有機酸與無機酸對煤體力學性質的影響對比研究

梁 鋒 田 軍 孫功帥

（1.山東省三河口礦業有限責任公司，山東 濟寧 277600；2.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

煤層氣作為一種極具潛力的清潔能源，在國家能源利用中占有重要地位，如何安全、高效地開采煤層氣對于國家能源開發戰略具有重要意義[1-2]。中國煤層氣儲層透氣性差，微孔隙普遍發育，這導致大部分煤層抽采困難，常規技術又難以達到預抽效果，如何增加煤層滲透性成為制約煤層氣開發和瓦斯抽采的瓶頸[3-4]。水力壓裂技術是將壓裂液通過高壓泵組注入煤層中，使其壓裂煤層產生新的裂縫，形成煤層氣擴散運移人工通道，從而增加煤層的滲透性[5-6]。王玉杰等[7]研究了注水壓力對低透氣性煤層水力壓裂增透效果的影響，通過工程實踐研究發現合理確定注水壓力，壓裂增透效果提高明顯，瓦斯抽采濃度和純量大幅度提升。為了研究煤在水力壓裂中的損傷機理，Minke Duan 等[8]利用真三軸試驗系統，研究了各主應力循環對煤的變形和損傷特征的影響。Liang 等[9]對煤樣進行了水力壓裂三軸試驗，結果表明：水力壓裂作用下煤體的變化可分為微裂縫形成、裂縫起裂、不穩定裂縫擴展和裂縫閉合4 個階段。Mengyao Xing 等[10]為了優化壓裂液，探究多組分酸溶液對褐煤孔隙結構的影響，采用液氮吸附法、掃描電鏡、能譜分析等方法得出不同的多組分酸溶液促進了不同類型腐蝕孔的形成，能顯著改善煤樣的連通性。本文選用山東省三河口煤礦原煤，制備有機酸、無機酸液體系，分設不同濃度浸泡煤樣，通過單軸壓縮實驗，探究不同濃度的有機酸與無機酸對煤體力學性質的影響機理，對酸化壓裂技術的發展具有一定的理論意義。

1 實驗準備

1.1 酸液制備

選用實驗室高濃度氫氟酸、甲酸分別制備出5%、10%、15%、20%濃度的氫氟酸溶液及5%、10%、15%、20%濃度的甲酸溶液。將制備好的酸性溶液采用特氟龍惰性塑料瓶儲存。

1.2 煤樣制備

以山東省三河口煤礦為實驗試樣采集地點，使用取芯鉆沿著原煤層理面鉆取直徑為50 mm、高為100 mm 的圓柱體原煤試樣，共制備9 組試樣。

將其中8 組原煤試樣分別放入對應的8 組酸性溶液中浸泡48 h，浸泡完成后將煤樣取出洗滌干凈，直至洗滌水呈中性或接近中性，用吸水紙將煤樣吸至干燥后放入干燥袋，袋上標明浸泡過的酸液濃度。同時將另外一組原煤試樣浸入蒸餾水中48 h 后取出，用吸水紙吸干作為空白對照組實驗。

2 實驗方法

實驗儀器采用AG-X250 電子萬能試驗機。將所有煤樣移至實驗室中放入單軸壓縮機中進行位移加載速度為0.01 mm/s 的壓縮實驗，加載精度控制在0.1%，直至試樣破裂，載荷大幅下降。將記錄的載荷位移圖進行相關的公式轉化，制作成應力應變曲線圖進行數據分析。

3 結果討論與分析

3.1 應力應變曲線分析

在單軸壓縮實驗中，通過控制加載位移對煤樣進行壓縮，獲得載荷以及位移數據，進一步得到各煤樣應力與應變的關系[11-12]。原煤的應力應變曲線分析如圖1 所示。

圖1 原煤應力應變曲線分析圖

根據煤巖的力學性質，可將各煤樣的應力應變曲線劃分為壓密階段、彈性階段、塑性階段、失穩階段四個階段。

從圖1、圖2 及圖3 可以看出，除了15%濃度氫氟酸煤樣之外，其他酸液煤樣的壓實階段都比原煤的長，這是因為酸性溶液將煤體中的部分礦物雜質溶蝕掉，使發育的孔隙在應力作用下被壓實。15%濃度氫氟酸溶液將煤中礦物質很大程度進行溶解，孔隙裂隙完全發育，使煤樣的力學支撐結構發生變化，峰值應變最低，煤樣變得疏松，所以壓實階段比原煤短。除了5%濃度和10%濃度的氫氟酸煤樣的塑性階段與煤樣相差不大之外，其他酸液煤樣的塑性階段均比原煤長，抗變形能力均比原煤強，這說明酸液煤樣的韌性要比原煤高。此外，15%濃度的甲酸煤樣的壓實階段和塑性階段最長，峰值應變最長，這說明15%濃度的甲酸溶液最適合用來提高煤體的韌性。

圖2 各濃度氫氟酸溶液腐蝕煤體應力應變曲線圖

圖3 各濃度甲酸溶液腐蝕煤體應力應變曲線圖

峰值應力又稱單軸抗壓強度，是單軸壓縮中描述煤體破壞的重要參數。峰值應力越低，表明煤樣的抗壓承載能力越低，越容易被破壞[13-14]。

由表1 數據可知，原煤在經過酸液浸泡處理后，單軸抗壓強度明顯下降，并且隨著酸液濃度的增加出現了不同程度上的下降。經過同一濃度但不同種類的酸液浸泡處理后的煤樣的峰值應力也有所不同。氫氟酸和甲酸處理后的煤樣的峰值應力分別下降25.26%、45.77%、54.28%、57.09%、18.34%、27.04%、42.86%、50.37%。在同一濃度條件下，氫氟酸煤樣的峰值應力比甲酸煤樣的峰值應力低，氫氟酸在降低煤樣峰值應力方面效果要比甲酸顯著。

表1 各煤樣峰值應力

經酸液處理后的煤樣出現軟化行為，使煤樣的脆性降低、韌性增強，特別是15%左右濃度的甲酸溶液效果最明顯，有助于煤體失穩產生復雜裂隙網絡。在降低單軸抗壓強度方面，15%左右濃度的氫氟酸溶液綜合效果最佳，能夠有效地降低峰值應力，使煤樣在較小的壓力下失穩破壞。有機酸在降低煤體的脆性、增強韌性方面效果顯著，無機酸在降低失穩破壞所需的峰值壓力方面效果顯著。

3.2 能量轉化分析

煤樣的單軸壓縮通常伴隨著能量的輸入、積累、耗散和釋放，揭示煤巖內的能量變化將有助于理解煤巖變形、破壞過程[15-16]。根據熱力學第一定律，能量的總值在轉換和傳遞過程中保持不變，且單軸壓縮產生的熱輻射能很小，因此，本實驗煤樣的能量可以用方程（1）進行計算[17]。

式中：U是壓縮裝置向煤樣中輸入的總能量，Ue是彈性階段儲存在煤樣中的彈性應變能，Ud是用于煤樣進行塑性變形和裂隙擴展的耗散能。這些物理量表示為能量密度，單位為kJ/m3。

對于單軸壓縮實驗，總能量U可以用方程（2）計算，彈性應變能Ue用方程（3）計算，耗散能Ud用方程（4）計算[18-20]。

式中：σ是軸向應力，ε是軸向應變，Eu是煤樣卸載彈性模量，E是煤樣初始彈性模量。本實驗中未涉及煤樣的卸載過程，卸載彈性模量Eu可用加載過程的初始彈性模量E進行代替[21-22]。

圖4～6 分別顯示了不同濃度各酸液煤樣在單軸壓縮實驗中總能量U、彈性變性能Ue、耗散能Ud隨著應變的演變。

圖4 各煤樣彈性變形能對比

圖4 中各煤樣彈性變形能的形狀與各煤樣的應力應變曲線形狀相似，這是因為在整個壓縮過程中，各煤樣都在不同程度上被輸入能量并將其轉化為彈性變形能儲存在煤體中。原煤的彈性變形能釋放是線性形式的快速減少。這是因為原煤儲存的彈性變形能較多，耗散能釋放的能量相對較少，使得原煤具有較高的脆性。經酸液處理后的煤樣其彈性變形能釋放過程先經歷緩沖式下降再急劇下降，煤樣的脆性得到了緩解降低。

圖5 中，在到達峰值應力之前，耗散能Ud最小，在加載過程前段中，大部分煤樣的耗散能Ud接近0 kJ/m3。煤樣在單軸壓縮過程中吸收的能量主要作為彈性變形能儲存在內部。各煤樣的耗散能在峰值應變處分為兩個階段，最初階段的特點是數值增長非常緩慢，最后階段增長趨勢分為階梯型和快速增長型。峰值應變之后的逐步增加明顯快于峰值應變之前的緩慢增加。原煤峰值應變后耗散能曲線沒有緩沖，急劇快速直線增長，表明原煤在壓縮過程中是在一瞬間崩塌破壞的，具有較高的脆性。酸液浸泡處理后的煤樣峰值應變后耗散能先是較緩慢地增加，后來急劇增長，表明酸液浸泡處理削弱了煤體的脆性，增強了煤體的韌性。

圖5 各煤樣耗散能對比

從圖6 中可知，所有煤樣積累的總能量U與軸向應變之間的非線性正相關關系持續到樣品被破壞。總能量U在峰值應力之前呈拋物線狀加快提升，峰值應變之后，總能量U雖有繼續增加，但增長速率比之前小。原煤輸入總能量為142.558 7 kJ/m3。5%濃度氫氟酸煤樣輸入總能量為92.993 8 kJ/m3，10%濃度氫氟酸煤樣輸入總能量為53.257 2 kJ/m3，15%濃度氫氟酸煤樣輸入總能量為37.448 0 kJ/m3，20%濃度氫氟酸煤樣輸入總能量為52.241 1 kJ/m3，5%濃度甲酸煤樣輸入總能量為94.394 4 kJ/m3，10%濃度甲酸煤樣輸入總能量為70.695 3 kJ/m3，15%濃度甲酸煤樣輸入總能量為65.709 7 kJ/m3，20%濃度甲酸煤樣輸入總能量為42.699 8 kJ/m3。相比于原煤，氫氟酸煤樣和甲酸煤樣輸入的總能量分別降低34.77%、62.64%、73.73%、63.35%、33.79%、50.41%、53.91%、70.05%。原煤輸入的能量最多，是因為原煤未經酸液浸泡侵蝕，彈性模量較大，失穩破壞所需的峰值應力較大，從而使得壓縮裝置在實驗進程中對原煤的應力也相對偏高造成的。15%濃度氫氟酸煤樣壓裂所需的總能量最低，說明15%濃度的氫氟酸溶液最適宜用來改善煤樣的抗壓強度。原煤峰值應變為1.525 3×10-2，5%濃度氫氟酸煤樣峰值應變為1.178 6×10-2，10%濃度氫氟酸煤樣峰值應變為0.924 6×10-2，15%濃度氫氟酸煤樣峰值應變為0.749 1×10-2，20%濃度氫氟酸煤樣峰值應變為1.035 6×10-2，5%濃度甲酸煤樣峰值應變為1.176 1×10-2，10%濃度甲酸煤樣峰值應變為0.955 2×10-2，15%濃度甲酸煤樣峰值應變為1.238 6×10-2，20%濃度甲酸煤樣峰值應變為0.896 6×10-2。相比于原煤，氫氟酸煤樣和甲酸煤樣的峰值應變分別降低22.73%、39.38%、50.89%、32.11%、22.89%、37.38%、18.80%、41.22%。15%濃度的甲酸煤樣總能量U增長速率最緩，輸入的總能量U較高，峰值應變相較于原煤降低最少，僅為18.80%。可見，15%濃度的甲酸在提高煤樣的韌性方面效果較為顯著。

圖6 各煤樣總能量對比

4 結論

該文以山東省三河口煤礦原煤為研究對象，通過單軸壓縮實驗對不同濃度不同類型酸液處理后煤樣的力學性質和能量耗散特征進行研究，結論如下：

1）在改造煤體單軸抗壓強度方面，氫氟酸溶液的效果比甲酸溶液效果顯著。在提高煤體韌性方面，甲酸溶液效果比氫氟酸溶液效果顯著。

2）原煤具有較強的脆性特征，酸處理后的煤樣脆性下降、韌性增強，尤其是甲酸溶液處理后的煤樣。這是因為酸處理煤樣中積累的大部分能量用于孔裂隙壓實、發育以及軟化煤體。

3）15%濃度氫氟酸溶液最適合用來降低煤樣抗壓強度，煤樣失穩破壞所需的總能量比原煤降低73.73%。15%濃度的甲酸煤樣總能量輸入速率較緩且數值較高，峰值應變較于原煤僅降低18.80%，韌性改造綜合效果較好。