采用無(wú)機(jī)酸化增透技術(shù)的煤結(jié)構(gòu)損傷及應(yīng)用

牛蕓蕓，楊曉國(guó)，張 亮，郝 軍

（1. 山西工商學(xué)院 建筑工程學(xué)院，山西 太原 030006；2. 山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司 總工程師辦公室， 山西 長(zhǎng)治 046103；3. 山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司 安全環(huán)保部，山東 德州 251100）

0 引言

中國(guó)高瓦斯礦井的采煤層普遍為低滲透性煤層，瓦斯難以抽采是造成瓦斯突出與爆炸等安全事故的主要原因[1].煤與瓦斯共采是解決煤礦瓦斯突出問(wèn)題及收集環(huán)保能源的雙贏技術(shù)，而提高煤層滲透性是破解這一難題的主要途徑[2].

現(xiàn)有的方法主要采用鉆孔卸壓、水力壓裂、水力爆破等，但需要在特定條件下使用[3]，很難達(dá)到煤層強(qiáng)化增透的目標(biāo).無(wú)機(jī)酸化壓裂是利用無(wú)機(jī)酸液配合水力壓裂增加煤層滲透性的一種技術(shù)，能夠提高瓦斯抽采效率，增加煤層瓦斯的抽采量.其本質(zhì)是通過(guò)無(wú)機(jī)酸液改變煤體結(jié)構(gòu)，有效溶解腐蝕煤層顆?？紫堕g的礦物質(zhì)，增大煤顆粒間的孔隙，擴(kuò)孔并形成多個(gè)氣孔通道，使氣體更容易釋放[4].近年眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了較深入研究，并取得一定研究成果.李小剛等[5]分析了影響酸蝕實(shí)際效果的主要參數(shù)，探究了酸蝕縫隙的導(dǎo)流能力和酸蝕作用之間的合理距離.MOU J[6]探索了酸化壓裂和酸液遷移的全過(guò)程中的隨機(jī)性，并驗(yàn)證了酸化壓裂的實(shí)際增透效果.ZHOU Z等[7]在提高壓裂液黏度的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，為酸化壓裂液開(kāi)發(fā)了新的配方，實(shí)際效果顯著提高.

現(xiàn)有的研究側(cè)重于酸化壓裂液體系的應(yīng)用效果考察[8]，對(duì)無(wú)機(jī)酸液作為壓裂主液的增透機(jī)理研究較少.本文選用黃陵二號(hào)礦原煤，制備無(wú)機(jī)酸液體系，進(jìn)行單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)試酸化前后的受力載荷和應(yīng)變性能，通過(guò)掃描電子顯微鏡分析酸化前后煤樣表面形貌的變化，分析酸化作用下煤層孔裂隙損傷效果和損傷機(jī)理，探究煤體損傷對(duì)煤層氣抽采的影響因素，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用.

1 損傷實(shí)驗(yàn)

1.1 煤樣制備

原煤選自黃陵二號(hào)礦，所選煤層為低滲透性煤層.根據(jù)《煤樣的制備方法》（GB474-2008），原煤從煤層中揭露之后以密封方式保存至實(shí)驗(yàn)室.為了避免煤樣的差異產(chǎn)生不確定的影響因素，所有煤樣都在同一塊煤中選取，制備Φ50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，編號(hào)為0#、1#、2#.

1.2 無(wú)機(jī)酸浸實(shí)驗(yàn)

選用濃鹽酸、氫氟酸分別制備2組溶液：?jiǎn)我粺o(wú)機(jī)酸溶液A（ω（HCl）= 8%）和復(fù)合無(wú)機(jī)酸溶液B(ω（HCl）= 8%；ω（HF）= 8%).將制備好的酸性溶液采用特氟龍惰性塑料瓶?jī)?chǔ)存. 將0#煤樣放入水溶液中浸泡8 h，1#煤樣、2#煤樣分別放入溶液A、溶液B中酸浸8 h，取出后沖洗并擦干水分備用.

1.3 單軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)

將0#煤樣、1#煤樣和2#煤樣放在RLJW-2000微機(jī)控制巖石三軸、剪切蠕變實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖1.煤樣所受的力載荷和應(yīng)變數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，計(jì)算得出應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù).

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 procedure of experiment

1.4 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

制備尺寸為1 cm×1 cm×1 cm的0#煤樣、1#煤樣、2#煤樣，在其表面噴涂金粉，采用Quanta TM 250掃描電子顯微鏡進(jìn)行表面孔隙特征及煤基質(zhì)形態(tài)觀察.

2 討論與分析

2.1 無(wú)機(jī)酸化機(jī)理討論

無(wú)機(jī)酸化壓裂是一種基于水力壓裂，選用無(wú)機(jī)酸性液體代替其他壓裂液的增透技術(shù).具有水力壓裂的裂縫擴(kuò)展、延伸和連通能力，而且可以酸化礦石和溶解礦物質(zhì)[9].

隨著煤體酸化的進(jìn)行，煤中裂隙的堵塞物會(huì)溶解或腐蝕，在裂隙孔周圍和裂縫中延伸形成大量縫隙，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，促進(jìn)壓裂過(guò)程中裂縫的擴(kuò)展，將進(jìn)一步改善煤介質(zhì)中間隙的連通性.另外，酸化的整個(gè)過(guò)程將對(duì)煤體介質(zhì)造成有機(jī)化學(xué)損害，煤體的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，煤斷裂所受的壓力和延伸壓力將減小.在相同的施工壓力條件下，裂隙擴(kuò)展范圍的增大，促進(jìn)了斷裂的發(fā)生和擴(kuò)展.從壓裂對(duì)酸化的影響作用來(lái)看，壓裂過(guò)程中產(chǎn)生的縫隙是酸液進(jìn)入煤體極好的通道.與其他煤體的比較，在非壓裂標(biāo)準(zhǔn)下的酸化范圍將大大增加，壓裂為酸化提供導(dǎo)向和載體的作用.在保持水力壓裂和酸化對(duì)提高煤層滲透性的基礎(chǔ)上，提高了煤層的連通性，改善了煤體中裂隙網(wǎng)絡(luò)的酸化影響范圍.

2.2 無(wú)機(jī)酸化煤體力學(xué)特性損傷分析

由于煤巖內(nèi)部存在孔隙和裂隙，增大煤巖的比表面積，同時(shí)使毛細(xì)管作用突出.在毛細(xì)管效應(yīng)的影響下，酸化壓裂液能侵入煤的孔裂隙中，減弱煤中分子間的范德華力等作用力.在成煤階段一部分無(wú)機(jī)礦物和黏土成分會(huì)填充在煤巖孔裂隙中，黏土成分遇水溶液會(huì)產(chǎn)生脹大現(xiàn)象，而無(wú)機(jī)鹽礦物則會(huì)與酸性壓裂液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[9].

鹽酸與方解石、赤鐵礦和黃鐵礦發(fā)生反應(yīng)，生成物全部溶于水.

方解石：CaCO3+ 2HCl→CaCl2+ CO2↑+ H2O .

赤鐵礦：Fe2O3+ 6HCl→2FeCl3+ 3H2O .

黃鐵礦：FeS2+ 2HCl→FeCl2+ H2S↑+ S↓.

氫氟酸與煤巖中的石英、長(zhǎng)石和蒙脫石發(fā)生反應(yīng)，受酸化壓力反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征控制.

石英：4HF + SiO2→SiF4+ 2H2O .

鈉長(zhǎng)石：NaAlSi3O8+ 14HF + 2H+→Na++ AlF2++ 3SiF4+ 8H2O .

蒙脫石：Al4Si8O20(OH)4+ 40HF + 4H+→4AlF2+ + 8SiF4+ 24H2O .

酸化處理后煤樣內(nèi)部礦物形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，煤中方解石等礦物在酸化反應(yīng)后部分會(huì)生成氣體和溶于水的無(wú)機(jī)鹽，同時(shí)三價(jià)鐵離子使溶液呈現(xiàn)為黃褐色，大部分產(chǎn)物會(huì)隨溶液排出，造成煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)損傷，降低煤樣強(qiáng)度. 煤樣經(jīng)過(guò)不同溶液浸泡后的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2.

圖2 不同溶液處理之后的應(yīng)力應(yīng)變曲線 Fig.2 stress-strain trends after treatment with different solutions

由圖2可知，單軸壓縮下煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為3個(gè)階段，即裂隙閉合階段、彈性階段和裂隙擴(kuò)展階段.酸化侵蝕后，煤樣中的無(wú)機(jī)鹽礦物和黏土礦物溶蝕形成更多的孔裂隙，因此，煤樣裂隙閉合階段的應(yīng)變量呈增加趨勢(shì).同時(shí)，酸化后煤體骨架被破壞，減少了彈性階段的應(yīng)變量，2#煤樣經(jīng)過(guò)復(fù)合無(wú)機(jī)酸液溶蝕，其彈性應(yīng)變量占總應(yīng)變量的比例最小.在裂隙擴(kuò)展階段，酸化侵蝕后形成的不貫通裂隙使得煤樣具有了二次承壓能力，應(yīng)變能短暫釋放，出現(xiàn)應(yīng)力降低后再次增大的現(xiàn)象.由此說(shuō)明，酸化處理可以改變煤樣的力學(xué)性質(zhì)，三組煤樣的峰值應(yīng)力分別為9.63 MPa、9.23 MPa和9.00 MPa，即0#煤樣強(qiáng)度＞1#煤樣強(qiáng)度＞2#煤樣強(qiáng)度，可以得出，經(jīng)過(guò)溶液B酸化后煤樣強(qiáng)度最低，煤樣產(chǎn)生裂隙所受的峰值應(yīng)力最低，表明復(fù)合無(wú)機(jī)酸液對(duì)破壞煤體結(jié)構(gòu)具有積極作用.

2.3 無(wú)機(jī)酸化煤樣表面微觀形態(tài)損傷分析

基于無(wú)機(jī)酸液酸浸實(shí)驗(yàn)，采用掃描電子顯微鏡觀察不同溶液處理前后煤樣表面的微觀孔隙形態(tài)，見(jiàn)圖3.

圖3 不同溶液處理后煤樣的掃描電鏡圖像Fig.3 SEM of coal samples treated with different solutions

由圖3（a）可知，被水溶液處理的0#煤樣孔隙內(nèi)嵌有大量礦物質(zhì)，裂隙邊緣鋒利.經(jīng)過(guò)酸化處理后，煤中嵌入的碳酸鹽、硫酸鹽或其他可溶性成分被溶蝕，溶蝕孔隙邊界形狀呈單一的橢圓形，見(jiàn)圖3（b）～圖3（d）.溶解孔隙的出現(xiàn)有利于促進(jìn)煤層氣的滲流.酸化處理后煤樣出現(xiàn)了大量的二次裂隙，為裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性提供了條件.圖3（d）中，煤基質(zhì)收縮效應(yīng)及蜂窩狀孔隙的出現(xiàn)對(duì)煤層滲透性有影響，會(huì)引起裂隙滲透率變化，經(jīng)過(guò)溶液B酸化處理后，形成的溶解孔及煤基質(zhì)的收縮會(huì)促進(jìn)煤中吸附煤層氣的解吸，提高煤層氣的滲透效率.

3 無(wú)機(jī)酸化壓裂增透現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，將HCl/HF復(fù)合無(wú)機(jī)酸壓裂液在陜西黃陵二號(hào)礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性應(yīng)用研究.

3.1 試驗(yàn)工作面概況

工作面地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為近水平煤層，平均傾角0.5°，工作面有小構(gòu)造，對(duì)工作面回采影響程度較低.

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

通過(guò)考察并依據(jù)巷道的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)2組復(fù)合無(wú)機(jī)酸化壓裂孔（Y1、Y2）、3組導(dǎo)向孔（D1、D2、D3）、3組普通預(yù)抽孔（1#、2#、3#）進(jìn)行對(duì)比.鉆孔布置見(jiàn)圖4，第1組設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔與壓裂孔的間距為2 m，第2組設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔與壓裂孔的間距為4 m，普通預(yù)抽孔的間距分別為2 m和4 m.

圖4 鉆孔布置Fig.4 drilling layout

采用Ф94 mm鉆頭，垂直巷幫施工鉆孔，酸化壓裂孔與導(dǎo)向孔參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 無(wú)機(jī)酸化壓裂孔與導(dǎo)向孔參數(shù)Tab.1 parameters of inorganic acid fracturing holes and pilot holes

3.3 無(wú)機(jī)酸化壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工

在回風(fēng)巷進(jìn)行無(wú)機(jī)酸化壓裂工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)無(wú)機(jī)酸化壓裂鉆孔2個(gè)，每個(gè)壓裂孔配備兩組導(dǎo)向孔，利用具有良好封孔效果的“兩堵一注”封孔技術(shù)對(duì)鉆孔封孔.單孔壓裂時(shí)間為110 min左右，峰值壓力為12 MPa，壓裂情況見(jiàn)表2.

表2 無(wú)機(jī)酸化壓裂孔壓裂情況Tab.2 information about the fracturing situation of inorganic acid fracturing holes

壓裂結(jié)束后，導(dǎo)向孔聯(lián)入抽放管路進(jìn)行瓦斯抽采.壓裂孔放水后，聯(lián)入抽放管路進(jìn)行瓦斯抽采.

3.4 無(wú)機(jī)酸化壓裂現(xiàn)場(chǎng)效果檢驗(yàn)

通過(guò)瓦斯抽放濃度（體積分?jǐn)?shù)）和抽放流量來(lái)檢驗(yàn)無(wú)機(jī)酸化壓裂施工效果.自無(wú)機(jī)酸化壓裂放水2 d后開(kāi)始對(duì)瓦斯抽放濃度和抽放流量進(jìn)行監(jiān)測(cè).根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)方案，每個(gè)孔壓裂完成48 h后放水卸壓，卸壓完成后進(jìn)行瓦斯抽采，將無(wú)機(jī)酸化壓裂孔與普通壓裂孔進(jìn)行對(duì)比，考察無(wú)機(jī)酸化壓裂在現(xiàn)場(chǎng)施工中的效果.

無(wú)機(jī)酸化壓裂孔Y1和Y2的瓦斯抽放濃度和抽放流量變化見(jiàn)圖5和圖6.

圖5 無(wú)機(jī)酸化壓裂孔瓦斯抽放濃度變化Fig.5 change of drainage concentration of inorganic

圖6 無(wú)機(jī)酸化壓裂孔抽放純流量變化Fig.6 change of pure flow rate of mineral acidification fracturing hole drainage

由圖5可見(jiàn)，無(wú)機(jī)酸化壓裂孔Y1起始抽放濃度為58%，在抽放進(jìn)行13 d后抽放濃度降至30%.繼續(xù)抽放，抽放濃度穩(wěn)定在16%～24%. 無(wú)機(jī)酸化壓裂孔Y2起始濃度為50%，隨抽采時(shí)間的增加，瓦斯抽放濃度略有下降，抽采進(jìn)行到第18 d，抽放濃度略有上升，第18 d到26 d抽放濃度整體穩(wěn)定在17%～25%.

由圖6可見(jiàn)，無(wú)機(jī)酸化壓裂孔Y1和Y2在抽采的第2 d抽放流量降低到最小值，可能壓裂孔內(nèi)液體沒(méi)有完全排出，導(dǎo)致水鎖效應(yīng)降低了瓦斯的解吸.隨抽采時(shí)間的增加，抽放流量局部區(qū)域出現(xiàn)小幅波動(dòng)，整體呈顯著增加的趨勢(shì).持續(xù)抽采15 d，抽放流量維持在0.09～0.15 m3/min，具有較高抽采價(jià)值，達(dá)到了無(wú)機(jī)酸化壓裂促進(jìn)瓦斯抽采的目的.

無(wú)機(jī)酸化壓裂孔卸壓后將導(dǎo)向孔與抽采網(wǎng)路連接，測(cè)試瓦斯抽放濃度和抽放流量，見(jiàn)圖7和圖8.

圖7 無(wú)機(jī)酸化導(dǎo)向孔抽放濃度變化Fig.7 change of drainage concentration of inorganic acidification pilot hole

圖8 無(wú)機(jī)酸化導(dǎo)向孔抽放純流量變化Fig.8 pure flow rate change of the inorganic acidification pilot hole drainage

由圖7、圖8可見(jiàn)，D2孔起始濃度為73%，隨后下降至60%左右，在抽采后的第20 d，濃度保持在18%左右，流量保持在0.04m3/min. D1孔起始濃度為66%，抽放至第20 d，抽放濃度降為15%后維持穩(wěn)定，平均純流量約為0.068 m3/min. D3孔流量較為穩(wěn)定，波動(dòng)范圍較小，抽放濃度在10 d后變?yōu)榉€(wěn)定，純流量保持在0.04 m3/min.各孔均保持穩(wěn)定的抽放濃度和流量.

圖9為無(wú)機(jī)酸化壓裂孔和普通壓裂孔抽放濃度的對(duì)比，無(wú)機(jī)酸化壓裂孔的瓦斯抽放濃度明顯提高.經(jīng)無(wú)機(jī)酸化壓裂后鉆孔的抽放濃度和流量均維持在較高水平，且衰減速度緩慢.觀察記錄無(wú)機(jī)酸化壓裂孔抽放濃度，壓裂影響區(qū)域鉆孔瓦斯抽放濃度最高達(dá)到73%，穩(wěn)定在20%左右，瓦斯抽采量提高了20%以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了無(wú)機(jī)酸化壓裂技術(shù)的效果，為下一步推廣使用奠定了工程實(shí)踐的基礎(chǔ).

圖9 無(wú)機(jī)酸化導(dǎo)向孔與普通預(yù)抽孔抽采數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 comparison of drainage data between inorganic acidification pilot hole and ordinary pre-drainage hole

4 結(jié)論

本文以黃陵二號(hào)礦為研究對(duì)象，通過(guò)單軸壓縮和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)對(duì)不同處理后煤樣的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)論如下.

（1）經(jīng)過(guò)HCl/HF酸化處理后煤樣強(qiáng)度變低，其峰值應(yīng)力為9.00 MPa，壓裂過(guò)程中所受的應(yīng)力值最低，更容易產(chǎn)生宏觀裂隙，表明酸化對(duì)煤體宏觀結(jié)構(gòu)破壞具有積極作用.

（2）酸化處理后，煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)損傷較為明顯，形成更復(fù)雜的二次裂隙，出現(xiàn)煤基質(zhì)收縮的現(xiàn)象，蜂窩狀孔隙結(jié)構(gòu)有利于瓦斯解吸行為的發(fā)生，提高了瓦斯的抽采效率.

（3）位于回風(fēng)巷進(jìn)行的酸化壓裂工業(yè)性實(shí)踐效果顯著，無(wú)機(jī)酸化壓裂后瓦斯抽放濃度和流量均穩(wěn)定在較高水平.與普通預(yù)抽孔相比，瓦斯抽采量提高20%以上.