李利峰，張曉虎，鄧慧琳，韓六平

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700； 2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 理學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700)

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)于能源的需求越來(lái)越大，優(yōu)質(zhì)煤炭資源的逐漸減少迫使人們將目光轉(zhuǎn)向埋藏較淺的低變質(zhì)煤層的開(kāi)采。褐煤是一種低變質(zhì)有機(jī)巖石，在我國(guó)，已探明的褐煤儲(chǔ)量約1300億t，占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的13%左右[1]，如能成功開(kāi)采這部分煤層，對(duì)于我國(guó)能源資源的貢獻(xiàn)將非?？捎^。

溫度影響著煤體物理力學(xué)性能以及孔隙分布，100～200℃之間，煤的強(qiáng)度和彈性模量呈增加趨勢(shì)，應(yīng)變呈增加趨勢(shì)；200～300℃之間，煤的強(qiáng)度和彈性模量呈減小趨勢(shì)，應(yīng)變呈增加趨勢(shì)[2]；在熱力耦合的作用下，煤體強(qiáng)度的降低與其孔裂隙有關(guān)，但是煤體的微觀特性與無(wú)機(jī)質(zhì)巖石有很大的差異，煤體本身密度較小，有機(jī)質(zhì)對(duì)于溫度敏感，在溫度作用下，其孔裂隙的擴(kuò)展以及發(fā)育都明顯強(qiáng)于無(wú)機(jī)質(zhì)巖石[3]；研究溫度作用后煤體的微觀孔隙，利用精細(xì)顯微CT 技術(shù)，對(duì)不同煤種的孔裂隙進(jìn)行細(xì)觀觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)煤體破碎程度不同孔裂隙發(fā)育程度不同，破碎程度大的煤體孔裂隙連通性好，其裂隙發(fā)育完善，對(duì)于糜棱煤等連同性較差的煤體，孔裂隙發(fā)育較差[4-6]；利用電鏡掃描可以觀察到極少數(shù)的微裂紋產(chǎn)生，溫度在100～300℃之間是，熱解效果逐漸顯著，舊裂紋擴(kuò)展的同時(shí)新裂紋增多，新舊裂紋相互貫通，試樣中原有孔隙被破壞，形成更大的裂隙網(wǎng)[7，8]。

因?yàn)槊菏且环N具有復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，利用分形維數(shù)反映組成煤的煤巖組分的復(fù)雜程度和煤結(jié)構(gòu)遭受破壞的嚴(yán)重程度，通過(guò)建立孔隙的分形維數(shù)和煤樣硬度的耦合關(guān)系式得到煤樣孔隙發(fā)育隨煤樣硬度的增加呈現(xiàn)較少的趨勢(shì)，在煤的變質(zhì)系列中，中變質(zhì)程度煙煤的分形維數(shù)最大[9-11]。

除溫度外，壓力也是影響煤體性質(zhì)的重要因素，通過(guò)對(duì)不同溫度、壓力實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中煤級(jí)煤階段，雖然圍壓的增大可在一定程度上提高煤的強(qiáng)度，但溫度的影響更為重要。對(duì)于較高煤級(jí)煤，在小應(yīng)變階段溫度起主導(dǎo)作用，而到了大變形階段圍壓的作用又逐漸上升為主導(dǎo)地位[12，13]。

本文主要研究了高溫作用后褐煤孔裂隙的發(fā)育程度及孔隙率變化，并結(jié)合實(shí)際工程分析了電加熱法在褐煤開(kāi)采中的可行性。

1 試驗(yàn)方法及步驟

1.1 試驗(yàn)設(shè)別及試樣

試驗(yàn)所用設(shè)備核心為陶瓷加熱器，如圖1所示，材質(zhì)為2080材質(zhì)絲，耐高溫1200℃，額定電壓為220V，利用電加熱法將對(duì)陶瓷加熱器中的試件進(jìn)行加熱。

圖1 陶瓷加熱試驗(yàn)簡(jiǎn)圖

1.2 試驗(yàn)步驟

試樣加工完成后，按照以下步驟進(jìn)行：①連接試驗(yàn)線路，確保無(wú)短路、短路現(xiàn)象；②將試樣放入陶瓷加熱器中，固定試樣；③啟動(dòng)電源，緩慢進(jìn)行加熱，加熱至300℃后，穩(wěn)定電流，確保溫度穩(wěn)定維持在300℃左右，保持2h；④重復(fù)步驟③，分別加熱至400℃、500℃；⑤試驗(yàn)結(jié)束后利用高精度的CT對(duì)試樣進(jìn)行X射線掃描。

2 熱解結(jié)構(gòu)細(xì)觀特征

對(duì)電加熱后的褐煤試樣進(jìn)行CT掃描，CT掃描設(shè)備的型號(hào)為μCT225kVFCB，該設(shè)備最大放大倍數(shù)可以達(dá)到400倍，最小的分辨率尺寸為0.485μm，此次試樣放大倍數(shù)為18倍，掃描結(jié)束后對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行大錐角重建，得到0～255共256階的灰度圖片，不同電加熱溫度下褐煤顯微CT結(jié)果如圖2所示，圖2中，白色物質(zhì)為試樣內(nèi)部硬質(zhì)礦物，黑色物質(zhì)則為孔裂隙。從二維層面可以看出，不同溫度作用下，褐煤孔裂隙發(fā)育程度不同，常溫狀態(tài)下，試樣表面較為光滑，只有少量的天然微裂紋；加熱溫度達(dá)到300℃后，試樣內(nèi)部有少量的微裂紋產(chǎn)生；400℃高溫加熱條件下，內(nèi)部出現(xiàn)較大的貫穿裂紋，圖2(c)中左上角以及右下角各出現(xiàn)一條裂縫；溫度達(dá)到500℃后，裂紋數(shù)量陡增，出現(xiàn)大面積的貫通裂紋，試樣熱解較為充分。

圖2 不同電加熱溫度下褐煤顯微CT圖

從裂紋擴(kuò)展模式來(lái)看，熱解溫度低于300℃時(shí)，試樣主要以細(xì)長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展為主，伴隨少量的不規(guī)則橢圓形孔隙；當(dāng)溫度高于400℃，裂紋迅速擴(kuò)張，孔裂隙充分發(fā)育的同時(shí)相互貫穿形成大面積的孔隙面，試樣有機(jī)質(zhì)熱解充分。

不同溫度階段，試樣的孔裂隙演化情況以及破壞形式不同，這是因?yàn)?，溫度?00～200℃之間，高溫主要使試樣內(nèi)部的自由水散失，自由水的丟失使得部分裂隙顯現(xiàn)出來(lái)；溫度在200～300℃之間時(shí)，部分空氣以及揮發(fā)成分在高溫作用下散失，因此試樣裂紋得到擴(kuò)展，高溫使得試樣原有儲(chǔ)存水分以及空氣的裂紋發(fā)育，破壞方式表現(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)的裂，如圖2(c)所示；當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，試樣內(nèi)部有機(jī)質(zhì)在持續(xù)高溫作用下得到熱解，有機(jī)質(zhì)的揮發(fā)使得試樣孔隙率增加，出現(xiàn)大量的不規(guī)則橢圓形孔隙，如圖2(d)所示；原有的細(xì)長(zhǎng)裂紋充分發(fā)育，裂隙之間相互貫穿，CT圖中表現(xiàn)為連續(xù)型的大面積孔隙團(tuán)。

3 CT圖片二值化處理及三維重建

CT圖片得到了二維層面褐煤在高溫作用下的破壞狀態(tài)以及孔裂隙演化規(guī)律，為了更加全面的了解孔裂隙的演化規(guī)律，利用3D數(shù)字巖芯重建技術(shù)分析三維層面褐煤的孔裂隙發(fā)育規(guī)律。其原理是將CT 圖中的像素點(diǎn)分為骨架和孔隙兩類(lèi)，利用灰度值的不同，將孔隙的灰度值賦值為0，其余灰度值的像素點(diǎn)賦值為1，得到不同電加熱溫度下褐煤3D數(shù)字巖芯圖，如圖3所示，從三維層面看，常溫狀態(tài)下試樣基本無(wú)可見(jiàn)的孔裂隙，溫度升至300℃時(shí)，出現(xiàn)可觀察到的微觀孔隙；溫度為400℃時(shí)，出現(xiàn)兩條貫穿試樣的細(xì)長(zhǎng)大裂紋且有部分小裂紋的產(chǎn)生；當(dāng)溫度升至500℃時(shí)，裂紋得到充分的擴(kuò)展發(fā)育，重建后的圖片中體現(xiàn)出這一點(diǎn)，細(xì)長(zhǎng)的裂紋擴(kuò)展發(fā)育為條狀形的裂縫，有機(jī)質(zhì)的充分熱解使得孔裂隙的數(shù)量得到明顯的增加，三維重建后的圖中各個(gè)方向都分布不等數(shù)量及大小不等的孔隙。

圖3 不同電加熱溫度下褐煤3D數(shù)字巖芯圖

孔隙率變化曲線如圖4所示，不同溫度下，試樣孔隙率不同，常溫狀態(tài)下，試樣的孔隙率為2.31%，當(dāng)電加熱溫度達(dá)到300℃時(shí)，孔隙率增至4.32%，溫度為400℃是，試樣孔隙率達(dá)到10.35%，相較常溫狀態(tài)下孔隙率增幅為348%，當(dāng)熱解溫度達(dá)到500℃時(shí)，試樣的孔隙率為17.68%，是常溫狀態(tài)下試樣孔隙率的7.65倍?？梢钥闯?，高溫電加熱下試樣的孔隙率得到明顯的提升。

圖4 試樣孔隙率隨溫度變化圖

綜合顯微CT圖、3D數(shù)字巖芯圖以及試樣孔隙率的變化規(guī)律，電加熱熱解褐煤的試驗(yàn)中，400℃之前為褐煤自由水、空氣以及少許有機(jī)質(zhì)揮發(fā)階段，此階段，試樣裂紋擴(kuò)展形式以細(xì)長(zhǎng)裂紋為主，成分的揮發(fā)使得裂隙顯露出來(lái)，在溫度的持續(xù)作用下，裂紋發(fā)生擴(kuò)展發(fā)育，因?yàn)樯僭S有機(jī)質(zhì)的熱解不充分，因此，孔裂隙增長(zhǎng)數(shù)量并不明顯，滲透率也未出現(xiàn)大幅度的增加；400℃后有機(jī)質(zhì)的熱解占據(jù)主導(dǎo)地位，有機(jī)質(zhì)在高溫作用下迅速熱解使得試樣的孔隙率出現(xiàn)陡增，孔裂隙得到充分發(fā)育的同時(shí)相互貫穿，CT圖中表現(xiàn)為大面積的孔隙團(tuán)，3D數(shù)字巖芯圖中為貫穿表面的裂隙以及各個(gè)面的孔隙團(tuán)的生成。

4 工程應(yīng)用構(gòu)想

針對(duì)我國(guó)褐煤資源儲(chǔ)量大、變質(zhì)程度低、開(kāi)采難度大等特點(diǎn)，提出了一種褐煤開(kāi)采構(gòu)想，如圖4所示。采用水力壓裂的方法對(duì)煤層進(jìn)行水力壓裂，形成人為制造的水平裂縫，裂縫的形成提高了煤層的滲透率，然后向裂縫中注入導(dǎo)電介質(zhì)，通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)加熱煤層，在長(zhǎng)時(shí)間的加熱條件下，使得有機(jī)質(zhì)充分熱解，形成大面積的加熱面積形成一條甚至多條貫通的通道，隨后利用水力壓裂形成的裂隙將熱解產(chǎn)物通過(guò)采油氣井運(yùn)輸至地面，實(shí)現(xiàn)褐煤的高效開(kāi)采。

該技術(shù)是從地面施工鉆井進(jìn)入油頁(yè)巖礦層，一般方式是將生產(chǎn)井布置于加熱井的中央，然后利用加熱井在礦層中布置電加熱器對(duì)礦層進(jìn)行加熱。采用水力壓裂方式壓裂煤層，然后向裂縫中填充能導(dǎo)電的支撐劑，支撐劑可用焙燒石油焦，從而形成一個(gè)電加熱體。熱量的傳遞主要是依靠巖層間的熱傳導(dǎo)，該過(guò)程加熱油頁(yè)巖地層使加熱井周?chē)牡V體加熱到600～700℃，熱解后煤層產(chǎn)出油氣。在加熱過(guò)程中，致密且不滲透的煤體發(fā)生熱破裂和熱解反應(yīng)，形成了新的孔隙、裂隙，干餾產(chǎn)出的油氣流體沿這些孔隙、裂隙流入生產(chǎn)井，并排采至地面，按電加熱技術(shù)的原理，熱傳導(dǎo)是該技術(shù)的核心傳熱方式。該技術(shù)主要是垂直鉆井，井間距小于30m，用正方形，或菱形網(wǎng)格布井。另一方面，開(kāi)采邊界使用冷凍墻技術(shù)對(duì)井田邊界進(jìn)行處理，以防止污染物或熱能運(yùn)移至井田邊界之外。

圖5 工程應(yīng)用圖

5 結(jié) 論

1)電加熱下高溫?zé)峤夂置涸囼?yàn)中，溫度低于400℃時(shí)，因?yàn)樽杂伤蜌怏w的散失，褐煤裂紋擴(kuò)展模式以細(xì)長(zhǎng)裂紋為主；溫度高于400℃時(shí)，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的充分熱解，裂紋以不規(guī)則橢圓形為主，并形成大面積的孔隙團(tuán)。

2)CT圖片二值化處理及三維重建后，高溫?zé)峤夂?，試樣孔隙率得到明顯的提升，300℃為孔隙率突變溫度點(diǎn)，300℃前，孔隙率出現(xiàn)小幅度增加，300℃后，孔隙率陡增，最高溫度點(diǎn)的孔隙率為常溫孔隙率的7.65倍。

3)對(duì)于褐煤的開(kāi)采，可利用水力壓裂增加煤層的滲透性，通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)加熱煤層熱解煤中有機(jī)質(zhì)，通過(guò)貫通的通道將熱解產(chǎn)物帶出，實(shí)現(xiàn)對(duì)于低變質(zhì)煤的開(kāi)采。