相变蓄热作用下煤体增透影响因素研究

徐德宇，马豪娟，崔洪庆，王天瑜，刘 涛

（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州 451191；3.中原经济区煤层（页岩）气协同创新中心，河南 焦作 454000；4.河南平宝煤业有限公司首山一矿，河南 平顶山 461700）

煤层瓦斯是制约我国煤矿安全生产的主要因素[1]，为了有效进行瓦斯治理工作，我国高瓦斯煤矿多对煤层进行强化增透处理，进而增加煤层的透气性，以提高煤层瓦斯的抽采和治理效果[2]。在此背景下，运用水力化增透方法[3-5]，以及运用液氮溶冻、液态CO2相变致裂等方法对煤体进行增透的研究不断发展[6-7]；而近年来，运用温度冲击[8]、注热蒸汽[9]、膨胀放热等[10]热处理的方法对煤体进行增透，因其能够有效促进煤层裂隙网络的扩展和贯通，并具有加速周围煤体瓦斯解吸等作用，逐渐受到相关学者的重视[11-12]。其中，运用相变蓄热的方法，在煤体中注入相变蓄热材料，能够应用相变蓄热的热环境和材料相变的结晶固化膨胀力对煤体进行增透[13]，具有多种作用综合增透的效果，也逐渐受到了相关学者的关注。然而，影响煤层增透的因素较多[14]，如温度、煤体破碎程度、含水率等[15]，但是目前尚缺乏相变蓄热影响因素方面的系统研究，相关研究尚不能满足工程实践的需求。基于上述分析，对相变蓄热作用下煤体增透的影响因素进行研究，可为热环境作用下和相变蓄热作用下煤层强化增透措施和瓦斯高效治理工程实践提供科学依据，具有重要的科学意义。

1 试验方法

1.1 试验煤样和相变蓄热材料

试验所用煤样均采集于河南平宝煤业有限公司首山一矿己16-17 煤层，以碎粒型焦煤为主，煤样采集后加工成直径和长度均为50 mm 的圆柱状试样，并置于75 ℃的干燥箱中干燥后备用。试验选取结晶水合盐Na2HPO4·7H2O 为相变蓄热材料，该材料熔点较低，在45～48 ℃之间，且常温下不与空气和煤体发生反应；该材料在升温过程中可逐渐熔化为透明状液态，并通过固态转变为液态储存蓄积热量，而在降温过程中，材料可由液态逐渐结晶固化为固态，产生体积膨胀力，并释放所蓄积的热量，进而可使煤体增透过程保持在一定的热环境中，达到煤体热处理环境下膨胀增透的目的。

1.2 试验步骤

对煤样在室温下进行瓦斯渗透率测试试验，试验条件为围压2 MPa、轴压2 MPa；测试结束后，分别将盛有相变蓄热材料的容器和煤样置于恒温箱中加热，使相变蓄热材料升温达到预设温度并转变为液态，待材料完全受热液化后，将煤样置于液态相变材料中浸润，并间隔若干时间后不断取出称重，使煤样的含液率达到饱和含液率的百分比预设值，然后将煤样从相变蓄热溶液中取出，用铝箔纸包裹密封并置于20 ℃的恒温箱中降温2 h，使相变蓄热材料逐渐结晶固化，进行煤体相变蓄热增透试验；并根据试验条件中的相变次数，重复循环调节恒温箱中的温度，进行1 次或多次相变蓄热增透试验，待煤体增透试验结束后，取出煤样并干燥，在相同围压和轴压下，再次进行煤体瓦斯渗流试验，并记录渗透率测试试验结果。煤体增透试验预设条件见表1。

表1 煤体增透试验预设条件Table 1 Preset conditions for coal permeability enhancement test

2 不同因素对煤体相变蓄热增透效应的影响

2.1 相变初始温度对煤体渗透率的影响

相变蓄热环境的初始温度对煤体增透效应具有影响作用，相变初始温度越高，蓄热材料所蓄积和释放的总热量则越大，可以有效影响煤体热处理增透的实际效果。为研究相变蓄热初始温度对煤体增透效果的影响，根据试验条件1（表1），分别在相变初始温度55、65、75 ℃的环境下，对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组共9 个煤样进行了煤体增透试验，不同相变温度下煤体渗透率增幅对比如图1。

图1 不同相变温度下煤体渗透率增幅对比Fig.1 Comparison of coal permeability increase at different phase transition temperatures

由图1 可知：当相变蓄热初始温度为55 ℃时，煤体渗透率增幅较小，在65.33%～111.33%之间，平均增幅为82.64%，而随着相变初始温度的增高，煤体渗透率增幅逐渐增大；当相变初始温度达到75 ℃时，煤体渗透率增幅增大至139.86%～193.00%，平均增幅增大至165.41%。研究结果表面，相变蓄热的初始环境温度越高，增透环境的总热量越大，可以更有效地使煤体骨架产生热膨胀，促进煤体内部孔隙结构的扩展，且整体上，煤体渗透率增幅随相变初始温度的增加呈线性增长趋势。

2.2 煤体含液率对渗透率的影响

在相变蓄热增透煤体的过程中，煤样含液率的大小可以直接影响相变材料结晶固化膨胀力的大小，是决定煤体增透效果的主要作用。为了分析煤样含液率对增透效果的影响，根据试验条件2，在Ⅰ组煤样20%含液率的基础上，增设了含液率为40%和60%的2 组煤样（表1），并进行了增透试验，不同含液率煤体渗透率变化规律如图2。

图2 不同含液率煤体渗透率变化规律Fig.2 Change law of coal permeability with different liquid contents

由图2 可知：相较于Ⅰ组煤样，当煤样含液率从20%增至40%时，Ⅳ组煤样的渗透率增幅明显，平均增幅由82.64%增至180.81%；而当煤体含液率增至60%时，Ⅴ组煤样的渗透率显著增大，渗透率平均增幅达到494.86%，最大可增至556.04%。整体上，煤体渗透率随煤体相变材料含液率的增加呈指数型增长，相关变化规律表明，当煤体相变蓄热材料含液率较高时，煤体内部因材料结晶固化所引起的体积膨胀力增强，进而使煤体内部孔裂隙结构有效扩展，煤体的增透效应显著提高。

2.3 相变次数对煤体渗透率的影响

通过试验温度的循环调节，煤体内的相变蓄热材料可以反复结晶固化，进而实现相变蓄热的循环以及对煤体增透作用的累加，因此，相变次数的大小对煤体的增透效应具有重要影响。为分析相变蓄热次数对煤体渗透率的影响，在Ⅰ组煤样相变次数为1 的基础上，按照试验条件3（表1），分别增设相变次数为4 次、7 次、10 次的Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ组煤样共9个，并测定了增透试验前后煤样的瓦斯渗透率，不同相变次数作用下煤体渗透率变化图3。

图3 不同相变次数作用下煤体渗透率变化Fig.3 Changes of coal permeability under different phase transition times

由图3 可知：相变次数由1 次升至4 次时，煤样渗透率增幅较小，平均值由82.64%增至139.52%；而当相变达到7 次时，渗透率增幅较大，平均值为333.41%，最高值可增至381.06%；整体上相变次数由1 次增至7 次时，煤体渗透率增幅呈指数形式增长；但是，当相变次数继续增至10 次的过程中，煤体渗透率增幅趋于平缓，平均值仅由333.41%增至385.81%，最大值仅由381.06%增至406.92%。研究结果表明，随着相变蓄热次数的增加，循环的相变蓄热作用可以实现煤体裂隙结构的开放和增透效应的累积增加，进而使煤体渗透率呈指数型增长，但当相变蓄热的循环次数增高至一定值时，相变蓄热的增透作用显著减小，煤体渗透率的增幅趋于稳定。

2.4 煤体破碎程度对渗透率的影响

煤体的破碎程度是影响煤体增透效果的重要因素，在相同的煤体增透条件下，不同破碎程度的煤体，因其煤体致裂强度和内部裂隙结构的不同，相变蓄热增透的效果会有较大差异。为研究煤体破碎程度对相变蓄热增透作用的影响，根据试验条件4（表1），对Ⅸ、Ⅹ组共6 个不同破碎程度的煤样进行了增透试验和瓦斯渗流试验，不同破碎程度煤体增透后渗透率分布区间如图4。

图4 不同破碎程度煤体增透后渗透率分布区间Fig.4 Coal permeability distribution interval with different crushing degrees after enhancement

由图4 可知：2 组煤样均以碎粒煤为主，第Ⅹ组煤样的坚固性系数f 值在0.19～0.27 之间，破碎程度较第Ⅸ组煤样高，通过相变蓄热的增透作用后，第Ⅹ组煤样渗透率增幅也较大，平均值为234.46%，最大增幅达到271.79%，均显著大于Ⅸ组煤样的渗透率增幅。研究表明，在相同条件下，破碎程度高的煤体在相变蓄热作用下，煤体增透效应较高；但在增透后，Ⅸ组煤样渗透率增大至2.36×10-16～3.30×10-16m2之间，Ⅹ组煤样在2.08×10-16～3.54×10-16m2之间，2 组煤样增透后的渗透率差值较小，整体稳定在一定区间内，该规律表明Ⅸ组煤样的渗透率增幅较高，主要与煤体初始渗透率较低相关，而当相变蓄热的增透条件相同时，煤体破碎程度对煤体致裂增透的最终效应影响不显著。

3 结 论

1）相变蓄热环境的初始温度越高，煤体增透环境所蓄积和释放的总热量则越大，进可使煤体骨架产生的热膨胀增强，增加煤体增透的效果，且煤体渗透率增幅随相变初始温度的增加呈线性增长趋势。

2）含液率是影响相变蓄热作用下煤体增透效果的重要影响，随着煤体含液率的增加，相变材料结晶固化所引起的体积膨胀力增强，煤体内部孔裂隙结构有效扩展，造成煤体渗透率增幅随煤体含液率的增加呈指数型增长。

3）相变蓄热次数对煤体增透的影响作用显著，循环的相变蓄热作用可以使煤体的致裂效应有效累积增加，进而使煤体渗透率增幅在一定范围内随相变次数的增加呈指数型增长，但是当相变蓄热的循环次数增高至一定值后，煤体增透效应逐渐减小，煤体渗透率增幅趋于稳定。

4）在相变蓄热作用下，破碎程度高的煤体增透效应显著，煤体渗透率增幅较大，其主要与煤体初始渗透率较低密切相关；而当相变蓄热的增透条件相同时，破碎程度对煤体增透最终效应的影响不显著。