煤層膨脹增透材料放熱對煤體影響范圍研究

崔 嘯，郭立穩(wěn),張嘉勇，賈 靜

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

隨著我國煤礦開采水平向深部延伸，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力顯著升高，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全[1-2]。目前常用的煤層增透技術(shù)包括鉆孔卸壓增透、水力壓裂增透、深孔爆破增透、膨脹材料增透等技術(shù)[3-6]。其中，膨脹材料增透技術(shù)是在煤層中布置鉆孔，灌注膨脹材料，依靠其膨脹能促使煤體破碎，提升煤體的透氣性。該技術(shù)具有反應(yīng)速度較慢，壓力勻速增加，膨脹過程無聲、無飛石、無震蕩等特點(diǎn)[7-8]，同時膨脹材料是水泥類的膨脹凝膠材料，與水發(fā)生水化反應(yīng)，會釋放熱量，導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，放熱對煤體結(jié)構(gòu)及瓦斯的影響有待進(jìn)一步研究。

國內(nèi)外研究者基于溫度對煤體及瓦斯的影響進(jìn)行了大量研究。王登科等研究發(fā)現(xiàn)溫度沖擊會促使煤體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展加寬，產(chǎn)生新裂隙，裂隙體積、壁厚、表面積均與溫差呈正相關(guān)關(guān)系[9]；王剛等應(yīng)用CT三維重構(gòu)技術(shù)并借助ANSYS軟件對煤體微觀孔裂隙結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行共軛傳熱模擬和熱變形模擬，研究發(fā)現(xiàn)隨溫度載荷的增加，孔裂隙的變形量增加，孔裂隙之間的變形量差異越大[10]；楊凱等對不同溫度和圍壓耦合條件下的原煤瓦斯?jié)B流進(jìn)行了測定，煤樣滲透率均表現(xiàn)出較強(qiáng)的溫度、壓力敏感性[11]；孫光中等研究了不同參數(shù)變化下含瓦斯煤的滲透率與溫度變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)煤體滲透率與溫度變化呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律[12]。

針對膨脹材料水化反應(yīng)放熱特征，筆者通過實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬進(jìn)一步研究膨脹材料水化反應(yīng)熱對煤體的影響，完善煤層膨脹致裂機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)煤層膨脹致裂增透技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 煤層膨脹增透機(jī)理

煤層鉆孔膨脹致裂使用的膨脹材料以氧化鈣CaO為主要成分，CaO發(fā)生水化反應(yīng)，形成體積倍增的氫氧化鈣Ca(OH)2晶體，對煤體鉆孔起到膨脹致裂作用，導(dǎo)致煤體產(chǎn)生裂縫，形成瓦斯釋放空間[13]。同時，膨脹材料的水化過程會釋放一定熱量，通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞到煤體，導(dǎo)致煤體溫度升高，有助于吸附瓦斯的解吸，加速瓦斯釋放，可提高瓦斯抽采效率。煤層鉆孔膨脹致裂增透機(jī)理如圖1所示。

圖1 煤層鉆孔膨脹致裂增透機(jī)理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.1 測溫環(huán)境條件

環(huán)境溫度條件對膨脹材料水化反應(yīng)的影響較大，環(huán)境溫度高時，膨脹材料水化反應(yīng)速率較快；溫度低時，水化反應(yīng)速率較緩慢。在20.0 ℃室溫下對煤層鉆孔現(xiàn)場進(jìn)行溫度和壓力測定。考慮到膨脹材料在煤層中的施工環(huán)境及填孔流動性等因素，選定水灰比為0.30的膨脹材料作為實(shí)驗(yàn)測定對象。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

在環(huán)境溫度20 ℃左右條件下，采用自主研制的膨脹材料水化反應(yīng)溫度和壓力測試裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試裝置如圖2所示。用天平(精度為0.01 g)稱取總質(zhì)量500 g的膨脹材料，加入150 mL水?dāng)嚢杈鶆蚝蠓湃霚y試裝置。通過恒溫水浴模擬20.0 ℃環(huán)境溫度，并通過溫度傳感器、壓力傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀記錄水化反應(yīng)溫度及膨脹壓力隨時間的變化情況。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，共進(jìn)行3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

圖2 膨脹材料水化反應(yīng)溫度和壓力測試裝置

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 膨脹材料膨脹壓力及溫度變化分析

通過3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)測得膨脹材料膨脹壓力和水化反應(yīng)溫度數(shù)據(jù)基本一致，選取其中一組進(jìn)行分析。膨脹材料膨脹壓力和水化反應(yīng)溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。

(a)膨脹壓力變化

(b)水化反應(yīng)溫度變化

由圖3(a)可知，在開始階段膨脹材料反應(yīng)速度較快，膨脹壓力增長較快；當(dāng)反應(yīng)1 000 min后膨脹壓力增長速率逐漸減緩，但膨脹材料仍未完全發(fā)生水化反應(yīng)，所以膨脹壓力仍會緩慢增長；隨著時間的推移，最大膨脹壓力穩(wěn)定在47 MPa左右。

由圖3(b)可知，在環(huán)境溫度為20.0 ℃、水灰比為0.30的情況下，膨脹材料在溫度為20.0～43.0 ℃時，反應(yīng)升溫緩慢；當(dāng)溫度達(dá)到43.0 ℃后，反應(yīng)迅速加快，升溫明顯；在反應(yīng)70 min時，達(dá)到最高水化反應(yīng)溫度103.5 ℃，隨后水化反應(yīng)溫度開始緩慢下降。

2.3.2 膨脹材料溫度變化速率分析

對圖3(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定膨脹材料反應(yīng)溫度每升高或下降10 ℃所需的時間Δt，并計(jì)算各溫度段的升溫速率K，將其作為水化反應(yīng)過程中溫度變化快慢的指標(biāo)，即K=10/Δt[14-15]。

膨脹材料水化反應(yīng)溫度可依據(jù)溫度變化速率的情況來確定，反應(yīng)過程可分為升溫階段和降溫階段，升溫速率和降溫速率變化曲線如圖4所示。

(a)升溫速率變化

(b)降溫速率變化

由圖4(a)可知，膨脹材料升溫過程主要分3個階段，在20.0～43.0 ℃溫度范圍時，膨脹材料升溫相對緩慢，升溫速率為0.48～0.78 ℃/min；40.0～100.0 ℃時，升溫速率呈指數(shù)趨勢增長，最高升溫速率為20.00 ℃/min；由于膨脹材料升溫主要依靠水化反應(yīng)放熱，當(dāng)溫度達(dá)到100.0 ℃時，升溫速率急劇下降。

膨脹材料達(dá)到最高水化反應(yīng)溫度103.5 ℃后，膨脹材料降溫速率曲線如圖4(b)所示，由于降溫階段膨脹材料仍未完全反應(yīng)，依舊會因水化反應(yīng)放熱，所以降溫時間要長于升溫時間，并且由于散熱原因降溫速率會隨溫度的降低逐漸減緩。

根據(jù)膨脹材料反應(yīng)溫度速率變化，整個水化反應(yīng)過程的溫度變化可分為4個階段：①緩慢升溫階段(20.0～43.0 ℃)；②快速升溫階段(43.0～100.0 ℃)；③降速升溫階段(100.0～103.5 ℃)；④降溫階段。

對膨脹材料4個水化反應(yīng)階段溫度變化進(jìn)行擬合計(jì)算，其擬合曲線如圖5所示。

圖5 膨脹材料水化反應(yīng)溫度擬合曲線

分別對膨脹材料水化反應(yīng)的升溫和降溫4個階段進(jìn)行擬合分析：

①緩慢升溫y1=20.736+0.57x，R2=0.987；

②快速升溫y2=-74.07+2.90x，R2=0.996；

③降速升溫y3=87+0.27x，R2=0.999；

④降溫階段y4=646.35x-0.416，R2=0.978。

3 膨脹材料放熱影響范圍數(shù)值模擬

3.1 幾何模型與煤層參數(shù)

在膨脹材料致裂的前提下，分析煤層鉆孔膨脹材料的4個溫度變化階段中水化反應(yīng)熱對煤層的影響范圍。模型大小為4 m×4 m，鉆孔孔徑為100 mm，簡化的二維平面幾何模型如圖6所示。

圖6 幾何模型

計(jì)算幾何模型共劃分532個網(wǎng)格，其中三角形單元480個，邊界元44個，頂點(diǎn)單元8個。煤層基本物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 煤層物理性質(zhì)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

膨脹材料產(chǎn)生的最大膨脹壓力約為47 MPa，煤體在膨脹壓力的作用下能被破碎，從而形成貫穿裂隙，提高瓦斯抽采效率。數(shù)值模擬膨脹材料水化反應(yīng)過程中溫度變化，分別選擇4個階段中30、50、70、180 min的煤體溫度變化及影響范圍進(jìn)行分析，各時間點(diǎn)膨脹孔周圍煤體溫度變化云圖如圖7所示。

(a)30 min

(b)50 min

(c)70 min

(d)180 min

由圖7可知，當(dāng)膨脹材料水化反應(yīng)30 min時，膨脹材料剛開始發(fā)生水化反應(yīng)，其反應(yīng)溫度較低，對煤體影響較小；當(dāng)膨脹材料發(fā)生水化反應(yīng)50 min后，進(jìn)入快速升溫階段，煤體受熱后溫度和影響范圍顯著增加；當(dāng)膨脹材料發(fā)生水化反應(yīng)70 min時，反應(yīng)溫度達(dá)到最高，但影響范圍變化不明顯；當(dāng)膨脹材料發(fā)生水化反應(yīng)180 min時，溫度變化進(jìn)入降溫階段，煤體溫度有所降低，但受熱范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

膨脹材料在各溫度變化階段，距鉆孔不同位置的煤體溫度及影響范圍如圖8所示。

圖8 膨脹材料水化反應(yīng)對煤體溫度的影響曲線

由圖8可知，隨著煤體與鉆孔距離的增加，煤體溫度呈遞減趨勢；隨著膨脹材料溫度的上升，煤體溫度上升，影響半徑增加；當(dāng)膨脹材料進(jìn)入水化反應(yīng)降溫階段時，由于熱能被傳遞，雖然煤體溫度隨之下降，但影響半徑卻隨之增加。以煤體上升溫度超過1.0 ℃為條件，最大影響半徑可達(dá)1.2 m。通過膨脹材料水化反應(yīng)溫度對煤體影響半徑的研究，進(jìn)一步揭示了煤層鉆孔膨脹致裂增透機(jī)理，為煤層膨脹鉆孔的布孔參數(shù)選取提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1)通過膨脹材料水化反應(yīng)溫度和壓力測試裝置實(shí)驗(yàn)，測定膨脹材料的最高膨脹壓力約為47 MPa，最高反應(yīng)溫度為103.5 ℃。

2)根據(jù)膨脹材料水化反應(yīng)溫度變化情況，可將溫度變化過程分為升溫階段和降溫階段。升溫階段主要分3個階段：緩慢升溫(20.0～43.0 ℃)、快速升溫(43.0～100.0 ℃)和降速升溫(100.0～103.5 ℃)階段。降溫階段，降溫速率會隨溫度的降低逐漸減緩。

3)膨脹材料水化反應(yīng)釋放熱量，既可使鉆孔周圍煤體受熱改變其力學(xué)性質(zhì)，又可增加瓦斯氣體動能，加速瓦斯解吸，從而提高瓦斯抽采效率。通過數(shù)值模擬分析，煤體受膨脹材料水化反應(yīng)放熱的影響范圍隨溫度的升高而增大；并且在膨脹材料的降溫階段，煤體的影響范圍依然增大；當(dāng)反應(yīng)至400 min時，最大影響半徑達(dá)到1.2 m。