煤层膨胀增透材料放热对煤体影响范围研究

崔 啸，郭立稳,张嘉勇，贾 静

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210； 2.河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山 063210)

随着我国煤矿开采水平向深部延伸，煤层瓦斯含量和瓦斯压力显著升高，严重威胁矿井生产安全[1-2]。目前常用的煤层增透技术包括钻孔卸压增透、水力压裂增透、深孔爆破增透、膨胀材料增透等技术[3-6]。其中，膨胀材料增透技术是在煤层中布置钻孔，灌注膨胀材料，依靠其膨胀能促使煤体破碎，提升煤体的透气性。该技术具有反应速度较慢，压力匀速增加，膨胀过程无声、无飞石、无震荡等特点[7-8]，同时膨胀材料是水泥类的膨胀凝胶材料，与水发生水化反应，会释放热量，导致环境温度上升，放热对煤体结构及瓦斯的影响有待进一步研究。

国内外研究者基于温度对煤体及瓦斯的影响进行了大量研究。王登科等研究发现温度冲击会促使煤体内部裂隙扩展加宽，产生新裂隙，裂隙体积、壁厚、表面积均与温差呈正相关关系[9]；王刚等应用CT三维重构技术并借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟，研究发现随温度载荷的增加，孔裂隙的变形量增加，孔裂隙之间的变形量差异越大[10]；杨凯等对不同温度和围压耦合条件下的原煤瓦斯渗流进行了测定，煤样渗透率均表现出较强的温度、压力敏感性[11]；孙光中等研究了不同参数变化下含瓦斯煤的渗透率与温度变化的关系，发现煤体渗透率与温度变化呈现负指数函数变化规律[12]。

针对膨胀材料水化反应放热特征，笔者通过实验分析和数值模拟进一步研究膨胀材料水化反应热对煤体的影响，完善煤层膨胀致裂机理，为实现煤层膨胀致裂增透技术的现场应用提供理论基础。

1 煤层膨胀增透机理

煤层钻孔膨胀致裂使用的膨胀材料以氧化钙CaO为主要成分，CaO发生水化反应，形成体积倍增的氢氧化钙Ca(OH)2晶体，对煤体钻孔起到膨胀致裂作用，导致煤体产生裂缝，形成瓦斯释放空间[13]。同时，膨胀材料的水化过程会释放一定热量，通过热传导将热量传递到煤体，导致煤体温度升高，有助于吸附瓦斯的解吸，加速瓦斯释放，可提高瓦斯抽采效率。煤层钻孔膨胀致裂增透机理如图1所示。

图1 煤层钻孔膨胀致裂增透机理示意图

2 实验装置与方法

2.1 测温环境条件

环境温度条件对膨胀材料水化反应的影响较大，环境温度高时，膨胀材料水化反应速率较快；温度低时，水化反应速率较缓慢。在20.0 ℃室温下对煤层钻孔现场进行温度和压力测定。考虑到膨胀材料在煤层中的施工环境及填孔流动性等因素，选定水灰比为0.30的膨胀材料作为实验测定对象。

2.2 实验装置及方法

在环境温度20 ℃左右条件下，采用自主研制的膨胀材料水化反应温度和压力测试装置进行实验，测试装置如图2所示。用天平(精度为0.01 g)称取总质量500 g的膨胀材料，加入150 mL水搅拌均匀后放入测试装置。通过恒温水浴模拟20.0 ℃环境温度，并通过温度传感器、压力传感器和数据记录仪记录水化反应温度及膨胀压力随时间的变化情况。为保证实验数据的准确性，共进行3组重复实验。

图2 膨胀材料水化反应温度和压力测试装置

2.3 实验结果与分析

2.3.1 膨胀材料膨胀压力及温度变化分析

通过3组重复实验测得膨胀材料膨胀压力和水化反应温度数据基本一致，选取其中一组进行分析。膨胀材料膨胀压力和水化反应温度随时间的变化曲线如图3所示。

(a)膨胀压力变化

(b)水化反应温度变化

由图3(a)可知，在开始阶段膨胀材料反应速度较快，膨胀压力增长较快；当反应1 000 min后膨胀压力增长速率逐渐减缓，但膨胀材料仍未完全发生水化反应，所以膨胀压力仍会缓慢增长；随着时间的推移，最大膨胀压力稳定在47 MPa左右。

由图3(b)可知，在环境温度为20.0 ℃、水灰比为0.30的情况下，膨胀材料在温度为20.0～43.0 ℃时，反应升温缓慢；当温度达到43.0 ℃后，反应迅速加快，升温明显；在反应70 min时，达到最高水化反应温度103.5 ℃，随后水化反应温度开始缓慢下降。

2.3.2 膨胀材料温度变化速率分析

对图3(b)实验数据进行分析，确定膨胀材料反应温度每升高或下降10 ℃所需的时间Δt，并计算各温度段的升温速率K，将其作为水化反应过程中温度变化快慢的指标，即K=10/Δt[14-15]。

膨胀材料水化反应温度可依据温度变化速率的情况来确定，反应过程可分为升温阶段和降温阶段，升温速率和降温速率变化曲线如图4所示。

(a)升温速率变化

(b)降温速率变化

由图4(a)可知，膨胀材料升温过程主要分3个阶段，在20.0～43.0 ℃温度范围时，膨胀材料升温相对缓慢，升温速率为0.48～0.78 ℃/min；40.0～100.0 ℃时，升温速率呈指数趋势增长，最高升温速率为20.00 ℃/min；由于膨胀材料升温主要依靠水化反应放热，当温度达到100.0 ℃时，升温速率急剧下降。

膨胀材料达到最高水化反应温度103.5 ℃后，膨胀材料降温速率曲线如图4(b)所示，由于降温阶段膨胀材料仍未完全反应，依旧会因水化反应放热，所以降温时间要长于升温时间，并且由于散热原因降温速率会随温度的降低逐渐减缓。

根据膨胀材料反应温度速率变化，整个水化反应过程的温度变化可分为4个阶段：①缓慢升温阶段(20.0～43.0 ℃)；②快速升温阶段(43.0～100.0 ℃)；③降速升温阶段(100.0～103.5 ℃)；④降温阶段。

对膨胀材料4个水化反应阶段温度变化进行拟合计算，其拟合曲线如图5所示。

图5 膨胀材料水化反应温度拟合曲线

分别对膨胀材料水化反应的升温和降温4个阶段进行拟合分析：

①缓慢升温y1=20.736+0.57x，R2=0.987；

②快速升温y2=-74.07+2.90x，R2=0.996；

③降速升温y3=87+0.27x，R2=0.999；

④降温阶段y4=646.35x-0.416，R2=0.978。

3 膨胀材料放热影响范围数值模拟

3.1 几何模型与煤层参数

在膨胀材料致裂的前提下，分析煤层钻孔膨胀材料的4个温度变化阶段中水化反应热对煤层的影响范围。模型大小为4 m×4 m，钻孔孔径为100 mm，简化的二维平面几何模型如图6所示。

图6 几何模型

计算几何模型共划分532个网格，其中三角形单元480个，边界元44个，顶点单元8个。煤层基本物理性质参数如表1所示。

表1 煤层物理性质参数

3.2 计算结果及分析

膨胀材料产生的最大膨胀压力约为47 MPa，煤体在膨胀压力的作用下能被破碎，从而形成贯穿裂隙，提高瓦斯抽采效率。数值模拟膨胀材料水化反应过程中温度变化，分别选择4个阶段中30、50、70、180 min的煤体温度变化及影响范围进行分析，各时间点膨胀孔周围煤体温度变化云图如图7所示。

(a)30 min

(b)50 min

(c)70 min

(d)180 min

由图7可知，当膨胀材料水化反应30 min时，膨胀材料刚开始发生水化反应，其反应温度较低，对煤体影响较小；当膨胀材料发生水化反应50 min后，进入快速升温阶段，煤体受热后温度和影响范围显著增加；当膨胀材料发生水化反应70 min时，反应温度达到最高，但影响范围变化不明显；当膨胀材料发生水化反应180 min时，温度变化进入降温阶段，煤体温度有所降低，但受热范围继续扩大。

膨胀材料在各温度变化阶段，距钻孔不同位置的煤体温度及影响范围如图8所示。

图8 膨胀材料水化反应对煤体温度的影响曲线

由图8可知，随着煤体与钻孔距离的增加，煤体温度呈递减趋势；随着膨胀材料温度的上升，煤体温度上升，影响半径增加；当膨胀材料进入水化反应降温阶段时，由于热能被传递，虽然煤体温度随之下降，但影响半径却随之增加。以煤体上升温度超过1.0 ℃为条件，最大影响半径可达1.2 m。通过膨胀材料水化反应温度对煤体影响半径的研究，进一步揭示了煤层钻孔膨胀致裂增透机理，为煤层膨胀钻孔的布孔参数选取提供了理论依据。

4 结论

1)通过膨胀材料水化反应温度和压力测试装置实验，测定膨胀材料的最高膨胀压力约为47 MPa，最高反应温度为103.5 ℃。

2)根据膨胀材料水化反应温度变化情况，可将温度变化过程分为升温阶段和降温阶段。升温阶段主要分3个阶段：缓慢升温(20.0～43.0 ℃)、快速升温(43.0～100.0 ℃)和降速升温(100.0～103.5 ℃)阶段。降温阶段，降温速率会随温度的降低逐渐减缓。

3)膨胀材料水化反应释放热量，既可使钻孔周围煤体受热改变其力学性质，又可增加瓦斯气体动能，加速瓦斯解吸，从而提高瓦斯抽采效率。通过数值模拟分析，煤体受膨胀材料水化反应放热的影响范围随温度的升高而增大；并且在膨胀材料的降温阶段，煤体的影响范围依然增大；当反应至400 min时，最大影响半径达到1.2 m。