电加热下褐煤微观结构的演化研究及其工程应用.pdf

第5 2卷第5期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 5 doi 10. 11799/ce202005034 电加热下裼煤微观结构的演化研究及其工程应用 李利峰、 张晓虎、 邓慧琳2,韩六平1 1.贵州工程应用技术学院土木建筑工程学院，贵 州 毕 节 551700; 2.贵州工程应用技术学院理学院，贵 州 毕 节 551700 摘 要 针对我国低变质煤层开采难度大、成本高的现状，利用电加热法对低变质煤中褐煤的 微观结构进行了研究，利用精细显微CT系统分别观察了 25T、300X 、400X 、500T 后褐煤的微观 孔隙，利用3D数字岩芯技术建立了三维孔裂隙骨架图，得到高温作用后，试样孔裂隙发育以及孔 隙率都得到明显的提升，其中，400丈后，试样热解充分，孔隙发育完全，试样的孔隙率出现陡增， 可见，持续高温作用下，有机质热解充分，加快了孔隙的发育。 关键词褐煤；电加热法；精细显微CT系统；3D数字岩芯技术 中图分类号TD84; TD3 1 5 文献标识码A文章编号167卜0959202005-0163-04 Microstructure evolution of lignite under electric heating and its engineering application LI Li-feng1, ZHANG Xiao-hu1, DENG Hui-lin2, HAN Liu-ping1 1. Guizhou Institute of Engineering and Applied Technology, college of civil and Architectural Engineering, Bijie 551700, China； 2. School of Science, Guizhou Institute of Engineering and Applied Technology, Bijie 551700, China Abstract Aiming at the current situation of difficult and expensive mining in Chinas low metamoqhic coal seams, the microstructure of lignite during electric heating is studied, which is observed at 25Ti , 300T1 , 400X1 and 500T1 with micro- CT. And a three-dimensional pore fissure skeleton diagram of lignite is established using 3D digital core technology. After treated by high temperature, the pore fissure development and porosity of the sample are significantly improved. After 4001 , the sample pyrolysis is sufficient, and the pore development is complete, the porosity of the sample increases sharply. It can be seen that under continuous high temperature, the organic matter is pyrolyzed sufficiently, which accelerates the pore development. Keywords lignite； electric heating； fine microscopic CT system； 3D digital core technology 随着社会的发展，我国对于能源的需求越来越 大，优质煤炭资源的逐渐减少迫使人们将目光转向 埋藏较浅的低变质煤层的开采。褐煤是一种低变质 有机岩石，在我国，已探明的褐煤储量约1300亿t, 占全国煤炭总储量的13左右[|]，如能成功开采这 部分煤层，对于我国能源资源的贡献将非常可观。 温度影响着煤体物理力学性能以及孔隙分布， H XZOOT之间，煤的强度和弹性模量呈增加趋势, 应变呈增加趋势；200 3001之间，煤的强度和弹 性模量呈减小趋势，应变呈增加趋势[2];在热力耦 合的作用下，煤体强度的降低与其孔裂隙有关，但 是煤体的微观特性与无机质岩石有很大的差异，煤 体本身密度较小，有机质对于温度敏感，在温度作 用下，其孔裂隙的扩展以及发育都明显强于无机质 岩石[3];研究温度作用后煤体的微观孔隙，利用精 细显微CT技术，对不同煤种的孔裂隙进行细观观 收稿日期2019-10-17 基金项目贵州省教育厅青年科技人才成长项目（ 黔教合KY字 [2019] 161, 162号） ；毕节市科技局联合基金项目（ 毕科 联合字G〔 2019〕26号） ；贵工程博士基金（ 院科合字G2018016号） 作 者 简 介 李利峰（ 1 9 8 3 _ ,男，河北沙河人，副教授，主要研究方向是岩石力学与支护，E - mail lilifeng6789 sina. com〇 引用格式李利峰，张晓虎，邓慧琳，等.电加热下褐煤微观结构的演化研究及其工程应用[J] . 煤炭工程，2020, 52 5 163-166. 163 研究探讨煤炭工程20202020年 第5 5期 测 ，发现煤体破碎程度不同孔裂隙发育程度不同， 破碎程度大的煤体孔裂隙连通性好，其裂隙发育完 善 ，对于糜棱煤等连同性较差的煤体，孔裂隙发育 较差[4〜 ；利用电镜扫描可以观察到极少数的微裂 纹产生，温度在1〇〇300丈之间是，热解效果逐渐 显著，旧裂纹扩展的同时新裂纹增多，新旧裂纹相 互贯通，试样中原有孔隙被破坏，形成更大的裂 隙 网 關 。 因为煤是一种具有复杂孔隙结构的物质，利用 分形维数反映组成煤的煤岩组分的复杂程度和煤结 构遭受破坏的严重程度，通过建立孔隙的分形维数 和煤样硬度的耦合关系式得到煤样孔隙发育随煤样 硬度的增加呈现较少的趋势，在煤的变质系列中, 中变质程度烟煤的分形维数最大[9Mn。 除温度外，压力也是影响煤体性质的重要因素， 通过对不同温度、压力实验发现，中煤级煤阶段， 虽然围压的增大可在一定程度上提高煤的强度，但 温度的影响更为重要。对于较高煤级煤，在小应变 阶段温度起主导作用，而到了大变形阶段围压的作 用又逐渐上升为主导地位[A13]。 本文主要研究了高温作用后褐煤孔裂隙的发育 程度及孔隙率变化，并结合实际工程分析了电加热 法在褐煤开采中的可行性。 1试 验 方法及步骤 1 . 1 试 验 设 别 及 试 样 试验试样取自山西朔州，试样取回后采用保鲜 膜进行包裹试样防止试件中水分以及有机质的挥发， 运回实验室后把试样加工成0 2Ommx4Omm的圆柱形 试件，并用保鲜膜进行包裹。 试验所用设备核心为陶瓷加热器，如 图 1 所示， 材质为2080材质丝，耐 高 温12xn ，额定电压为 220V，利用电加热法将对陶瓷加热器中的试件进行 加热。 1 . 2 试 验 步 骤 试样加工完成后，按照以下步骤进行①连接 温度传感器 图 1陶瓷加热试验简图 试验线路，确保无短路、短路现象；②将试样放入 陶瓷加热器中，固定试样；③启动电源，缓慢进行 加热，加热至300丈后，稳定电流，确保温度稳定维 持在300T左右，保 持 2h; ④重复步骤③，分别加 热至4 0 0 、500T ; ⑤试验结束后利用高精度的CT 对试样进行X射线扫描。 2热解结构细观特征 对电加热后的褐煤试样进行CT扫描，CT扫描 设备的型号为fiCT225kVFCB, 该设备最大放大倍数 可以达到400倍 ，最小的分辨率尺寸为〇 .485|xm, 此次试样放大倍数为18倍 ，扫描结束后对扫描数据 进行大锥角重建，得到〇255共256阶的灰度图片， 不同电加热温度下褐煤显微CT结果如图2 所示，图 2 中，白色物质为试样内部硬质矿物，黑色物质则 为孔裂隙。从二维层面可以看出，不同温度作用下， 褐煤孔裂隙发育程度不同，常温状态下，试样表面 较为光滑，只有少置的天然微裂纹；加热温度达到 300T后，试样内部有少量的微裂纹产生；400高 温加热条件下，内部出现较大的贯穿裂纹，图 2c 中左上角以及右下角各出现一条裂缝；温度达到 50 后，裂纹数量陡增，出现大面积的贯通裂纹， 试样热解较为充分。 c400C d500C 图 2不同电加热温度下褐煤显微C T 图 从裂纹扩展模式来看，热解温度低于3xrt时， 试样主要以细长裂纹的扩展为主，伴随少量的不规 则椭圆形孔隙；当温度高于400T，裂纹迅速扩张， 孔裂隙充分发育的同时相互贯穿形成大面积的孔隙 面，试样有机质热解充分。 不同温度阶段，试样的孔裂隙演化情况以及破 坏形式不同，这是因为，温 度 在lOO-ZOOt之间， 高温主要使试样内部的自由水散失，自由水的丢失 164164 2020年 第 5 期煤炭工程研究探讨 相较常温状态下孔隙率增幅为3 4 8 , 当热解温度达 到 50TC时，试样的孔隙率为17.68,是常温状态 下试样孔隙率的7. 65倍。可以看出，高温电加热下 试样的孔隙率得到明显的提升。 20「 0 100 200 300 400 500 温度 图 4试样孔隙率随温度变化图 综合显微CT图、3D数字岩芯图以及试样孔隙 率的变化规律，电加热热解褐煤的试验中，400丈之 前为褐煤自由水、空气以及少许有机质挥发阶段， 此阶段，试样裂纹扩展形式以细长裂纹为主，成分 的挥发使得裂隙显露出来，在温度的持续作用下， 裂纹发生扩展发育，因为少许有机质的热解不充分， 因此，孔裂隙增长数量并不明显，渗透率也未出现 大幅度的增加；400T； 后有机质的热解占据主导地 位，有机质在高温作用下迅速热解使得试样的孔隙 率出现陡增，孔裂隙得到充分发育的同时相互贯穿, CT图中表现为大面积的孔隙团，3D数字岩芯图中 为贯穿表面的裂隙以及各个面的孔隙团的生成。 4工程应用构想 针对我国褐煤资源储量大、变质程度低、开采 难度大等特点，提出了一种褐煤开采构想，如 图 4 所示。采用水力压裂的方法对煤层进行水力压裂， 形成人为制造的水平裂缝，裂缝的形成提高了煤层 的渗透率，然后向裂缝中注人导电介质，通过导电 介质加热煤层，在长时间的加热条件下，使得有机 质充分热解，形成大面积的加热面积形成一条甚至 多条贯通的通道，随后利用水力压裂形成的裂隙将 热解产物通过采油气井运输至地面，实现褐煤的高 效开米。 该技术是从地面施工钻井进人油页岩矿层，一 般方式是将生产井布置于加热井的中央，然后利用 加热井在矿层中布置电加热器对矿层进行加热。采 用水力压裂方式压裂煤层，然后向裂缝中填充能导 电的支撑剂，支撑剂可用焙烧石油焦，从而形成一 个电加热体。热量的传递主要是依靠岩层间的热传 165 使得部分裂隙显现出来；温度在200SOOT之间时， 部分空气以及挥发成分在高温作用下散失，因此试 样裂纹得到扩展，高温使得试样原有储存水分以及 空气的裂纹发育，破坏方式表现为细长的裂，如图 2c所示；当温度高于400丈时，试样内部有机质 在持续高温作用下得到热解，有机质的挥发使得试 样孔隙率增加，出现大量的不规则楠圆形孔隙，如 图 2d所示；原有的细长裂纹充分发育，裂隙之间 相互贯穿，CT图中表现为连续型的大面积孔隙团。 3 C T图片二值化处理及三维重建 CT图片得到了二维层面褐煤在高温作用下的破 坏状态以及孔裂隙演化规律，为了更加全面的了解 孔裂隙的演化规律，利用3D数字岩芯重建技术分析 三维层面褐煤的孔裂隙发育规律。其原理是将CT图 中的像素点分为骨架和孔隙两类，利用灰度值的不 同，将孔隙的灰度值赋值为〇,其余灰度值的像素 点赋值为1 , 得到不同电加热温度下褐煤3D数字岩 芯图，如图3 所示，从三维层面看，常温状态下试 样基本无可见的孔裂隙，温度升至3001时，出现可 观察到的微观孔隙；温度为40rC时，出现两条贯穿 试样的细长大裂纹且有部分小裂纹的产生；当温度 升至500丈时，裂纹得到充分的扩展发育，重建后的 图片中体现出这一点，细长的裂纹扩展发育为条状 形的裂缝，有机质的充分热解使得孔裂隙的数量得 到明显的增加，三维重建后的图中各个方向都分布 不等数量及大小不等的孔隙。 c4〇 〇 C d500C 图 3不同电加热温度下褐煤3D 数字岩芯图 孔隙率变化曲线如图4 所示，不同温度下，试 样孔隙率不同，常 温 状 态 下 ，试样的孔隙率为 2.31，当电加热温度达到3001时，孔隙率增至 4.32,温度为4001是，试样孔隙率达到10.35, 0 研究探讨煤炭工程2020年 第 5 期 导 ，该过程加热油页岩地层使加热井周围的矿体加 热到600 7001,热解后煤层产出油气。在加热过 程中，致密且不渗透的煤体发生热破裂和热解反应， 形成了新的孔隙、裂隙，干馏产出的油气流体沿这 些孔隙、裂隙流人生产井，并排采至地面，按电加 热技术的原理，热传导是该技术的核心传热方式。 该技术主要是垂直钻井，井间距小于30m，用正方 形 ，或菱形网格布井。另一方面，开采边界使用冷 冻墙技术对井田边界进行处理，以防止污染物或热 能运移至井田边界之外。 采油气并注热井采油气井 會 * * 图 S工程应用图 5结 论 1 电加热下高温热解褐煤试验中，温度低于 400T时，因为自由水和气体的散失，褐煤裂纹扩展 模式以细长裂纹为主；温度高于4〇 n时，因为有机 质的充分热解，裂纹以不规则椭圆形为主，并形成 大面积的孔隙团。 2 CT图片二值化处理及三维重建后，高温热 解后，试样孔隙率得到明显的提升，300T为孔隙率 突变温度点，300尤前，孔隙率出现小幅度增加， 3001后，孔隙率陡增，最高温度点的孔隙率为常温 孔隙率的7. 65倍。 3 对于褐煤的开采，可利用水力压裂增加煤层 的渗透性，通过导电介质加热煤层热解煤中有机质, 通过贯通的通道将热解产物带出，实现对于低变质 煤的开采。 参考文献 [1 ] 尹立群.我 国 褐 煤 资 源 及 其 利 用 前 景 [ J ] . 煤 炭科学技术， 2004, 328 12-14, 23. 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