我国大部分煤层具有低渗透性、高瓦斯的特点[1]，随着煤矿开采深度的增加，煤层的透气性将进一步减小[2]，这为瓦斯灾害的防治带来了新的困难。在低透气性煤层增透方面，水力化技术得到广泛应用，如煤层注水[3]、水力压裂[4]、水力割缝[5]、水力掏槽[6]、水力冲孔[7]、水力挤出[8]等。袁亮院士[9]指出水力化技术是深部高瓦斯突出煤层卸压增透及区域瓦斯治理的关键技术。然而，水力化技术引起的煤层水锁效应会降低瓦斯解吸量、阻碍瓦斯流动，这也引起了相关学者的关注[10-12]。水锁效应的研究最早出现在石油领域[13]，它是指外来流体沿着孔隙通道进入储层深部并在油气/水界面形成附加的毛细管阻力，如果储层能量不足以克服毛细管阻力，外来流体就会堵塞通道，导致储层较无外液侵入条件下渗透率降低，从而导致油气回采率降低的现象[14]。
国内外学者针对水锁效应进行了深入分析，特别是在油气藏水锁效应方面。CHAKRABORTY等[15]发现水锁效应对地层渗透率产生重要影响，严重时将会导致页岩的渗透率下降99.5%。BIKASH等[16]发现油藏储层岩石表面的润湿性影响地层的渗透率。贺成祖等[17]指出毛细管力是影响水锁效应的最主要的因素。吕渐江等[18]利用相渗曲线来研究低渗储层的水锁效应。在煤层水锁效应研究方面，张国华等研究渗透剂溶液侵入条件下对瓦斯自然解吸的影响，发现外液的侵入能够降低瓦斯的解吸量[19]，并提出了利用水锁效应治理工作面超限的思路[20]。朱锴等[21]利用不同表面活性剂水基溶液阻止煤体内部孔隙内的吸附瓦斯转变为游离瓦斯，以降低落煤瓦斯涌出速度。胡友林等[22]从煤的多孔性、外来液侵入、毛细管力3个方面分析了煤层水锁机理，利用表面活性剂通过降低侵入液表面张力、增大接触角两个方面减少对煤层的水锁伤害。不论油气藏还是煤层，水锁效应皆降低了其渗透率，影响了油气资源的开采效率，广大学者对其影响因素进行了深入分析和研究。针对煤层，相关学者利用水锁效应封堵瓦斯运移通道，将不利效应转变为瓦斯治理措施，是一种技术创新。然而，水力化措施的根本目的在于抽采瓦斯，降低煤层瓦斯含量，最大化利用瓦斯资源，因此解除煤层水锁效应才能充分发挥水力化措施的作用。
国内外学者研究水锁伤害时，通常使用外来流体滞留前后地层渗透率下降的相对值、储层初始含水饱和度、界面张力等参数分析水锁效应。然而，煤层水锁伤害的本质在于外液侵入煤体内部孔隙后阻塞瓦斯运移通道，造成瓦斯难以被抽出，这些参数难以体现煤层水锁效应的本质。目前，关于煤矿水锁效应基础研究方面正处于起步阶段，深入研究煤层水锁效应机理对矿井瓦斯防治具有十分重要的意义。笔者利用低场核磁共振技术，研究煤样在饱水状态下的液相滞留效应，分析束缚流体饱和度随煤变质程度的变化规律，揭示煤层水锁效应产生的内在机理，为解除水锁效应提供理论依据。
1 实验部分
1.1 材料与试剂
本实验选用蒸馏水对煤样进行饱和处理，模拟煤样在水入侵条件下产生的水锁效应，选择具有缓解水锁效应的羧甲基纤维素作为对比试剂[23]，实验所用试剂见表1。
表1 实验所用试剂
Table 1 Reagents of laboratory
化学名称简称等级生产厂家氧化氢水蒸馏水徐州市飞龙化玻有限公司羧甲基纤维素CMC分析纯国药集团化学试剂有限公司
1.2 实验样品
本实验采用6种煤样，分别来自淮南顾桥矿(GQ)、义马千秋矿(QQ)、枣庄付村矿(FC)、平顶山首山一矿(SS)、登封新丰矿(XF)、晋城大宁矿(DN)。利用长沙开元仪器股份有限公司生产的5E-MAC Ⅳ全自动工业分析仪进行煤样的工业分析，利用德国蔡司(ZEISS)显微镜光度计分析煤样的镜质组反射率，测试结果见表2。
表2 工业分析及镜质组反射率测定结果
Table 2 Proximate analysis and petrographic analysis results of coal samples
%
序号煤样工业分析MadAadVdafFCad最大镜质组反射率1GQ2.319.1240.3948.180.7602QQ8.3310.1937.7043.780.8523FC1.893.6835.5158.930.9374SS1.357.4122.8268.431.3635XF1.7214.4416.3867.471.7816DN2.5412.6510.2574.562.444
1.3 煤样饱水(液)处理
将煤矿现场取回来的新鲜煤样制成φ25 mm×50 mm的圆柱，同种煤样制备10个，为保证试样的均一性，钻取的10个煤样均来自同1块煤炭，保证实验试件无裂隙、缝隙，在视觉上无差别，并做好标记。实验利用NM-VSD型真空饱和装置对煤样进行饱水(液)处理，装置原理图如图1所示。饱水(液)步骤如下:
(1)对煤样进行编号，在温度60 ℃ 的干燥箱中干燥24 h;
(2)分别从6种煤样中随机选择1块，放入洁净的烧杯，并将烧杯放入饱和缸内，利用真空密封胶将饱和缸与真空饱和装置密封;
(3)关闭进液开关，打开抽气开关，利用真空饱和装置对煤样抽真空8 h;
(4)在储液罐中加入适量蒸馏水，进而关闭抽气开关，打开进水开关，等水不再进入烧杯内时，关闭进液开关，再次打开抽气开关，再抽真空4 h，使煤样完全饱水;
(5)更换新煤样，将蒸馏水换为质量分数为0.4%的CMC溶液，重复步骤(1)～(4)，将新煤样再次饱和。
图1 真空饱和装置
Fig.1 Schematic diagram of vacuum saturation device
1.4 实验方法
(1)煤样微观孔隙结构
采用压汞仪和扫描电镜研究煤样的微观孔隙结构，压汞实验分析6种原始煤样的孔隙结构，煤样为粒径3～6 mm;利用扫描电镜分析GQ原始煤样、饱水煤样、饱CMC煤样的微观形貌。压汞仪为美国Quantachrome Instruments公司的PoreMaster 33全自动压汞仪，扫描电镜为美国FEI公司生产的Quanta 250环境扫描电子显微镜。
(2)测试设备及方法
核磁共振测试采用纽迈公司生产的MMR-60型核磁共振分析仪，试样采用1.3节中饱水(液)处理过的煤样，核磁共振仪参数设置见表3。
2 结果及分析
2.1 煤样微观孔隙特征
2.1.1 压汞实验
通过压汞实验，得到了6种煤样的孔容分布见表4，从表4可以看出，小孔所占比例最大，高达56%～62%，大孔所占比例在4.36%～14.29%，中孔所占比例在6.55%～11.98%，微孔所占比例在11.52%～30.55%。DN煤样的总孔容最大，QQ煤样的总孔容最小。随着变质程度的提高，煤的大孔孔容减少，微孔孔容以及总孔容增大，小孔孔容先减小后增大，而中孔孔容变化规律不明显。
表3 核磁共振分析仪参数设置
Table 3 Parameter values of MiniMR-60 system
磁体磁感应强度B/T质子共振频率f/MHz磁体恒定控温T/℃CPMG脉冲序列回波个数n半回波时间τ/μs信号平均扫描次数m采样等待时间TR/ms0.53233212 000110321 500
表4 煤样孔容分布
Table 4 Pore volume distribution of coal samples
序号煤样孔容及比例孔径范围/nm大孔(>1 000)中孔(100～1 000)小孔(10～100)微孔(<10)合计1GQ孔容/(mL·g-1) 0.003 10.002 60.013 50.002 50.021 7比例/%14.2911.9862.2111.521002QQ孔容/(mL·g-1)0.002 30.001 80.011 60.003 20.018 9比例/%11.529.6867.2811.521003FC孔容/(mL·g-1)0.001 80.001 80.011 20.004 60.019 4比例/%9.289.2857.7323.711004SS孔容/(mL·g-1)0.001 50.001 70.012 30.005 10.020 6比例/%7.288.2559.7124.761005XF孔容/(mL·g-1)0.001 40.002 90.015 10.007 20.026 6比例/%5.2610.9056.7727.071006DN孔容/(mL·g-1)0.001 20.001 80.016 10.008 40.027 5比例/%4.366.5558.5530.55100
2.1.2 扫描电镜
通过扫描电镜得到了GQ煤样的表面微观特征，结果如图2所示。从图2中可以看出，原始煤样的表面矿物质较多，且填充到煤的裂隙孔隙中，如图2(a)所示;经过饱水处理后，煤样表面的部分矿物质被溶解，裂隙边缘钝化，如图2(b)所示;经过饱CMC溶液处理后，煤样表面的矿物质不仅可以被溶解，煤基质内部的部分矿物质也被溶解，使更多的矿物质暴露出来，煤的棱角也更加平滑，如图2(c)所示。CMC可以溶解矿物晶体使孔隙发育，增加了煤的孔隙尺寸和体积，这对降低水锁效应具有重要意义。
图2 GQ煤样的表面微观特征
Fig.2 Microscopic features of GQ sample surface
在煤层卸压增透方面，水力化技术得到了广泛应用，水作为媒介对煤体产生压裂、割缝、冲刷等作用，并进入煤体孔隙，从而产生水锁效应。为解除水锁效应，可以添加CMC改变水的性质，CMC一方面可以溶解煤中的矿物质，增加煤孔隙裂隙;另一方面改变水在煤体表面的润湿性，降低表面张力。这两方面的作用都可以降低水在煤孔隙中的毛细管力，从根本上达到解除水锁效应的目的。
2.2 液相滞留效应
为了分析水力化技术中煤层的液相滞留效应，利用核磁共振设备分别对6种煤样在饱水、饱CMC溶液状态下进行测试，结果如图3所示。
从图3可以看出，6种煤样的弛豫时间T2曲线呈现出3个峰，前2个峰高而尖锐，第3个峰矮而平缓。煤样在饱水状态下形成的弛豫时间T2曲线比饱CMC溶液的曲线要高，与横坐标所围的面积要大。图3中纵坐标的幅度表示信号的强弱，这种信号的强弱表示煤样中氢原子核1H含量的多少，亦即表明煤中水的多少。饱水状态下，测得T2曲线高，说明煤样中水含量高，亦即说明在饱水状态下，水进入煤体的数量多，液相滞留效应明显，水锁伤害越严重。T2截止值将T2分布曲线分为束缚流体和自由流体两部分[24]，前者所占的比例称为束缚流体饱和度，后者所占的比例称为自由流体饱和度。为了更好的分析这种现象，利用核磁共振软件得到T2截止值以及流体饱和度，所得结果见表5。
图3 不同煤样在饱水、饱CMC下的T2值分布
Fig.3 Cutoff value T2 distributions of different samples of coals under the saturation of water and CMC
表5 不同煤样在饱水和饱CMC溶液下的T2截止值和流体饱和度
Table 5 T2 cutoff and irreducible fluid saturation of different samples of coals under the saturation of water and CMC
序号煤样饱水T2截止值/ms束缚流体饱和度/%自由流体饱和度/%饱CMCT2截止值/ms束缚流体饱和度/%自由流体饱和度/%1GQ21.5496.903.1021.5492.127.882QQ19.5697.862.1419.5693.386.623FC18.7498.061.9418.7493.926.084SS17.6498.211.7917.6494.575.435XF16.3298.301.7016.3295.434.576DN14.1798.611.3914.1795.664.34
由表5可知，束缚流体饱和度远大于自由流体饱和度，束缚流体饱和度在93%以上，而自由流体饱和度则小于7%。煤样在饱水状态下所测的束缚流体饱和度高于饱CMC溶液，这说明在饱水条件下，滞留在煤体中的水要多，这也意味着水锁效应也越严重。随着煤变质程度的增大，T2截止值逐渐减小，GQ煤样的T2截止值最大，为21.54 ms;DN煤样的T2截止值最小，为14.17 ms。结合煤样孔隙结构的变化规律，从中可以推断出，煤的孔径越小，T2截止值就越小。为了更加直观的表达变质程度对T2截止值和束缚流体饱和度的影响，现将其随镜质组反射率的变化关系作图，结果如图4所示。
图4 不同煤阶煤在饱水下T2截止值和束缚流体饱和度
Fig.4 T2 cutoff value and irreducible fluid saturation of different samples of coals under the saturation of water
由图4可知，随着变质程度的增大，煤样的束缚流体饱和度呈现先上升后趋于平缓的趋势，这说明高阶煤比低阶煤更容易产生水锁效应。根据前人研究结果可知[17,25]，水锁效应产生的根本原因是毛细管力。其中，毛细管力的大小可由任意界面拉普拉斯方程[26]表示，即
式中,PC为毛细管力，Pa;σ为溶液表面张力， mN/m;θ为接触角，(°);r为孔隙半径，nm。
结合压汞实验分析结果可以看出，高变质程度的煤大孔孔容少、微孔孔容多，使得水在煤孔隙中的毛细管力大，最终造成高阶煤的水锁效应严重。
2.3 孔径与束缚流体饱和度关联系分析
曲线相似度法根据两条曲线的相似程度判断对应变量之间的关联性[27]，本文采用此法分析孔径对束缚流体饱和度的影响程度。在已知因变量变化趋势前提下，可以利用曲线相似度法分析哪个自变量是控制因变量的主控因素。这其中的主要思想是通过对已知数据进行数学变换，得到相应的向量式，根据因变量与自变量向量式的相似度的大小，研究控制因变量变化的主控因素。
曲线相似度法确定主控因素，主要包括以下4个步骤:
(1)确定因变量:为分析束缚流体饱和度与孔容特性的关联性，将CMC溶液状态下测定的束缚流体饱和度作为因变量进行分析。
(2)数据向量化处理:束缚流体饱和度S=[92.12 93.38 93.92 94.57 95.43 95.66]T，大孔(A)孔容VA=[0.003 1 0.002 3 0.001 8 0.001 5 0.001 4 0.001 2]T，中孔(B)孔容VB=[0.002 6 0.001 8 0.001 8 0.001 7 0.002 9 0.001 8]T，小孔(C)孔容VC=[0.013 5 0.011 6 0.011 2 0.012 3 0.015 1 0.016 1]T，微孔(D)孔容VD=[0.002 5 0.003 2 0.004 6 0.005 1 0.007 2 0.008 4]T，总孔容(E)孔容VE=[0.002 5 0.003 2 0.004 6 0.005 1 0.007 2 0.008 4]T。
(3)求列向量的相似程度。
(4)主控因素确定:通过表6可以看出，从各级孔径孔容对束缚流体饱和度的影响程度来看，大孔孔容的变化趋势与束缚流体饱和度变化趋势相似度最高，高达-0.972 4，说明两者呈现较好的负相关性，两者的相似程度要高于其他孔隙孔容和总孔容。由此推断，大孔孔隙是影响束缚流体饱和度的主控因素。同时可以看出，微孔、总孔容与束缚流体饱和度的正相关性很高，皆为0.958 5。为分析大孔、微孔、总孔容单一因素对束缚流体的影响，利用Origin进行线性拟合分析，结果如图5所示。
表6 束缚流体饱和度影响因素分析
Table 6 Influential factors analysis of the irreducible fluid saturation
关联指标SASBSCSDSE相似度-0.972 4-0.091 30.571 70.958 50.958 5
图5 束缚流体饱和度随孔容的变化
Fig.5 Variation of irreducible fluid saturation with pore volume
通过图5可以看出，束缚流体饱和度随着大孔孔容的增加呈线性降低趋势，随着微孔孔容的增加呈线性增加趋势。这说明束缚流体饱和度跟煤样的孔隙结构相关，微孔数量越多，束缚流体饱和度越大，进入煤体的水的数量越多，水锁效应也就越严重。虽然束缚流体饱和度与总孔容的相关性较高，但线性关系较差，因此在后续关联分析中不再考虑总孔容对束缚流体饱和度的影响。束缚流体饱和度的主控因素是大孔数量，但微孔数量同样起到重要作用，为分析两者对束缚流体饱和度的影响，利用SPSS对不同煤阶煤的大孔孔容、微孔孔容与束缚流体饱和度进行回归拟合，得到束缚流体饱和度与大孔孔容、微孔孔容的耦合关系式:S=94.86-1 078.96VA+261.24VD，R2=0.987。通过上述耦合关系式可以看出，大孔孔容的权值要远远大于微孔孔容，这也反映出大孔孔容是决定束缚流体饱和度的决定性因素。
2.4 基于液相滞留效应的煤层水锁机理分析
煤是一种复杂的多孔介质,具有双重孔隙结构，水在外界压力作用下沿着煤的孔隙通道进入煤体内部，水通过竞争吸附使吸附态的瓦斯变为游离态，游离态的瓦斯遇到水形成弯向瓦斯的水/瓦斯界面，在表面张力作用下，弯液面上会形成一个指向瓦斯的毛细管力。当煤层能量以及抽采负压不足以克服毛细管力时，形成水锁效应[18]，瓦斯就不会被抽出。从中也可以看出，水最终进入煤体内部的动力是毛细管力，毛细管力越大，水进入煤体的数量就会越多，滞留在煤体内部的水分就越多。滞留在煤体内部水分的多少可以通过束缚流体饱和度的大小来反映，进而可以通过束缚流体饱和度来衡量煤层水锁效应的大小。
3 结 论
(1)随着煤变质程度的增大，煤的微孔数量呈增加趋势，T2截止值在逐渐减小;CMC溶液通过溶解煤中矿物质增加孔隙，以及改变煤表面润来降低水在煤孔隙中的毛细管力。
(2)煤样的束缚流体饱和度远大于自由流体饱和度，束缚流体滞留在煤体内阻塞了瓦斯流动通道，这是引起水锁效应的根本原因，可以用束缚流体饱和度来衡量煤层水锁效应的大小。
(3)大孔孔容是影响束缚流体饱和度的主控因素，微孔对束缚流体饱和度起到正向促进作用，得到束缚流体饱和度与大孔孔容、微孔孔容的耦合关系式:S=94.86-1 078.96VA+261.24VD。
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