三轴应力下超临界水对寺河矿无烟煤渗流与变形特性的影响规律研究

武群杰，冯子军，张 超，赵阳升

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学 原位改性教育部重点实验室，山西 太原 030024)

我国煤炭储量丰富，但愈加严格的环保规制，对煤炭资源的清洁开采提出了更高的要求。目前，国内外学者在研究在智能绿色矿山，煤层气开采和煤炭地下气化和等重大工程中，对煤的渗流和变形特性作了大量的研究，温度和压力是影响煤体的渗流和变形特性的重要因素。

相关学者在这方面进行了取得了斐然的成果。胡雄[1]等研究了45～250 ℃与3.45～24.14 MPa围压下对原煤、型煤渗透特性影响，认为在高围压作用下，煤体孔隙结构会发生塑性变形，煤样更易被压缩，孔隙度、渗透率下降更加明显，且在高围压和高温度耦合作用下难以测得渗透率。但该研究温度不足以使煤体发生明显热解。李亚军[2]等研究了褐煤在常温至600 ℃下热解过程中渗透性，认为褐煤高温热解经历3个阶段，常温至300 ℃完全渗透段，300～500 ℃渗透下降段，500～600 ℃重新增加段，该实验通过CT实时扫描褐煤热解的微细观结构，但其没有考虑固液耦合作用对渗透性的影响。冯子军[3]等研究了热力耦合作用下无烟煤变形过程中的渗透特性，并将其分为三个阶段，体积膨胀阶段、缓慢压缩阶段和剧烈压缩阶段。并得出结论，在缓慢压缩阶段煤体的体积应变与渗透率呈线性关系规律；在剧烈压缩阶段二者表现为指数变化规律，该实验在干燥条件下进行，并没有考虑水的影响。

可以看出，绝大部分工作在干燥干馏或过热水蒸气环境下进行，而超临界水环境对原岩应力状态下的煤体渗流和变形特性的影响规律研究鲜见报道。水是目前自然界最常见的一种天然绿色介质，常应用于工程实践中。尤其在超临界态下，表现出氢键强度减弱[4，5]、极性降低、扩散系数高、溶解有机物能力强[6，7]等特性。目前，超临界水环境下有关煤的研究主要是在化工领域内进行，麻省理工学院的Modell[8]于1978年提出煤炭超临界水气化技术，由于煤炭超临界水气化技术清洁特性且气化效率高[9]，受到越来越多的关注。许多专家学者对煤炭超临界水气化技术进行了大量研究，以探讨温度[10]、压力[11]、催化剂[12]、停留时间[13]等因素对气化效率的影响。将煤炭超临界水处理技术和原位改性采矿技术相结合，利用超临界水的特性，研究煤层的原位超临界水环境下改性的渗流和变形特性，为后续的采矿工程创造更有利的环境条件。因此，本文利用自主研制的伺服控制多功能三轴岩石试验机，研究了无烟煤∅25 mm×50 mm在超临界水环境下渗流和变形特性演化规律。

1 试验系统与方法

1.1 试验煤样

试验所采用的煤样取自山西晋城寺河矿3#煤层的无烟煤(下文中无烟煤均指寺河矿无烟煤)。利用砂线切割机将大块无烟煤样加工成∅25 mm×50 mm试样，试样高度方向为垂直层理方向，然后将试样在105 ℃下烘干2 h。

1.2 试验系统

试验系统如图1所示，框架为太原理工大学原位改性教育部重点实验室自主研制的伺服控制多功能高温三轴岩石力学试验机IMT-HTP-100F[14]，高温三轴压力釜根据试验内容重新设计加工，只用于施加轴压，试样侧向不再单独施加围压。整个系统包括高温三轴压力室、压力加载与控制系统、应力应变测量系统、加热系统、温度控制与采集系统等。

图1 试验系统(mm)

由于煤样在超临界下变形较大，超临界渗流测试较难达到高温条件，因此，根据岩石力学中自重应力的金尼克假说和海姆假说，高温三轴压力釜腔体内径与试样尺寸一致，即25 mm。当仅对试样施加轴压时，根据金尼克假说，试样发生轴向变形时，也产生侧向变形，但侧向受到相邻地层的约束，将产生一定的侧向应力，即式(1)所示：

式中，σx，σz分别为第一水平自重应力、第二水平自重应力和垂直自重应力；μ为岩层的泊松比。垂直自重应力为岩层的容重γ与埋深H的乘积，即：

σz=γH

(2)

常温下，煤处于弹性状态，泊松比一般小于0.5。在高温状态下，煤由于热解将发生软化，可认为是塑性体，泊松比接近0.5，此时，式(1)变为式(3)，即：

σx=σy=σz

(3)

式(3)就是著名的自重应力场的海姆假说。当煤样处于塑性状态时，可以认为施加轴压后，侧向也将产生与轴向相同的应力，即试样处于三向等压状态。本试验中，试样受亚临界水或超临界水的作用，温度范围365～435 ℃，认为煤样处于塑性状态，受三向等压作用，因此可认为试样在釜体中处于三轴应力状态。

1.3 试验方法与步骤

超临界水的临界点温度和压力条件为374.3 ℃和22.05 MPa，二者同时满足。超临界水具有许多独特的性质，如可与煤、纤维素等有机物反应生成高热值气体，几乎不生成炭或焦炭等副产品。因此，本研究拟采用柱状煤样研究在原位状态下煤与超临界水相互作用过程中的渗流特性，设置低于临界点373.3 ℃的365 ℃亚临界态水和高于临界点373.3 ℃的400 ℃以及435 ℃超临界态水进行试验研究，注水压力则统一为27 MPa高于临界点的22.05 MPa。在对煤进行高温渗流试验前，先采用相同尺寸(∅25 mm×50 mm)花岗岩试样，进行渗透率测量，以检测该试验方法进行渗流测量的可行性。对花岗岩施加224 MPa轴压，并保压1 h后，连接渗透测量系统，以水作为渗流介质，采用稳态法进行室温下花岗岩渗透率测量。室温下，花岗岩渗透率测量结果为1.14×10-13mm2，极低，说明该方法可靠。并按照以下步骤进行无烟煤的高温渗流试验：

1)试验前，对试样各表面拍摄照片记录试验前试样的初始形态，用游标卡尺测量试样的直径、长度测量多次，并精确称重。

2)按照试验机操作规程将试样装入高温三轴岩石力学试验机中，并施加32 MPa轴压，保压1 h后，对相关管路进行气密检查。

3)连接渗透测量系统，以水作为渗流介质，采用稳态法进行室温下煤样渗透率测量。

4)利用自动跟踪泵从试样的上下两端向压力釜内注入27 MPa的水，并保持该压力不变。

5)启动加热系统，将煤样(1#试样)加热至365 ℃，然后保温保压70 h，进行充分热解。加热与保温过程中自动监测试样的轴向变形。

6)热解结束后，停止加热，并自然冷却至室温，测量煤样渗透率。利用自动跟踪泵，从试样的一端施加一定的水压，另一端打开，通过测量单位时间内流出的水量计算365 ℃高温高压水作用后煤的渗透率。

7)渗透率测量完毕后，将试样拆卸，然后安装新的试样，重复步骤2)—6)，不同的是，新煤样(2#试样)加热至400 ℃。再次重复步骤2)—6)，进行435 ℃煤样(3#试样)的测试。

此外，为了对比超临界水环境与超临界干馏条件下煤的热解渗流特征的差异性，利用4#煤样进行干馏条件下的热解渗流试验。4#煤样试验温度为435 ℃、轴压32 MPa，渗透率测量方法同步骤6)。

2 超临界水作用下无烟煤的渗流与变形特性

2.1 超临界水作用后无烟煤渗透率的变化规律

渗透率计算方法见式(4)：

式中，K为煤体的渗透率，mm2；Q为流经煤体的流量，cm3/s；μ为流体的黏度，Pa·s；L为流过煤体的长度，cm；A为流过煤体的横截面积，cm2；t为流过煤体的时间，s；Δp为煤体两端的压差。试验结果见表1。

表1 超临界水处理前后无烟煤的渗透率对比10-12mm2

由表1可知，三轴应力下的无烟煤，在亚临界和超临界水环境下整体渗透率相比原煤呈现下降趋势，而干馏状态下的无烟煤则是上升趋势。同一样品在不同渗透压下，随之渗透压的提高，所有样品的渗透率均略有下降，但降幅很低，由于液体不会产生滑脱效应[15]，推测是由于水的黏度在高压情况下产生细微变化所致，影响甚小。因此在所有实验的样本中，重点分析1 MPa渗透压下，高温高压水处理后无烟煤相比原煤状态下的渗透率变化，365 ℃下亚临界水环境处理70 h过后的无烟煤的渗透率则相比原煤状态下有显著降低约56.75%，下降幅度低于400、435 ℃下的样本。而400、435 ℃超临界水环境处理下无烟煤的渗透率，皆明显低于其他条件下测得的渗透率，与作为参照的原煤相比下降了约96.93%和94.99%，其中435 ℃处理后的渗透率高于400 ℃的渗透率。由表可以看出，无烟煤试样的渗透率在常温原煤、365、400和435 ℃下整体的变化趋势为先快速降低再略微升高。而干馏条件下，无烟煤的渗透率与原煤相比则呈现上升趋势，约上升了78.84%。

结合注高温高压水观察到的试验现象可将渗透率的变化分为三个阶段：

第一阶段为热膨胀闭合阶段，在由常温升至250 ℃的过程中，煤体产生以热膨胀为主导的变化，孔隙中吸附的气体开始逸散，煤体的孔隙裂隙开始扩张，且发生热破裂，水在27 MPa的压力下被注入到煤体中由孔隙裂隙组成的渗流通道中，但随着温度的升高，在釜体内壁侧向约束的限制作用下，煤体的热膨胀无法向各向自由发展，只能在轴向方向上发生形变，同时挤压煤体内部的孔隙裂隙，内部水分挤出煤体，导致渗流通道被闭合，高压水流无法通过，流量为0 cm3/s，渗流现象消失。

第二阶段为渗流热解阶段，在250 ℃之后煤体的渗流通道完全闭合后，温度持续上升到达试验目标温度，在这过程中，煤基质发生热解反应，煤在超临界水环境中发生复杂多元的气化反应，则由此会逐渐生成孔隙和裂隙，这些孔隙裂隙结构，为高压流体的注入提供了通道，而且水携带油气在产气过程中会显著拓宽裂隙空间，增大煤体内部的渗流范围，反应釜出口处有气体产出，反应釜出口压力缓慢上升，而入口压力在恒压单缸泵的控制下，维持在27 MPa。一段时间后，在超临界水环境下煤体内部复杂的物性变化和气化反应作用下，导致孔隙裂隙通道连通，贯穿煤体，渗流通道打开，高压水流流量增大，注通煤体，渗流现象恢复。

第三阶段为稳定渗流阶段，随着注水时间的增加，煤体在超临界水环境下反应时间增长，渗流范围全方位扩展，反应范围也随之扩展，在THMC多场耦合作用下，随着温度的提高，反应时间增长，煤的反应转化率趋近于峰值，煤体基质软化，塑性增强，裂隙逐渐闭合，各向异性减弱，煤体渗流现象由孔隙裂隙双重结构主导，转变为孔隙结构主导，水流量降低，最终趋于稳定。

试验结束后，从反应釜中取出的样品呈现均质煤泥状，烘干后为酥碎的小颗粒。

2.2 超临界水作用下无烟煤的热变形特征

以煤体膨胀变形为负，压缩变形为正，获得不同温度下无烟煤的轴向变形规律，如图2所示。

图2 超临界水及亚临界水作用下无烟煤的热变形特征

由图2可以看出，在超临界水及亚临界水作用下无烟煤的热变形特征趋势具有相同的特性，总体呈现升温快速热膨胀变形，到达目标温度后开始保温保压，轴向应变稳定并持续一段时间直到渗流恢复，渗流恢复同时发生剧烈轴向压缩变形，随着时间的延长，轴向压缩变形趋势变平缓，判定反应结束，开始降温，发生进一步冷却压缩，最后到达稳定阶段。不同温度条件下，渗流恢复时间不同，最终的轴向应变也不同，365、400、435 ℃处理后的最终的轴向应变约为0.06、0.11和0.16。在干馏条件下的热变形特征则呈现不同的趋势，升温前期呈现热膨胀现象，而在300和430 ℃出现了剧烈压缩变形，最终稳定，实验进度快于注水条件，与同为435 ℃的超临界水条件相比，最终轴向变形降低了0.4约为0.12左右，可知超临界水环境下无烟煤的热变形更加明显。结合观察到的实验现象可将三轴应力下无烟煤的热变形特征分为四个阶段并于图2中标出(435 ℃干馏不具备该阶段)：

第一阶段为快速热膨胀阶段a，在常温～250 ℃时，随着温度上升，煤体发生快速热膨胀，煤中的吸附气体解吸，结合水析出，煤上形成了许多微裂纹，但在应力和热膨胀双重作用下，煤样原有的开放节理面和新的微裂纹逐渐闭合，渗流通道关闭，渗流现象消失。

第二阶段为缓慢热膨胀阶段b，在250 ℃到试验目标温度范围内，煤体呈现缓慢热膨胀，这与干馏情况下无烟煤的热变形规律不同，试验得出无烟煤在干馏作用下300 ℃和430 ℃出现了剧烈压缩变形，推测是由于压力机轴向压力为30 MPa，而注水压力是27 MPa，水压抵消了部分压力机压头作用于煤体端面的轴向压力，使得煤体纵向约束减弱，且煤体自250 ℃开始处于压实状态，使得膨胀方向只能沿轴向发展，两者共同作用下煤体热膨胀现象更加明显，该现象直至煤体达到试验目标温度后不再显著，在此阶段煤体依然闭合，不存在渗流现象。

第三阶段为热解压缩阶段c，通过维持试验目标温度，在THMC多场耦合作用下，一段时间后，煤体的渗流通道再次被打开，高压水流再次注入煤体中，煤体轴向应变呈指数级增加，煤体开始剧烈轴向压缩变形，在这个阶段，煤体的承重结构逐渐被破坏，煤体产生塑性屈服，内部裂隙结构消失。且随着反应时间的增加，高压水渗流流量变低，最终趋于稳定，而轴向变形在水流量稳定后，依然会继续压缩，但压缩变形趋势变缓，最后到达稳定阶段。

第四阶段为变形稳定阶段d，在轴向变形趋于稳定后，维持一段时间，轴向变形不再变化，注水流量稳定不变，且无气体产出，判定为热解气化反应基本结束，开始降温，降温过程中，煤体的轴向变形进一步压缩，直至常温，轴向变形再次趋于稳定。

通过对不同温度下的每个阶段进行整理，可得轴向应变与温度和时间关联的定量数据见表2。

表2 超临界水及亚临界水作用下不同阶段轴向应变量

2.3 不同温度对煤体渗流恢复时间的影响

在轴向压力作用下，由于釜壁横向约束和煤体热膨胀的影响，煤体内部空间挤占殆尽，样本普遍表现在250 ℃时渗流闭合，在快速升温过程中，闭合现象依然存在，在达到目标温度后，通过延长保温保压时间，在物性变化和化学反应的作用下，渗流现象得以恢复，其时间点表3。

表3 不同温度下的渗流现象消失和恢复时间点

由表3可见，因为在温控箱控制下升温速率是一致的，所以渗流现象消失时间点相近，而渗流现象恢复的时间点，则表现在温度越高，渗流恢复所需的时间更短，从400 ℃到435 ℃所需时间减少了约4.73 h，而从365 ℃到400 ℃则减少了18.96 h，幅度更大，推测原因是在365 ℃向400 ℃升温过程中，水的温度超越了临界点，而超临界水环境下这时的气化反应性增强[16]，且由于超临界水的均相特性，产生的气体可以以任意比例溶于超临界水中，因此不存在气液二相流[17，18]，气化反应是复杂多元的，其中热解、水解、萃取和液化为主导的非均相途径，可以断开煤体中的弱键，产生许多较小的碎片分子，并抑制碎片分子再度聚集[19]。而以重整，水气变换反应和甲烷化反应为主导的均相途径[20]，则会产生大量的气体[21]，超临界水裹挟气化产物在煤体中运移，则会拓宽煤中的裂隙结构，最终促使煤体的渗透率提高。随着温度的提高，超临界水氢键强度减弱、极性降低、扩散系数高、溶解有机物能力强的特性进一步加强，气化反应速率提高，减少了反应时间，煤体的孔隙裂隙结构发育加速，渗流恢复时间大幅减少。

3 结 论

1)在不同温度的高压注水条件下，365、400、435 ℃的渗透率分别比常温情况下降了56.75%、96.93%、94.99%，整体的变化趋势为先快速降低再略微升高。

2)煤体普遍表现在升温至250 ℃时渗流通道闭合，到达试验目标温度后，通过长时间注高温高压水，渗流现象会再次恢复，在365、400、435 ℃的亚临界和超临界水注水条件下，恢复时间约43.5、24.54、19.81 h，温度越高，渗流恢复越快。

3)渗流现象恢复后，煤体会发生剧烈轴向压缩变形，在365 ℃、400 ℃和435 ℃的亚临界和超临界水注水条件下，最终轴向应变约为0.06、0.11和0.16，并随着反应时间延长，轴向压缩变形趋于稳定。

4)该试验研究中由于设备限制，无法完整取出试样，对煤体进行微观层面裂隙孔隙结构分析；且温度范围较为局限，期望后期能改进设备，以更高温度和压力范围进行试验；同时对多产地无烟煤进行试验以期获得更具有普适性的结论。