冲击荷载对无烟煤微纳观孔隙结构的影响

2019-11-12王以贤梁为民

天然气工业 2019年9期

王以贤梁为民

1. 河南理工大学土木工程学院 2. 河南建筑职业技术学院

关键字冲击荷载 SHPB 无烟煤微纳观孔隙压汞低温液氮

0 引言

煤层气（俗称瓦斯）主要以吸附态附着于煤基质颗粒表面[1]，需要通过抽采使煤层气有效解吸、扩散、渗流和产出。无烟煤的孔隙尺寸主要处于纳米级别[2]，由于煤层吸附性强、渗透率低，要实现无烟煤煤层气的规模、高效开发难度大。研究煤体的微观孔隙结构有利于加深对煤层气吸附/解吸机理的理解[3-4]，也可以为解决制约煤层气产能的瓶颈问题提供相关思路。为此，针对不同变质程度煤的微纳观孔隙结构，国内外已开展大量研究工作[5-10]，但对于冲击荷载对煤体微纳观孔隙结构的影响研究却鲜有报道。已有的研究成果表明，通过外部扰动可以改善煤体内部的孔隙结构[11-14]，从而促进煤层气解吸，同时提高煤层的渗透性，但目前的认识还不是很清楚，有必要对外部扰动改进煤体微观孔隙结构的作用机理进行深入探讨。目前，形成外部扰动的方式主要有3种：①流体冲载，主要包括水力/高能气体压裂等[15-16]；②物理场激励，主要有静电场/交变电场/电磁场/声场激励等[17-18]；③冲击荷载，比如爆破[19-21]、脉冲冲击波[22]等。为此，笔者利用分离式霍普金森压杆（SHPB）冲击加载系统模拟冲击波、应力波，通过开展冲击实验，并结合冲击前后煤样压汞及低温液氮实验的测试结果，探讨了冲击荷载对无烟煤微纳观孔隙结构的影响，以期为无烟煤爆破参数的设置提供技术支撑。

1 样品制备与实验方案

1.1 样品制备

实验样品取自河南省焦作矿区赵固二矿，属于无烟煤，其显微组分、工业分析结果及基本力学参数如表1所示。为了尽量减小煤样间的差异，在矿井采煤工作面同一煤层同一地点采集大块完整煤岩，然后钻取直径为50 mm，高度为50 mm的圆柱体。按照《工程岩体实验方法标准》（GB/T 50266—2013）[23]及《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T 23561.7—2009）[24]要求，利用双端面磨床打磨试件，确保煤样两端面平整度小于等于0.05 mm，两端面平行度小于等于0.02 mm。

1.2 实验仪器与方案

采用河南理工大学土木工程学院SHPB冲击加载系统，根据爆炸冲击波（应力波）压力随距离衰减的规律，结合样品的基本力学参数及试冲情况，设定冲击气压分别为0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa、0.30 MPa、0.50 MPa。压汞、低温液氮实验在河南省岩石矿物测试中心页岩气测试技术研究所进行。其中，压汞仪采用美国麦克仪器公司AutoPore Ⅳ 9520型全自动压汞仪，工作压力介于0.1～60 000.0 psi（1 psi=0.006 895 MPa），测定孔径介于3 nm～ 1100 μm；低温液氮仪为美国麦克仪器公司TriStar Ⅱ 3020型全自动比表面积与孔隙度分析仪，测定孔径介于0.35～500 nm。孔径划分采用Hodot的十进制划分法[25]，即对于微孔、小孔、中孔、大孔，对应孔径依次小于10 nm、介于10～100 nm、介于100～1 000 nm、大于1 000 nm。

2 实验结果分析

2.1 SHPB冲击实验

根据一维弹性应力波和应力均匀的假设，采用三波法[26-27]计算煤样动态应力、应变及应变率。子弹以一定速度冲击入射杆，入射杆撞击试件使试件产生应力、应变并对试件造成一定损伤，然后形成透射波，最后由吸收系统将透射波吸收。该过程实际上是一个能量传递和转化的过程。利用本文参考文献[28-30]所列能量计算公式，可以计算出煤样受冲击后的损伤值。鉴于煤体的非均质性及各向异性，同等实验条件下冲击4个试件，取各个参数的平均值（表2）进行分析，其中损伤变量为总耗散能密度与总吸收能密度的比值。

表1 煤样基本参数表

表2 SHPB冲击实验数据表

2.2 压汞实验

考虑煤体的各向异性及非均质性，为了增强统计数据的有效性，实验时在不同方向、不同冲击力下都设置4个煤样，取同一方向、冲击力下的测试数据平均值进行分析（表3）。可以看出冲击荷载的变化会引起孔隙结构参数的改变，但不同方向、不同冲击力大小对孔隙结构的影响各异。

2.2.1 孔容

如图1所示，受不同方向冲击荷载的影响，煤样总孔容增幅不一。冲击荷载方向与层理方向垂直时，煤样总孔容最大增幅为172.7%，对应冲击荷载为42.10 MPa；与层理方向平行时，煤样总孔容最大增幅为207.5%，对应冲击荷载为20.45 MPa；与层理方向斜交时，煤样总孔容最大增幅为265.0%，对应冲击荷载为56.90 MPa。在同一方向上，随冲击荷载增大总孔容并未持续增加，而是呈波动式变化，总体呈增加趋势。其原因包括：①煤样本身的各向异性及非均质性；②煤体对不同方向冲击荷载的响应不同；③冲击荷载越大，煤体越破碎，微小碎粒会堵塞中大孔[31]，导致总孔容不随冲击荷载增大而持续增加。但在制样及实验标准统一的前提下，从统计学的角度考虑，大量数据的趋同性也为发现事物的客观规律提供了证据。因此，可以认为煤样在不同方向冲击荷载的作用下总孔容是波动增加的，并且煤体对不同方向冲击荷载的响应确实不同。

如图2所示，在不同的荷载加载方向上，不同孔径孔隙的孔容增加率存在着差异。冲击荷载方向与层理方向垂直时，孔容增加率最大的是微孔，大孔次之，冲击荷载为61.65 MPa时微孔孔容增加率达到555.5%，冲击荷载为42.10 MPa时大孔孔容增加率为328.0%；与层理方向平行时，孔容增加率最大的是微孔，小孔次之，冲击荷载为20.45 MPa时微孔孔容增加率为1161%，小孔孔容增加率为335.6%；与层理方向斜交时，孔容增加率最大的是大孔、中孔，冲击荷载为56.90 MPa时中孔孔容增加率445.2%，大孔孔容增加率为382.8%。可以看出，不同方向冲击荷载对煤体孔隙的改造具有差异性，垂直层理方向上的冲击荷载主要使微孔和大孔数量增加，平行层理方向上的冲击荷载主要使微孔和小孔数量增加，而斜交层理方向上的冲击荷载则主要使中孔和大孔数量增加。

2.2.2 孔比表面积

如表3、图3所示，冲击荷载作用后孔比表面积整体呈波动增加状态，在不同方向冲击荷载的作用下孔比表面积增加率不同；冲击荷载方向与层理方向垂直时，孔比表面积增加率最大的是微孔，大孔、小孔次之；与层理方向平行时，孔比表面积增加率最大的是微孔，小孔次之；与层理方向斜交时，孔比表面积增加率最大的是大孔、中孔。这和前述孔容的变化规律相似。

2.2.3 孔隙度及退汞效率

孔隙度能够反映煤体内部孔隙空间的大小；退汞效率是表征煤体内部孔隙连通性好坏的重要指标，退汞效率越高则孔隙连通性越好。如图4、5所示，冲击荷载作用后孔隙度及退汞效率都呈波动变化，但整体呈增加趋势。其原因在于以下两个方面：①孔容的波动增加导致孔隙度的波动增加；②冲击后孔隙结构复杂性增强及孔隙表面张力增大是引起退汞效率波动变化的主要原因[32]。在垂直层理方向冲击荷载的作用下，42.10 MPa对应的孔隙度最大，冲击荷载为56.90 MPa时退汞效率最高，但42.10 MPa对应的退汞效率仅比56.90 MPa对应的退汞效率低3.58%，孔隙度增幅介于162.6%～816.5%，退汞效率增幅介于-5.8%～24%；平行层理方向上，最大孔隙度、退汞效率对应的冲击荷载均为20.45 MPa，孔隙度增幅介于72.0%～308.8%，退汞效率增幅介

连通性并未持续改善。冲击前煤样大多为一端封闭孔，冲击荷载作用后，开放性、透气性孔隙逐渐增多，但从吸附、脱附曲线分支形态可以看出并不是冲击于-1.21%～11.24%；斜交层理方向上，最大孔隙度对应的冲击荷载为30.96 MPa，仅比56.9 MPa对应的孔隙度大了0.4%，最大退汞效率对应的冲击荷载为20.45 MPa，仅比56.90 MPa对应的退汞效率大了1.66%，孔隙度增幅介于16.8%～103.4%，退汞效率增幅介于-5.32%～36.78%。可以认为，垂直层理方向的冲击载荷为42.10 MPa时，改造孔隙的效果好；平行层理方向的冲击荷载为20.45 MPa时，改造孔隙的效果好；斜交层理方向的冲击荷载为56.90 MPa时，改造孔隙的效果好。

表3 煤样压汞实验结果统计表

图1 煤样总孔容与冲击荷载的关系图

图2 不同加载方向各阶段煤样孔容增加率图

2.3 低温液氮实验

通过开展低温液氮实验，测得冲击荷载方向与层理方向垂直时的液氮吸附—脱附曲线（图6），可以看出，随着冲击荷载的增大，煤体微纳观孔隙的荷载越大越好，而是存在一个最佳值。对于本次实验，垂直层理方向最佳冲击荷载为42.10 MPa，这和压汞实验的结果一致。不同方向最佳冲击荷载虽然不同，但对应的损伤值都介于0.1～0.2，根据刘运通和高文学[33]、唐红梅等[34]的研究，该损伤值范围正好属于爆破裂隙区，即不管哪个冲击方向，爆破裂隙区是最佳的致裂增渗区。

图3 不同加载方向各阶段煤样孔比表面积增加率图

图4 不同方向孔隙度与冲击荷载的关系图

图5 不同方向退汞效率与冲击荷载的关系图

3 冲击荷载改造无烟煤微纳观孔隙结构的机理探讨

冲击波进入煤体后，除了在原有孔隙尖端产生应力集中，扩展原有孔隙，增大中大孔孔隙外，还会在煤基质表面及内部形成较大的张应力[22]，从而破碎煤基质，打开部分封闭孔，并增加微小孔数量，所以，冲击荷载对无烟煤孔隙的改造是全方位的。虽然同一荷载所携带的初始能量相同，但由于与层理作用方向不同，在与层理的交界面所产生的波反射与透射也不相同，因此不同方向冲击荷载改造孔隙的实际范围就会产生差异。