呈線性增長趨勢。

2）含液率是影響相變蓄熱作用下煤體增透效果的重要影響，隨著煤體含液率的增加，相變材料結(jié)晶固化所引起的體積膨脹力增強(qiáng)，煤體內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)有效擴(kuò)展，造成煤體滲透率增幅隨煤體含液率的增加呈指數(shù)型增長。

3）相變蓄熱次數(shù)對煤體增透的影響作用顯著，循環(huán)的相變蓄熱作用可以使煤體的致裂效應(yīng)有效累積增加，進(jìn)而使煤體滲透率增幅在一定范圍內(nèi)隨相變次數(shù)的增加呈指數(shù)型增長，但是當(dāng)相變蓄熱的循環(huán)次數(shù)增高至一定值后，煤體增透效應(yīng)逐漸減小，煤體滲透率增幅趨于穩(wěn)定。

4）在相變蓄熱作用下，破碎程度高的煤體增透效應(yīng)顯著，煤體滲透率增幅較大，其主要與煤體初始滲透率較低密切相關(guān)；而當(dāng)相變蓄熱的增透條件相同時(shí)，破碎程度對煤體增透最終效應(yīng)的影響不顯著。