液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响.pdf

第4 5 卷第5 期 2 0 2 0 年5 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．5 M a y 2 0 2 0 移动阅读 卢硕，张磊，薛俊华，等．液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 5 1 8 3 5 1 8 4 4 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c o s ．2 0 2 0 ．0 1 9 7 L US h u o ，Z H A N GL e i ，X U EJ u n h u a ，e ta 1 ．I n f l u e n c eo fl i q u i dn i t r o g e ni m m e r s i o no ns e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t r a n kc o a ls a m p l e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 5 1 8 3 5 1 8 4 4 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 2 0 ． 0 1 9 7 液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响 卢硕1 ，张磊1 ，薛俊华2 ，张村3 ，陈帅1 1 ．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；3 ．中国矿业大学 北京 能源 与矿业学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要中国低透气性煤层广泛赋存且煤阶跨度较大。针对不同煤阶、性质煤层如何确定有效的液 氮致裂方式是一个亟待解决的难题。为此，分别选择褐煤、烟煤和无烟煤3 种煤阶的煤样进行不同 条件下的液氮溶浸，并使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙的演化规律，使用受载煤体注 气驱替瓦斯测试实验系统与纯度为9 9 ．9 9 9 ％的氮气测试得出煤样渗透率的变化规律。对实验得 到的煤样渗流曲线趋势进行简要讨论，对比分析了液氮处理不同阶段煤样的渗透率数值。实验结 果表明①相同围压条件下，煤样的渗透率随着气体压力的增加呈“u ”型变化趋势，使用二次函数 公式拟合效果良好；②单次液氮处理即可对褐煤煤样产生显著增透效果；③通过增加液氮循环处 理次数可有效提升液氮对烟煤的增透效果，一次液氮溶浸处理后的烟煤渗透率增幅最大达到 5 1 4 ．8 9 ％，两次处理后最大可达到l1 2 9 ．7 9 ％；④多次液氮处理对无烟煤透气性的改善不甚明显， 只会逐渐降低其抗拉强度，通过增大热冷冲击温度梯度的液氮处理方式可以有效改善无烟煤透气 性，在围压一气压为2 ．0 0 ～1 ．2 5M P a 时，初始温度5 0 ℃的无烟煤液氮处理后的渗透率增幅仅为 2 ．4 4 ％，而初始温度1 0 0 ℃的无烟煤处理后的渗透率增幅达到1 2 5 ．4 3 ％；⑤基于实验结果讨论、提 出适宜于不同煤阶煤层的液氮致裂增透方法。 关键词煤阶；液氮溶浸；渗透率；处理次数；温度梯度 中图分类号T D 7 1 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 5 - 1 8 3 5 - 1 0 I n f l u e n c eo fl i q u i dn i t r o g e ni m m e r s i o no ns e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tr a n kc o a ls a m p l e s L US h u 0 1 ，Z H A N GL e i l ，X U EJ u n h u a 2 ，Z H A N GC u n 3 ，C H E NS h u a i l 1 ．S c h o o lo f M i n e s ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y 。X u z h o u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；2 ．C o l l e g e o f S a f e t y S c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，X i ’a n U n i v e r s i t y o t ’ i - e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’a n7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ；3 ．S c h o o lo f E n e r g ya n dM i n i n gE n g i n e e r i n g ，C h i n aU m v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y 8 e q ／n g ，B e 0 ／n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t C o a ls e a m sw i t hl o wp e r m e a b i l i t ya r ew i d e s p r e a da n dt h es p a no fc o a lr a n ki sl a r g ei nC h i n a ．H o wt oc h o o s e ar e a s o n a b l el i q u i dn i t r o g e nf r a c t u r i n gm e t h o df o rc o a l sw i t hd i f f e r e n tr a n k sa n dp r o p e r t i e si sa nu r g e n tp r o b l e mt ob e s o l v e d ．F o rt h i sp u r p o s e ，t h ec o a ls a m p l e so ft h r e ec o a lr a n k si n c l u d i n gl i g n i t e ，b i t u m i n o u sc o a l ，a n da n t h r a c i t ea r es e - l e c t e df o rl i q u i dn i t r o g e nf r a c t u r i n gu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ．C a m e r a sa r eu s e dt op h o t o g r a p h f i x e dp o i n t a n do b - 收稿日期2 0 2 0 - 0 2 - 1 4修回日期2 0 2 0 - 0 3 - 2 4责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 7 0 4 2 7 4 ，5 1 9 7 4 2 3 9 ；中国科协“青年人才托举工程”资助项目 2 0 1 7 Q N R C 0 0 1 作者简介卢硕 1 9 9 6 一 ，男，安徽宿州人，硕士研究生。E - m a i l s h u o h c u m t 1 6 3 ．c o r n 通讯作者薛俊华 1 9 6 3 一 ，男，江苏泰州人，教授，博士生导师。E - m a i l x u e j u n h u a 2 0 0 3 1 6 3 ．C O r n 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 s e r v et h ee v o l u t i o no fm a c r o 。c r a c k so nt h ec o a ls a m p l es u r f a c e ．T h eg a sf l o wt e s t sw i t ht h eG a sF l o wa n dD i s p l a c e m e n t T e s t i n gA p p a r a t u s G F D T A a n dt h en i t r o g e no f9 9 ．9 9 9 ％p u r i t ys h o wt h ec h a n g ep a t t e r no fc o a ls a m p l ep e r m e a b i l i - t y ．T h et r e n do fp e r c o l a t i o nc u r v e so fc o a ls a m p l e so b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t si sb r i e f l yd i s c u s s e d ，a n dt h ep e r m e a b i l i t yv a l u e so fc o a ls a m p l e sa tt h ed i f f e r e n ts t a g e so fl i q u i dn i t r o g e nt r e a t m e n ta r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ．T h ee x p e r i - m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ①u n d e rt h es a m ec o n f i n i n gp r e s s u r ec o n d i t i o n s ，t h ep e r m e a b i l i t yo fc o a ls a m p l e ss h o w sa “U ”一s h a p e dc h a n g et r e n dw i t hg a sp r e s s u r ei n c r e a s e s ，a n dt h ef i t t i n ge f f e c tu s i n gt h eq u a d r a t i cf u n c t i o nf o r m u l ai s g o o d ；②as i n g l el i q u i dn i t r o g e ni m m e r s i o nt r e a t m e n tc a np r o d u c eas i g n i f i c a n tp e r m e a b i l i t ye n h a n c e m e n te f f e c to nl i g n i t ec o a ls a m p l e s ；③b yi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fl i q u i dn i t r o g e nc y c l et r e a t m e n t s ，t h ee f f e c to fl i q u i dn i t r o g e no nb i t u m i n o u sc o a lc a nb ee f f e c t i v e l yi m p r o v e d ．T h em a x i m u mi n c r e a s eo fb i t u m i n o u sc o a lp e r m e a b i l i t yr e a c h e s51 4 ．8 9 ％a f - t e ro n el i q u i d n i t r o g e ni m m e r s i o nt r e a t m e n t ，a n dt h em a x i m u mi n c r e a s e c a nr e a c h112 9 ．7 9 ％a f t e rt w ot r e a t m e n t s ；④t h ei m p r o v e m e n to fa n t h r a c i t ep e r m e a b i l i t yb yr e p e a t e dl i q u i dn i t r o g e nt r e a t m e n t si s n o to b v i o u s ，a n dw i l l o n l yg r a d u a l l yr e d u c ei t st e n s i l es t r e n g t h ．T h el i q u i dn i t r o g e ni m m e r s i o nt r e a t m e n tm e t h o db yi n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to fh e a ta n dc o l ds h o c kc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r m e a b i l i t yo fa n t h r a c i t e ．A tc o n f i n i n gp r e s s u r e g a s p r e s s u r eo f2 ．0 0 1 ．2 5M P a ，t h ep e r m e a b i l i t yi n c r e a s eo fa n t h r a c i t ew i t hl i q u i dn i t r o g e nt r e a t m e n ta n do v e nt r e a t m e n t o f5 0 ℃i so n l y2 ．4 4 ％．w h i l et h ep e r m e a b i l i t yi n c r e a s eo fa n t h r a c i t ew i t hl i q u i dn i t r o g e nt r e a t m e n ta n do v e nt r e a t m e n t o f1 0 0 ℃r e a c h e s1 2 5 ．4 3 ％；⑤b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，al i q u i dn i t r o g e nc r a c k i n ga n dp e r m e a b i l i t ye n h a n c e m e n tm e t h o dw a sp r o p o s e d ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rd i f f e r e n tr a n kc o a ls e a m s ． K e yw o r d s c o a lr a n k ；l i q u i dn i t r o g e ni m m e r s i o n ；p e r m e a b i l i t y ；t r e a t m e n tt i m e s ；t e m p e r a t u r eg r a d i e n t 煤层气 C B M 作为一种高热值清洁能源备受关 注，但是中国多低透气性、高瓦斯煤层，这大大制约了 煤层气资源的高效抽采。3J 。为此，需要对煤层进行 一系列的致裂增透。现在最常用的手段是水压致裂 法，但是会引发水资源的浪费和环境污染等问 题H 。7J 。近年来液氮 L N 致裂技术成为了国内外研 究的焦点，具有广泛的应用前景。作为冷冻液的液 氮，具有冷冻效果好、环保无污染和经济易得等优点。 在大气压下，液氮的温度为一1 9 6o C 左右，是一种无色 无味的超低温流体，在医疗、运输以及很多领域都被 作为优质的冷冻液而应用广泛旧。9J 。在液氮致裂煤 层强化煤层气开采技术中，通常将大量低温液氮通过 地面钻井或井下钻孔等方式注入煤层，产生一系列的 致裂效应使煤层透气性得到大幅度提升，从而提升煤 层气的采收率””1 。 液氮产生的致裂效应主要包括3 种子效 应[ 1 4 ’15 | 。①水一冰相变膨胀力的致裂效应6 。1 8 j ，在 液氮的低温作用下，煤体内部孑L 隙存储的水分会凝结 成冰，体积膨胀作用于裂隙、孔隙，对煤层透气性产生 积极影响。蔡承政等分别对干燥煤样与饱和水煤样 进行液氮低温处理，超声波测试结果显示饱和水煤岩 的声波速度变化幅度明显大于干燥煤岩9 I ，说明水 分会对煤岩的液氮致裂效果产生积极影响。②热应 力的致裂效应旧0 。2 1 | ，在外界温度快速改变的刺激下， 煤体内部各组分的变形量和变形速度皆具有差异性， 相邻组分之间会因没有足够的变形空间而相互挤压、 拉伸，这就导致煤体内部会产生热应力，此应力足够 大时，会使组分颗粒间的连接发生断裂，即裂隙发育， 当裂隙延伸、扩张、贯通后，煤的渗透率会得到显著提 高。22 I 。王登科等采用电镜扫描、工业显微c T 等手段 对温度冲击前后煤的孔隙、裂隙结构的演化发展进行 了联合表征，计算结果表明在温度冲击实验过程 中 液氮冷处理 ，煤样表面切线方向上产生最大热 应力 3 2M P a ，超过煤样的抗拉强度，导致了内部裂 隙的扩展与贯通旧3 | 。此外，温度差即温度梯度是对 由液氮处理引发的热应力值产生影响的直接因素。 李和万等分别对初始温度为3 5 ，5 5 和7 5 ℃的原煤煤 样进行液氮冻融处理，实验结果表明在相同冻融循环 周期下，试样裂隙的扩展宽度随试样本身温度的升高 而增大ⅢJ 。魏建平等分别对煤样进行冷冲击与热一 冷冲击，煤体渗透率平均增幅分别为4 8 ．6 8 ％和 4 6 9 ．2 4 ％，这表明温度梯度会对煤岩的液氮致裂效果 产生积极影响旧5 I 。③气体膨胀力的致裂效应旧6 I ，对 于透气性较差的煤层，液氮剧烈气化产生的气体膨胀 力同样会作用于煤体裂隙及孔隙，但是此致裂效应较 前两种效果较弱且研究较少。 基于上述3 种液氮致裂子效应，相关学者已经进 行了大量的实验研究，并且发现液氮循环处理周期数 与冻融时间等因素也会对致裂效果产生影响。但是， 中国包含较多煤阶煤层，与煤阶相关的液氮冻融实验 研究却尤为缺少，液氮处理对不同变质程度煤样渗流 特性的影响规律更是鲜有研究。为此，笔者从云南省 万方数据 第5 期卢硕等液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响 布沼坝露天矿取代表性低阶褐煤、从安徽省许瞳矿取 代表性中阶烟煤和从山西省阳泉煤矿取代表性高阶 无烟煤，开展了一系列液氮冻融煤样实验研究，并对 处理前后煤岩渗透率变化与渗透特性改变进行相关 分析与讨论。研究结果对煤体强化增透和煤层气开 采理论完善具有一定的借鉴意义。 1 实验方法 1 ．1 实验准备阶段 1 ．1 ．1 煤样的挑选和预处理 本次实验所使用原煤来源①云南省布沼坝露 天矿生产的褐煤；②安徽省许疃矿生产的烟煤；③ 山西省阳泉煤矿生产的无烟煤。 将上述原煤利用岩芯钻取机沿垂直层理方向加 工成如图l 所示 5 0n l m x 5 0m m 的圆柱形煤样，在 切磨过程中要将煤样上下端面打磨平滑 保证渗透 率测试过程中上下端面受力均匀 。选择表面完整、 无明显大裂隙的煤样进行下一步筛选。 图1 实验煤样实物 F i g ．1 C o a lt e s ts a m p l e s 对初步挑选的煤样按照煤阶编组褐煤H 组、烟 煤Y 组和无烟煤w 组。 对每组煤样分别进行静水压力作用下的氮气渗 流实验，从H ，Y 和w 三组煤样中各自分别挑选出渗 透特性相近的2 个代表性煤样，对其按照煤阶进行重 新编组褐煤A 组、烟煤B 组和无烟煤C 组，每组2 个煤样 A 1 ，A 2 ；B 1 ，B 2 ；C 1 ，C 2 。 煤样的干燥预处理过程如下 为排除煤样含水率对液氮致裂增透效果的影响， 在实验开始前对2 个煤样进行干燥处理，将煤样放人 温度设置为1 0 0 ℃的干燥箱进行干燥，每隔5h 对煤 样进行一次测重，煤样质量变化量小于0 ．0 1g 或不 再变化时认为煤样已干燥完成。对干燥完毕的煤样 进行拍照后迅速放人真空袋内密封保存。 1 ．1 ．2 实验方案 本次实验主要由3 部分组成 1 煤样的加热处理。 本实验采用如图2 所示恒温干燥箱对煤样进行 加热。将煤样置于设置指定温度的恒温干燥箱内进 行持续加热，每隔1h 对煤样进行一次测温，到达指 定温度后停止加热。 2 煤样的液氮溶浸处理。 液氮溶浸处理所使用的设备如图2 所示，包括液 氮罐与杜瓦瓶。具体方法为将加热后的煤样放人杜 瓦瓶内，向瓶内倾倒液氮直至淹没煤样，浸泡2 0r a i n 后将煤样取出放入真空袋中密封保存 过程中保证 液氮完全浸没煤样，液氮不够时及时补充 。 _ ■一 恒温干燥箱 液氮罐杜瓦瓶 图2 实验仪器 F i g ．2L a b o r a t o r y , a p p a r a t u s 3 煤样在静水压力条件下的渗流实验。 本实验使用如图3 所示受载煤体注气驱替瓦斯 测试实验系统测试煤样渗透率。将圆柱煤体放人釜 体中，通过液压柱加轴压，注水泵加围压，高压氮气瓶 提供浓度为9 9 ．9 9 9 ％的压力氮气。本实验的进气压 力与围压设计见表1 轴向压力 轴压 径向压 力 围压 。 表1渗流实验围压与进气压力设计 T a b l e1 D e s i g nv a l u e so fc o n f i n i n gp r e s s u r ea n di n l e t p r e s s u r ei nt h es e e p a g et e s t s 05 0 ，0 ．7 5 ，1 ．0 0 ，1 ．2 5 ，1 ．5 0 ，1 ．7 5 0 ．5 0 ，0 ．7 5 ，1 ．0 0 ，1 ．2 5 ，1 ．5 0 ，1 ．7 5 ，2 ．0 0 2 ．2 5 ，2 ．5 0 ，2 ．7 5 0 ．5 0 ，I ．0 0 ，1 ．5 0 ，2 ．0 0 ，25 0 ，3 ．0 0 ，3 ．5 0 0 ．5 0 ，1 ．0 0 ，1 ．5 0 ，20 0 ，2 ．5 0 ，30 0 ，3 ．5 0 4 ．0 0 ，4 ．5 0 本实验采用的轴向渗流法即渗流气体从煤体底 部进入、顶部排出。系统设有接入计算机的压力计和 流量计实时监测上游压力、下游压力和气体流量。煤 体轴向渗透率通过下式计算口7 ； K 二墼 1 } 竺 A P i P i 式中，K 为渗透率，1 0 。1 5m 2 ；Q 为气体流量，c m 3 ／s ；P o 为 大气压力，M P a 取0 ．1 0 l3 2 5M P a ；／x 为气体黏度系数， 万方数据 1 8 3 8 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 图3受载煤体注气驱替瓦斯测试实验系统 F i g ．3 G a sf l o wa n dd i s p l a c e m e n tt e s t i n ga p p a r a t u s G F D T A P a S 本实验渗流气体采用的是高纯度氮气，肚 o ．0 1 7 8 0 5P a S ；L 为圆柱煤样的高度，c m ；A 为圆柱煤样的 横截面积，c m 2 ；P ．，P 2 为系统上游气体压力和下游气体 压力值，M P a 下游口直接排空，P 2 P n 。 1 ．2 实验步骤与实施 本实验采用干燥箱加热到一定温度与置于液氮 中浸泡的方式来控制热冷冲击的温度梯度。共设计 了2 个初始温度，即5 0 ℃和1 0 0 ℃，分别对应A 1 ， A 2 B ，c 组一致 。以A 1 煤样为例。 1 对完全干燥的样品A l 进行氮气渗流实验， 记录下此时样品A l 的渗透率 多个压力点 即初始 渗透率 特性 。 2 将样品从釜体内取出后，对其进行多方位定 点拍摄，记录样品的表面完整度与裂隙发育情况。做 完氮气渗流实验的煤样需要进行重新干燥 每次 ， 干燥完成的样品迅速放人真空袋中密封保存。 3 从真空袋中将样品取出并迅速放入恒温干 燥箱，设置加热温度为5 0 ℃，加热完毕后迅速放入杜 瓦瓶内，对样品进行液氮溶浸处理。 4 处理完毕的样品取出后迅速放人真空袋中 密封保存，静置待其恢复室温后对其进行氮气渗流实 验，记录下液氮致裂后煤样A 1 的渗透率 多个压力 点 。 5 重复步骤 2 ，即完成对样品A 1 的一次热冷 冲击处理与数据记录。本实验设置循环处理次数为 3 次，即需重复步骤 3 ， 4 三次。实验完成。 2 实验结果与分析 2 ．1 渗流结果趋势分析 本实验使用多组煤样进行液氮溶浸实验，并选取 典型煤样进行后续的实验分析与讨论。通过对煤样 渗流实验结果数据进行筛选、整理，得到如图4 所示 的煤样渗流率散点图。 g 2 斛 蝌 蝰 吕 2 褂 蚓 逊 g 兰 呈 料 蝌 斑 图4 煤样初始状态渗流结果 F i g ．4S e e p a g er e s u l t so fc o a ls a m p l ei n i t i a ls t a t e 通过观察图4 发现，褐煤 A 1 、烟煤 B 1 与无 烟煤 c 1 在经过高纯度氮气渗流得到的煤样渗透率 曲线趋势具有良好的一致性，皆明显包含两个阶段， 即渗透率下降阶段与上升阶段。在下降阶段，煤样的 渗透率由克林伯格效应与煤体吸附膨胀效应主导。 在低气压、低渗透率的情况下，气体在裂隙渗流会产 生克林伯格效应，即相邻层的气体分子还可以由于动 能交换而使得管壁处的气体分子层与孔道中心的分 子层的流速被不同程度均一化，致使管壁处的气体分 子层流速不为0 一形成气体“滑脱”效应旧8 I ，此效应 会使气体渗透率测值明显大于煤岩体的绝对渗透率。 随着气体压力的增加，克林伯格效应逐渐减弱，而且 煤样因为吸附氮气导致煤基质膨胀一气体流动通道 缩小，从而导致了煤样渗透率曲线的下降。在曲线上 升阶段，煤样的渗透率由有效应力主导，随着气体压 力的增大，有效应力逐渐减小，导致煤样渗透率曲线 的E 升。 万方数据 第5 期 卢 硕等液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响 上述煤样的渗流结果散点图呈现“u ”型，与二次 函数趋势较为吻合，选取如下公式对其进行曲线拟 合 K a p 2 一b p c 2 式中，a ，b ，C 为拟合参数；K 为煤样渗透率，1 0 5m 2 ；_ p 为气体压力，M P a 。 观察拟合完成后的图4 ，发现拟合效果较好，相 关指数R 2 普遍大于0 ．9 5 。不同煤阶煤样的渗流结 果都较为符合二次函数趋势，可通过求二次函数的最 低点对应的石值来得出能重新打开闭合裂隙的气压 临界值。 对比不同围压条件下的煤样渗流特性曲线，发现 当围压增大时，煤样整体渗透率水平会明显降低，这 是因为提升围压会致使煤体内部的裂隙结构一定程 度上闭合，导致内部气体渗流通道变窄，导致煤的整 体渗透率水平的降低。观察图4 发现3 种煤阶煤样 渗流曲线的驻点皆随着围压的增大逐渐向右偏移，即 渗透率最低点对应的气体压力值在不断增大，这是因 B 1 烟煤 C 1 无烟煤 a F i g ．5 初始状态 为只有当气体压力增大到一个临界值时，将闭合的裂 隙重新打开，渗透率才会得到明显的增大。这个气压 临界值与围压大小呈正相关。 2 ．23 种煤样不同处理阶段宏观裂隙对比 将液氮倒入装有褐煤的杜瓦瓶中直至浸没煤样， 开始接触时液氮剧烈沸腾，大量液氮迅速气化，煤样 温度大幅度降低后液氮趋于平静。在冻融过程中，煤 样内部发出人耳可闻的“噼啪”声响，说明此时因外 界温度急剧变化在内部产生的热应力过大导致煤样 组分颗粒间的连接发生断裂，如图5 a 所示。待液 氮处理1 0r a i n 后，打开杜瓦瓶发现褐煤煤样如图 5 b 所示发生整体结构上的破裂，说明单次液氮处 理即可显著提高褐煤的透气性，可满足煤层气高效抽 采的要求。 对于烟煤与无烟煤样，本实验通过对不同液氮处 理阶段的各煤样进行定点拍摄，以观察煤样表面宏观 裂隙的演变。筛选并整理出具有代表性的图片如图 6 所示。 b 图5 液氮致裂煤样原理简图 P r i n c i p l ep i c t u r eo fL N 2f r a c t u r i n go fc o a l 1 次循环2 次循环3 次循环 图6 烟煤 B 1 与无烟煤 C 1 煤样表面裂隙对比 F i g ．6C o m p a r i s o no fs u r f a c ec r a c k sb e t w e e nb i t u m i n o u sc o a l B 1 a n da n t h r a c i t e C 1 c o a ls a m p l e s 万方数据 煤炭学报2 0 2 0 年第4 5 卷 观察图6 发现，在处理前，B l 煤样 烟煤 表 面上并无明显裂隙，但是在进行一次热冷循环处 理后，煤体表面产生了许多长短不一的裂隙 图6 中白线所标示 ；进行第2 ，3 次循环处理后，煤体 表面新生出大量裂隙，原有裂隙也都得到可观的 延伸与扩张，可明显看出大量裂隙已交叉贯通，说 明煤样的透气性得到了显著提高；反观C l 煤 样 无烟煤 ，在初始状态下，煤样表面有比较丰富 的裂隙，经过多次热冷循环处理后，经肉眼观察并 没有产生明显的延伸、扩展，而且并没有新的宏观 裂隙产生。通过对比两煤样的表面宏观裂隙随热 气体压力／M P a c 4 M P a 冷循环处理次数增加的演化情况，发现热一冷循环 处理对烟煤的致裂效果更为显著。为了能够定量 分析、对比热冷冲击对两种煤样渗透率的影响，对 不同处理阶段的煤样进行静水压力下的变孑L 隙压 力渗透率测试。 2 ．3 烟煤与无烟煤样不同循环处理次数渗透率增幅 对比 不同煤阶煤样在恒定围压、不同循环次数下的渗 流结果如图7 ，8 所示 由于烟煤煤样B 1 三次液氮处 理后即发生整体结构上的破裂，故无法继续进行氮气 渗流实验 。 E 皇 料 烟 巡 图7B l 煤样恒定围压下不同热冷循环处理次数的渗流结果 F i g ．7S e e p a g er e s u l t so t ’d i f f e r e n tt h e r m a la n dc o o l i n gc y c l et r e a t m e n tt i m e su n d e rc o n s t a n tc o n f i n i n gp r e s s m ．eo fB 1c o a ls a m p l e 由图7 ，8 可知，每次热冷循环处理都使B 1 与 c 1 煤样的渗透率产生了一定程度上的提升，随着处 理次数的增加，煤样的渗透率整体呈上升趋势。通 过对比图7 ，8 可明显发现，B 1 烟煤 煤样渗透率的 提升更为明显，而且发现两次液氮处理对烟煤整体 渗透率的提升幅度基本保持一致，对于无烟煤，第3 次液氮处理对煤体渗透率的提升幅度却要明显高 于前两次。分析认为，对于抗拉强度较大的无烟煤 少次液氮处理并不能取得显著的致裂效果，但是会 逐渐使煤体的抗拉强度降低。当煤体的抗拉强度 降低到一定水平，液氮作用产生的热应力对煤体的 破坏效果会得到提升。 为了直观、简洁反映出每次热冷冲击处理对煤样 渗透率的影响，且避免低气压阶段克林伯格效应显现 所导致的煤样渗透率偏高情况，选择处于渗流曲线上 升阶段对应的围压一气压点2 1 ．2 5 ，3 1 ．7 5 ，4 - 2 ．0 和5 2 ．5M P a 共4 个点各自计算得出处理前后煤样 渗透率的增幅，见表2 。 观察表2 数据可知，经过一次热冷循环处理后， 烟煤煤样B l 渗透率增幅最大达到51 4 ．8 9 ％，而无烟 煤煤样c 1 渗透率的最大增幅仅是1 5 ．9 3 ％；经过两 次热冷循环处理后，烟煤煤样B 1 渗透率增幅最大已 达到l1 2 9 ．7 9 ％，而无烟煤煤样c 1 渗透率的最大增 幅仅是2 4 ．7 7 ％。通过对比发现，热冷冲击对烟煤的 致裂效果要明显好于无烟煤。分析认为，这是因为无 烟煤变质程度更高，组分颗粒间的连接更加坚固，迫 使连接发生断裂所需要的的热应力更大，所以液氮对 无烟煤的致裂效果较差。在实际生产过程中，要想取 万方数据 第5 期卢硕等液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响 E 兰 皇 斛 蝌 逊 图8C 1 煤样恒定围压下不同热冷循环处理次数的渗流结果 F i g ．8S e e p a g er e s u l t so fd i f f e r e n tt h e r m a la n dc o o l i n gc y c l et r e a h n e n tt i m e su n d e rc o n s t a n tc o n f i n i n gp r e s s u r eo fC 1c o a ls a m p l e 表2B 1 。C 1 煤样 5 0 ℃ 热冷循环处理后较初始状态9 b 所示的稠化芳香核组成。从图9 b 可以看 的渗透率增幅 出，此时煤的结构单元排列整齐，连接紧密，具有更 T a b l e2 P e r m e a b i l i t yi n c r e a s ei nB 1 ，C 1c o a ls a m p l e s 大的抗拉强度，外界温度剧变所引起的热应力对煤 5 00 C a n 。r h o L ／。0 1 d 。y c l i n g ‘。。a ‘m 。n ‘。o m P a 。。d 体结构致裂效果不明显。而且，随着煤阶的提高， 二 竺 竺竺 单元表面碳原子密度在逐渐增大，这表明煤吸附甲 。。。 望望兰望竺兰烷的能力在增大。所以，对无烟煤煤层进行更有效 田r 广茸 一⋯I ⋯√1 w ／、u 川⋯，川⋯’H ，y ●⋯I ⋯驯 ／． 乐，M P 。 姿竺里 奎竺翌的致裂增透尤／乩“ 3 重要，上述研究表明提升液氮处理乐／Ma 口Y 拟衣’目地／L里艾 上地’W I 九伏’刀征／lr | 又捉～灶埋 次数对无烟煤煤样渗透率的提升比较有限，控制温 2 - 1 ．2 55 1 4 ．8 92 ．4 411 2 9 ．7 94 ．7 6 度梯度下的液氮溶浸是否会对无烟煤的透气性有 3 1 ．7 51 7 7 ．3 61 5 ．9 33 8 4 ．9 12 37 9 显著提高将进一步被研究。 4 2 ，01 8 0 ．0 01 3 ．5 43 7 6 ．6 71 0 ．8 1 2 ．4 无烟煤样在不同温度梯度液氮处理下的渗透率 得较好的无烟煤煤层致裂增透效果，需增加热冷冲击 循环处理的次数与温度梯度。 煤是大分子结构，通常认为煤分子是由周边连接 有多种原子基团的缩聚芳香稠环、氢化芳香稠环 统 称为芳香核或基本结构单元 通过各种桥键 如一c H ，一，一O 一，一s 一等 连接而成。从图9 a 可以看出，较低阶煤的结构是杂乱无序的，而且侧链 较长，形成了疏松的空间结