徐德宇，崔洪慶，王天瑜，屈麗娜，劉 濤

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作454003；2.中原工學院 能源與環(huán)境學院，河南 鄭州451191；3.中原經濟區(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）

低滲透性煤層是制約煤礦瓦斯高效抽采的重要因素。在低滲透煤層中，瓦斯易于富集又難于治理，易引發(fā)瓦斯涌出、煤與瓦斯突出等問題，嚴重影響煤礦的安全高效生產[1]。針對低滲透性煤層，通常需要實施各種強化增透措施，人為強迫溝通煤層內原有的裂隙網絡或產生新的裂隙網絡，以達到增加煤層透氣性的目的[2]。目前，國內外強化抽采措施以水力化方式為主，主要包括水力壓裂、水力沖孔、水力割縫等[3－5]，但是，水力化增透措施用水量大，在一些水資源匱乏地區(qū)難以開展，且含有松軟黏性礦物質的煤層吸水膨脹后易堵塞瓦斯運移通道，影響水力化增透和瓦斯抽采的效果。在此背景下，運用液氮溶浸煤體進行損傷處理的強化增透方法近年來不斷發(fā)展[6－8]。在液氮溶浸增透方面，煤體水分由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的體積膨脹力是其重要的增透作用力，液固相變理論上具有較高的膨脹力，以水冰相變?yōu)槔?，水冰相變約產生9%的體積膨脹，能夠產生高達207 MPa的凍脹力，可達到煤體增透的效果[9－10]，但是，液氮溶浸煤體屬于低溫冷處理增透，在一定的低溫范圍內，煤體的強度會增加，且煤體中未含自由水的孔裂隙結構會收縮，其對煤體孔裂隙網絡擴展和增透效果具有一定的阻礙作用。綜上所述，研究蓄熱膨脹相變作用對煤體滲透率的影響，對煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透及低滲透煤層瓦斯高效抽采等具有科學和工程指導意義。

1 實驗原理和方法

1.1 實驗原理

實驗主要通過蓄熱相變材料的特性實現熱處理環(huán)境下的煤體增透，蓄熱相變材料被廣泛應用于太陽能利用、太空熱控技術等儲能領域，以液固蓄熱相變?yōu)槔?，其特點為材料在升溫過程中通過固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)儲存蓄積熱量，而在降溫過程中，材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)并能夠逐漸釋放所蓄積的熱量，從而使整個相變過程保持在一定的熱環(huán)境中，起到蓄熱儲能的目的[11]。實驗選用液固蓄熱相變材料Na2HPO4·7H2O為相變載體，它是一種低熔點結晶水合鹽，熔點為45℃左右，該材料在熔點以上呈透明狀液態(tài)，在熔點以下呈冰狀固態(tài)結晶，且常溫下不易與空氣發(fā)生反應。實驗以Na2HPO4·7H2O為相變載體，通過Na2HPO4·7H2O溶液浸潤煤樣，在低范圍內（30～50℃左右）調節(jié)溫度，運用材料載體結晶相變的體積膨脹力和放熱效應，達到煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透的目的，并通過觀測煤樣蓄熱相變增透效果，揭示煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透規(guī)律。

1.2 實驗方法

1）蓄熱相變增透實驗。在玻璃罐中裝入Na2HPO4·7H2O晶體，置于恒溫水浴中，溫度調節(jié)至50℃，待晶體融化為液態(tài)后，將煤樣置于溶液中，然后將玻璃罐繼續(xù)放置于恒溫水浴中靜置2 h，使Na2HPO4·7H2O溶液逐漸滲入到煤樣中。待溶液有效滲入煤樣后，將盛有煤樣的玻璃罐置于24℃的室溫環(huán)境中，使溶液逐漸降溫并結晶為固態(tài)，并運用其蓄熱性和結晶膨脹力對煤樣進行熱環(huán)境下的膨脹相變增透。

2）煤體滲透率測試實驗。在增透實驗前，將圓柱狀煤樣在圍壓2 MPa、軸壓2 MPa及室溫條件下測試其滲透率；測試結束之后，將煤樣進行蓄熱相變增透實驗，待增透實驗結束后，將盛有煤樣和固態(tài)Na2HPO4·7H2O的玻璃罐置于50℃的恒溫水浴中，使固態(tài)Na2HPO4·7H2O融化，然后從溶液中取出煤樣，并用吸水棉吸出煤樣中的殘留溶液，最后在相同圍壓和軸壓下，測定蓄熱相變增透后的煤樣滲透率。

2 實驗煤樣和實驗結果

2.1 實驗煤樣

實驗所用煤樣采集于河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦己16－17煤層，該煤層埋深600 m左右，以中高等變質程度的焦煤和瘦煤為主，煤層厚度2.76～10.22 m，平均6.15 m，煤的堅固性系數平均值0.34，煤體破壞類型以碎粒煤為主，實驗所采煤樣的堅固性系數實測0.38，所采塊狀煤樣用巖心鉆取機沿垂直層理鉆取，用切磨機加工成直徑50 mm，長度50 mm的圓柱狀，并將煤樣上下端打磨光滑，以保證滲透率測試壓力加載時的均勻性。實驗所用共6塊煤樣，均鉆取自同一煤塊，鉆取后的煤樣置于75℃的干燥箱中，所制煤樣經干燥后均滿足實驗要求。

2.2 實驗結果

將盛有實驗煤樣和溶液的玻璃罐從恒溫水浴中取出，此時溶液溫度為50℃，相變溶液為透明澄清狀液體，煤樣完全溶浸于相變溶液底部并清晰可見。然后將玻璃罐靜置于室溫24℃的空氣中，其中，A組實驗煤樣自然冷卻至24℃，B組煤樣用18℃冷風直吹降溫至24℃，所有實驗煤樣在24℃時均由液態(tài)逐漸相變成結晶固態(tài)。結晶后，蓄熱相變材料呈冰絮狀白色不透明固態(tài)物，煤樣被包裹于固態(tài)材料中且不可見。不同溫度下含煤樣蓄熱相變材料的狀態(tài)如圖1。

圖1 不同溫度下含煤樣蓄熱相變材料的狀態(tài)Fig.1 The state of coal-containing thermal storage phase changematerials at different temperatures

相變強化增透前和增透后，煤樣滲透率測試結果見表1。2組6個煤樣在強化增透后滲透率都有不同程度的升高，其中A組煤樣中最大增幅為150.8%，平均119.6%，B組煤樣中最大增幅87.4%，平均78.8%，A組煤樣增透實驗后的滲透率增幅要顯著大于B組。

表1 煤樣滲透率測試結果Table 1 Coal sam ple permeability test results

3 實驗結果分析

3.1 蓄熱相變放熱量對煤體滲透率的影響

蓄熱相變放熱量的大小和降溫速度有密切關系，降溫速度越慢，相變放熱越均勻，整個過程的相變放熱量越大[12]。為研究不同程度的熱環(huán)境對煤體滲透率的影響，A組實驗煤樣自然冷卻至24℃，B組煤樣用18℃冷風直吹降溫至24℃，同時，每2 min用紅外測溫儀測量A、B 2組溶液的溫度值，并分析2組溶液溫度平均值的變化規(guī)律。蓄熱相變溶液冷卻時的溫度變化如圖2。

圖2 蓄熱相變溶液冷卻時的溫度變化Fig.2 The temperature change of the thermal storage phase change solution during cooling

實驗結果表明：在整個蓄熱相變過程中，A組煤樣降至24℃用時132 min，B組煤樣降至24℃用時74 min。其中，A組煤樣前86 min溫度在35℃以上，B組煤樣前24 min溫度保持在35℃以上。A組煤樣從38 min開始穩(wěn)定的相變放熱，溫度在38～66 min內保持在37℃左右，維持時間28 min；而B組煤樣在26～38 min之間開始穩(wěn)定的相變放熱，溫度保持在34.5℃左右，持續(xù)時間12 min，且38 min后，B組煤樣溫度開始呈階段性快速下降。A組煤樣相變放熱的整體溫度和持續(xù)時長均顯著大于B組，放熱量大于B組。根據滲透率測試結果，A組煤樣滲透率的增幅顯著大于B組，最大增幅150.8%，平均119.6%，而B組最大為87.4%，平均78.8%。結合蓄熱相變放熱量和煤樣滲透率變化規(guī)律綜合分析，蓄熱相變的放熱量是影響煤體滲透率變化的重要因素，且放熱量越大，蓄熱相變對煤體的增透效果越明顯，同時也表明熱環(huán)境可以促進液固相變膨脹增透的效果。

3.2 蓄熱相變對煤體孔裂隙結構的影響

在蓄熱相變的過程中，材料的液固態(tài)結晶相變導致的體積膨脹力，使煤體孔裂隙膨脹；同時，材料結晶固化過程中釋放的熱量，促進了煤體孔裂隙結構的開放、保持和擴展，達到了煤體熱處理環(huán)境下膨脹增透的目的。為進一步研究蓄熱相變對煤體滲透率的影響，對相變增透前和增透后的A2煤樣進行了低場核磁共振測試，并通過得到T2弛豫時間譜，分析蓄熱相變對煤體孔裂隙結構的影響。增透前后A2煤樣T2弛豫時間對比如圖3。

T2譜峰一般為3峰結構，由低到高分布在0.1～1 ms，10～50 ms和100 ms左右，分別代表微小孔、中大孔和裂隙中的流體信號[13－14]。由圖3可知，A2煤樣增透前后T2在0.1～1 ms之間的譜峰變化不大，最大由322.46增加至343.29，增幅為6.46%，表明蓄熱相變增透后煤樣中微小孔增加程度不大；而T2在10～50 ms之間和100 ms左右的譜峰明顯上升，分別由189.16增至218.21，以及由221.17增至261.05，增幅分別達到15.36%及18.03%，表明中大孔和裂隙數量增加明顯，且介于2個譜峰之間的T2值增幅最為顯著，最大由106.41增至156.54，增幅達到47.11%，表明介于中大孔和裂隙之間的孔裂隙結構的連通性增強，上述研究表明蓄熱相變主要通過增加中大孔、裂隙的數量以及兩者之間孔裂隙結構的連通性進而增加煤體的滲透率。

圖3 增透前后A2煤樣T2弛豫時間對比Fig.3 Comparison of T2 relaxation time of A2 coal sam ple before and after coal permeability enhancement

4結 論

1）蓄熱相變作用能夠有效增加煤體的滲透率，且蓄熱相變的放熱量是影響煤體增透效應的重要因素。

2）蓄熱相變作用所提供的熱環(huán)境可以促進煤體相變膨脹增透的效果，且蓄熱相變降溫速度越慢，相變放熱量越大，煤體增透效應越明顯。

3）蓄熱相變主要通過增加中大孔和裂隙的數量以及兩者之間孔裂隙結構的連通性進而增加煤體的滲透率。