石建行，馮增朝，周 動, ，沈永星，李學(xué)成

(1.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室,山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 太原 030024)

“富煤、貧油、少氣”是我國的能源結(jié)構(gòu)，煤炭作為主體能源支撐著我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。由于煤炭的燃燒會導(dǎo)致溫室氣體的排放，長期以煤為主的能源消費結(jié)構(gòu)給我國帶來了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，因此需要更加綠色環(huán)保的方式來開采利用煤炭資源[1-5]。趙陽升院士團(tuán)隊提出了原位改性流體化采礦的概念，通過原位加熱或注入高溫流體的方式加熱地下煤層，將含碳量更低，熱值更高的合成氣或液體燃料開采出來，同時將造成環(huán)境污染的固定碳留在地層中[6]。煤層在原位狀態(tài)經(jīng)過加熱后，產(chǎn)物經(jīng)過采收井運移至地面經(jīng)過氣液分離，氣態(tài)產(chǎn)物用于燃?xì)獍l(fā)電等，燃燒產(chǎn)生的CO2可以封存至已經(jīng)開采的煤層，實現(xiàn)零碳排放。該技術(shù)可以實現(xiàn)綠色環(huán)保的方式利用煤炭資源，此外，煙煤相較于無煙煤揮發(fā)分高，較褐煤等低階煤含水率低，從耗能及產(chǎn)物產(chǎn)率上來講，煙煤具有最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)收益，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)加熱源的不同，煤體原位熱解開采的主流加熱方式可分為傳導(dǎo)加熱、對流加熱[7]。不論何種加熱方式，煤炭地下原位熱解開采的核心問題是煤層內(nèi)部的傳熱及熱解產(chǎn)物的遷移，因此，探明煤巖在不同熱解方式下的孔裂隙結(jié)構(gòu)、空間分布及連通性尤為關(guān)鍵。

CT 技術(shù)可以無損表征煤巖的孔裂隙特征得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞?；趥鲗?dǎo)加熱，孟巧榮等[8-10]使用微型氣氛爐研究了褐煤熱破裂隨溫度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)300 ℃是褐煤熱破裂的閾值溫度，此后，又對不同溫度段的原生、新生裂隙形態(tài)、演化規(guī)律進(jìn)行了深度分析；馮子軍等[11]進(jìn)行了不同溫度下褐煤、氣煤細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化的CT 試驗，通過與無機巖石破裂機理、裂紋形態(tài)的對比提出了熱解破裂的概念；于艷梅等[12-13]對瘦煤由室溫～600 ℃的熱破裂過程進(jìn)行了顯微觀測，發(fā)現(xiàn)了微裂紋的出現(xiàn)、發(fā)展、貫通的演化規(guī)律；王勇等[14]結(jié)合Matlab 和Avizo 軟件對無煙煤CT 圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，獲取了無煙煤孔裂隙微觀結(jié)構(gòu)隨溫度的演化特征；李亞軍等[15]研究了褐煤熱解過程中，熱流固耦合作用下的微細(xì)觀孔裂隙結(jié)構(gòu)對滲透性的影響；基于對流加熱，NIU 等[16]使用CT 技術(shù)研究了不同孔隙壓力氮氣加熱下褐煤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)褐煤的熱解會受到外部施加壓力及熱解產(chǎn)物內(nèi)部壓力之間的動態(tài)競爭影響；王毅等以長焰煤[17]、褐煤[18]為研究對象，對600 ℃高溫蒸汽熱解固體產(chǎn)物的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了壓汞測試，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)良的滲透性能。以上研究為煤巖熱解后孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律提供了借鑒，但仍存在以下問題：①煤樣的熱解均處于無應(yīng)力狀態(tài)，不能代表實際地應(yīng)力情況，試驗所得的數(shù)據(jù)無法用于現(xiàn)場工程試驗；②缺乏煤巖不同熱解方式下孔裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的對比及機理研究。

基于以上研究的不足，筆者以內(nèi)蒙古滿來梁煙煤為研究對象，利用自制的高溫高壓熱-流體-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用的三軸試驗機，結(jié)合顯微CT 技術(shù)，探究了煙煤在自然、蒸汽原位熱解條件下的裂隙結(jié)構(gòu)差異，進(jìn)而就差異性進(jìn)行了機理探究。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試 樣

選取內(nèi)蒙古滿來梁煤礦的煙煤作為試驗煤樣，其Mad、Aad、Vad和FCad分別為11.54%、5.07%、23.13%、60.26%。煤樣采集后沿著平行層理方向取心，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別編號A、B，煤樣的尺寸和質(zhì)量見表1。

表1 試驗煤樣尺寸及質(zhì)量信息Table 1 Size and quality of experimental sample

1.2 試驗設(shè)備

為模擬原位注熱開采的實際工況，研制了高溫高壓熱-流體-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用的三軸試驗機(圖1)。試驗系統(tǒng)分別包括高溫高壓試驗機及產(chǎn)物收集計量裝置。高溫高壓試驗機采用內(nèi)加熱方式加熱煤樣，最大加熱溫度為600 ℃，加熱速率5.5 ℃/min。熱電偶實時測量煤體表面溫度，溫度范圍±5 ℃；釜體外部包裹保溫棉避免熱量損失；產(chǎn)物收集裝置由氣液分離瓶、冷凝水槽、集氣瓶、電子天平及若干閥門管線依次連接而成。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.3 試驗流程

1.3.1原位自然、蒸汽熱解

將試樣A、B 分別放入高溫高壓三軸試驗機中，在室溫下，抽真空24 h 后依次交替施加軸圍壓至設(shè)定壓力(軸壓：5 MPa，圍壓3.5 MPa)。當(dāng)試樣基質(zhì)穩(wěn)定后，試樣A 在設(shè)定溫度進(jìn)行自然熱解，試樣B 在熱解期間過熱蒸汽作為入口氣體持續(xù)注入進(jìn)行蒸汽熱解，熱解溫度均為600 ℃，過熱蒸汽的發(fā)生及注入是由外接電動泵向高壓三軸試驗機的孔隙壓入口注入蒸餾水，蒸餾水在流動的過程中被加熱進(jìn)而沿著煤體滲流，整個過程完全隔絕空氣，避免煤樣被氧化。A、B 試樣熱解期間，每隔10 min 測量產(chǎn)氣量，當(dāng)產(chǎn)氣速率趨于穩(wěn)定(熱解完全)后，試樣A、B 熱解時間為2 530、2 367 min。試樣A、B 自然冷卻后進(jìn)行CT 掃描、稱重。

1.3.2顯微CT 試驗處理

為了更真實準(zhǔn)確直觀的掌握煤體在原位狀態(tài)下熱解裂隙演化情況，本實驗通過顯微CT 系統(tǒng)對原位狀態(tài)煤的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描。掃描的最小單元尺寸為30 μm。特別說明，以下所獲得的數(shù)據(jù)僅代表一定尺度(30 μm 以上)的裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。首先將原煤置于銅套內(nèi)進(jìn)行常溫下的掃描；此后將煤樣置于高溫三軸試驗機內(nèi)進(jìn)行原位自然、蒸汽熱解。煤樣至目標(biāo)溫度充分熱解完成后，在應(yīng)力作用下冷卻至室溫后，取出帶銅套的煤樣進(jìn)行掃描(圖2(a))。由于金屬外殼密度較大，為了減少外殼邊緣對煤體圖像的影響(圖2(b))，選擇了合適的重建區(qū)域(圖2(c))；此后通過Matlab 編程對圖像進(jìn)行處理得到較為清晰的煤樣CT 掃描圖像(圖2(d))。隨后采用最大類間方差法(Otsu 法)進(jìn)行閾值分割得到二值化圖像(圖2(e))。為了能有效表征煤樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，并且考慮到重建過程中龐大的數(shù)據(jù)量和相關(guān)計算負(fù)擔(dān)，采用最小特征單元體(Representative Elementary Volume，REV)來表征實驗樣本的孔裂隙結(jié)構(gòu)，即在該尺寸以上，裂隙率幾乎不受尺寸影響[19-23]。通過軟件對試件裂隙率進(jìn)行統(tǒng)計，按照REV 方案進(jìn)行多次重復(fù)檢驗，最終選擇400 pixels×400 pixels×400 pixels 的正方體作為最小特征單元體(實際尺寸為12 mm×12 mm×12 mm) (圖2(f))。

圖2 CT 處理流程Fig.2 CT processing flow

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱重分析

A、B 兩個試件在分別經(jīng)過原位自然熱解及蒸汽熱解后質(zhì)量都有明顯的下降。A 試件熱解前質(zhì)量為251.74 g，自然熱解后質(zhì)量為175.83 g，失重率為30.15%。B 試件熱解前質(zhì)量為246.09 g，蒸汽熱解后質(zhì)量為141.5 g，失重率為42.5%。此外，對熱解后的煤樣進(jìn)行了工業(yè)分析，自然熱解揮發(fā)分的產(chǎn)出率約為64.42%，蒸汽熱解的揮發(fā)分產(chǎn)出率為85.09%，可見，蒸汽熱解促進(jìn)了揮發(fā)分的產(chǎn)出，蒸汽熱解的熱解效率高于自然熱解。

2.2 煤的裂隙結(jié)構(gòu)的視覺表征

圖3 為A、B 兩個試件在不同熱解方式、不同層位的原位顯微CT 灰度照片。由于巖石的密度不同，在CT 灰度圖像中呈現(xiàn)出不同的亮度。

圖3 試件A、B 不同層位的CT 掃描照片F(xiàn)ig.3 CT slice images in different positions of the sample A and B

從圖3 可以看出，原始A 試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，原生裂隙并不發(fā)育，但能看出明顯的平行層理結(jié)構(gòu)；原始B 試樣同樣具有明顯的平行層理結(jié)構(gòu)，不同的是沿著層理方向有多條縱橫交錯的原始裂隙；A、B 試樣分別在自然、蒸汽600 ℃熱解后，出現(xiàn)了不同尺寸的裂隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)裂隙的形態(tài)，新生的裂隙分為細(xì)長型的裂紋及不規(guī)則形狀的孔洞(紅色區(qū)域)。由于煤是一種由有機質(zhì)及無機物組成的非均質(zhì)體，部分有機質(zhì)在煤體內(nèi)部成團(tuán)狀聚集經(jīng)過高溫?zé)峤夂螅瑘F(tuán)狀區(qū)域便形成了“孔洞”。同時，能夠明顯看出，相較于自然熱解的A 試樣，蒸汽熱解后的B 試樣裂隙網(wǎng)絡(luò)更為豐富復(fù)雜，裂隙尺度得到了較大的擴(kuò)展及延伸。

圖4 為不同熱解方式3D 數(shù)字巖心，也能直觀的看出A、B 試樣裂隙網(wǎng)絡(luò)豐富度的差異性，同時，值得注意的是，A、B 兩個試樣都能看出部分新生裂隙沿著原生裂隙擴(kuò)展發(fā)育(黑色圓圈區(qū)域)。

圖4 煤巖3D 數(shù)字巖心Fig.4 3D digital core of coal

2.3 煤裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量表征

表2 為自然、蒸汽熱解前后A、B 的裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。以下將結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行煤巖裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量化分析。

表2 自然、蒸汽熱解前后A、B 試件裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Pore and fracture parameters of specimen A and B before and after natural and steam pyrolysis

2.3.1裂隙率

(1) A 試件。

A 試件“原始-自然熱解”加熱過程裂隙率變化特征如圖5(a)所示。統(tǒng)計最小特征單元體中400 層原始CT 裂隙率，裂隙率分布在0.83%～5.18%，均值為2.77%。自然熱解后，400 層切片的裂隙率大幅度提升，波動范圍較大，分布在3.60%～13.52%，均值為7.44%，約為原始煤樣裂隙率的2.68 倍。雖然在高溫作用下煤體軟化，強度降低，應(yīng)力的作用也迫使部分裂縫發(fā)生閉合。但同時，煤樣在高溫作用下，內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)而導(dǎo)致裂隙率的提高，主要表現(xiàn)為內(nèi)部水分的析出、有機物的分解及熱破裂等多個因素使得煤體內(nèi)部的孔裂隙新生及擴(kuò)展?？傮w來說，煤樣在自然熱解后裂隙率較原始狀態(tài)有了較大的提升。

圖5 自然、蒸汽熱解前后A、B 試件裂隙率對比Fig.5 Comparison of porosity of sample A、B before and after natural and steam pyrolysis

此外，自然熱解的煤樣CT 切片裂隙率波動范圍較大，一方面表現(xiàn)為在12～39、83～90、185～200、273～287 及320～341 層位裂隙率激增，這與煤體內(nèi)部隨機分布的團(tuán)狀有機質(zhì)在高溫?zé)峤夂笮纬傻目锥唇Y(jié)構(gòu)有關(guān)；另一方面表現(xiàn)為40、270～271、396 層裂隙率幾乎沒有變化，這并不代表該層位的煤樣自然熱解下并未發(fā)生變化，這與熱解后產(chǎn)生的微裂紋在應(yīng)力的作用下閉合或者熱解產(chǎn)生的焦油等物質(zhì)堵塞有關(guān)。

(2) B 試件。

圖5(b)為B 試件“原始-蒸汽熱解”400 層切片的裂隙率變化特征，原始-B 裂隙率區(qū)間為1.17%～8.53%，均值為4.76%，略大于原始-A 試件的裂隙率，從圖4 也能看出，原始-B 試樣的原生裂隙更為發(fā)育；蒸汽熱解后，裂隙率分布在12.76%～21.71%，均值為17.37%，約為初始裂隙率的3.65 倍，提升幅度高于自然熱解的2.68 倍。

另外，蒸汽熱解的煤樣CT 切片裂隙率波動范圍也較大，但根據(jù)曲線的變化趨勢來看，并未出現(xiàn)自然熱解-A 試樣裂隙率出現(xiàn)多個層位激增或是部分層位裂隙率并未發(fā)生變化的情況。這是因為蒸汽熱解對流加熱的方式增大了煤體內(nèi)部的換熱面積，使得煤體內(nèi)部受熱更為均勻，每一層位的有機質(zhì)熱解更為充分，裂隙率曲線在整體上表現(xiàn)的更為平滑。

2.3.2裂隙尺度分布

為進(jìn)一步分析煤在不同熱解方式前后的裂隙尺度分布特點，從最小特征單元體內(nèi)提取出裂隙，同時將形狀各異的裂隙結(jié)構(gòu)等效為球型結(jié)構(gòu)，因此引入等效裂隙直徑對裂隙尺度進(jìn)行表征。等效裂隙直徑R的計算公式為

式中，V為單個像素體的體積，V=27 000 μm3；n為單個不規(guī)則裂隙內(nèi)包含像素體的個數(shù)。

(1) A 試件。

圖6(a)為A 試件自然熱解前后裂隙直徑分布柱形圖，原始狀態(tài)下A 試件裂隙數(shù)量較多，為13 297 個，零散隨機分布在試件內(nèi)部(圖6(a)，原始-A)，直徑范圍為41.58～2 599.77 μm。經(jīng)過自然熱解后，裂隙體積明顯增大(圖6(a)，自然熱解-A)，不同直徑的尺寸占比有了較大的變化，能夠看出，100 μm 以下的裂隙數(shù)目占比相較于原始試樣有了明顯的衰減，相應(yīng)的100 μm 以上的裂隙數(shù)量占比增大，說明自然熱解促進(jìn)了裂隙之間的搭接連通，形成了尺寸較大的裂隙結(jié)構(gòu)，同時這也導(dǎo)致裂隙數(shù)量相較于原始試樣有了明顯的減少。直徑范圍也變?yōu)?6.87～5 416.99 μm，值得注意的是，最小直徑由41.58 μm 衰減至36.87 μm，一方面熱解促進(jìn)了微裂紋的萌生，另一方面可能與部分微裂紋在應(yīng)力壓縮作用下尺寸變小有關(guān)。

圖6 自然、蒸汽熱解前后A、B 試件裂隙尺度分布Fig.6 Distribution of fracture size of sample A、B before and after natural and steam pyrolysis

(2) B 試件。

圖6(b)為B 試件蒸汽熱解前后裂隙直徑分布柱形圖，B 試件原始裂隙較為明顯(圖6(b)，原始-B)，裂隙數(shù)量偏少，僅有2 651 個，直徑42.25～5 211.99 μm。蒸汽熱解后，裂隙體積及最大連通裂隙團(tuán)明顯增大(圖6(b),自然熱解-B)，等效直徑分布也發(fā)生了較大的變化，例如：100 μm 以下的裂隙數(shù)目大幅度衰減，特別是60 μm 以下的裂隙占比由原始的23.29%減少至14.59%，而200 μm 以上的裂隙數(shù)目占比則由9.94%增長至15.88%，可見蒸汽在層理間串流，大幅度的溝通孤立裂隙，形成更大的裂隙團(tuán)，從圖6(b)(自然熱解-B)也可以看出，最大裂隙團(tuán)遍布整個試樣，也說明了蒸汽熱解傳熱更為均勻，同時也驗證了2.2 節(jié)中蒸汽熱解-B 試樣各層位裂隙率的均勻性?？偭严稊?shù)目也由原始的2 651 個減少至1 357 個，直徑也變?yōu)?7.41～8 289.73 μm，最小裂隙也明顯衰減，這一現(xiàn)象與A 試件相同，仍可以用上述原因來解釋。

由于試件A、B 原始裂隙尺度分布有一定的差異，為了方便比較熱解方式的差異性，引入熱解前后相同等效直徑區(qū)間的裂隙數(shù)目變化比N進(jìn)行衡量，公式為

式中，N為熱解前后相同等效直徑區(qū)間的裂隙數(shù)目變化比；P為熱解后等效直徑區(qū)間x＜R≤y的 占比；P′為熱解前等效直徑區(qū)間x＜R≤y的占比。

按照式(2)對自然、蒸汽熱解相同等效直徑區(qū)間的N進(jìn)行計算，見表3。由表3 能夠直觀的看出，2 種熱解方式下，等效直徑在100 μm 以上的N均大于1 且蒸汽熱解均大于自然熱解，相應(yīng)的，等效直徑在100 μm 以下的N變化趨勢正好相反，這也說明了蒸汽熱解促進(jìn)了更多小尺度裂隙連通成大尺度裂隙。

表3 相同等效直徑區(qū)間不同熱解方式的裂隙數(shù)目變化比NTable 3 N values of different pyrolysis methods in the same fracture size interval

2.3.3滲透率

A、B 試樣在自然、蒸汽熱解完全后，采用高純氮氣作為滲透介質(zhì)，基于達(dá)西定律，通過穩(wěn)態(tài)法對煤樣進(jìn)行了不同孔隙壓下的滲透率測試，并使用式(3)進(jìn)行了計算：

式中，Kg為煤樣的氣相滲透率，10-15m2；μ為流體的動力黏度，μPa·s；L為試樣的長度，cm；A為試件的截面積，cm2；P1為進(jìn)口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa；Q為流體的流速，cm3/s。

圖7 為A、B 試樣自然、蒸汽熱解后不同孔隙壓力(0.2～1.0 MPa)的滲透率對比值，蒸汽熱解后B 試樣的滲透率為自然熱解后A 試樣滲透率的8.46～16.95 倍(不同孔隙壓力滲透率比值)，這也說明了蒸汽熱解后孔裂隙連通性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于自然熱解。

圖7 A、B 試件自然、蒸汽熱解后不同孔隙壓力下的滲透率Fig.7 Permeability of specimens A and B under different pore pressures after natural and steam pyrolysis

3 討論

3.1 原位狀態(tài)與無應(yīng)力狀態(tài)煤樣自然熱解孔裂隙結(jié)構(gòu)差異性分析

煤樣在無應(yīng)力狀態(tài)及原位狀態(tài)下自然熱解孔隙結(jié)構(gòu)存在較大差異，主要表現(xiàn)在孔隙率及孔隙形態(tài)。表4 總結(jié)了在無應(yīng)力狀態(tài)下，不同煤種煤樣600 ℃自然熱解后的孔隙率值，雖然不同煤種之間的孔隙率略有差異，但孔隙率也均大于19%，最高孔隙率甚至高達(dá)59.3%。而根據(jù)筆者的研究，當(dāng)煙煤處于原巖應(yīng)力狀態(tài)下自然熱解，600 ℃的孔隙率僅有7.4%。圖8 列舉了不同煤種在600 ℃無應(yīng)力及原位狀態(tài)自然熱解后的孔隙形態(tài)，能夠看出，無應(yīng)力狀態(tài)下，煤樣的孔隙以長裂隙為主，裂隙尺度較大且基本完全連通，圖8(b)、(c)中由于大裂隙的存在，煤樣已經(jīng)不是一個完整體；而在原位狀態(tài)下，孔隙形態(tài)多以細(xì)長微裂紋及微小孔洞為主。

圖8 無煙煤[14]、褐煤[15]、煙煤600 ℃無應(yīng)力、原位狀態(tài)自然熱解裂隙形態(tài)Fig.8 Fissure morphology of anthracite,lignite and bituminous coal in stress-free,in-situ natural pyrolysis at 600 ℃

表4 不同煤種煤樣600 ℃無應(yīng)力狀態(tài)自然熱解后孔隙率Table 4 Porosity of different type coal after natural pyrolysis at 600 ℃ without stress

此外，為了更直觀科學(xué)的認(rèn)識2 種狀態(tài)下裂隙結(jié)構(gòu)的差異，選取了相同煤種進(jìn)行了無應(yīng)力狀態(tài)下煤樣熱解-CT 掃描實驗，圖9 為裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對比曲線。由圖9(a)可以看出，無應(yīng)力狀態(tài)下，煙煤的裂隙率由熱解前的1.97%提高至26.6%，熱解后約為熱解前的13.5 倍，而原位狀態(tài)下煙煤熱解后的裂隙率僅為熱解前的2.68 倍。此外，由10(b)、(c)可以看出，2 種狀態(tài)下煙煤熱解前后的裂隙尺度分布特征也存在差異，無應(yīng)力狀態(tài)下，熱解后R≤60 μm 的裂隙占比呈現(xiàn)增長的趨勢，其余尺度的裂隙占比呈現(xiàn)衰減的趨勢，而原位狀態(tài)下，R≤100 μm 的裂隙占比減小，相應(yīng)的R≥100 μm 的裂隙占比增大。同時結(jié)合2 種狀態(tài)下熱解前后的裂隙數(shù)量來看，無應(yīng)力狀態(tài)下，熱解前后的裂隙數(shù)量分別為209 139 及607 417 個，而原位狀態(tài)下，熱解前后的裂隙數(shù)量分別為13 297 及9 272 個，可見無應(yīng)力狀態(tài)下煙煤600 ℃熱解后的裂隙數(shù)量遠(yuǎn)高于原位狀態(tài)下，說明無應(yīng)力狀態(tài)下，溫度促進(jìn)了大量裂隙團(tuán)(R≤60 μm)的新生，裂隙數(shù)量的巨大差異也是導(dǎo)致裂隙尺度分布差異的主要原因。

圖9 煙煤自然熱解前后裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對比Fig.9 Comparison of fracture structure parameters before and after bituminous coal natural pyrolysis

根據(jù)上述討論，2 種狀態(tài)下裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異的原因主要是：煤樣處于無應(yīng)力狀態(tài)，高溫環(huán)境下，有機質(zhì)的析出，孔裂隙可以自由無序擴(kuò)張，而當(dāng)施加應(yīng)力后，由于高溫下煤體強度降低，孔裂隙會被迫閉合，同時閉合的孔裂隙也會阻礙焦油等物質(zhì)的順利析出進(jìn)而造成更多的堵塞。

3.2 自然、蒸汽熱解煤樣裂隙結(jié)構(gòu)差異機制分析

自然、蒸汽熱解方式的本質(zhì)區(qū)別是傳導(dǎo)、對流傳熱方式的差異。熱傳導(dǎo)是指沿著固體物體進(jìn)行熱量傳遞的方式，從物體溫度較高的部分沿著物體傳遞到溫度較低的部分；熱對流是指通過流體的流動加熱流動區(qū)域的方式。后者的加熱效率要高于前者，而更深度的對于煤的裂隙結(jié)構(gòu)的影響兩者仍具有較大差異。

根據(jù)2.3.1 中A、B 試件熱解前后裂隙率的變化情況，自然熱解后裂隙率約為原始煤樣的2.68 倍，蒸汽熱解后裂隙率約為原始煤樣3.65 倍，說明蒸汽熱解對流加熱的模式對提高裂隙率的效果更為顯著，此外，根據(jù)1.3 節(jié)中可得，試樣A、B 熱解時間分別為2 530、2 367 min，更進(jìn)一步說明蒸汽熱解的傳熱、熱解效率較為優(yōu)越。

由于煤是熱的不良導(dǎo)體，傳導(dǎo)加熱的過程中傳熱效率低，由內(nèi)而外存在一定的溫差，這就導(dǎo)致有機質(zhì)熱解不充分，同時由于應(yīng)力的作用，有機物產(chǎn)生的油氣等逸出需要積聚一定的壓力，此外還需要經(jīng)歷一定的距離，而這些油氣占據(jù)的空間并不利于煤樣持續(xù)的熱解及產(chǎn)出，這些產(chǎn)物還有一定概率進(jìn)入盲孔中，無法運移出煤體外，從而導(dǎo)致孔隙率的下降。

煤樣通過蒸汽對流加熱后，要比傳導(dǎo)加熱經(jīng)歷更復(fù)雜的物理及化學(xué)變化(圖10)。①驅(qū)替作用。高孔隙壓力蒸汽的注入為油氣產(chǎn)物的產(chǎn)出提供了驅(qū)替動力，克服了傳導(dǎo)加熱中產(chǎn)物運移困難的問題，保證了煤樣的持續(xù)熱解及產(chǎn)物產(chǎn)出，由圖11(a)可以看出蒸汽熱解后的產(chǎn)氣量約為自然熱解產(chǎn)氣量的3.9 倍，此外，2.1 節(jié)中蒸汽熱解的揮發(fā)分產(chǎn)出率高于自然熱解的揮發(fā)分產(chǎn)出率也能予以佐證；②擴(kuò)孔效應(yīng)。高溫蒸汽滲透進(jìn)行煤孔隙通道時會產(chǎn)生局部張力，一方面擴(kuò)大了原有的孔隙體積，另一方面也會破壞一些孔壁弱面，促進(jìn)孔間連通；③對流剝蝕效應(yīng)[23]。已有研究證明，蒸汽對流加熱獨特的對流剝蝕效應(yīng)可將盲孔中的焦油或附著在孔壁周圍黏度較高的產(chǎn)物“沖刷-轉(zhuǎn)移”至孔裂隙通道，此后經(jīng)孔隙壓力驅(qū)替至煤體外；④化學(xué)作用。蒸汽溫度550 ℃以上存在大量還原性較強的自由H+，H+一方面與黏度較高的重質(zhì)焦油反應(yīng)使其裂解成低碳鏈的輕質(zhì)油品，增加了油品的流動性[23]；另一方面富氫環(huán)境下，更有利于煤樣熱解中氣體產(chǎn)物中氫氣的產(chǎn)生[25](圖11(b))。

圖10 蒸汽作用示意Fig.10 Schematic diagram of superheated steam effect

圖11 產(chǎn)氣及氣體組分Fig.11 Gas production and gas components

3.3 局限性

本試驗僅僅研究了深度為200 m 的煤層原巖應(yīng)力狀態(tài)下不同熱解方式下的裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，將來關(guān)于深部更高應(yīng)力條件下煤炭地下原位熱解還需進(jìn)一步探究，同時煤樣原位狀態(tài)下更高熱解溫度(＞ 600 ℃)的探究仍需進(jìn)一步深入工作。

4 結(jié)論

(1)自然、蒸汽600 ℃原位熱解后，煤樣內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙形態(tài)以細(xì)長型裂紋及孔洞為主，蒸汽熱解后裂隙尺度進(jìn)一步提升，裂隙網(wǎng)絡(luò)更為豐富復(fù)雜。

(2)在軸壓5 MPa，圍壓3 MPa 的應(yīng)力條件下，煙煤自然熱解后裂隙率為原始裂隙率的2.68 倍，蒸汽熱解后裂隙率為原始裂隙率的3.65 倍且每一層位裂隙率更均勻。

(3)蒸汽熱解使得煙煤受熱均勻，換熱面積大，有機質(zhì)熱解更加充分。驅(qū)替作用保證熱解產(chǎn)物的持續(xù)產(chǎn)出；孔隙壓力的局部應(yīng)力作用既擴(kuò)大了原有的孔裂隙體積又會破壞孔壁弱面，大大增加了孔裂隙連通性；蒸汽剝蝕效應(yīng)將盲孔及孔裂隙附著的黏稠度較高的焦油“沖刷-運移”至煤體外；富氫環(huán)境促進(jìn)了重質(zhì)焦油的裂解，增強了油品的流動性。

(4)原位與無應(yīng)力狀態(tài)煤樣熱解裂隙率及裂隙形態(tài)存在較大差異，蒸汽熱解是煤炭原位注熱開采工程實踐的最優(yōu)加熱方式，研究數(shù)據(jù)可以為工程實踐提供真實的數(shù)據(jù)支撐。