石建行，馮增朝，周 動(dòng), ，沈永星，李學(xué)成

(1.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 太原 030024)

“富煤、貧油、少氣”是我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，煤炭作為主體能源支撐著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。由于煤炭的燃燒會(huì)導(dǎo)致溫室氣體的排放，長(zhǎng)期以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)給我國(guó)帶來(lái)了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，因此需要更加綠色環(huán)保的方式來(lái)開(kāi)采利用煤炭資源[1-5]。趙陽(yáng)升院士團(tuán)隊(duì)提出了原位改性流體化采礦的概念，通過(guò)原位加熱或注入高溫流體的方式加熱地下煤層，將含碳量更低，熱值更高的合成氣或液體燃料開(kāi)采出來(lái)，同時(shí)將造成環(huán)境污染的固定碳留在地層中[6]。煤層在原位狀態(tài)經(jīng)過(guò)加熱后，產(chǎn)物經(jīng)過(guò)采收井運(yùn)移至地面經(jīng)過(guò)氣液分離，氣態(tài)產(chǎn)物用于燃?xì)獍l(fā)電等，燃燒產(chǎn)生的CO2可以封存至已經(jīng)開(kāi)采的煤層，實(shí)現(xiàn)零碳排放。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的方式利用煤炭資源，此外，煙煤相較于無(wú)煙煤揮發(fā)分高，較褐煤等低階煤含水率低，從耗能及產(chǎn)物產(chǎn)率上來(lái)講，煙煤具有最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)收益，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)加熱源的不同，煤體原位熱解開(kāi)采的主流加熱方式可分為傳導(dǎo)加熱、對(duì)流加熱[7]。不論何種加熱方式，煤炭地下原位熱解開(kāi)采的核心問(wèn)題是煤層內(nèi)部的傳熱及熱解產(chǎn)物的遷移，因此，探明煤巖在不同熱解方式下的孔裂隙結(jié)構(gòu)、空間分布及連通性尤為關(guān)鍵。

CT 技術(shù)可以無(wú)損表征煤巖的孔裂隙特征得到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的青睞。基于傳導(dǎo)加熱，孟巧榮等[8-10]使用微型氣氛爐研究了褐煤熱破裂隨溫度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)300 ℃是褐煤熱破裂的閾值溫度，此后，又對(duì)不同溫度段的原生、新生裂隙形態(tài)、演化規(guī)律進(jìn)行了深度分析；馮子軍等[11]進(jìn)行了不同溫度下褐煤、氣煤細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化的CT 試驗(yàn)，通過(guò)與無(wú)機(jī)巖石破裂機(jī)理、裂紋形態(tài)的對(duì)比提出了熱解破裂的概念；于艷梅等[12-13]對(duì)瘦煤由室溫～600 ℃的熱破裂過(guò)程進(jìn)行了顯微觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了微裂紋的出現(xiàn)、發(fā)展、貫通的演化規(guī)律；王勇等[14]結(jié)合Matlab 和Avizo 軟件對(duì)無(wú)煙煤CT 圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，獲取了無(wú)煙煤孔裂隙微觀結(jié)構(gòu)隨溫度的演化特征；李亞軍等[15]研究了褐煤熱解過(guò)程中，熱流固耦合作用下的微細(xì)觀孔裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)滲透性的影響；基于對(duì)流加熱，NIU 等[16]使用CT 技術(shù)研究了不同孔隙壓力氮?dú)饧訜嵯潞置嚎紫督Y(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)褐煤的熱解會(huì)受到外部施加壓力及熱解產(chǎn)物內(nèi)部壓力之間的動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)影響；王毅等以長(zhǎng)焰煤[17]、褐煤[18]為研究對(duì)象，對(duì)600 ℃高溫蒸汽熱解固體產(chǎn)物的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了壓汞測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)良的滲透性能。以上研究為煤巖熱解后孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律提供了借鑒，但仍存在以下問(wèn)題：①煤樣的熱解均處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，不能代表實(shí)際地應(yīng)力情況，試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)無(wú)法用于現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)；②缺乏煤巖不同熱解方式下孔裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)比及機(jī)理研究。

基于以上研究的不足，筆者以內(nèi)蒙古滿來(lái)梁煙煤為研究對(duì)象，利用自制的高溫高壓熱-流體-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用的三軸試驗(yàn)機(jī)，結(jié)合顯微CT 技術(shù)，探究了煙煤在自然、蒸汽原位熱解條件下的裂隙結(jié)構(gòu)差異，進(jìn)而就差異性進(jìn)行了機(jī)理探究。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試 樣

選取內(nèi)蒙古滿來(lái)梁煤礦的煙煤作為試驗(yàn)煤樣，其Mad、Aad、Vad和FCad分別為11.54%、5.07%、23.13%、60.26%。煤樣采集后沿著平行層理方向取心，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別編號(hào)A、B，煤樣的尺寸和質(zhì)量見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)煤樣尺寸及質(zhì)量信息Table 1 Size and quality of experimental sample

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

為模擬原位注熱開(kāi)采的實(shí)際工況，研制了高溫高壓熱-流體-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用的三軸試驗(yàn)機(jī)(圖1)。試驗(yàn)系統(tǒng)分別包括高溫高壓試驗(yàn)機(jī)及產(chǎn)物收集計(jì)量裝置。高溫高壓試驗(yàn)機(jī)采用內(nèi)加熱方式加熱煤樣，最大加熱溫度為600 ℃，加熱速率5.5 ℃/min。熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量煤體表面溫度，溫度范圍±5 ℃；釜體外部包裹保溫棉避免熱量損失；產(chǎn)物收集裝置由氣液分離瓶、冷凝水槽、集氣瓶、電子天平及若干閥門管線依次連接而成。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.3 試驗(yàn)流程

1.3.1原位自然、蒸汽熱解

將試樣A、B 分別放入高溫高壓三軸試驗(yàn)機(jī)中，在室溫下，抽真空24 h 后依次交替施加軸圍壓至設(shè)定壓力(軸壓：5 MPa，圍壓3.5 MPa)。當(dāng)試樣基質(zhì)穩(wěn)定后，試樣A 在設(shè)定溫度進(jìn)行自然熱解，試樣B 在熱解期間過(guò)熱蒸汽作為入口氣體持續(xù)注入進(jìn)行蒸汽熱解，熱解溫度均為600 ℃，過(guò)熱蒸汽的發(fā)生及注入是由外接電動(dòng)泵向高壓三軸試驗(yàn)機(jī)的孔隙壓入口注入蒸餾水，蒸餾水在流動(dòng)的過(guò)程中被加熱進(jìn)而沿著煤體滲流，整個(gè)過(guò)程完全隔絕空氣，避免煤樣被氧化。A、B 試樣熱解期間，每隔10 min 測(cè)量產(chǎn)氣量，當(dāng)產(chǎn)氣速率趨于穩(wěn)定(熱解完全)后，試樣A、B 熱解時(shí)間為2 530、2 367 min。試樣A、B 自然冷卻后進(jìn)行CT 掃描、稱重。

1.3.2顯微CT 試驗(yàn)處理

為了更真實(shí)準(zhǔn)確直觀的掌握煤體在原位狀態(tài)下熱解裂隙演化情況，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)顯微CT 系統(tǒng)對(duì)原位狀態(tài)煤的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描。掃描的最小單元尺寸為30 μm。特別說(shuō)明，以下所獲得的數(shù)據(jù)僅代表一定尺度(30 μm 以上)的裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。首先將原煤置于銅套內(nèi)進(jìn)行常溫下的掃描；此后將煤樣置于高溫三軸試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行原位自然、蒸汽熱解。煤樣至目標(biāo)溫度充分熱解完成后，在應(yīng)力作用下冷卻至室溫后，取出帶銅套的煤樣進(jìn)行掃描(圖2(a))。由于金屬外殼密度較大，為了減少外殼邊緣對(duì)煤體圖像的影響(圖2(b))，選擇了合適的重建區(qū)域(圖2(c))；此后通過(guò)Matlab 編程對(duì)圖像進(jìn)行處理得到較為清晰的煤樣CT 掃描圖像(圖2(d))。隨后采用最大類間方差法(Otsu 法)進(jìn)行閾值分割得到二值化圖像(圖2(e))。為了能有效表征煤樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，并且考慮到重建過(guò)程中龐大的數(shù)據(jù)量和相關(guān)計(jì)算負(fù)擔(dān)，采用最小特征單元體(Representative Elementary Volume，REV)來(lái)表征實(shí)驗(yàn)樣本的孔裂隙結(jié)構(gòu)，即在該尺寸以上，裂隙率幾乎不受尺寸影響[19-23]。通過(guò)軟件對(duì)試件裂隙率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照REV 方案進(jìn)行多次重復(fù)檢驗(yàn)，最終選擇400 pixels×400 pixels×400 pixels 的正方體作為最小特征單元體(實(shí)際尺寸為12 mm×12 mm×12 mm) (圖2(f))。

圖2 CT 處理流程Fig.2 CT processing flow

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱重分析

A、B 兩個(gè)試件在分別經(jīng)過(guò)原位自然熱解及蒸汽熱解后質(zhì)量都有明顯的下降。A 試件熱解前質(zhì)量為251.74 g，自然熱解后質(zhì)量為175.83 g，失重率為30.15%。B 試件熱解前質(zhì)量為246.09 g，蒸汽熱解后質(zhì)量為141.5 g，失重率為42.5%。此外，對(duì)熱解后的煤樣進(jìn)行了工業(yè)分析，自然熱解揮發(fā)分的產(chǎn)出率約為64.42%，蒸汽熱解的揮發(fā)分產(chǎn)出率為85.09%，可見(jiàn)，蒸汽熱解促進(jìn)了揮發(fā)分的產(chǎn)出，蒸汽熱解的熱解效率高于自然熱解。

2.2 煤的裂隙結(jié)構(gòu)的視覺(jué)表征

圖3 為A、B 兩個(gè)試件在不同熱解方式、不同層位的原位顯微CT 灰度照片。由于巖石的密度不同，在CT 灰度圖像中呈現(xiàn)出不同的亮度。

圖3 試件A、B 不同層位的CT 掃描照片F(xiàn)ig.3 CT slice images in different positions of the sample A and B

從圖3 可以看出，原始A 試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，原生裂隙并不發(fā)育，但能看出明顯的平行層理結(jié)構(gòu)；原始B 試樣同樣具有明顯的平行層理結(jié)構(gòu)，不同的是沿著層理方向有多條縱橫交錯(cuò)的原始裂隙；A、B 試樣分別在自然、蒸汽600 ℃熱解后，出現(xiàn)了不同尺寸的裂隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)裂隙的形態(tài)，新生的裂隙分為細(xì)長(zhǎng)型的裂紋及不規(guī)則形狀的孔洞(紅色區(qū)域)。由于煤是一種由有機(jī)質(zhì)及無(wú)機(jī)物組成的非均質(zhì)體，部分有機(jī)質(zhì)在煤體內(nèi)部成團(tuán)狀聚集經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤夂螅瑘F(tuán)狀區(qū)域便形成了“孔洞”。同時(shí)，能夠明顯看出，相較于自然熱解的A 試樣，蒸汽熱解后的B 試樣裂隙網(wǎng)絡(luò)更為豐富復(fù)雜，裂隙尺度得到了較大的擴(kuò)展及延伸。

圖4 為不同熱解方式3D 數(shù)字巖心，也能直觀的看出A、B 試樣裂隙網(wǎng)絡(luò)豐富度的差異性，同時(shí)，值得注意的是，A、B 兩個(gè)試樣都能看出部分新生裂隙沿著原生裂隙擴(kuò)展發(fā)育(黑色圓圈區(qū)域)。

圖4 煤巖3D 數(shù)字巖心Fig.4 3D digital core of coal

2.3 煤裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量表征

表2 為自然、蒸汽熱解前后A、B 的裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。以下將結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行煤巖裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量化分析。

表2 自然、蒸汽熱解前后A、B 試件裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Pore and fracture parameters of specimen A and B before and after natural and steam pyrolysis

2.3.1裂隙率

(1) A 試件。

A 試件“原始-自然熱解”加熱過(guò)程裂隙率變化特征如圖5(a)所示。統(tǒng)計(jì)最小特征單元體中400 層原始CT 裂隙率，裂隙率分布在0.83%～5.18%，均值為2.77%。自然熱解后，400 層切片的裂隙率大幅度提升，波動(dòng)范圍較大，分布在3.60%～13.52%，均值為7.44%，約為原始煤樣裂隙率的2.68 倍。雖然在高溫作用下煤體軟化，強(qiáng)度降低，應(yīng)力的作用也迫使部分裂縫發(fā)生閉合。但同時(shí)，煤樣在高溫作用下，內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)而導(dǎo)致裂隙率的提高，主要表現(xiàn)為內(nèi)部水分的析出、有機(jī)物的分解及熱破裂等多個(gè)因素使得煤體內(nèi)部的孔裂隙新生及擴(kuò)展?？傮w來(lái)說(shuō)，煤樣在自然熱解后裂隙率較原始狀態(tài)有了較大的提升。

圖5 自然、蒸汽熱解前后A、B 試件裂隙率對(duì)比Fig.5 Comparison of porosity of sample A、B before and after natural and steam pyrolysis

此外，自然熱解的煤樣CT 切片裂隙率波動(dòng)范圍較大，一方面表現(xiàn)為在12～39、83～90、185～200、273～287 及320～341 層位裂隙率激增，這與煤體內(nèi)部隨機(jī)分布的團(tuán)狀有機(jī)質(zhì)在高溫?zé)峤夂笮纬傻目锥唇Y(jié)構(gòu)有關(guān)；另一方面表現(xiàn)為40、270～271、396 層裂隙率幾乎沒(méi)有變化，這并不代表該層位的煤樣自然熱解下并未發(fā)生變化，這與熱解后產(chǎn)生的微裂紋在應(yīng)力的作用下閉合或者熱解產(chǎn)生的焦油等物質(zhì)堵塞有關(guān)。

(2) B 試件。

圖5(b)為B 試件“原始-蒸汽熱解”400 層切片的裂隙率變化特征，原始-B 裂隙率區(qū)間為1.17%～8.53%，均值為4.76%，略大于原始-A 試件的裂隙率，從圖4 也能看出，原始-B 試樣的原生裂隙更為發(fā)育；蒸汽熱解后，裂隙率分布在12.76%～21.71%，均值為17.37%，約為初始裂隙率的3.65 倍，提升幅度高于自然熱解的2.68 倍。

另外，蒸汽熱解的煤樣CT 切片裂隙率波動(dòng)范圍也較大，但根據(jù)曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看，并未出現(xiàn)自然熱解-A 試樣裂隙率出現(xiàn)多個(gè)層位激增或是部分層位裂隙率并未發(fā)生變化的情況。這是因?yàn)檎羝麩峤鈱?duì)流加熱的方式增大了煤體內(nèi)部的換熱面積，使得煤體內(nèi)部受熱更為均勻，每一層位的有機(jī)質(zhì)熱解更為充分，裂隙率曲線在整體上表現(xiàn)的更為平滑。

2.3.2裂隙尺度分布

為進(jìn)一步分析煤在不同熱解方式前后的裂隙尺度分布特點(diǎn)，從最小特征單元體內(nèi)提取出裂隙，同時(shí)將形狀各異的裂隙結(jié)構(gòu)等效為球型結(jié)構(gòu)，因此引入等效裂隙直徑對(duì)裂隙尺度進(jìn)行表征。等效裂隙直徑R的計(jì)算公式為

式中，V為單個(gè)像素體的體積，V=27 000 μm3；n為單個(gè)不規(guī)則裂隙內(nèi)包含像素體的個(gè)數(shù)。

(1) A 試件。

圖6(a)為A 試件自然熱解前后裂隙直徑分布柱形圖，原始狀態(tài)下A 試件裂隙數(shù)量較多，為13 297 個(gè)，零散隨機(jī)分布在試件內(nèi)部(圖6(a)，原始-A)，直徑范圍為41.58～2 599.77 μm。經(jīng)過(guò)自然熱解后，裂隙體積明顯增大(圖6(a)，自然熱解-A)，不同直徑的尺寸占比有了較大的變化，能夠看出，100 μm 以下的裂隙數(shù)目占比相較于原始試樣有了明顯的衰減，相應(yīng)的100 μm 以上的裂隙數(shù)量占比增大，說(shuō)明自然熱解促進(jìn)了裂隙之間的搭接連通，形成了尺寸較大的裂隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)這也導(dǎo)致裂隙數(shù)量相較于原始試樣有了明顯的減少。直徑范圍也變?yōu)?6.87～5 416.99 μm，值得注意的是，最小直徑由41.58 μm 衰減至36.87 μm，一方面熱解促進(jìn)了微裂紋的萌生，另一方面可能與部分微裂紋在應(yīng)力壓縮作用下尺寸變小有關(guān)。

圖6 自然、蒸汽熱解前后A、B 試件裂隙尺度分布Fig.6 Distribution of fracture size of sample A、B before and after natural and steam pyrolysis

(2) B 試件。

圖6(b)為B 試件蒸汽熱解前后裂隙直徑分布柱形圖，B 試件原始裂隙較為明顯(圖6(b)，原始-B)，裂隙數(shù)量偏少，僅有2 651 個(gè)，直徑42.25～5 211.99 μm。蒸汽熱解后，裂隙體積及最大連通裂隙團(tuán)明顯增大(圖6(b),自然熱解-B)，等效直徑分布也發(fā)生了較大的變化，例如：100 μm 以下的裂隙數(shù)目大幅度衰減，特別是60 μm 以下的裂隙占比由原始的23.29%減少至14.59%，而200 μm 以上的裂隙數(shù)目占比則由9.94%增長(zhǎng)至15.88%，可見(jiàn)蒸汽在層理間串流，大幅度的溝通孤立裂隙，形成更大的裂隙團(tuán)，從圖6(b)(自然熱解-B)也可以看出，最大裂隙團(tuán)遍布整個(gè)試樣，也說(shuō)明了蒸汽熱解傳熱更為均勻，同時(shí)也驗(yàn)證了2.2 節(jié)中蒸汽熱解-B 試樣各層位裂隙率的均勻性?？偭严稊?shù)目也由原始的2 651 個(gè)減少至1 357 個(gè)，直徑也變?yōu)?7.41～8 289.73 μm，最小裂隙也明顯衰減，這一現(xiàn)象與A 試件相同，仍可以用上述原因來(lái)解釋。

由于試件A、B 原始裂隙尺度分布有一定的差異，為了方便比較熱解方式的差異性，引入熱解前后相同等效直徑區(qū)間的裂隙數(shù)目變化比N進(jìn)行衡量，公式為

式中，N為熱解前后相同等效直徑區(qū)間的裂隙數(shù)目變化比；P為熱解后等效直徑區(qū)間x＜R≤y的 占比；P′為熱解前等效直徑區(qū)間x＜R≤y的占比。

按照式(2)對(duì)自然、蒸汽熱解相同等效直徑區(qū)間的N進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表3。由表3 能夠直觀的看出，2 種熱解方式下，等效直徑在100 μm 以上的N均大于1 且蒸汽熱解均大于自然熱解，相應(yīng)的，等效直徑在100 μm 以下的N變化趨勢(shì)正好相反，這也說(shuō)明了蒸汽熱解促進(jìn)了更多小尺度裂隙連通成大尺度裂隙。

表3 相同等效直徑區(qū)間不同熱解方式的裂隙數(shù)目變化比NTable 3 N values of different pyrolysis methods in the same fracture size interval

2.3.3滲透率

A、B 試樣在自然、蒸汽熱解完全后，采用高純氮?dú)庾鳛闈B透介質(zhì)，基于達(dá)西定律，通過(guò)穩(wěn)態(tài)法對(duì)煤樣進(jìn)行了不同孔隙壓下的滲透率測(cè)試，并使用式(3)進(jìn)行了計(jì)算：

式中，Kg為煤樣的氣相滲透率，10-15m2；μ為流體的動(dòng)力黏度，μPa·s；L為試樣的長(zhǎng)度，cm；A為試件的截面積，cm2；P1為進(jìn)口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa；Q為流體的流速，cm3/s。

圖7 為A、B 試樣自然、蒸汽熱解后不同孔隙壓力(0.2～1.0 MPa)的滲透率對(duì)比值，蒸汽熱解后B 試樣的滲透率為自然熱解后A 試樣滲透率的8.46～16.95 倍(不同孔隙壓力滲透率比值)，這也說(shuō)明了蒸汽熱解后孔裂隙連通性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于自然熱解。

圖7 A、B 試件自然、蒸汽熱解后不同孔隙壓力下的滲透率Fig.7 Permeability of specimens A and B under different pore pressures after natural and steam pyrolysis

3 討論

3.1 原位狀態(tài)與無(wú)應(yīng)力狀態(tài)煤樣自然熱解孔裂隙結(jié)構(gòu)差異性分析

煤樣在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)及原位狀態(tài)下自然熱解孔隙結(jié)構(gòu)存在較大差異，主要表現(xiàn)在孔隙率及孔隙形態(tài)。表4 總結(jié)了在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，不同煤種煤樣600 ℃自然熱解后的孔隙率值，雖然不同煤種之間的孔隙率略有差異，但孔隙率也均大于19%，最高孔隙率甚至高達(dá)59.3%。而根據(jù)筆者的研究，當(dāng)煙煤處于原巖應(yīng)力狀態(tài)下自然熱解，600 ℃的孔隙率僅有7.4%。圖8 列舉了不同煤種在600 ℃無(wú)應(yīng)力及原位狀態(tài)自然熱解后的孔隙形態(tài)，能夠看出，無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，煤樣的孔隙以長(zhǎng)裂隙為主，裂隙尺度較大且基本完全連通，圖8(b)、(c)中由于大裂隙的存在，煤樣已經(jīng)不是一個(gè)完整體；而在原位狀態(tài)下，孔隙形態(tài)多以細(xì)長(zhǎng)微裂紋及微小孔洞為主。

圖8 無(wú)煙煤[14]、褐煤[15]、煙煤600 ℃無(wú)應(yīng)力、原位狀態(tài)自然熱解裂隙形態(tài)Fig.8 Fissure morphology of anthracite,lignite and bituminous coal in stress-free,in-situ natural pyrolysis at 600 ℃

表4 不同煤種煤樣600 ℃無(wú)應(yīng)力狀態(tài)自然熱解后孔隙率Table 4 Porosity of different type coal after natural pyrolysis at 600 ℃ without stress

此外，為了更直觀科學(xué)的認(rèn)識(shí)2 種狀態(tài)下裂隙結(jié)構(gòu)的差異，選取了相同煤種進(jìn)行了無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下煤樣熱解-CT 掃描實(shí)驗(yàn)，圖9 為裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比曲線。由圖9(a)可以看出，無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，煙煤的裂隙率由熱解前的1.97%提高至26.6%，熱解后約為熱解前的13.5 倍，而原位狀態(tài)下煙煤熱解后的裂隙率僅為熱解前的2.68 倍。此外，由10(b)、(c)可以看出，2 種狀態(tài)下煙煤熱解前后的裂隙尺度分布特征也存在差異，無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，熱解后R≤60 μm 的裂隙占比呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其余尺度的裂隙占比呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，而原位狀態(tài)下，R≤100 μm 的裂隙占比減小，相應(yīng)的R≥100 μm 的裂隙占比增大。同時(shí)結(jié)合2 種狀態(tài)下熱解前后的裂隙數(shù)量來(lái)看，無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，熱解前后的裂隙數(shù)量分別為209 139 及607 417 個(gè)，而原位狀態(tài)下，熱解前后的裂隙數(shù)量分別為13 297 及9 272 個(gè)，可見(jiàn)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下煙煤600 ℃熱解后的裂隙數(shù)量遠(yuǎn)高于原位狀態(tài)下，說(shuō)明無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，溫度促進(jìn)了大量裂隙團(tuán)(R≤60 μm)的新生，裂隙數(shù)量的巨大差異也是導(dǎo)致裂隙尺度分布差異的主要原因。

圖9 煙煤自然熱解前后裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比Fig.9 Comparison of fracture structure parameters before and after bituminous coal natural pyrolysis

根據(jù)上述討論，2 種狀態(tài)下裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異的原因主要是：煤樣處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，高溫環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)的析出，孔裂隙可以自由無(wú)序擴(kuò)張，而當(dāng)施加應(yīng)力后，由于高溫下煤體強(qiáng)度降低，孔裂隙會(huì)被迫閉合，同時(shí)閉合的孔裂隙也會(huì)阻礙焦油等物質(zhì)的順利析出進(jìn)而造成更多的堵塞。

3.2 自然、蒸汽熱解煤樣裂隙結(jié)構(gòu)差異機(jī)制分析

自然、蒸汽熱解方式的本質(zhì)區(qū)別是傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱方式的差異。熱傳導(dǎo)是指沿著固體物體進(jìn)行熱量傳遞的方式，從物體溫度較高的部分沿著物體傳遞到溫度較低的部分；熱對(duì)流是指通過(guò)流體的流動(dòng)加熱流動(dòng)區(qū)域的方式。后者的加熱效率要高于前者，而更深度的對(duì)于煤的裂隙結(jié)構(gòu)的影響兩者仍具有較大差異。

根據(jù)2.3.1 中A、B 試件熱解前后裂隙率的變化情況，自然熱解后裂隙率約為原始煤樣的2.68 倍，蒸汽熱解后裂隙率約為原始煤樣3.65 倍，說(shuō)明蒸汽熱解對(duì)流加熱的模式對(duì)提高裂隙率的效果更為顯著，此外，根據(jù)1.3 節(jié)中可得，試樣A、B 熱解時(shí)間分別為2 530、2 367 min，更進(jìn)一步說(shuō)明蒸汽熱解的傳熱、熱解效率較為優(yōu)越。

由于煤是熱的不良導(dǎo)體，傳導(dǎo)加熱的過(guò)程中傳熱效率低，由內(nèi)而外存在一定的溫差，這就導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)熱解不充分，同時(shí)由于應(yīng)力的作用，有機(jī)物產(chǎn)生的油氣等逸出需要積聚一定的壓力，此外還需要經(jīng)歷一定的距離，而這些油氣占據(jù)的空間并不利于煤樣持續(xù)的熱解及產(chǎn)出，這些產(chǎn)物還有一定概率進(jìn)入盲孔中，無(wú)法運(yùn)移出煤體外，從而導(dǎo)致孔隙率的下降。

煤樣通過(guò)蒸汽對(duì)流加熱后，要比傳導(dǎo)加熱經(jīng)歷更復(fù)雜的物理及化學(xué)變化(圖10)。①驅(qū)替作用。高孔隙壓力蒸汽的注入為油氣產(chǎn)物的產(chǎn)出提供了驅(qū)替動(dòng)力，克服了傳導(dǎo)加熱中產(chǎn)物運(yùn)移困難的問(wèn)題，保證了煤樣的持續(xù)熱解及產(chǎn)物產(chǎn)出，由圖11(a)可以看出蒸汽熱解后的產(chǎn)氣量約為自然熱解產(chǎn)氣量的3.9 倍，此外，2.1 節(jié)中蒸汽熱解的揮發(fā)分產(chǎn)出率高于自然熱解的揮發(fā)分產(chǎn)出率也能予以佐證；②擴(kuò)孔效應(yīng)。高溫蒸汽滲透進(jìn)行煤孔隙通道時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部張力，一方面擴(kuò)大了原有的孔隙體積，另一方面也會(huì)破壞一些孔壁弱面，促進(jìn)孔間連通；③對(duì)流剝蝕效應(yīng)[23]。已有研究證明，蒸汽對(duì)流加熱獨(dú)特的對(duì)流剝蝕效應(yīng)可將盲孔中的焦油或附著在孔壁周圍黏度較高的產(chǎn)物“沖刷-轉(zhuǎn)移”至孔裂隙通道，此后經(jīng)孔隙壓力驅(qū)替至煤體外；④化學(xué)作用。蒸汽溫度550 ℃以上存在大量還原性較強(qiáng)的自由H+，H+一方面與黏度較高的重質(zhì)焦油反應(yīng)使其裂解成低碳鏈的輕質(zhì)油品，增加了油品的流動(dòng)性[23]；另一方面富氫環(huán)境下，更有利于煤樣熱解中氣體產(chǎn)物中氫氣的產(chǎn)生[25](圖11(b))。

圖10 蒸汽作用示意Fig.10 Schematic diagram of superheated steam effect

圖11 產(chǎn)氣及氣體組分Fig.11 Gas production and gas components

3.3 局限性

本試驗(yàn)僅僅研究了深度為200 m 的煤層原巖應(yīng)力狀態(tài)下不同熱解方式下的裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，將來(lái)關(guān)于深部更高應(yīng)力條件下煤炭地下原位熱解還需進(jìn)一步探究，同時(shí)煤樣原位狀態(tài)下更高熱解溫度(＞ 600 ℃)的探究仍需進(jìn)一步深入工作。

4 結(jié)論

(1)自然、蒸汽600 ℃原位熱解后，煤樣內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙形態(tài)以細(xì)長(zhǎng)型裂紋及孔洞為主，蒸汽熱解后裂隙尺度進(jìn)一步提升，裂隙網(wǎng)絡(luò)更為豐富復(fù)雜。

(2)在軸壓5 MPa，圍壓3 MPa 的應(yīng)力條件下，煙煤自然熱解后裂隙率為原始裂隙率的2.68 倍，蒸汽熱解后裂隙率為原始裂隙率的3.65 倍且每一層位裂隙率更均勻。

(3)蒸汽熱解使得煙煤受熱均勻，換熱面積大，有機(jī)質(zhì)熱解更加充分。驅(qū)替作用保證熱解產(chǎn)物的持續(xù)產(chǎn)出；孔隙壓力的局部應(yīng)力作用既擴(kuò)大了原有的孔裂隙體積又會(huì)破壞孔壁弱面，大大增加了孔裂隙連通性；蒸汽剝蝕效應(yīng)將盲孔及孔裂隙附著的黏稠度較高的焦油“沖刷-運(yùn)移”至煤體外；富氫環(huán)境促進(jìn)了重質(zhì)焦油的裂解，增強(qiáng)了油品的流動(dòng)性。

(4)原位與無(wú)應(yīng)力狀態(tài)煤樣熱解裂隙率及裂隙形態(tài)存在較大差異，蒸汽熱解是煤炭原位注熱開(kāi)采工程實(shí)踐的最優(yōu)加熱方式，研究數(shù)據(jù)可以為工程實(shí)踐提供真實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。