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(duì)緩解能源危機(jī)、開發(fā)新型清潔能源具有重要意義。我國(guó)煤層氣資源存儲(chǔ)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(guó)煤層大多是低滲透率煤層，煤層氣開采困難，因此對(duì)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(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)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(cuò)的效果。但針對(duì)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(lái)，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(duì)煤樣的損傷效果，探究不同試劑對(duì)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(duì)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(shí)通過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)煤樣裂隙結(jié)構(gòu)和滲透率的影響，利用非金屬超聲探測(cè)器和滲透率測(cè)試設(shè)備對(duì)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(wú)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(duì)滲透率測(cè)定儀、電子分析天平和非金屬超聲探測(cè)器，如圖2。煤巖氣水相對(duì)滲透率測(cè)定儀用于測(cè)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(cè)器用于檢測(cè)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(gè)煤樣分別進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定、超聲波波速測(cè)定以及滲透率測(cè)定；然后將4個(gè)煤樣分別放入裝有二硫化碳、乙醇、鹽酸和丙酮的反應(yīng)瓶?jī)?nèi)浸泡6h；最后洗滌干燥后再次進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定、超聲波波速測(cè)定以及滲透率測(cè)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)煤有侵蝕作用，溶劑可以通過(guò)相似相溶作用，溶解煤中的小分子物質(zhì)；或是通過(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(cè)手段可以無(wú)損檢測(cè)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(duì)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?gòu)? 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(shí)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?gòu)? 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(duì)較小，下降幅度分別為7.62%和6.87%，表明乙醇和鹽酸對(duì)煤內(nèi)部裂隙發(fā)育作用有限?？傊?，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(guò)滲透率的變化情況能夠有效判斷溶劑對(duì)煤樣的作用效果。溶劑處理后，煤樣的滲透率變化越大，說(shuō)明增透效果就越好。使用煤巖氣水相對(duì)滲透率測(cè)定儀測(cè)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(shí)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(shì)，由于溶劑對(duì)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(gè)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(guò)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(duì)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。