魏迎春，張 勁，王揚(yáng)眉，崔茂林，劉子亮，王安民，曹代勇

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083）

煤具有較低的彈性模量和硬度，在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生煤粉［1-3］。煤儲層孔隙－裂縫系統(tǒng)是煤層氣、水和煤粉運(yùn)移的主要通道，煤粉在運(yùn)移過程中會聚集沉降，導(dǎo)致孔隙-裂縫系統(tǒng)堵塞，降低煤儲層滲透性［4-7］。煤粉在排采系統(tǒng)中會引起埋泵、卡泵等事故，嚴(yán)重影響煤層氣的產(chǎn)出［8-9］。煤粉聚集沉降受煤粉粒子間的相互作用力影響，粒子間的相互作用力主要有范德華力、親疏水相互作用力和雙電層排斥力。范德華力、親疏水相互作用力是由煤粉類型及煤粉粒度等煤粉本身性質(zhì)決定［10-11］，雙電層排斥力則是受煤粉運(yùn)移所處地下水的類型、礦化度等因素影響［12-14］。因此，研究水化學(xué)性質(zhì)對煤粉聚集沉降的影響具有重要的意義。

目前眾多學(xué)者在煤層氣開發(fā)中煤粉產(chǎn)出機(jī)理及管控措施等方面進(jìn)行了研究。在水化學(xué)類型和礦化度對煤粉顆粒的聚集沉降方面，CHEQUER L等（2018）建立了低礦化度水驅(qū)替細(xì)粒運(yùn)移的分析模型［15］。SHI 等（2018）研究了小于80 目的煤粉在去離子水、標(biāo)準(zhǔn)鹽水和NaHCO3溶液中的聚集行為［16］。YU 等（2019）通過礦化度水對砂巖進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，指出了礦化度越低產(chǎn)出的砂巖細(xì)粒濃度越大［17］。WANG 等（2019）開展了不同pH 值下褐煤儲層水敏性和鹽敏性實(shí)驗(yàn)研究，指出了在高礦化度下更有利于固定煤粉源［18］。上述研究為本文研究奠定了基礎(chǔ)，但對不同水化學(xué)類型和水礦化度對煤粉顆粒的聚集沉降的影響研究較少。

為了簡化研究條件，考慮靜態(tài)條件下不同水化學(xué)性質(zhì)對煤粉沉降效果的影響，本文選擇不同礦化度和不同水化學(xué)類型的水溶液，針對煤粉靜態(tài)條件下沉降，開展了煤粉在不同水化學(xué)性質(zhì)溶液中的聚集沉降實(shí)驗(yàn)，從煤粉聚集沉降情況、煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度和煤粉粒度分布開展研究，揭示煤粉在不同水化學(xué)性質(zhì)水中聚集沉降特征及作用機(jī)理。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品與溶液

1）煤樣及制備。實(shí)驗(yàn)所用煤樣采自鄂爾多斯盆地東南緣韓城礦區(qū)象山煤礦山西組3號煤層。煤樣鏡質(zhì)體最大反射率為1.85%，其為貧煤。煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，體積分?jǐn)?shù)為82.34%；其次為惰質(zhì)組，體積分?jǐn)?shù)為9.93%；礦物含量為7.73%，以黏土礦物為主。煤樣的水分（Mad）為1.05%，灰分產(chǎn)率（Ad）為13.24%，揮發(fā)分（Vdaf）為14.54%，固定碳（FCdaf）為71.17%。通過元素分析，煤樣品的C 含量為91.12%，H 含量為4.46%，O 含量為2.58%，N 含量為1.34%。由于煤層氣排采過程中產(chǎn)出的煤粉中90%的煤粉粒度在210μm以下［2，7］，本文選擇了粒度＜212 μm 的煤粉。利用粉碎機(jī)將煤樣破碎，將破碎后煤樣過篩，篩分出粒度＜212 μm的煤粉備用。

2）溶液選擇。煤層氣韓城區(qū)塊的地下水中含有高礦化度的碳酸氫鈉、硫酸鈉、氯化鈣和氯化鎂，水中無機(jī)鹽礦化度2 000～20 000 mg/L。根據(jù)韓城區(qū)塊地下水礦化度及水化學(xué)類型情況，為查明不同水化學(xué)單一因素的影響，本文選擇了理想情況的水化學(xué)配比：礦化度為3 000 mg/L、6 000 mg/L、12 000 mg/L 的NaHCO3和Na2SO4溶液及礦化度為12 000 mg/L、18 000 mg/L 的CaCl2和MgCl2溶液。為了排除水中其他陰陽離子對煤粉聚集的影響，選用去離子水來配制不同水化學(xué)性質(zhì)的溶液，來研究煤粉在不同水化學(xué)性質(zhì)煤粉懸浮液中的聚集特征。

3）煤粉懸浮液。用電子天平稱取煤粉80 g，倒入盛有1 L 不同水化學(xué)性質(zhì)溶液的燒杯中，攪拌30 min使煤粉充分分散，配置成不同水化學(xué)性質(zhì)的煤粉懸浮液。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為研究煤粉在不同水化學(xué)性質(zhì)懸浮液中的聚集沉降特征，采用單一因素分析法，開展了10 組煤粉懸浮聚集沉降實(shí)驗(yàn)。

1）煤粉聚集情況觀察。在停止攪拌后0 h、1 h、2 h、6 h、12 h、24 h 時，觀察不同粒度煤粉懸浮液的變化，包括煤粉懸浮液顏色、分層、煤粉聚集沉降等，并用數(shù)碼相機(jī)拍照，定性表征不同水化學(xué)性質(zhì)對煤粉聚集沉降的影響［19］。

2）懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度測量。為了查明定量煤粉懸浮情況，采用稱重法測定煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度。由于煤粉懸浮主要在實(shí)驗(yàn)開始階段，20min后懸浮液中含煤粉很少，無法測出煤粉濃度和粒度，因此，本文用注射器抽取停止攪拌后0min、3min、9min、15 min中間層煤粉懸浮液50 mL，使用漏斗與濾紙組成過濾裝置用來過濾煤粉懸浮液，使用真空泵（SHZD（III）型循環(huán)水真空泵）加快過濾速度。在過濾前，先將定量濾紙放入真空干燥箱中，40℃恒溫干燥2 h，冷卻至室溫，稱取定量濾紙的質(zhì)量。煤粉懸浮液過濾后，將濾紙及其上的煤粉放入真空干燥箱中，在40℃干燥12 h后，取出冷卻至室溫，稱取濾紙及其上的煤粉的質(zhì)量。然后，繼續(xù)干燥1 h，取出冷卻至室溫，稱其質(zhì)量，反復(fù)干燥稱重步驟，至稱取的濾紙及其上的煤粉質(zhì)量3次一致為止，根據(jù)煤粉質(zhì)量，計(jì)算煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度［19］。

3）煤粉粒度測試。采用馬爾文激光粒度測試儀（Mastersizer 2000）對各組停止攪拌后0min、3min、6min、9min、12min、15 min中間層煤粉懸浮液中煤粉的粒度進(jìn)行測試［19］。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚集沉降情況

煤粉在不同化學(xué)性質(zhì)水中的聚集沉降狀態(tài)如圖1所示，煤粉懸浮液初始呈現(xiàn)黑色，隨時間的增加均會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，少量煤粉會上浮，在煤粉懸浮液上層聚集，而大量煤粉會在煤粉懸浮液底部聚集，煤粉懸浮液中層煤粉會逐漸減少至極少量甚至清澈無煤粉，呈現(xiàn)透明或半透明狀，不同的水化學(xué)性質(zhì)的煤粉懸浮液會存在分層時間上的差異。

圖1 不同靜置時間煤粉在煤粉懸浮液中聚集沉降狀態(tài)Figure 1 Aggregation and sedimentation states of coal fines in suspensions at different standing times

水化學(xué)類型相同而礦化度不同的煤粉懸浮液沉降分層時間不同。觀察礦化度分別為12 000 mg/L和18 000 mg/L 的CaCl2煤粉懸浮液的分層情況可知，2種懸浮液在1 h時均略微出現(xiàn)分層，在2 h時出現(xiàn)較明顯分層。隨著時間延續(xù)，在相同時間時，18 000 mg/L礦化度的CaCl2煤粉懸浮液比12 000 mg/L 礦化度的CaCl2煤粉懸浮液分層略清晰。礦化度分別為12 000 mg/L 和18 000 mg/L 的MgCl2煤粉懸浮液中出現(xiàn)明顯分層的時間為2 h。其在礦化度分別為3 000mg/L、6 000mg/L 和12 000 mg/L 的Na2SO4煤粉懸浮液中出現(xiàn)分層的時間分別為6 h、6 h 和2 h。礦化度分別為3 000mg/L、6 000mg/L 和12 000mg/L 的NaHCO3煤粉懸浮液出現(xiàn)分層的時間分別為12 h、6 h和6 h。隨著礦化度的增加煤粉懸浮液出現(xiàn)分層的時間逐漸減少，說明高礦化度的水可以加速煤粉的沉降分層。

水礦化度相同而水化學(xué)類型不同的煤粉懸浮液沉降分層時間不同。CaCl2、MgCl2、Na2SO4和NaHCO3煤粉懸浮液出現(xiàn)分層的時間分別為1 h、2 h、2 h、6 h。因此，從宏觀現(xiàn)象上來看，使煤粉沉降分層的能力由強(qiáng)到弱為：CaCl2溶液＞MgCl2溶液＞Na2SO4溶液＞NaHCO3溶液。

2.2 煤粉質(zhì)量濃度

煤粉在不同水化學(xué)性質(zhì)的煤粉懸浮液中靜置時間為0 min、3 min、9 min、15 min 時懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度見表1。10種不同水化學(xué)性質(zhì)的煤粉懸浮液，隨著靜置時間增長，其煤粉質(zhì)量濃度逐漸降低。

表1 不同煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度Table 1 Concentration of coal fines in suspensionsg/L

對于水化學(xué)類型相同而礦化度不同的煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度不同。12 000 mg/L和18 000 mg/L的MgCl2煤粉懸浮液在靜置15min后煤粉質(zhì)量濃度分別由1.155 g/L和1.044 g/L降至0.072 g/L和0.053 g/L；12 000mg/L 和18 000mg/L 的CaCl2煤粉懸浮液在靜置15min后煤粉質(zhì)量濃度分別由0.779 g/L和0.986 g/L降至0.121 g/L 和0.058 g/L；3 000mg/L、6 000mg/L 和12 000mg/L 的Na2SO4煤粉懸浮液在靜置15min 后煤粉質(zhì)量濃度分別由0.749 g/L、1.257 g/L 和1.301 g/L降至0.051 g/L、0.112 g/L 和0.150 g/L。CaCl2煤粉懸浮液、MgCl2煤粉懸浮液和NaHCO3煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度隨著礦化度的增高而降低，煤粉聚集沉降增強(qiáng)（表1）。3 000 mg/L、6 000 mg/L 和12 000 mg/L 的NaHCO3煤粉懸浮液在靜置15 min 后煤粉質(zhì)量濃度分別由1.162 g/L、3.636 g/L和2.082 g/L降至0.596 g/L、0.492 g/L 和0.210 g/L。Na2SO4煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度隨礦化度的增高而增高。這與宏觀觀察的煤粉懸浮液中煤粉沉積聚集情況一致。

水化學(xué)類型相同而礦化度不同的煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度不同。MgCl2、CaCl2、Na2SO4和NaHCO3煤粉懸浮液在靜置15min 時，4 種類型的煤粉質(zhì)量濃度分別為0.072 g/L、0.121 g/L、0.150 g/L 和0.210 g/L。因此，四種水化學(xué)類型不同的煤粉懸浮液，其煤粉質(zhì)量濃度不同，煤粉在其懸浮液中的沉積聚集性也不同。在四種水化學(xué)類型煤粉懸浮液中煤粉沉降聚集性強(qiáng)弱：MgCl2煤粉懸浮液＞CaCl2煤粉懸浮液＞Na2SO4煤粉懸浮液＞NaHCO3煤粉懸浮液。這與宏觀觀察煤粉懸浮液中煤粉沉積聚集情況基本一致。

2.3 煤粉粒度分布

通過對煤粉懸浮液中煤粉質(zhì)量濃度的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，煤粉懸浮液在停止攪拌后的前15 min 內(nèi)質(zhì)量濃度變化最大，說明煤粉在停止攪拌后的前15 min 內(nèi)產(chǎn)生的聚集沉降效果最強(qiáng)，因此選取前15 min 煤粉懸浮液進(jìn)行粒度測試。煤粉懸浮液靜置時間為0 min、3 min、6 min、9 min、12min、15 min 時，不同水化學(xué)性質(zhì)的煤粉懸浮液中煤粉粒度分布見圖2 和表2。根據(jù)煤粉粒度分布曲線變化，分析不同水化學(xué)性質(zhì)的煤粉懸浮液中煤粉沉降聚集性。煤粉懸浮液在聚集沉降過程中分為三個階段：初始階段、聚集階段和沉降階段。煤粉粒度曲線由單峰—雙峰—單峰的過程，粒度曲線由單峰變化成雙峰意味著發(fā)生了煤粉的聚集，小粒度的煤粉聚集成大粒度的煤粉，出現(xiàn)第二個粒度較大的峰值，隨后大粒度的煤粉發(fā)生沉降，粒度較大的峰值消失變?yōu)閱畏宸植?。在靜置15 min 內(nèi)，12 000 mg/L 礦化度的MgCl2煤粉懸浮液中煤粉的粒度分布曲線形態(tài)隨時間增加一直處于單峰狀態(tài)，說明煤粉在此類煤粉懸浮液中處于緩慢沉降，煤粉的聚集在靜置前已聚集，因此，12 000 mg/L礦化度的MgCl2煤粉懸浮液中煤粉聚集最強(qiáng)。12 000 mg/L 和18 000 mg/L 礦化度的CaCl2煤粉懸浮液和18 000 mg/L礦化度的MgCl2煤粉懸浮液中煤粉的粒度分布曲線形態(tài)隨時間增加從單峰－雙峰－單峰－雙峰的快速變化，說明煤粉在此類煤粉懸浮液中處于反復(fù)地快速聚集沉降階段，在此類煤粉懸浮液中煤粉的聚集沉降性強(qiáng)。而不同礦化度的Na2SO4煤粉懸浮液和NaHCO3煤粉懸浮液中煤粉的粒度分布曲線形態(tài)隨時間增加從單峰－雙峰的變化，但其粒度分布曲線變化速度比CaCl2煤粉懸浮液和MgCl2煤粉懸浮液中粒度分布曲線變化速度緩慢。說明煤粉在此類煤粉懸浮液中處于聚集沉降階段，煤粉的聚集沉降性相對較弱。因此，在相同礦化度的煤粉懸浮液中，煤粉聚集的能力由強(qiáng)到弱：MgCl2煤粉懸浮液＞CaCl2煤粉懸浮液＞NaHCO3煤粉懸浮液＞Na2SO4煤粉懸浮液。

表2 煤粉懸浮液中煤粉粒度分布參數(shù)Table 2 Particle sizes distribution parameters of coal fines in suspension

圖2 0～15 min不同水化學(xué)性質(zhì)煤粉懸浮液中煤粉粒度分布曲面圖Figure 2 Surface diagram of the particle size distribution of coal fines in suspension with different hydrochemistry at 0 to 15 min

2.4 水化學(xué)性質(zhì)對煤粉聚集沉降機(jī)理探討

前人研究表明，煤粉顆粒在煤粉懸浮液中的聚集狀態(tài)受多種因素的影響。不同粒度煤粉對聚集作用的影響主要表現(xiàn)在對煤粉表面潤濕性的影響，因?yàn)槊悍墼趹腋∫褐械木奂饕怯擅悍郾砻娴氖杷饔昧韺?shí)現(xiàn)的［22］。

煤粉顆粒間的相互作用力主要有范德華力、親水相互作用力、疏水相互作用力和雙電層排斥力，這些顆粒間作用力都可以用擴(kuò)展DLVO理論來解釋［20-21］。范德華力、親水相互作用力和疏水相互作用力都是煤粉本身的固有特性所決定，而雙電層排斥力會受流體介質(zhì)的離子、酸堿度、溫度和濃度等因素的影響［22-24］。雙電層決定了顆粒表面和溶液之間的距離以及顆粒之間的靜電排斥。當(dāng)兩個顆粒靠近時，它們相互吸引，如果沒有反作用力，它們就會聚集并沉降［19，25-27］?；跀U(kuò)展DLVO理論，流體介質(zhì)中的陽離子部分可以中和煤粉顆粒表面的負(fù)電荷，壓縮顆粒周圍雙電層，水膜厚度減小，煤粉顆粒更易于聚集［28-31］。此次所用溶液分別為NaHCO3、Na2SO4、CaCl2和MgCl2。

NaHCO3在水中既發(fā)生電離又發(fā)生水解，化學(xué)反應(yīng)式如下

而Na2SO4、CaCl2和MgCl2在水中只發(fā)生電離，化學(xué)反應(yīng)式如下

煤粉顆粒表面通常帶負(fù)電荷，NaHCO3、Na2SO4、CaCl2和MgCl2電離出的H+、Na+、Ca2+和Mg2+被吸附在煤粉顆粒表面，中和了顆粒表面雙電層的電荷，并壓縮煤粉顆粒的雙電層，降低顆粒間雙電層的能量壁壘，提高了顆粒間的碰撞和聚集，因此可以提高煤粉的聚集能力［16］。由于高價的Ca2+、Mg2+所帶的正電荷比低價的Na+所帶的正電荷多，煤粉顆粒對Ca2+、Mg2+具有較強(qiáng)的吸附能力，Ca2+與Mg2+相比具有更大的離子半徑，所以壓縮雙電層的能力Ca2+＞Mg2+＞Na+［16，29］。而NaHCO3溶液既發(fā)生電離也發(fā)生水解，而水解作用占主導(dǎo)地位，電離出H+的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于水解出OH-的數(shù)量，在NaHCO3懸浮液中帶負(fù)電荷的煤粉顆粒被含有大量OH-的堿性環(huán)境包圍，煤粉顆粒表面負(fù)電荷增加，會增強(qiáng)顆粒間的排斥力，使得煤粉不易聚集［16］。

總的來說，使煤粉聚集沉降能力：CaCl2溶液、MgCl2溶液、Na2SO4溶液和NaHCO3溶液。隨著礦化度的增加，懸浮液中Na+、Ca2+和Mg2+的數(shù)量也會相應(yīng)增加，因此，聚集煤粉的能力也會隨著礦化度的增加而增強(qiáng)。在煤層氣儲層中，地下水中較高礦化度的CaCl2、MgCl2比較低礦化度的NaHCO3、Na2SO4更易使煤粉聚集沉降。因此，在煤層氣開發(fā)中，可根據(jù)實(shí)際的地下水化學(xué)特征，采取針對性的煤粉管控措施。

3 結(jié)論

1）不同礦化度的煤粉懸浮液中煤粉的聚集沉降不同。對比煤粉在相同水化學(xué)類型而不同礦化度的煤粉懸浮液中聚集沉降情況發(fā)現(xiàn)，隨著礦化度的增加，煤粉懸浮液出現(xiàn)分層的時間越早，即煤粉發(fā)生聚集的時間越早，說明高礦化度的水溶液可以加速煤粉的聚集沉降。

2）不同水化學(xué)類型的煤粉懸浮液中煤粉的聚集沉降不同。對比煤粉在相同礦化度而不同水化學(xué)類型的煤粉懸浮液中聚集沉降情況發(fā)現(xiàn)，CaCl2煤粉懸浮液中煤粉發(fā)生聚集沉降并分層的時間最早，MgCl2煤粉懸浮液次之，Na2SO4煤粉懸浮液時間較晚，NaHCO3煤粉懸浮液時間最晚。煤粉懸浮液中使煤粉發(fā)生聚集的能力：CaCl2煤粉懸浮液＞MgCl2煤粉懸浮液＞Na2SO4煤粉懸浮液＞NaHCO3煤粉懸浮液。

3）從顆粒間作用力和擴(kuò)展DLVO理論方面探討了水化學(xué)性質(zhì)對煤粉聚集沉降的作用機(jī)理。煤粉懸浮液中Ca2+、Mg2+、Na+和H+等可以中和煤粉顆粒表面的負(fù)電荷，壓縮顆粒周圍的雙電層，使煤粉顆粒更易于聚集。高價的Ca2+、Mg2+所帶的正電荷比低價的Na+所帶的正電荷多，且具有更大的離子半徑，壓縮雙電層的能力Ca2+＞Mg2+＞Na+。因此，高礦化度的CaCl2、MgCl2地下水對煤粉聚集沉降較強(qiáng)。

4）為了查明不同礦化度和水化學(xué)類型水對煤粉聚集沉降的影響，同時，排除流速對煤粉聚集沉降的影響，本文開展的是煤粉在靜態(tài)條件下的聚集沉降實(shí)驗(yàn)。關(guān)于煤層氣開發(fā)過程中煤粉運(yùn)移條件下水化學(xué)性質(zhì)對煤粉聚集沉降的影響實(shí)驗(yàn)，將在后續(xù)研究中開展。