煤样粒径对酸岩反应时间及酸液浓度优选的影响_王春霞.pdf

文章编号:1009-6094(2023)03-0783-09煤样粒径对酸岩反应时间及酸液浓度优选的影响*王春霞1，2，高建良1，张学博1(1 河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003;2 六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州六盘水 553004)摘要:为了确定酸化时间、酸液质量浓度及采用溶蚀率进行酸液优选时所用煤样粒径，通过开展 7 种粒径的煤样分别与 5 种质量浓度的盐酸溶液反应不同时间后的酸化试验，测试了酸化前后煤样的质量，计算了溶蚀率，研究了粒径对溶蚀率、酸化时间及酸液质量浓度优选的影响。结果表明:在任意一种盐酸质量浓度及相同反应时间下，酸化煤样的溶蚀率均随初始粒径的增加呈先减小后增大的趋势，确定了酸化技术增透赵固二矿煤层的室内试验所用煤样的粒径为 0.51 mm;在任意同种粒径及相同盐酸质量浓度下，酸岩反应过程均经历 3 个阶段即快速反应阶段、反应稳定阶段、反应沉淀阶段，但不同粒径的煤样完成反应的时间不同，针对每种粒径的煤样确定了相应的酸化时间;在任意的同种粒径及相同反应时间下，溶蚀率均随酸液质量浓度的增加呈先增加后减小的趋势，煤样粒径对酸液质量浓度优选的影响甚微，确定了在赵固二矿实施酸化技术所用酸液是质量分数为5%的盐酸溶液。关键词:安全工程;溶蚀率;酸岩反应;粒径尺寸;酸化时间;酸液质量浓度中图分类号:X936文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1918*收稿日期:2021 10 28作者简介:王春霞，副教授，博士研究生，从事矿井瓦斯防治研究，;高建良(通信作者)，教授，博师生导师，从事矿井通风及瓦斯防治研究，gao hpu edu cn。基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC0808103);国家自然科学基金项目(51734007，52074106)0引言煤矿瓦斯，既是煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸灾害的危险源，又是一种高效的洁净能源1，具有威胁煤矿安全和缓解能源需求压力的双重属性。瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯事故的主要手段，提高瓦斯抽采量，最大限度地降低煤层瓦斯含量2，对保证我国煤矿安全生产、优化能源结构意义重大。瓦斯抽采的难易程度取决于煤层的渗透性，我国大多数煤层渗透性较差，导致瓦斯抽采难度大。煤层渗透性与煤体孔隙度及其连通性密切相关，煤体孔裂隙是煤层瓦斯运移的通道。我国许多学者采用水力压裂、水力割缝、深 孔 爆 破，氮 气 注 入 等 技 术 手 段 改 造 煤层3 7，改善了煤体的孔隙结构，提高了煤层的渗透性，促进了瓦斯从煤层中流出，在瓦斯抽采率的提高上取得了一定的效果，但在有些地区效果并不理想。焦作矿区的无烟煤与其顶底板岩石的力学性质比较接近，水力压裂时低压无法使煤中的裂隙开启，高压又沟通了煤层与其顶底板的含水层，从而造成压裂失败8。因此采用常规的水力压裂技术无法实现增透从而提高瓦斯抽采效果的目的。研究发现，煤的孔喉和裂隙中常被方解石、白云石等碳酸盐矿物充填9 13，堵塞瓦斯运移的通道，导致煤层渗透率降低，针对这类煤层，可以采用酸化的方法提高煤层渗透率14。酸化技术是通过钻孔向煤层注入一种或几种酸液(无机酸、有机酸、多组分酸等)，利用酸液与煤层孔裂隙中的碳酸盐矿物、黏土矿物的溶解和溶蚀作用，扩大煤层裂隙宽度，改善孔裂隙之间的连通性，打通瓦斯运移的通道，从而提高煤层渗透性的一种增产措施15 19。1985 年，Vasyuchkov20 最先报道了在不同应力载荷下，煤样经水和盐酸处理前后孔隙度和渗透率的变化规律，提出盐酸处理可以提高煤的孔隙度和渗透率。1998 年，苏现波等8 首次提出在对裂隙中充填方解石的煤层进行增透时，采用酸化技术比水力压裂技术有一定的优越性，此后许多学者开展了酸化技术在煤层增透方面的应用研究。多位学者认为酸化技术有利于提高煤岩渗透性，具有应用前景12，21。针对焦作矿区赵固二矿采用水力压裂技术增透效果不佳的问题，研究发现该矿煤裂隙中含有大量的方解石，可以采用酸化技术溶蚀煤中矿物质来增加煤层透气性，以利于瓦斯抽采。酸液质量浓度和酸化时间是决定酸化效果优劣的关键参数，通常采用溶蚀率来衡量酸液对煤的溶蚀能力，以溶蚀率的大小作为判断酸化效果优劣的依据，并以此确定最优酸液质量浓度和酸化时间。酸液溶蚀掉的矿物质越多，溶蚀率越高，说明对煤的溶蚀能力越强，酸化效果越好;反之，酸液溶蚀掉的矿物质越少，溶蚀率越低，说明对煤的溶蚀能力越弱，酸化效果越差。由于煤样粒径不同，煤样的均匀程度、内部孔裂隙数387第 23 卷第 3 期2023 年 3 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 3Mar，2023量，所含有的矿物质质量分数及与酸液接触的表面积均不同，而煤样的均匀程度、内部孔裂隙数量、所含有的矿物质质量分数及与酸液接触的表面积是决定溶蚀率大小的主要因素，因此溶蚀率的高低与煤样粒径的大小密切相关。目前对于采用溶蚀率优选酸化参数时煤样粒径的选取问题还没有达成共识，例如倪小明等22 选用粒度为 0.5 mm 左右煤粒，刘炎杰23 筛选 10 20 目(0.83 1.7 mm)的煤粒，康毅力等24 选取粒径介于 20 40 目(0.38 0.83mm)的煤粒，林骏25、李先琳26 选取 60 80 目(0.18 0.25 mm)的煤粉，游艺27 筛选约 80 目(0.18 mm)的煤粉，罗明坤28、李全中29 将煤样制备成粒径约为150 目(0.106 mm)的粉末，刘炼30 筛选约 200 目(0.075 mm)的煤粉来开展静态溶蚀试验并进行溶蚀率计算。学者们在开展静态溶蚀试验时所用的煤样粒径各不相同，而粒径对溶蚀率的影响还未见报道，煤样粒径对酸化时间及酸液质量浓度优选的影响尚不明确。针对酸化技术增透煤层确定酸化参数时亟须解决的以上关键科学问题，本文研究煤样粒径对溶蚀率、酸化时间及酸液质量浓度优选的影响规律，并以此确定酸化增透赵固二矿煤层前期实验室试验的煤样粒径尺寸、酸化时间及酸液质量浓度，以期为赵固二矿煤层酸化增透技术的实施提供试验基础和依据。1试验方法与酸化原理1.1试验材料1.1.1煤样的制备本文所用试验煤样为河南焦煤能源有限公司赵固二矿采煤工作面的 20 30 cm 大块煤样。严格按照 GB/T 4742008煤样的制备方法，结合学者们酸化试验常用的粒径尺寸及后续需要做测试试验对粒径尺寸的要求，用碎煤机将大块煤样粉碎，分别过200 目(0.075 mm)、80 目(0.18 mm)、60 目(0.25mm)、32 目(0.5 mm)、16 目(1 mm)、7 目(3 mm)、3目(6 mm)的标准筛进行筛分，获得大小分别为0.075 mm、0.075 0.18 mm、0.18 0.25 mm、0.25 0.5 mm、0.5 1 mm、1 3 mm、3 6mm 的 7 种不同粒径的煤样。试验选用的煤样颗粒均由同一煤块经过粉碎后筛分得到，可以认为相同岩性的煤样物理化学性质完全相同31。将制备好的小块煤样预处理后分别进行煤的镜质组反射率、工业分析和显微组分测定。结果表明，煤的最大镜质组反射率 o，max为 2.63%，属于无烟煤;煤中挥发分质量分数为 8.82%，空气干燥基水分质量分数为3.06%，空气干燥基灰分质量分数为 28.24%，空气干燥基固定碳质量分数为 59.88%;镜质组质量分数为 71.3%，惰质组质量分数为 22.6%，矿物质质量分数为 6.1%。为确定赵固二矿煤中的矿物组成及其相对质量分数，利用 X 射线衍射仪(XD)对赵固二矿原始煤样进行测试，测试角度为 0 70，测试速度为5/min。采用 Jade 6.0 软件对 XD 测试结果进行物相检索并做定量分析，分析发现赵固二矿煤中含有方解石、铁白云石、铵云母、高岭石和绿泥石，其分别占煤中矿物总质量的 15%、18%、7%、48%和12%。赵固二矿未酸化煤样的 X 射线衍射图谱如图1 所示。图 1XD 衍射图Fig 1XD diffraction pattern由图 1 和 XD 定量分析结果可知，赵固二矿原始煤样中的方解石和铁白云石等碳酸盐矿物质质量在总矿物质质量中的占比高达 33%，这为酸化增透技术在赵固二矿煤层中的应用提供了物质基础。1.1.2酸液制备配制质量分数分别为 2%、5%、8%、11%、14%的盐酸溶液。在碳酸盐岩储层基质酸化中多采用质量分数一般不超过 15%的盐酸体系，由于碳酸盐矿物在煤储层中的质量分数远低于其在碳酸盐岩储层中的质量分数，因此本文选用质量分数为 2%14%的盐酸。1.1.3试验仪器及材料煤样破碎机(鹤壁鑫宇煤质化验设备厂)、煤样筛网(绍兴市锦航仪器有限公司)、FA1204B 型高精度电子天平(佑科仪器仪表有限公司)、101 型电热鼓风干燥箱(北京市永光明医疗仪器有限公司)、HH 8型数显恒温水浴锅(上海力辰邦西仪器科技有限公487Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期司)、SHZ D()循环水式多用真空泵(上海力辰邦西仪器科技有限公司)、布氏漏斗(四川蜀玻(集团)有限责任公司)、抽滤瓶(四川蜀玻(集团)有限责任公司)、中速定量滤纸(杭州双新滤纸有限公司)、塑料量筒(常德比克曼生物科技有限公司)、塑料棒(常德比克曼生物科技有限公司)、惰性塑料反应瓶(常德比克曼生物科技有限公司)、烧杯(四川蜀玻(集团)有限责任公司)、移液管(四川蜀玻(集团)有限责任公司)。1.2酸岩反应原理由 XD 分析结果可知赵固二矿煤样中所含有的矿物质主要有方解石、铁白云石、铵云母、高岭石和绿泥石等，利用盐酸酸化该矿煤样主要涉及的化学反应方程式如下。方解石(CaCO3):CaCO3+2HClCaCl2+CO2+H2O(1)铁白云石(Ca(Fe，Mg)(CO3)2):CaMg(CO3)2+4HClCaCl2+MgCl2+2CO2+2H2O(2)CaFe(CO3)2+4HClCaCl2+FeCl2+2CO2+2H2O(3)绿泥石(AlSi3O10)Mg5(Al，Fe)(OH)8):(AlSi3O10)Mg5(Al，Fe)(OH)8+HClAlCl3 nn+SiO2+MgCl2+FeCl3 kk+H2O(4)Fe2+0.25O2+HClFe3+Cl+0.5H2O(5)Fe3+3H2OFe(OH)3+3H+(6)对于铁的碳酸盐矿物来说，其在溶解反应之初为中和矿物;但随着连续溶解反应的进行，这类碳酸盐矿物中所含的二价铁被氧化成三价铁并以氢氧化物的形式沉淀 32。铵云母(NH4Al2(AlSi3)O10(OH)2)、绿泥石(AlSi3O10)Mg5(Al，Fe)(OH)8)和高岭石(Al4(Si4O10)(OH)8)为铝硅酸盐黏土矿物，不能与盐酸发生完全反应。1.3静态溶蚀试验原理酸液对煤样的溶蚀性，是表征酸液实际可溶解煤中矿物量的多少，用溶蚀率来表示。溶蚀率是指在一定温度条件下单位质量煤岩与酸液反应，酸化前后煤岩质量的变化率24。溶蚀率的高低决定酸化效果的优劣，可以通过溶蚀率分析酸液对煤样的溶解能力。不同的酸液、不同的煤样，溶蚀率不同。溶蚀率 c计算公式为c=m1(m2 m3)m1(7)式中c为溶蚀率，%;m1为酸化处理前煤样初始质量，g;m2为酸化处理后含滤纸的煤样质量，g;m3为干燥滤纸质量，g。1.4试验过程及方法首先将 7 种粒径的煤样和定量滤纸在 80 的恒温干燥箱中干燥 24 h，利用精确度为 0.1 mg 的高精度电子天平称取 840 份约 3 g/份的干燥煤样及与每份煤样对应的干燥滤纸质量。根据先前的研究，以固液比(g mL)为 1 10 的比例将称取的干燥煤样浸泡在装有 5 种不同质量分数盐酸溶液的惰性封口塑料瓶中，置于25 的恒温水浴锅中分别酸化0.25h、0.5 h、0.75 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h，酸化完成后采用循环水式多用真空泵、抽滤瓶、布氏漏斗、与该煤样相对应的干燥定量滤纸对酸化后煤样进行反复冲洗过滤，直至煤样 pH 值呈中