王 寧，李樹剛

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工集團有限責任公司，陜西 西安 710100；3.陜西煤業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

煤礦瓦斯災害作為礦井五大災害之一，一直制約著礦井的安全生產(chǎn)。新中國成立以來，我國煤礦共發(fā)生百人以上事故24起、死亡3 782人。其中，瓦斯(煤塵)事故22起、死亡3 548人，分別占全國煤礦事故起數(shù)和死亡人數(shù)的91.7%、93.8%。事實上，瓦斯可防可控可治。防止煤礦瓦斯事故的核心是把共生于煤層中的瓦斯抽出來并加以控制，只要做到先抽氣后采煤，就不會發(fā)生瓦斯爆炸事故，煤炭安全生產(chǎn)就有了保障。這樣的思維邏輯促成“瓦斯是可以抽出和控制的，事故是可以預防和避免的”“煤與瓦斯共采[1-4]”“先抽后采煤氣共采”，“治理與利用并重[5-6]”等先進理念應運而生。

腐蝕壓裂是在傳統(tǒng)水力壓裂的基礎上用酸性溶液替代普通水壓裂液的技術應用，能有效補充普通水力壓裂的不足。酸性腐蝕技術最先出現(xiàn)在19世紀中期，當時第一次應用于油氣井，將預先制好的酸液注入到地層中，將堵塞物溶解掉，從而提高地層孔隙和裂隙的滲透性，最終達到增產(chǎn)的效果。在天然煤層中含有少量的碳酸鹽和硅酸鹽類礦物，特別是煤層裂隙中往往充斥有部分礦物，酸化處理就是利用含有鹽酸和氫氟酸的復合溶液，使其溶解煤層中的碳酸鹽和硅酸鹽類的礦物，從而增大孔隙、裂隙，達到提高煤層滲透性的效果[7-10]。首次工業(yè)性煤層酸化腐蝕實驗是莫斯科礦業(yè)學院為卡拉甘達礦區(qū)的抽采煤層瓦斯作業(yè)中的應用，該應用通過水力壓裂鉆孔往作業(yè)煤層中注入商用鹽酸，結果處理后煤層瓦斯抽采效果明顯改善[11-12]。這種結合物理和化學2方面的處理技術，可以有效地在煤中產(chǎn)生豐富的裂隙網(wǎng)絡。

鑒于目前國內(nèi)外關于表面活性劑協(xié)同各種酸液煤體的研究報道還很少，為此，擬采用表面活性劑協(xié)同酸液的腐蝕煤體技術改進一種高效的煤層壓裂技術。在結合傳統(tǒng)水力壓裂技術的基礎上，采用腐蝕性壓裂液增強壓裂液在煤體中的破壞效果，揭示腐蝕煤體力學變化特性，并將基于壓裂液腐蝕的煤體增透技術在煤礦現(xiàn)場進行工業(yè)化應用，考察達到煤層增透及瓦斯抽采效果。

1 腐蝕煤體力學特性試驗

1.1 煤樣的制備及基本參數(shù)測定

煤樣選用陜煤黃陵二號煤礦原樣，屬低灰、低硫、中揮發(fā)分，高發(fā)熱量的富油一號肥氣煤和二號弱黏結煤。為了避免煤樣的差異導致額外因素，所有煤樣都在同一塊煤中選取且圓柱的軸向線平行于割理面方向。為了便于單軸壓縮、核磁共振以及掃描電鏡試驗的使用，因此標準圓柱試樣嚴格依據(jù)GB 474—2008《煤樣制備方法》進行，制取直徑50 mm，高度100 mm的標準試樣，煤樣采集、試件加工與試驗遵照《煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法》GB/T 23561—2009的規(guī)定執(zhí)行，并參照國際巖石力學學會實驗室和現(xiàn)場標準化委員會編制的《巖石力學試驗建議方法》，煤樣工業(yè)分析結果見表1。

表1 黃陵二號煤樣工業(yè)分析Table 1 Proximate analysis of Huangling No.2 coal sample

由工業(yè)分析結果可以看出，無論是單組分鹽酸HCl溶液、復合組分HCl/HF(鹽酸/氫氧酸)溶液或是添加SDS的復合溶液進行處理后，都會使其灰分降低，但是 可以看出，經(jīng)過含有 SDS 的復合溶液處理的煤樣中灰分較其他幾組大幅度降低，說明SDS促進了復合酸液對灰分的處理，灰分的顯著降低主要是SDS促進了酸性溶液對煤中無機礦物的腐蝕效果。揮發(fā)分、固定碳含量較其他幾組增加明顯，同時增加了C元素的相對含量。隨著酸液組分的增多，煤中礦物成分含量逐漸降低，尤其是經(jīng)過SDS協(xié)同酸化處理的3號煤樣，其中灰分含量僅有1.85。

試驗所取煤樣均取自于現(xiàn)場不規(guī)則煤塊，通過實驗室加工制成規(guī)程所要求的標準試塊。先將現(xiàn)場所取煤樣放在鉆孔取樣機上鉆取出直徑為50 mm的圓柱體，再根據(jù)試驗要求用切割機切成100 mm長的圓柱塊，最后用磨平機將試塊端面磨平，研磨時要求試件兩端面不平行度不得大于0.01 cm，上、下端直徑的偏差不得大于0.02 cm，直至達到規(guī)程所要求的標準為止。試驗煤樣制備所用設備及加工過程如圖1所示。

圖1 試驗標準煤樣制備Fig.1 Preparation of experimental standard coal samples

1.2 腐蝕溶液的制備

在酸化壓裂液體系內(nèi)，鹽酸和氫氟酸是公認對煤體內(nèi)無機礦物雜質(zhì)具有良好效果的壓裂液，鹽酸能與煤樣中的碳酸鹽礦物發(fā)生反應，而氫氟酸對鋁硅酸鹽礦物的去除效果很好，而黃陵二號煤礦經(jīng)工業(yè)分析可知其內(nèi)部碳酸鹽和硅酸鹽礦物含量較高，因此將鹽酸和氫氟酸混合可以有效去除煤樣孔隙內(nèi)的礦物雜質(zhì)，便于后續(xù)單軸壓縮試驗更直觀的腐蝕效果。此外，為了增加腐蝕效果，加快酸化壓裂液進入煤體內(nèi)孔隙裂隙的速度，提高酸化壓裂液在工程實踐中增加煤層滲透率的效率，選擇了陰離子表面活性劑作為輔助試劑。綜合以上原因，選擇鹽酸、氫氟酸(HF)和十二烷基磺酸鈉作為處理液。

在煤層中加入鹽酸和氫氟酸的復合溶液，通過酸化腐蝕破壞煤的孔隙結構，提高煤層的滲透性。為了提高腐蝕損傷效果，加入陰離子表面活性劑——十二烷基磺酸鈉協(xié)同腐蝕，實驗室現(xiàn)有濃鹽酸，氫氟酸，陰離子表面活性劑——十二烷基磺酸鈉，蒸餾水。分別制備3組溶液：單一溶液A(5%HCI)、腐蝕溶液B(5%HCI/5%HF)、腐蝕溶液C(5%HCI/5%HF/SDS)，由于氫氟酸具有極強腐蝕性且能腐蝕含硅物質(zhì)，故將制備好的酸性溶液采用特氟龍惰性塑料瓶儲存。在這里使用5%HCl+5%HF的配置主要有3點原因：① 處于經(jīng)濟性和安全性的考慮，過高濃度的酸液在實際生產(chǎn)中會有排驅困難的問題，污染環(huán)境且會增加腐蝕壓裂的成本。② 并非越高濃度的酸液腐蝕效果越好，煤樣中含有大量鋁硅酸鹽礦物，其中的鋁元素與酸液不是簡單的一次反應，后續(xù)還有二次、三次反應，濃度過高在后續(xù)反應中容易形成AlF3等沉淀堵塞孔。③ 當HF超過5%時，其會與石英等反應快的礦物過度溶解，破壞煤體碳骨架影響后續(xù)單軸壓縮的測算。

1.3 腐蝕煤體單軸壓縮力學試驗

挑選了內(nèi)部裂隙形態(tài)類似且孔隙度相近的標準試驗煤樣，分別置于含有蒸餾水、單一溶液A、腐蝕溶液B和腐蝕溶液C的4個特氟龍塑料瓶中，編號0、1、2、3號，如圖2所示。反應8 h后，用干燥吸水紙將煤樣表面酸液吸干。

圖2 壓裂液酸浸試驗Fig.2 Acid leaching experiment of fracturing fluid

為研究不同處理條件下，尤其是腐蝕酸液C對煤體力學結構特性的影響，進行了單軸壓縮力學試驗。試驗儀器采用的單軸力學試驗儀器為型號為RLJW-2000的微機控制巖石三軸、剪切蠕變試驗裝置，最大軸向壓力2 000 kN，最大圍壓50 MPa，儀器測力精度±1%，變形測量精度±0.5%，連續(xù)工作時間大于1 000 h。儀器控制精度高、反應速度快、可靠性好，能夠對煤體應力試驗進行精確控制。該設備可對材料試樣進行單軸壓縮試驗，并記錄可測試試樣在單軸壓縮過程中的應力應變變化。將相關樣品試驗過程中，調(diào)整試樣與墊塊的位置，在墊塊與試樣接觸表面之間涂抹凡士林，以減少端面效應。加載采用位移控制，加載速率為0.25 mm/min。煤樣所受的力載荷和應變數(shù)據(jù)自動記錄并計算，得出應力、應變數(shù)據(jù)。圖3為力學試驗設備壓裂過程及破壞后煤樣形態(tài)，圖中P為壓力。

圖3 力學試驗設備及破壞試樣Fig.3 Mechanical experimental equipment and failure samples

2 腐蝕煤體單軸壓縮過程損傷

由于煤巖體中含有不同的層理、節(jié)理及大小不一的孔洞和裂隙，使得煤巖的比表面積遠大于相同條件下的巖塊，因此毛細管作用突出，在毛細管效應影響下，腐蝕壓裂液會逐漸侵入煤巖內(nèi)部的孔裂隙中，使得煤巖分子間的范德華力等分子間作用力削弱。同時，在成煤階段一部分無機礦物和黏土成分會填充在煤巖孔裂隙中，黏土成分遇水溶液會產(chǎn)生脹大現(xiàn)象，而無機鹽礦物則會與腐蝕壓裂液發(fā)生化學反應，如圖4中腐蝕處理后煤樣內(nèi)部礦物形態(tài)圖4b 可以看到，煤中方解石、白云石等礦物在腐蝕反應后生成的白色沉淀產(chǎn)物如CaCl2等，還看到含有三價鐵離子水溶液留下的黃褐色痕跡，同時大部分產(chǎn)物會隨水溶液排出，這樣都會造成煤巖孔裂隙結構損傷，使得煤強度降低。

圖4 單軸壓縮力學試驗Fig.4 Uniaxial compression mechanics experiment

圖4a為經(jīng)典原煤樣試件的單軸壓縮應力-應變曲線和破壞煤樣的形態(tài)。通常情況下煤巖的應力應變曲線主要分為4個階段，同巖石細觀力學試驗一樣，根據(jù)試驗煤樣單軸壓縮下的應力應變曲線變化規(guī)律，煤樣破壞過程同樣分為4個階段[13-14]：

1)裂隙閉合階段(Ⅰ)：對應應力-應變曲線中的OA段，載荷由0逐步加載，該過程中，煤樣內(nèi)部的微裂隙受載荷的作用逐漸被壓密，該段曲線呈現(xiàn)向上凹的形態(tài)，表明孔、裂隙的閉合現(xiàn)象逐漸減弱。

2)彈性變形階段：AB段(Ⅱ)，該段曲線符合胡克定律，煤樣試件內(nèi)裂隙繼續(xù)壓實，且不斷產(chǎn)生微破裂以及在粒內(nèi)或粒間產(chǎn)生滑移，該段變形時煤樣的結構性質(zhì)并沒有發(fā)生明顯變化。

3)裂隙穩(wěn)定擴展階段(Ⅲ)：在應力達到一定程度，進入到裂隙穩(wěn)定擴展BC段，裂隙開始產(chǎn)生，煤樣結構力學性質(zhì)發(fā)生明顯改變，煤樣外觀及內(nèi)部微觀結構發(fā)生破壞，該段試樣變形是不可逆的。當煤樣承受不了所加的負載時，煤樣試件完全破壞，所達到煤樣破壞的峰值應力稱為單軸抗壓強度；

4)裂紋加速擴展階段(Ⅳ)：第Ⅳ階段是峰后破壞階段，隨著位移的增加軸向應力迅速降低，最終殘余應力穩(wěn)定在峰值強度的27.71%，說明破壞后煤樣依然具有一定承受負載能力。

整個煤樣試件的破壞并不是瞬間的，而是一個漸進破壞的過程。在BC階段，煤樣內(nèi)部裂隙擴張，這是由于煤樣內(nèi)部無規(guī)則分布的微裂紋應力集中造成的。實際上最終破壞并不是出現(xiàn)在峰值處，而是在超過峰值后的曲線上。

經(jīng)過不同處理條件后的煤樣，其力學性質(zhì)會發(fā)生改變。圖5為經(jīng)過3種不同組分的腐蝕壓裂液浸泡后煤樣的單軸壓縮應力-應變曲線，與未處理的原煤樣相比，腐蝕處理后煤樣在破壞過程中彈性階段開始時所受最大應力的百分比變小，這與內(nèi)部侵蝕出的孔裂隙有一定的關系，由于孔隙中雜質(zhì)礦物的脫除，使得在壓實階段所承受的應力減小，導致進入彈性階段所需的應力也相應降低。除此，最大的區(qū)別在于達到峰值應力后的煤樣破壞階段，在經(jīng)過腐蝕處理后煤樣應力-應變曲線的第Ⅳ階段均出現(xiàn)了明顯的應力突降以及應力增加的現(xiàn)象，導致這種現(xiàn)象的原因與煤樣內(nèi)部新產(chǎn)生的破壞有關，腐蝕壓裂液深入煤巖內(nèi)部的孔洞和裂隙中，與其中的黏土礦物和無機鹽礦物等雜質(zhì)礦物反應，造成煤巖孔洞和裂隙的破壞[15-18]，導致煤樣內(nèi)部出現(xiàn)了不貫通裂隙，在煤樣壓縮達到峰值破壞后，繼續(xù)施加載荷的力作用于閉合煤樣內(nèi)部新出現(xiàn)的不貫通裂隙，在不貫通裂隙完全閉合時，會使煤樣產(chǎn)生二次承壓的能力，從而出現(xiàn)應力再次增大的現(xiàn)象。其中圖5a、圖5b也出現(xiàn)應力驟降和增加的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象受到人為因素和試驗變量的雙重影響。利用酸化試樣在進行單軸壓縮試驗時，試樣在達到應力峰值后并沒有像原煤樣一樣整體破壞，而是出現(xiàn)細微裂隙進行泄壓，泄壓的同時壓頭和試樣之間仍然保持接觸，并仍然能夠承壓。在這樣的情況下并沒有立刻停止試驗，因此出現(xiàn)了第2甚至第3個應力峰值。

圖5 3種不同組分的腐蝕壓裂液浸泡后煤樣的單軸壓縮應力-應變曲線Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain curves of coal samples soaked in three different compositions of corrosive fracturing fluids

同時，在經(jīng)過腐蝕處理后，煤樣破壞過程中進入裂隙穩(wěn)定擴展的第Ⅲ階段所受的應力值變小，第III階段的應力峰值表現(xiàn)了試樣所能承受的最大應力，是煤層壓裂增透工程中重要的指標。無論是單一酸、復合酸，或在復合酸基礎上添加表面活性劑，其對煤體內(nèi)無機礦物的溶蝕效果是遞增的，分布在煤體內(nèi)的大量固體被溶蝕的同時必然會對試樣的力學特征產(chǎn)生影響。其結果就是，隨著溶蝕效果的增強，其可承受的最大應力便隨之降低[19-20]。煤樣強度降低，4組煤樣的峰值應力情況為9.63 MPa>9.23 MPa>8.99 MPa>8.55 MPa，即煤樣強度0號>1號>2號>3號，可以看出，經(jīng)過SDS協(xié)同腐蝕處理后煤樣強度最低，煤樣產(chǎn)生裂隙所受的應力值最低，表明SDS對腐蝕效果破壞煤體結構具有積極作用。

3 腐蝕壓裂技術工業(yè)性試驗

3.1 試驗方案設計

以上兩節(jié)研究了復合壓裂液腐蝕煤樣孔裂隙結構損傷特征及力學特征，并對表面活性劑協(xié)同復合壓裂液腐蝕壓裂的不同效果進行了對比研究。復合壓裂液腐蝕技術研究的目的就是為了理清復合壓裂液壓裂煤體過程特性，從而進行煤礦井下現(xiàn)場的工業(yè)性應用，解決煤礦瓦斯治理的問題，同時提高煤層氣的抽采效率。通過表面活性劑協(xié)同復合腐蝕壓裂液針對陜西黃陵二號礦進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗。

陰離子表面活性劑-十二烷基硫酸鈉協(xié)同腐蝕煤體卸壓增透效果的影響，主要結論如下：4種不同處理條件下的煤樣孔隙度均增大，由SDS增大了腐蝕壓裂液與煤樣孔裂隙中雜質(zhì)礦物的反應面積，從而增HCI/HF對煤樣的腐蝕作用，使得2號處理下煤樣孔隙度增加最大。在腐蝕溶液侵蝕煤樣后，煤樣表面孔隙特征發(fā)生了很大的變化，具有一定的酸化侵蝕作用形成的破壞程度，且SDS增效后的酸化侵蝕破壞程度最高。

腐蝕壓裂技術工業(yè)性試驗選擇在陜煤黃陵二號煤礦418工作面進風巷進行。根據(jù)巷道實際布置情況，設計腐蝕壓裂方案，通過腐蝕壓裂，增大煤體透氣性，提高瓦斯抽采效果。

根據(jù)巷道實際情況，設計2組腐蝕壓裂孔和水力壓裂對比孔(每組10個鉆孔)。第1組按照礦上原有設計水力壓裂導向孔與壓裂孔間距6 m，第2組設計腐蝕導向孔與壓裂孔間距11 m。腐蝕壓裂孔與水力壓裂孔布置如圖6所示。

圖6 鉆孔布置Fig.6 Drilling layout

采用?94 mm的鉆頭，垂直巷幫施工鉆孔，腐蝕壓裂孔與導向孔參數(shù)見表2。

表2 腐蝕壓裂孔與導向孔參數(shù)Table 2 Parameters of corrosion fracturing holes and pilot holes

3.2 腐蝕壓裂瓦斯抽采效果考察

腐蝕壓裂工業(yè)性試驗在418回風巷實施，過程安全制定了《418回風巷腐蝕壓裂工業(yè)性試驗安全措施》，本次試驗布置10個腐蝕壓裂孔，每個壓裂孔配備兩組導向孔。封孔采用傳統(tǒng)兩堵一注的封孔技術措施，封孔過程順利。腐蝕壓裂采用5%鹽酸、5%氫氟酸和SDS陰離子表面活性劑配置而成，單孔壓裂時間的約110 min，峰值壓力達到12 MPa，在此期間共完成20個壓裂孔，壓裂過程順利。

由2組腐蝕壓裂孔(Y1～Y5)和水力壓裂孔(SY1～SY5)對比孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)生成對比曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 腐蝕壓裂孔與水力壓裂孔抽采濃度對比Fig.7 Comparison of drainage concentration between corrosion fracturing and hydraulic fracturing holes

為了更好地分析腐蝕壓裂孔與水力壓裂孔的效果對比，選取2組鉆孔中的若干鉆孔的瓦斯純流量進行對比分析，如圖8所示(圖中數(shù)據(jù)曲線為2組鉆孔平均值的擬合曲線，具有代表性)。

圖8 腐蝕壓裂孔與水力壓裂孔抽采流量對比Fig.8 Comparison of drainage flow between corrosion fracturing and hydraulic fracturing holes

通過圖7和圖8的瓦斯抽采濃度和流量對比圖可以得出，腐蝕壓裂煤層增透效果較為明顯，同普通水力壓裂孔對比，酸化腐蝕壓裂孔維持在高濃度、高流量的時間長，衰減得慢。觀察記錄腐蝕壓裂孔抽采60 d，壓裂影響區(qū)域導向孔瓦斯抽采體積分數(shù)最高達到76%；普通水力壓裂孔瓦斯抽采體積分數(shù)最高66%，與平均瓦斯?jié)舛认啾龋毫雁@孔瓦斯抽采體積分數(shù)提高了8%，腐蝕壓裂孔瓦斯純量平均最高為0.077 8 m3/min，水力壓裂孔為0.043 2 m3/min，平均純量提高了0.034 6 m3/min，且鉆孔間距從6 m擴大到11 m，節(jié)約了煤礦瓦斯治理成本。

4 結 論

1)根據(jù)基于壓裂液腐蝕的試驗煤樣單軸壓縮應力應變曲線變化規(guī)律，煤樣破壞過程同樣分為4個階段：裂隙閉合階段、彈性變形階段、裂隙穩(wěn)定擴展階段及裂紋加速擴展階段。

2)腐蝕壓裂液深入煤巖內(nèi)部的孔洞和裂隙中，與其中的黏土礦物和無機鹽礦物等雜質(zhì)礦物反應，造成煤巖孔洞和裂隙的破壞，導致煤樣內(nèi)部出現(xiàn)了不貫通裂隙，在經(jīng)過腐蝕處理后，煤樣破壞過程中進入裂隙穩(wěn)定擴展階段所受的應力變小，煤樣強度降低，4組煤樣的峰值應力由大到小順序為9.63、9.23、8.99、8.55 MPa，經(jīng)過SDS協(xié)同腐蝕處理后煤樣強度最低，煤樣產(chǎn)生裂隙所受的應力最低，表明SDS對腐蝕效果破壞煤體結構具有積極作用。

3)同普通水力壓裂孔對比，酸化腐蝕壓裂孔維持在高濃度、高流量的時間長，衰減得慢。壓裂影響區(qū)域導向孔瓦斯抽采體積分數(shù)最高達到76%；與平均瓦斯?jié)舛认啾?，水力壓裂鉆孔瓦斯抽采體積分數(shù)提高了8%，平均純量提高了0.034 6 m3/min，鉆孔間距從6 m擴大到11 m，節(jié)約了煤礦瓦斯治理成本。