《煤岩流体电动力学》系统论述煤岩流体的电渗、电泳等电动特性及其在资源开采中应用的理论和方法。《煤岩流体电动力学》详细介绍煤岩流体电动作用的工程现状，阐明煤岩类多孔介质及其内部气液流体在电场作用下运移的理论基础—双电层理论，提出煤岩流体电动力学的概念及其理论架构，系统研究采用电动力学强化煤岩粉解堵、尾矿砂脱水固结及煤瓦斯解吸渗流等的规律与效果等。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 煤岩流体电动作用工程现状 1
1.1.1 软土地基/边坡脱水加固领域 1
1.1.2 强化油气采收领域 3
1.1.3 井巷软岩加固领域 4
1.1.4 矿山导流增注领域 5
1.2 煤岩流体电动作用存在的主要问题 6
参考文献 8
第2章 双电层理论 10
2.1 电动现象 10
2.1.1 电泳 11
2.1.2 电渗和流动电位 18
2.1.3 电迁移 22
2.2 电荷来源 26
2.3 双电层模型 27
2.3.1 亥姆霍兹(Helmholtz)平行板电容器模型 27
2.3.2 托伊-查普曼(Gouy-Chapman)扩散双电层模型 29
2.3.3 Stern修正模型 35
2.4 黏土矿物中的双电层理论 40
2.4.1 Casagrande电渗速度方程 40
2.4.2 毛细管电渗流理论 42
2.4.3 电渗流机理 44
2.4.4 电渗流的停止 45
参考文献 46
第3章 煤岩流体电动作用规律 47
3.1 煤岩流体等多相介质的运移特性 47
3.1.1 煤岩中液体的运移特性(电渗特性) 47
3.1.2 煤岩固体颗粒的运移特性(电泳特性) 48
3.1.3 煤岩流体中离子的运移特性(电迁移特性) 49
3.2 煤岩宏观物性变化 49
3.3 煤岩结构变化 50
3.3.1 微晶结构 50
3.3.2 基质结构 50
3.3.3 化学结构 50
3.3.4 孔隙结构 55
3.3.5 裂隙结构 77
参考文献 94
第4章 煤岩流体电动力学理论架构 98
4.1 煤岩流体电动力学的定义与框架 98
4.2 煤岩流体电动力学的主要研究方向 99
4.3 煤岩流体电动力学的关键技术开发 100
参考文献 105
第5章 电动力学对煤层气排采过程中煤粉沉降特性影响规律及其
机理研究 106
5.1 煤粉电泳作用原理分析 107
5.2 煤粉电泳作用试验 109
5.2.1 试验装置 109
5.2.2 试验样品 110
5.2.3 试验方案 110
5.2.4 试验方法及步骤 111
5.2.5 表征方案 111
5.3 结果与分析 112
5.3.1 电位梯度对煤粉沉降质量的影响 112
5.3.2 电位梯度对煤粉沉降速率的影响 115
5.4 表征 117
5.4.1 接触角表征 117
5.4.2 表面基团表征 118
5.4.3 PIV表征 120
5.5 煤粉电泳解堵机理分析 122
参考文献 123
第6章 电动力学对细尾砂脱水固结特性的影响规律及其机理 125
6.1 电渗提高细尾砂脱水固结原理 126
6.2 试验 128
6.3 试验数据结果和分析 131
6.3.1 电位梯度对细尾砂排水量及排水速率的影响 131
6.3.2 电位梯度对细尾砂蒸发量的影响 134
6.4 表征测试 135
6.4.1 直剪强度表征 135
6.4.2 X射线衍射表征 137
6.4.3 SEM表征 139
6.5 机理 140
参考文献 141
第7章 电动力学强化煤瓦斯解吸特性及其机理 143
7.1 煤岩的电动力学作用原理 144
7.2 试验装置组成与性能参数 145
7.2.1 试验装置组成 145
7.2.2 主要性能参数 146
7.3 电动力学强化无烟煤瓦斯解吸试验 146
7.3.1 无烟煤及其电动特性 146
7.3.2 试验方案 147
7.3.3 试验过程与步骤 148
7.4 试验结果及分析 148
7.4.1 瓦斯解吸规律 148
7.4.2 电解液排出量 151
7.4.3 温度变化 152
7.4.4 煤样填充矿物变化 152
7.5 电动力学强化无烟煤瓦斯解吸机理 153
参考文献 155
第8章 电动力学强化煤瓦斯渗流特性及其机理研究 157
8.1 煤岩的电渗特性 158
8.2 煤岩电动-压动三轴渗流试验装置的主要功能与技术参数 159
8.3 煤岩电动-压动三轴渗流试验装置的组成及各部件的关键技术 159
8.4 煤岩电动-压动三轴渗流试验 161
8.4.1 煤样采集与加工 161
8.4.2 试验方案及步骤 161
8.4.3 试验结果及分析 163
参考文献 166

第1章 绪论
　　煤岩流体电动作用是指在电场作用下煤岩颗粒及其间的液体与离子等介质发生运移的物理现象。按照介质的不同，将固体颗粒、液体与离子的运移现象分别称为电泳、电渗与电迁移。其中，电渗与电泳技术被广泛应用于软土地基/边坡脱水加固、煤矿与尾矿矿物脱水提质等领域；随着深部矿产与油气资源开采工程的增多与复杂，又逐渐被应用于解决非常规油气采收率低、膨胀性软岩支护困难、煤系气开采过程中的煤粉堵塞严重、高阶煤的瓦斯解吸能力差、煤层注水困难及采空区胶结充填体排水慢等问题，取得了一定效果。但是，这些工程应用中普遍存在着工程设计与参数选取的盲目性、效率低等问题，原因在于这些方法的力学基础理论研究远远落后于其在世界范围内的工程实践，工程难以得到有效、科学指导，尤其是地下深部工程。另外，人们对电动作用的性质(简称电动特性)缺乏了解，相关基本概念与理论尚未建立。
　　此外，自然界中地震发生前后期、地壳运动、太阳核子活动剧烈期、雷电发生等会对煤岩中的瓦斯、地下水等流体运移产生显著影响，甚至出现动力灾害[1-4]。例如，2000年夏秋时节，太阳核子活动高峰期，我国连续多次出现煤矿井下重大瓦斯灾害事故。分析认为这是由于地电场变化导致的结果，但是作用机制如何尚不明确。一般在矿山与油气开采领域，将地层中未受扰动的应力场、温度场和电场统称为天然地球物理场[5，6]。其中，煤岩物理性质在地应力场与地温度场影响下的研究已有大量成果，而在地电场作用下的研究国内外鲜见报道。
　　基于此，本书综述煤岩流体电动作用的研究现状，分析存在的主要问题，提出煤岩流体电动力学的理论框架，凝练5个主要研究方向和4个关键技术，为地下资源高效开采中的诸多问题提供一种新的解决方法与机制揭示。
　　1.1 煤岩流体电动作用工程现状
　　1.1.1 软土地基/边坡脱水加固领域
　　软土电渗加固法是针对高含水、低强度软黏土工程施工不便，并且在软土中做桩如同“稀饭中插筷子”，易出现桩漂移、倾斜、折断等问题，提出的通过布置电极与软土中水形成电化学作用场，从而产生电渗排水和电解改性等作用，以提高软土强度的方法。其原理主要有3方面：①通过电渗作用加速排出土体孔隙水；②通过电泳作用聚集阳极附近土颗粒；③通过电化学反应产生胶结物质填充孔隙。1939年，Casagrande[7]*次将电渗法成功应用于德国Salzgitter City的铁路软土地基加固工程，之后电渗法在该领域的研究得到快速发展，但其广泛应用受到传统金属电极的易腐蚀、快消耗与高成本等问题的限制。进入21世纪，英国Newcastle大学Jones课题组[8]采用含导电元素的高分子材料研制了电动土工合成材料(Electrokinetic Geosynthetics，EKG)，减少了金属电极腐蚀，降低了电渗法的能耗与成本，促进了软土地基电渗脱水加固的应用。2001年，Chew等[9]采用电渗法加固新加坡Tuas view区域的填海土地，见图1-1。该区域软土中的孔隙水压为100～180kPa，按照排间距1.2m×1.2m布置电动塑料排水竖管，施加电场时观察发现在阴极竖管末端有水泡产生，22h后孔隙水压降低了10kPa，抗剪强度得到明显改善，尤其是阳极区域。2002年，Lamont-Black等[10]对英国A21公路170m长、7m高的路堤进行了电渗加固，见图1-2，采用EKG技术处理后，路堤黏土矿物的塑性指数由31%降至25%，内摩擦角提高了2°～3°，抗剪强度由60kPa增至140kPa，并且与传统的锚杆加固处理方式相比成本降低了29%，取得了较好的经济社会环境效益，并获得了Green Apple奖。2007年，Glendinning等[11]采用电渗法对淤泥进行了脱水处理，发现8.5m3的淤泥场的固体含量由14.8%增至72.5%，抗剪强度由1kPa增至29kPa。2009年，Jones等[12]对英国Network铁路9m高的Victorian路堤调研发现，该路堤因上覆有London黏土矿物和一些碎石而不稳定，并存在一个深约2.5m的滑坡面，采用EKG电极电渗处理后，岩土强度提高了263%，剪切强度和承载力也明显提高，边坡稳定性得到明显改善。国内，孙召花等[13]发现传统重力排水固结法存在时间久、无法排出结合水等问题，采用导电塑料排水板对湖北省鄂州市梧桐湖新区离岛进行电渗脱水加固处理，该区域总面积27万m2，吹填淤泥深4～6m并处于流塑状态，对26m×25m的区域进行电渗复合真空预压现场试验，历时28d后地基承载力增至55kPa，并且工期明显缩短。
　　图1-1 电渗加固软土地基现场施工[9]
　　图1-2 电渗加固边坡[10]
　　1.1.2 强化油气采收领域
　　针对低渗油藏敏感性矿物丰富与孔隙喉道小的问题，以及在煤层气与页岩气等软煤岩层中钻孔如同“豆腐中打洞”般会出现钻孔易坍塌、造缝效果差、通道易堵塞等一系列问题，相关研究提出通过向煤岩层钻垂直井形成以注液井为中心、油气井为角点的梅花形井网[见图1-3(a)]，将阳极电极与阴极电极分别固定在注液井井口和油气井井底，利用加入电解质的压裂液对煤岩层实施压裂，接通电源后即可形成电动力学强化系统[14，15][见图1-3(b)]，此即电动强化油气采收法。该系统产生的电渗方向由中心注液井井口指向四周油气井井底，煤岩层中的水在电渗作用驱动下运移并驱替油气，为微孔裂隙中的油气提供运移动力；电泳方向则由四周油气井井底指向中心注液井井口，储层孔裂隙通道、注液井井底和排采设备中的煤岩粉在电泳作用驱动下向注液井井口运移，解除煤岩粉堵塞伤害；电解酸化作用溶蚀煤岩储层中的碳酸盐类填充矿物，疏通油气运移通道；电加热作用升高储层及压裂液温度，降低石油黏度或提高甲烷解吸扩散特性。综上，通过水压致裂作用及电化学方法中的电渗驱动、电泳解堵、电解增透与电热升温五位一体作用，有效强化煤岩储层的油气运移能力，提高油气采收率。1963年Anbah[16]*次在生产井和注水井之间施加大于200V的电压，大幅提高了油的流速。1991年，瓦希托夫[17]通过电渗驱动作用使原油产量提高了30%～50%，采收率提高了20%，且对环境无污染。Wittle等[18]对美国California State的The Santa Maria油田和加拿大Alberta State的The Lloydminster油田进行了工业试验，发现电动力学方法中的电渗作用将石油储层有效渗透率提高了10～50倍，增透范围达40～200m，采收率增幅近10倍。Ansari等[19]针对传统油田酸化增产技术存在增透范围小的问题，提出了电动驱酸增产方法，研究发现酸浓度为1.2%时的作用效果*好，可使石油采收率提高17%～29%，渗透率增加11%～53%，同时成本降低20%～41%。国内，易兵等[20]采用电动力学方法对吉林油田进行强化，输入电流80A，电压190V，近60d后产液量由5.2t/d增至8.5t/d，含水率由95%降至80%，产油量由0.4t/d增至1.3t/d，动液面由400m降至370m，取得了较好效果。
　　图1-3 电动力学强化煤岩储层油气采收工艺布置
　　1.1.3 井巷软岩加固领域
　　针对井巷工程中膨胀性软岩层采取的锚喷、架棚或砌喧等传统支护方法存在“治标不治本”、维护时间短及返修工程量大等问题，相关研究提出在软岩中置入电极，注入CaCl2、AlCl3等电解液，施加电场后，一方面通过电化学反应形成黏结物，填充于软岩孔裂隙中，将其胶结为一个坚硬整体，提高锚杆的锚固力；另一方面通过电渗作用将软岩中的水驱出，通过电泳作用将软岩颗粒聚结为一体，共同改善软岩稳定性，此即软岩电动力学改性加固法。1963年，Titkov等[21]针对油气井中套管成本高、易腐蚀等问题，*早提出了采用电动力学方法改变井壁软岩化学组分并固结软岩的想法，电解液选用浓度1.5%～2%的CaCl2溶液和0.1%的水玻璃，电极选用铝或铁，电压初始值与*终值分别为20V和100V，电流强度为5～30A，初步实践证明该方法可形成黏结物，促进软岩与水泥快速混合，在井壁形成70mm厚的固结圈，大幅改善井壁稳定性。国内，宋宏伟[22]、周辉等[23]提出了一种电化学加固黏土类软岩巷道围岩稳定性的方法，即在巷道全断面垂直围岩表面插入铁质构件作为电极，并且阳极与阴极按排间隔布置，施加电场后通过电解产生胶结物、电渗排水与电热蒸发排水等共同作用永久有效地加固软岩巷道。康天合等[24]在其基础上优化了围岩电极布置方案，即在巷道围岩深部与表面(钻孔底端与孔口)分别固定阳极与阴极电极，如此可使电渗排水方向由围岩深部向浅部流动，使岩土颗粒电泳方向由浅部向深部迁移，有效加固软岩，同时改变巷道围岩应力分布，从而显著提高软岩巷道围岩的长期稳定性。
　　1.1.4 矿山导流增注领域
　　矿山电渗导流增注是针对煤炭洗选或井下胶体充填过程中的脱水速度慢、效果差，矿山开采过程中煤储层注水困难、煤尘产量大，以及溶浸采矿过程中渗透性差、金属浸出率低等一系列问题，提出的通过电渗作用强化煤岩脱水或增注的一种处理方法。早在1960年，USBM[25]就率先开始研究煤矿与尾矿矿物洗选领域的电渗脱水提质效果，对美国Idaho State采区金属尾矿中的长48.8m、宽1.06m、深0.91m的地下回填采场进行了工业试验，在底部布置直径5cm的铁电极(作为阴极)，在顶部布置铁网(作为阳极)。施加电压300～450V，电流10～63A，29h后该区域表面承载力由0增至1.82MPa。1970年，CSIRO[26-28]开始研究矿物电渗脱水技术，相继在60多所洗煤厂、选矿厂等进行了工业应用，发现浮选精煤的质量百分比由62%增至84%～88%，矿砂水含量由158%降至75%，并且能耗较低 (图1-4)。1980年，苏联学者波尔特诺夫[29]针对井下采空区胶结充填时，充填矿房料浆中的泌出水因排出过程缓慢而导致的充填体强度显著降低等问题，提出采用电渗法加快充填体脱水，并进行了工业试验。试验发现，施加电场后充填混合料的凝固和硬化过程明显加快，矿房的充填时间缩短，相邻矿房的回采时间也提前。国内，郭俊庆等[30]提出了一种压动-电动耦合作用强化煤层注水法，通过对煤层高压注水的同时施加电场，使水在注水压力、电渗力及毛细力3方面、多级别驱动力的作用下，由大裂隙快速运移至微小孔裂隙，实现了煤体的高效全润湿(图1-5)。对煤储层作用后，单孔润湿范围扩大1.2～3.4倍，平均注水速率提高2.31～6.87倍，含水率提高1.28～3.37倍，同时还减少了钻孔工程量。王少勇等[31，32]提出了一种电场强化细粒尾矿原地浸出的方法，具体是在尾矿库中布置阳极注液管与阴极抽液管，施加直流电场后，尾矿库中溶浸液渗流速度由9.17×10–5m/s增至0.007m/s，增幅高达70倍。
　　图1-4 钻石尾矿电渗强化脱水工业试验照片[17]
　　图1-5 压动-电动耦合作用强化煤层注水法工艺
　　1.2 煤岩流体电动作用存在的主要问题
　　1.煤岩流体介质传输过程不清晰
　　煤岩流体电动作用极其复杂，不仅涉及煤岩颗粒、气液流体与溶液离子等介质在电场作用下运移的动力学过程，还是电场与荷载耦合作用下外部环境与内部结构进行氧化还原反应的电化学过程，