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基于不同热解方式下烟煤裂隙结构演化的对比石建行1，冯增朝1，周动1,2，沈永星1，李学成1(1.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室,山西太原030024；2.太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原030024)摘要：煤炭地下原位热解开采是未来煤炭资源利用的新趋势，探明不同热解方式下煤的孔裂隙结构、空间分布及连通性尤为关键，现有的关于煤热解后孔裂隙结构参数的研究均处于无应力状态且缺乏不同热解方式下孔裂隙结构参数的对比。基于以上不足，利用自制的高温高压热流体应力化学耦合作用的三轴试验机，结合显微 CT 技术，探究了烟煤在自然、蒸汽原位热解(600)条件下的裂隙结构差异，进而就差异性进行了机理探究。结果表明：自然、蒸汽 600 原位热解后，煤样内部产生的裂隙形态以细长型裂纹及孔洞为主，蒸汽热解后裂隙尺度进一步提升，裂隙网络更为丰富复杂；在轴压 5MPa、围压 3MPa 的应力条件下，烟煤自然热解后裂隙率为原始裂隙率的 2.68 倍，蒸汽热解后裂隙率为原始裂隙率的 3.65 倍且每一层位裂隙率更均匀；蒸汽热解使得烟煤受热均匀，换热面积大，有机质热解更加充分。驱替作用保证热解产物的持续产出；孔隙压力的局部应力作用既扩大了原有的孔裂隙体积又会破坏孔壁弱面，大大增加了孔裂隙连通性；蒸汽剥蚀效应将盲孔及孔裂隙附着的黏稠度较高的焦油“冲刷运移”至煤体外；富氢环境促进了重质焦油的裂解，增强了油品的流动性；原位与无应力状态煤样热解裂隙率及裂隙形态存在较大差异，蒸汽热解是煤炭原位注热开采工程实践的最优加热方式。关键词：自然热解；蒸汽热解；烟煤；显微 CT 技术；裂隙结构中图分类号：TQ530.2文献标志码：A文章编号：02539993(2023)09346011Comparative study on the evolution of fracture structure of bituminous coal basedon different pyrolysis methodsSHIJianhang1,FENGZengchao1,ZHOUDong1,2,SHENYongxing1,LIXuecheng1(1.Key Laboratory of In-Situ Properties-Modified Mining of Ministry of Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China;2.Collegeof Safety and Emergency Management Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China)Abstract:Undergroundin-situpyrolysisofcoalisanewtrendintheutilizationofcoalresourcesinthefuture.Itisespe-ciallycriticaltoinvestigatethecoalpore-fissurestructure,itsspatialdistributionandconnectivityunderdifferentpyrolys-ismethods,andtheexistingstudiesonthepore-fissurestructureparametersofcoalafterpyrolysisareinnon-stresscondi-tionandlackofthecomparisonofpore-fissurestructureparametersunderdifferentpyrolysismethods.Basedontheabovedeficiencies,usingtheself-madetriaxialtestingmachineofthermo-fluid-mechanical-chemicalcouplingathightemperat-ureandpressure,combinedwiththemicro-CTtechnology,thefissurestructuredifferencesofbituminouscoalundertheconditionsofnaturalandsteamin-situpyrolysis(600)wereinvestigated,andthenthemechanismofthedifferences收稿日期：20220913修回日期：20221201责任编辑：韩晋平DOI：10.13225/ki.jccs.2022.1330基金项目：国家青年科学基金资助项目(12102293)作者简介：石建行(1996)，男，河北邯郸人，博士研究生。E-mail：通讯作者：冯增朝(1971)，男，陕西渭南人，教授，博士生导师。E-mail：zc-引用格式：石建行，冯增朝，周动，等.基于不同热解方式下烟煤裂隙结构演化的对比J.煤炭学报，2023，48(9)：34603470.SHIJianhang，FENGZengchao，ZHOUDong，etal.Comparativestudyontheevolutionoffracturestructureof bituminous coal based on different pyrolysis methodsJ.Journal of China Coal Society，2023，48(9)：34603470.第48卷第9期煤炭学报Vol.48No.92023年9月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYSep.2023wasexplored.TheresultsshowthatAfterthenaturalandsteamin-situpyrolysisat600C,thefissureformsgeneratedinsidethecoalsamplearemainlyslendercracksandholes,andthefissurescaleisfurtherimprovedaftersteampyrolysis.Thefissurenetworkismoreabundantandcomplex.Underthestressconditionof5MPaaxialpressureand3MPacon-finingpressure,afternaturalpyrolysis,thefissurerateis2.68timesoftheoriginalfissurerate.However,aftersteampyro-lysis,thefissurerateis3.65timesoftheoriginalfissurerate,andthefissurerateofeachlayerismoreuniform.Steampyrolysismakesthebituminouscoalheatedevenly,withlargeheatexchangeareaandmoreadequatepyrolysisoforganicmatter.Thedisplacementeffectensuresthecontinuousproductionofpyrolysisproducts.Thelocalstresseffectofporepressurenotonlyexpandstheoriginalpore-fissurevolume,butalsodestroystheweaksurfaceofporewall,whichgreatlyincreasestheporeconnectivity.Thesteamdenudationeffectwill“scourandtransport”thetarwithhighviscosityattachedtotheblindfissuresoutofthecoalbody.Hydrogen-richenvironmentpromotesthecrackingofheavytarandenhancesthefluidityofoil.Therearelargedifferencesinthefissurerateandfissuremorphologybetweenin-situandnon-stressofcoalpyrolysis.Steampyrolysisistheoptimalheatingmethodfortheengineeringpracticeofin-situthermalinjectioncoalmining.Key words:naturalpyrolysis；steampyrolysis；bituminouscoal；micro-CTtechnology；fissurestructure“富煤、贫油、少气”是我国的能源结构，煤炭作为主体能源支撑着我国经济和社会的发展。由于煤炭的燃烧会导致温室气体的排放，长期以煤为主的能源消费结构给我国带来了较为严重的环境污染问题，因此需要更加绿色环保的方式来开采利用煤炭资源1-5。赵阳升院士团队提出了原位改性流体化采矿的概念，通过原位加热或注入高温流体的方式加热地下煤层，将含碳量更低，热值更高的合成气或液体燃料开采出来，同时将造成环境污染的固定碳留在地层中6。煤层在原位状态经过加热后，产物经过采收井运移至地面经过气液分离，气态产物用于燃气发电等，燃烧产生的 CO2可以封存至已经开采的煤层，实现零碳排放。该技术可以实现绿色环保的方式利用煤炭资源，此外，烟煤相较于无烟煤挥发分高，较褐煤等低阶煤含水率低，从耗能及产物产率上来讲，烟煤具有最优的经济收益，因此具有广阔的应用前景。根据加热源的不同，煤体原位热解开采的主流加热方式可分为传导加热、对流加热7。不论何种加热方式，煤炭地下原位热解开采的核心问题是煤层内部的传热及热解产物的迁移，因此，探明煤岩在不同热解方式下的孔裂隙结构、空间分布及连通性尤为关键。CT 技术可以无损表征煤岩的孔裂隙特征得到了国内外研究学者的青睐。基于传导加热，孟巧荣等8-10使用微型气氛炉研究了褐煤热破裂随温度的变化关系，发现 300 是褐煤热破裂的阈值温度，此后，又对不同温度段的原生、新生裂隙形态、演化规律进行了深度分析；冯子军等11进行了不同温度下褐煤、气煤细观结构演化的 CT 试验，通过与无机岩石破裂机理、裂纹形态的对比提出了热解破裂的概念；于艳梅等12-13对瘦煤由室温600 的热破裂过程进行了显微观测，发现了微裂纹的出现、发展、贯通的演化规律；王勇等14结合 Matlab 和 Avizo 软件对无烟煤 CT图像进行三维重构，获取了无烟煤孔裂隙微观结构随温度的演化特征；李亚军等15研究了褐煤热解过程中，热流固耦合作用下的微细观孔裂隙结构对渗透性的影响；基于对流加热，NIU 等16使用 CT 技术研究了不同孔隙压力氮气加热下褐煤孔隙结构参数的变化，发现褐煤的热解会受到外部施加压力及热解产物内部压力之间的动态竞争影响；王毅等以长焰煤17、褐煤18为研究对象，对 600 高温蒸汽热解固体产物的孔隙结构参数进行了压汞测试，发现其具有优良的渗透性能。以上研究为煤岩热解后孔隙结构的演化规律提供了借鉴，但仍存在以下问题：煤样的热解均处于无应力状态，不能代表实际地应力情况，试验所得的数据无法用于现场工程试验；缺乏煤岩不同热解方式下孔裂隙结构参数的对比及机理研究。基于以上研究的不足，笔者以内蒙古满来梁烟煤为研究对象，利用自制的高温高压热流体应力化学耦合作用的三轴试验机，结合显微 CT 技术，探究了烟煤在自然、蒸汽原位热解条件下的裂隙结构差异，进而就差异性进行了机理探究。1试验设备及方法1.1试样选取内蒙古满来梁煤矿的烟煤作为试验煤样，其Mad、Aad、Vad和 FCad分别为 11.54%、5.07%、23.13%、60.26%。煤样采集后沿着平行层理方向取心，加工成标准试样，分别编号 A、B，煤样的尺寸和质量见表 1。1.2试验设备为模拟原位注热开采的实际工况，研制了高温高第9期石建行等：基于不同热解方式下烟煤裂隙结构演化的对比3461压热流体应力化学耦合作用的三轴试验机(图 1)。试验系统分别包括高温高压试验机及产物收集计量装置。高温高压试验机采用内加热方式加热煤样，最大加热温度为 600，加热速率 5.5/min。热电偶实时测量煤体表面温度，温度范围5；釜体外部包裹保温棉避免热量损失；产物收集装置由气液分离瓶、冷凝水槽、集气瓶、电子天平及若干阀门管线依次连接而成。1.3试验流程1.3.1原位自然、蒸汽热解将试样 A、B 分别放入高温高压三轴试验机中，在室温下，抽真空 24h 后依次交替施加轴围压至设定压力(轴压：5MPa，围压 3.5MPa)。当试样基质稳定后，试样 A 在设定温度进行自然热解，试样 B 在热解期间过热蒸汽作为入口气体持续注入进行蒸汽热解，热解温度均为 600，过热蒸汽的发生及注入是由外接电动泵向高压三轴试验机的孔隙压入口注入蒸馏水，蒸馏水在流动的过程中被加热进而沿着煤体渗流，整个过程完全隔绝空气，避免煤样被氧化。A、B 试样热解期间，每隔 10min 测量产气量，当产气速率趋于稳定(热解完全)后，试样 A、B 热解时间为 2530、2367min。试样 A、B 自然冷却后进行 CT 扫描、称重。1.3.2显微 CT 试验处理为了更真实准确直观的掌握煤体在原位状态下热解裂隙演化情况，本实验通过显微 CT 系统对原位状态煤的细观结构进行扫描。扫描的最小单元尺寸为 30m。特别说明，以下所获得的数据仅代表一定尺度(30m 以上)的裂隙结构参数。首先将原煤置于铜套内进行常温下的扫描；此后将煤样置于高温三轴试验机内进行原位自然、蒸汽热解。煤样至目标温度充分热解完成后，在应力作用下冷却至室温后，取出带铜套的煤样进行扫描(图 2(a)。由于金属外壳密度较大，为了减少外壳边缘对煤体图像的影响(图 2(b)，选择了合适的重建区域(图 2(c)；此后通过 Matlab 编程对图像进行处理得到较为清晰的煤样 CT 扫描图像(图 2(d)。随后采用最大类间方差法(Otsu 法)进行阈值分割得到二值化图像(图 2(e)。为了能有效表征煤样内部孔隙结构，并且考虑到重建过程中庞大的数据量和相关计算负担，采用最小特征单元体(Rep-resentativeElementaryVolume，REV)来表征实验样本的孔裂隙结构，即在该尺寸以上，裂隙率几乎不受尺寸影响19-23。通过软件对试件裂隙率进行统计，按照REV方案进行多次重复检验，最终选择 400pixels400pixels400pixels 的正方体作为最小特征单元体(实际尺寸为 12mm12mm12mm)(图 2(f)。2试验结果与分析2.1热重分析A、B 两个试件在分别经过原位自然热解及蒸汽热解后质量都有明显的下降。A 试件热解前质量为251.74g，自然热解后质量为 175.83g，失重率为30.15%。B 试件热解前质量为 246.09g，蒸汽热解后质量为 141.5g，失重率为 42.5%。此外，对热解后的表 1 试验煤样尺寸及质量信息Table 1 Size and quality of experimental sample试样长度/mm直径/mm质量/gA100.049.9251.74B100.049.8246.09煤样下压头气液分离瓶冷凝水储槽集气瓶电子天平(b)产物收集计量装置(a)高温高压三轴试验机热电偶保温层煤样绝热垫块孔隙压孔下压杆孔隙压孔铜套上压杆加热炉丝围压气体注入口蒸汽入口图1实验系统Fig.1Experimentalsystem3462煤炭学报2023年第48卷煤样进行了工业分析，自然热解挥发分的产出率约为64.42%，蒸汽热解的挥发分产出率为 85.09%，可见，蒸汽热解促进了挥发分的产出，蒸汽热解的热解效率高于自然热解。2.2煤的裂隙结构的视觉表征图 3 为 A、B 两个试件在不同热解方式、不同层位的原位显微 CT 灰度照片。由于岩石的密度不同，在 CT 灰度图像中呈现出不同的亮度。从图 3 可以看出，原始 A 试样内部结构较为致密，原生裂隙并不发育，但能看出明显的平行层理结构；原始 B 试样同样具有明显的平行层理结构，不同的是沿着层理方向有多条纵横交错的原始裂隙；A、B 试样分别在自然、蒸汽 600 热解后，出现了不同尺寸的裂隙结构。根据裂隙的形态，新生的裂隙分为细长型的裂纹及不规则形状的孔洞(红色区域)。由于煤是一种由有机质及无机物组成的非均质体，部分有机质在煤体内部成团状聚集经过高温热解后，团状区域便形成了“孔洞”。同时，能够明显看出，相较于自然热解的 A 试样，蒸汽热解后的 B 试样裂隙网络更为丰富复杂，裂隙尺度得到了较大的扩展及延伸。图 4 为不同热解方式 3D 数字岩心，也能直观的看出 A、B 试样裂隙网络丰富度的差异性，同时，值得注意的是，A、B 两个试样都能看出部分新生裂隙沿着原生裂隙扩展发育(黑色圆圈区域)。2.3煤裂隙结构参数的定量表征表 2 为自然、蒸汽热解前后 A、B 的裂隙结构参数。以下将结合数据进行煤岩裂隙结构参数的定量化分析。2.3.1裂隙率(1)A 试件。A 试件“原始自然热解”加热过程裂隙率变化特征如图 5(a)所示。统计最小特征单元体中 400 层原始 CT 裂隙率，裂隙率分布在 0.83%5.18%，均值为2.77%。自然热解后，400 层切片的裂隙率大幅度提升，波动范围较大，分布在 3.60%13.52%，均值为 7.44%，约为原始煤样裂隙率的 2.68 倍。虽然在高温作用下煤体软化，强度降低，应力的作用也迫使部分裂缝发生闭合。但同时，煤样在高温作用下，内部孔裂隙结构的变化进而导致裂隙率的提高，主要表现为内部水分的析出、有机物的分解及热破裂等多个因素使得煤体内部的孔裂隙新生及扩展。总体来说，煤样在自然热解后裂隙率较原始状态有了较大的提升。此外，自然热解的煤样 CT 切片裂隙率波动范围较大，一方面表现为在 1239、8390、185200、273287 及 320341 层位裂隙率激增，这与煤体内部随机分布的团状有机质在高温热解后形成的孔洞结构有关；另一方面表现为 40、270271、396 层裂隙率几乎没有变化，这并不代表该层位的煤样自然热解下并未发生变化，这与热解后产生的微裂纹在应力的作用下闭合或者热解产生的焦油等物质堵塞有关。(2)B 试件。图 5(b)为 B 试件“原始蒸汽热解”400 层切片(a)CT扫描(b)初始扫描图像(XY切片)(c)选择重建区域(800800)(d)编程图像处理(e)二值化(f)三维重建图2CT 处理流程Fig.2CTprocessingflow第9期石建行等：基于不同热解方式下烟煤裂隙结构演化的对比34632424500层1 000层1 500层2 000层500层1 000层1 500层2 000层500层1 000层1 500层2 000层500层1 000层1 500层2 000层(a)原始A(b)自然热解A(d)蒸汽热解B(c)原始B图3试件 A、B 不同层位的 CT 扫描照片Fig.3CTsliceimagesindifferentpositionsofthesampleAandB(a)原始A(b)自然热解A(c)原始B(d)蒸汽热解B图4煤岩 3D 数字岩心Fig.43Ddigitalcoreofcoal3464煤炭学报2023年第48卷的裂隙率变化特征，原始B 裂隙率区间为 1.17%8.53%，均值为 4.76%，略大于原始A 试件的裂隙率，从图 4 也能看出，原始B 试样的原生裂隙更为发育；蒸汽热解后，裂隙率分布在 12.76%21.71%，均值为17.37%，约为初始裂隙率的 3.65 倍，提升幅度高于自然热解的 2.68 倍。另外，蒸汽热解的煤样 CT 切片裂隙率波动范围也较大，但根据曲线的变化趋势来看，并未出现自然热解A 试样裂隙率出现多个层位激增或是部分层位裂隙率并未发生变化的情况。这是因为蒸汽热解对流加热的方式增大了煤体内部的换热面积，使得煤体内部受热更为均匀，每一层位的有机质热解更为充分，裂隙率曲线在整体上表现的更为平滑。2.3.2裂隙尺度分布为进一步分析煤在不同热解方式前后的裂隙尺度分布特点，从最小特征单元体内提取出裂隙，同时将形状各异的裂隙结构等效为球型结构，因此引入等效裂隙直径对裂隙尺度进行表征。等效裂隙直径 R的计算公式为R=233Vn4(1)式中，V 为单个像素体的体积，V=27000m3；n 为单个不规则裂隙内包含像素体的个数。(1)A 试件。图 6(a)为 A 试件自然热解前后裂隙直径分布柱形图，原始状态下 A 试件裂隙数量较多，为 13297 个，零散随机分布在试件内部(图 6(a)，原始A)，直径范围为 41.582599.77m。经过自然热解后，裂隙体积明显增大(图 6(a)，自然热解A)，不同直径的尺寸占比有了较大的变化，能够看出，100m 以下的裂隙数目占比相较于原始试样有了明显的衰减，相应的100m 以上的裂隙数量占比增大，说明自然热解促进了裂隙之间的搭接连通，形成了尺寸较大的裂隙结构，同时这也导致裂隙数量相较于原始试样有了明显的减少。直径范围也变为 36.875416.99m，值得注意的是，最小直径由 41.58m 衰减至 36.87m，一方面热解促进了微裂纹的萌生，另一方面可能与部分微裂纹在应力压缩作用下尺寸变小有关。(2)B 试件。图 6(b)为 B 试件蒸汽热解前后裂隙直径分布柱形图，B 试件原始裂隙较为明显(图 6(b)，原始B)，裂隙数量偏少，仅有 2651 个，直径 42.255211.99m。蒸汽热解后，裂隙体积及最大连通裂隙团明显增大表 2 自然、蒸汽热解前后 A、B 试件裂隙结构参数Table 2 Pore and fracture parameters of specimen A and B before and after natural and steam pyrolysis项目不同尺度等效裂隙直径R(m)占比/%Rmax/mRmin/m裂隙数量/个裂隙率/%R6060R100100R140140200原始A25.4233.9521.8810.947.812599.7741.58132972.77自然热解A20.8731.3924.5012.2510.995416.9936.8792727.44原始B23.2931.8223.3011.659.945211.9942.2526514.76蒸汽热解B14.5928.1527.5913.7915.888289.7337.41135717.37原始B蒸汽热解B05101520100200300400裂隙率/%510152025裂隙率/%CT切片层位0100200300400CT切片层位原始A自然热解A(a)自然热解(b)蒸汽热解图5自然、蒸汽热解前后 A、B 试件裂隙率对比Fig.5ComparisonofporosityofsampleA、Bbeforeandafternaturalandsteampyrolysis第9期石建行等：基于不同热解方式下烟煤裂隙结构演化的对比3465(图 6(b),自然热解B)，等效直径分布也发生了较大的变化，例如：100m 以下的裂隙数目大幅度衰减，特别是 60m 以下的裂隙占比由原始的 23.29%减少至14.59%，而 200m 以上的裂隙数目占比则由 9.94%增长至 15.88%，可见蒸汽在层理间串流，大幅度的沟通孤立裂隙，形成更大的裂隙团，从图 6(b)(自然热解B)也可以看出，最大裂隙团遍布整个试样，也说明了蒸汽热解传热更为均匀，同时也验证了 2.2 节中蒸汽热解B 试样各层位裂隙率的均匀性。总裂隙数目也由原始的 2651 个减少至 1357 个，直径也变为37.418289.73m，最小裂隙也明显衰减，这一现象与 A 试件相同，仍可以用上述原因来解释。由于试件 A、B 原始裂隙尺度分布有一定的差异，为了方便比较热解方式的差异性，引入热解前后相同等效直径区间的裂隙数目变化比 N 进行衡量，公式为N=(PP)xRy(2)x R yPx R y式中，N 为热解前后相同等效直径区间的裂隙数目变化比；P 为热解后等效直径区间的占比；为热解前等效直径区间的占比。按照式(2)对自然、蒸汽热解相同等效直径区间的 N 进行计算，见表 3。由表 3 能够直观的看出，2 种热解方式下，等效直径在 100m 以上的 N 均大于1 且蒸汽热解均大于自然热解，相应的，等效直径在100m 以下的 N 变化趋势正好相反，这也说明了蒸汽热解促进了更多小尺度裂隙连通成大尺度裂隙。表 3 相同等效直径区间不同热解方式的裂隙数目变化比 NNTable 3 values of different pyrolysis methods in the same fracture size interval热解方式R60m60mR100m100mR140m140mR200mR200m自然热解0.820.921.121.121.41蒸汽热解0.630.881.181.191.62.3.3渗透率A、B 试样在自然、蒸汽热解完全后，采用高纯氮气作为渗透介质，基于达西定律，通过稳态法对煤样进行了不同孔隙压下的渗透率测试，并使用式(3)进原始A自然热解A原始B自然热解B原始A原始B蒸汽热解B自然热解A05101520253035比例/%05101520253035比例/%(a)自然热解R60 m60R100 m100R140 m140R200 m200 mRR60 m60R100 m100R140 m140R200 m200 mR(b)蒸汽热解图6自然、蒸汽热解前后 A、B 试件裂隙尺度分布Fig.6DistributionoffracturesizeofsampleA、Bbeforeandafternaturalandsteampyrolysis3466煤炭学报2023年第48卷行了计算：Kg=2P0LQA(P21P22)(3)LAP1P2式中，Kg为煤样的气相渗透率，1015m2；为流体的动力黏度，Pas；为试样的长度，cm；为试件的截面积，cm2；为进口压力，MPa；为出口压力，MPa；Q为流体的流速，cm3/s。图 7 为 A、B 试样自然、蒸汽热解后不同孔隙压力(0.21.0MPa)的渗透率对比值，蒸汽热解后 B 试样的渗透率为自然热解后 A 试样渗透率的 8.4616.95 倍(不同孔隙压力渗透率比值)，这也说明了蒸汽热解后孔裂隙连通性远远优于自然热解。0501001502002500.20.30.40.50.60.70.80.91.0渗透率/1015 m2孔隙压力/MPa自然热解A蒸汽热解B图7A、B 试件自然、蒸汽热解后不同孔隙压力下的渗透率Fig.7PermeabilityofspecimensAandBunderdifferentporepressuresafternaturalandsteampyrolysis3讨论3.1原位状态与无应力状态煤样自然热解孔裂隙结构差异性分析煤样在无应力状态及原位状态下自然热解孔隙结构存在较大差异，主要表现在孔隙率及孔隙形态。表 4 总结了在无应力状态下，不同煤种煤样 600 自然热解后的孔隙率值，虽然不同煤种之间的孔隙率略有差异，但孔隙率也均大于 19%，最高孔隙率甚至高达 59.3%。而根据笔者的研究，当烟煤处于原岩应力状态下自然热解，600 的孔隙率仅有 7.4%。图 8 列举了不同煤种在 600 无应力及原位状态自然热解后的孔隙形态，能够看出，无应力状态下，煤样的孔隙以长裂隙为主，裂隙尺度较大且基本完全连通，图 8(b)、(c)中由于大裂隙的存在，煤样已经不是一个完整体；而在原位状态下，孔隙形态多以细长微裂纹及微小孔洞为主。表 4 不同煤种煤样 600 无应力状态自然热解后孔隙率Table 4 Porosity of different type coal after naturalpyrolysis at 600 without stress煤种孔隙率/%来源褐煤36.53孟巧荣932.36李亚军15焦煤47.80ZHAO2443.81孟巧荣8瘦煤19.58孟巧荣840.42于艳梅13无烟煤22.91孟巧荣859.30王勇14贫煤30.00YU12此外，为了更直观科学的认识 2 种状态下裂隙结构的差异，选取了相同煤种进行了无应力状态下煤样热解CT 扫描实验，图 9 为裂隙结构参数对比曲线。由图 9(a)可以看出，无应力状态下，烟煤的裂隙率由热解前的 1.97%提高至 26.6%，热解后约为热解前的13.5 倍，而原位状态下烟煤热解后的裂隙率仅为热解前的 2.68 倍。此外，由 10(b)、(c)可以看出，2 种状态下烟煤热解前后的裂隙尺度分布特征也存在差异，无应力状态下，热解后 R60m 的裂隙占比呈现增长的趋势，其余尺度的裂隙占比呈现衰减的趋势，而原位状态下，R100m 的裂隙占比减小，相应的 R无应力原位状态(c)烟煤(d)烟煤(b)褐煤(a)无烟煤图8无烟煤14、褐煤15、烟煤 600 无应力、原位状态自然热解裂隙形态Fig.8Fissuremorphologyofanthracite,ligniteandbituminouscoalinstress-free,in-situnaturalpyrolysisat600第9期石建行等：基于不同热解方式下烟煤裂隙结构演化的对比3467100m 的裂隙占比增大。同时结合 2 种状态下热解前后的裂隙数量来看，无应力状态下，热解前后的裂隙数量分别为 209139 及 607417 个，而原位状态下，热解前后的裂隙数量分别为 13297 及 9272 个，可见无应力状态下烟煤 600 热解后的裂隙数量远高于原位状态下，说明无应力状态下，温度促进了大量裂隙团(R60m)的新生，裂隙数量的巨大差异也是导致裂隙尺度分布差异的主要原因。根据上述讨论，2 种状态下裂隙结构参数存在差异的原因主要是：煤样处于无应力状态，高温环境下，有机质的析出，孔裂隙可以自由无序扩张，而当施加应力后，由于高温下煤体强度降低，孔裂隙会被迫闭合，同时闭合的孔裂隙也会阻碍焦油等物质的顺利析出进而造成更多的堵塞。3.2自然、蒸汽热解煤样裂隙结构差异机制分析自然、蒸汽热解方式的本质区别是传导、对流传热方式的差异。热传导是指沿着固体物体进行热量传递的方式，从物体温度较高的部分沿着物体传递到温度较低的部分；热对流是指通过流体的流动加热流动区域的方式。后者的加热效率要高于前者，而更深度的对于煤的裂隙结构的影响两者仍具有较大差异。根据 2.3.1 节中 A、B 试件热解前后裂隙率的变化情况，自然热解后裂隙率约为原始煤样的 2.68 倍，蒸汽热解后裂隙率约为原始煤样 3.65 倍，说明蒸汽热解对流加热的模式对提高裂隙率的效果更为显著，此外，根据1.3 节中可得，试样A、B 热解时间分别为2530、2367min，更进一步说明蒸汽热解的传热、热解效率较为优越。由于煤是热的不良导体，传导加热的过程中传热效率低，由内而外存在一定的温差，这就导致有机质热解不充分，同时由于应力的作用，有机物产生的油气等逸出需要积聚一定的压力，此外还需要经历一定的距离，而这些油气占据的空间并不利于煤样持续的热解及产出，这些产物还有一定概率进入盲孔中，无法运移出煤体外，从而导致孔隙率的下降。煤样通过蒸汽对流加热后，要比传导加热经历更复杂的物理及化学变化(图 10)。驱替作用。高孔隙压力蒸汽的注入为油气产物的产出提供了驱替动力，克服了传导加热中产物运移困难的问题，保证了煤样的持续热解及产物产出，由图 11(a)可以看出蒸汽热解后的产气量约为自然热解产气量的 3.9 倍，此外，2.1 节中蒸汽热解的挥发分产出率高于自然热解的挥发分产出率也能予以佐证；扩孔效应。高温蒸汽渗透进行煤孔隙通道时会产生局部张力，一方面扩大了原有的孔隙体积，另一方面也会破坏一些孔壁弱面，促进孔间连通；对流剥蚀效应23。已有研究证明，蒸汽对流加热独特的对流剥蚀效应可将盲孔中的焦油或附着在孔壁周围黏度较高的产物“冲刷转移”至孔裂隙通道，此后经孔隙压力驱替至煤体外；化学作用。蒸汽温度 550 以上存在大量还原性较强的自由 H+，H+一方面与黏度较高的重质焦油反应使其裂解成低碳链的轻质油品，增加了油品的流动性23；另一方面富氢环境下，更有利于煤样热解中气体产物中氢气的产生25(图 11(b)。F扩孔效应对流剥蚀效应FH+H+H+驱替作用化学作用图10蒸汽作用示意Fig.10Schematicdiagramofsuperheatedsteameffect2.77%7.44%1.97%26.6%05101520253025600裂隙率/%温度/C原位无应力(a)热解前后裂隙率R60 m60R100 m100R140 m140200 mR60 m60R100 m100R140 m140200 m(b)无应力(c)原位0510152025303501020304050607080比例/%比例/%25 C600 C25 C600 C图9烟煤自然热解前后裂隙结构参数对比Fig.9Comparisonoffracturestructureparametersbeforeandafterbituminouscoalnaturalpyrolysis3468煤炭学报2023年第48卷3.3局限性本试验仅仅研究了深度为 200m 的煤层原岩应力状态下不同热解方式下的裂隙结构参数，将来关于深部更高应力条件下煤炭地下原位热解还需进一步探究，同时煤样原位状态下更高热解温度(600)的探究仍需进一步深入工作。4结论(1)自然、蒸汽 600 原位热解后，煤样内部产生的裂隙形态以细长型裂纹及孔洞为主，蒸汽热解后裂隙尺度进一步提升，裂隙网络更为丰富复杂。(2)在轴压 5MPa、围压 3MPa 下，烟煤自然热解后裂隙率为原始裂隙率的 2.68 倍，蒸汽热解后裂隙率为原始裂隙率的 3.65 倍且每一层位裂隙率更均匀。(3)蒸汽热解使得烟煤受热均匀，换热面积大，有机质热解更加充分。驱替作用保证热解产物的持续产出；孔隙压力的局部应力作用既扩大了原有的孔裂隙体积又会破坏孔壁弱面，大大增加了孔裂隙连通性；蒸汽剥蚀效应将盲孔及孔裂隙附着的黏稠度较高的焦油“冲刷运移”至煤体外；富氢环境促进了重质焦油的裂解，增强了油品的流动性。(4)原位与无应力状态煤样热解裂隙率及裂隙形态存在较大差异，蒸汽热解是煤炭原位注热开采工程实践的最优加热方式，研究数据可以为工程实践提供真实的数据支撑。参考文献(References)：AKBARZADEH Hossein,CHALATURNYK Richard J.Structuralchangesincoalatelevatedtemperaturepertinenttoundergroundcoalgasification:A reviewJ.International Journal of Coal Geology，2014，131：126146.1KELLYKerryE,WANGDing,HRADISKYMichal,etal.Under-ground coal thermal treatment as a potential low-carbon energysourceJ.FuelProcessingTechnology，2016，144：819.2ZHANGHongzhiR,LISuhui,KELLYKerryE,etal.UndergroundinsitucoalthermaltreatmentforsyntheticfuelsproductionJ.Pro-gressinEnergyandCombustionScience，2017，62：132.3谢和平，鞠杨，高明忠，等.煤炭深部原位流态化开采的