煤层气开发中不同粒度煤粉的聚集沉降实验

魏迎春¹，崔茂林¹，张劲¹，孟涛¹，姚征²

1. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院2. 陕西省地质调查院陕西省矿产地质调查中心

摘 要：在煤层气开发过程中,煤粉聚集及沉降会堵塞煤层气运移通道及导致卡泵、埋泵等事故。为了查明不同粒度煤粉的聚集及沉降特征,选取粒度>140目(<106μm)、>70～140目(106～<212μm)和>50～70目(212～<300μm)3种粒度范围的煤粉,开展了在去离子水中煤粉的聚集及沉降实验,从煤粉聚集及沉降特征观察、悬浮液中煤粉含量及煤粉粒度分布探究不同粒度煤粉在去离子水悬浮液中的聚集及沉降特征。结果表明,随着静置时间的增加,各粒度煤粉悬浮液的颜色均不同程度地变浅,逐渐出现分层,其中,粒度>140目的煤粉悬浮液最先出现分层。煤粉粒度越小,煤粉悬浮液顶部漂浮的煤粉量越多;煤粉粒度越大,其下沉到煤粉悬浮液底部的煤粉量越多。不同粒度煤粉悬浮溶液中煤粉含量均随着静置时间的增加呈现不同程度的降低,在停止搅拌后3 min内,煤粉含量下降最快,粒度为>70～140目的煤粉悬浮液中煤粉含量最大。根据不同粒度煤粉悬浮液中煤粉粒度分布曲线,将煤粉聚集及沉降过程分为3个阶段:单峰变双峰阶段(煤粉快速上浮及沉降)、双峰变单峰阶段(煤粉快速聚集及沉降)和单峰阶段(煤粉缓慢沉降)。粒度>140目的煤粉在悬浮液中最先达到缓慢沉降阶段,粒度>70～140目的煤粉在悬浮液中最后到达缓慢沉降阶段。从煤粉的受力、扩展的DLVO理论及煤粉的有机分子结构方面探讨了煤粉聚集沉降的机理:煤样含有大量的脂肪烃和芳香烃等疏水性基团,疏水性强,润湿性低;随着煤粉粒度的减小,其比表面积显著增大,煤粉表面吸附大量空气,形成气膜;同时,煤粉颗粒间相互吸附聚集,内部形成很多微孔隙,导致粒度小的煤粉易聚集漂浮在悬浮液面上。实验得到的不同粒度煤粉的上浮、下沉及悬浮情况,为后期煤层气开发中煤粉管控措施提供依据。

关键词：煤层气;煤粉;粒度;聚集;沉降;悬浮液;