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        冷凍消融技術(shù)對煤裂隙的影響

        2022-02-28 07:42:12曹香蓮黃師夢
        技術(shù)與市場 2022年2期
        關(guān)鍵詞:實驗

        張 延, 曹香蓮,黃師夢,王 菊

        (六盤水師范學院礦業(yè)與土木工程學院,貴州 六盤水 553000)

        0 引言

        煤層中賦存大量瓦斯(煤層氣),瓦斯是溫室氣體,溫室效應(yīng)是二氧化碳的幾十倍;瓦斯在井下能夠造成瓦斯爆炸等重大安全事故,造成財產(chǎn)和人員的損失。但同時,瓦斯也是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源。

        貴州省是中國南方煤炭最豐富的省區(qū),素有“西南煤?!敝Q,但貴州省瓦斯賦存呈現(xiàn)“兩高一低”的特點,即高瓦斯壓力、高瓦斯含量(10~20 m3/t)、透氣性差(滲透率多小于0.5 mD),動力災(zāi)害危險性大,致使貴州煤礦高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占70%左右,煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴重,瓦斯事故的發(fā)生率和傷亡率比其他事故都高。因此,將煤層中瓦斯抽采出來,不僅能夠有效提高煤礦的安全系數(shù),而且能夠達到“碳中和”的目的。

        目前,貴州省普遍采用預(yù)抽煤層瓦斯作為煤與瓦斯突出防治手段。預(yù)抽煤層瓦斯可以有效降低突出的動力,達到消突的目的,然而預(yù)抽煤層瓦斯需要耗費大量時間和工程量,再加上煤層透氣性能差等因素,造成抽采濃度較低,抽采的效果一般[1],采掘交替緊張,嚴重制約生產(chǎn)。為了提高抽采效率,多采用水力壓裂等增透技術(shù),但高壓對煤體結(jié)構(gòu)的破壞嚴重且壓裂液容易造成環(huán)境污染[2]。

        1 凍融技術(shù)對煤裂隙影響的研究現(xiàn)狀

        目前,對煤層裂隙的研究多采用液氮凍融循環(huán)技術(shù)來增大煤的透氣性[3]。李和萬、王來貴等人通過對液氮不同溫度下煤層裂隙的變化進行研究,用顯微鏡、測速儀、單軸壓縮等實驗證明液氮凍融循環(huán)可以使裂隙發(fā)育,但存在著實驗復(fù)雜、周期長等問題[4]。張春會等人通過煤樣注入液氮實驗,發(fā)現(xiàn)液氮浸溶下,煤塊內(nèi)的裂隙間水變成冰,發(fā)生體積膨脹,使得煤裂隙發(fā)育,發(fā)生擴展[5]。研究表明液氮凍融循環(huán)對煤的抗壓強度和原生裂隙的擴展產(chǎn)生影響,能夠改變煤體微觀孔隙特征[6]。在此基礎(chǔ)上,本文通過實驗數(shù)據(jù)具體分析冷凍消融技術(shù)對煤裂隙的影響,從而找出增大裂隙的方法。

        2 煤層裂隙分類

        煤的裂隙主要是指煤體在受到外力作用下,被破壞而產(chǎn)生的縫隙。煤的裂隙發(fā)育、連通性以及煤體本身的性能等直接影響著煤層氣的開采和利用[7-8]。裂隙一般可以分為內(nèi)生裂隙和外生裂隙,外生裂隙一般是煤體在外部條件的作用下,發(fā)生的煤體表面被破壞的現(xiàn)象。在不同條件下,煤體被破壞的程度不同,比如溫度的變化,高溫能夠?qū)е铝严杜蛎?。此外,包括壓力、剪切作用等影響,均會使煤體裂隙的面積、長、寬、連通性等發(fā)生變化,甚至出現(xiàn)新的裂隙。

        3 冷凍前后裂隙對比實驗

        實驗選在六盤水地區(qū)某煤礦,該煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力15萬t/a。礦區(qū)工程地質(zhì)條件為中等,瓦斯含量較高,某一采區(qū)絕對瓦斯涌出量為29.69 m3/min,相對瓦斯涌出量為29.82 m3/t,曾發(fā)生過煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象,屬于瓦斯突出礦井。選取礦層理清晰、裂隙明顯的煤樣,用切割機切割成60 mm×40 mm×20 mm的長方形煤塊,然后用拋光的方式將煤塊表面打磨至光滑。將打磨光滑的觀察樣品固定在載玻片上用光學顯微鏡觀察;然后將煤樣凍融處理,對比前后裂隙的變化情況。

        3.1 實驗過程

        1)樣品制備:選取一塊大小、寬度適當?shù)拿簤K,用打磨機打磨并拋光。

        2)原樣品觀察:將拋光好的煤塊用橡皮泥固定在載玻片上,放在光學顯微鏡上(見圖1),調(diào)節(jié)目鏡和物鏡,放大100倍,選取煤塊上的裂隙,移動顯微鏡,觀察裂隙,用計算機拍下照片,編號,并記錄裂隙的位置。共選取3組裂隙圖片。

        圖1 裂隙觀測實驗

        3)樣品處理:將樣品浸泡在水里3 d后取出,放入冰箱冷凍3 d,將冷凍后的煤塊解凍,放入干燥箱內(nèi)烘干煤樣中的水分。

        4)冷凍后的樣品,放在顯微鏡下觀察,找到與原樣品相同的裂隙位置,計算機拍下,編號,并記錄圖片。

        5)對比冷凍前后的2組圖片,用軟件技術(shù)對裂隙進行標尺,對比前后裂隙的變化情況,包括寬度、長度、面積,觀察是否有新裂隙出現(xiàn)。

        3.2 實驗結(jié)果及分析

        1)煤樣1號實驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

        圖2 冷凍前1號裂隙比例圖

        圖3 冷凍后1號裂隙比例圖

        冷凍前后1號裂隙對比數(shù)據(jù)及曲線圖如表1及圖4所示。

        表1 裂隙1號數(shù)據(jù)對比表

        圖4 冷凍前后1號裂隙寬度對比折線圖

        選取冷凍前1號裂隙中4組位置的裂隙,通過軟件測量了4組裂隙的寬度,從左到右分別為127.4 μm、123.6 μm、100 μm、107.4 μm,平均裂隙寬度為114.6 μm,同樣方法測定冷凍后相同位置的裂隙,得出冷凍后的裂隙分別為130.3 μm、131.6 μm、104.6 μm、111.2 μm,平均裂隙寬度為119.43 μm,通過計算得出冷凍后1號裂隙從左到右分別加寬了2.9 μm,8 μm,4.6 μm,3.8 μm,平均加寬裂隙為4.83 μm,加寬了4.2%。

        2)煤樣2號實驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

        圖5 冷凍前2號裂隙比例圖

        圖6 冷凍后2號裂隙比例圖

        冷凍前后2號裂隙對比數(shù)據(jù)及曲線圖如表2及圖7所示。

        表2 裂隙2號數(shù)據(jù)對比表

        圖7 冷凍前后2號裂隙寬度對比折線圖

        選取了冷凍前2號裂隙中4組位置的裂隙,通過軟件測量了4組裂隙的寬度,從左到右分別為80.2 μm、84.5 μm、104.9 μm、105.3 μm,平均裂隙寬度為93.725 μm,同樣方法測定冷凍后相同位置的裂隙,得出冷凍后的裂隙分別為92.4 μm、99.7 μm、115 μm、117.9 μm,平均裂隙寬度為106.25 μm,通過計算得出冷凍后2號裂隙從左到右分別加寬了12.2 μm、15.2 μm、10.1 μm、12.6 μm,平均加寬裂隙為12.525 μm,加寬了13.3%。

        3)煤樣3號實驗結(jié)果見圖8、圖9所示。

        圖8 冷凍前2號裂隙比例圖

        圖9 冷凍后2號裂隙比例圖

        冷凍前后3號裂隙對比數(shù)據(jù)及曲線圖見表3及圖10所示。

        表3 裂隙3號數(shù)據(jù)對比表

        圖10 冷凍前后3號裂隙寬度對比折線圖

        選取了冷凍前3號裂隙中4組位置的裂隙,通過軟件測量了4組裂隙的寬度,從左到右分別為71.4 μm、83.4 μm、86.6 μm、77.9 μm,平均裂隙寬度為79.825 μm,同樣方法測定冷凍后相同位置的裂隙,得出冷凍后的裂隙分別為86.2 μm、97.8 μm、103.9 μm、90.4 μm,平均裂隙寬度為94.575 μm,通過計算得出冷凍后3號裂隙從左到右分別加寬了14.8 μm、13.9 μm、17.3 μm、12.5 μm,平均加寬裂隙為14.625 μm,加寬了18.32%。

        通過以上對3組裂隙圖片的數(shù)據(jù)分析,冷凍前后的1~3號裂隙均變寬了,1號裂隙平均加寬4.83 μm,變化率為4.2%,2號裂隙加寬12.525 μm,變化率為13.3%,3號裂隙加寬14.625 μm,變化率為18.32%。數(shù)據(jù)表明:冷凍消融后煤塊中的裂隙均變寬,且在顯微鏡下能看到部分區(qū)域出現(xiàn)了新的裂隙和裂隙相容等現(xiàn)象??梢姡?jīng)過煤層凍融技術(shù)處理后,煤裂隙擴展,增加了裂隙連通性能。因此,通過冷凍消融技術(shù)可以增加煤層的透氣性和滲透性。

        4 結(jié)語

        通過實驗數(shù)據(jù)的分析,對煤層凍融技術(shù)處理后,增大了煤體裂隙的面積,增加了裂隙連通性能及煤的滲透性,還產(chǎn)生了新的裂隙。因此得出結(jié)論:冷凍消融技術(shù)可以使煤裂隙擴展,裂隙的增大有利于提高煤層透氣性,從而能夠為煤層氣的開采和煤與瓦斯突出防治工作帶來效益。

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