低温处理煤岩的声发射及力学渗流特性研究

2022-02-10王江涛赵耀江王菁瑞张慧娟

煤矿安全 2022年12期

王江涛，赵耀江，赵亮，王浩，王菁瑞，张慧娟

（太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西晋中 030600）

近年来，随着能源结构调整和能源产业变革，我国大力发展煤层气等非常规天然气，开发和利用煤层气既是重要的战略布局也是煤炭产业链能够如期实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要碳减排手段[1-2]。我国煤层大多属于低渗煤层，需进行增透措施后产气量才会有明显提升[3-4]。低温致裂增透技术是通过向煤岩体注入液氮等低温液化气体，利用冷冲击作用使煤体结构损伤破坏，提高煤体孔隙率和渗透性能，降低煤层气抽采难度，并提高产气量[5-7]。相比传统致裂增透技术，低温致裂增透技术增透效果较好且绿色环保，受到业内广泛关注。

前人针对低温致裂煤岩增透技术已经进行了相关研究。Mc Daniel 等[8]在煤层气储层现场进行注液氮压裂试验，发现在初始压裂后储层增透效果显著，煤层气产量有明显提升，但持续产气效果不理想；任韶然等[9]进行了液氮冷冲击对煤岩声波传播的影响试验，认为液氮冷冲击作用能对煤岩的内部结构和力学强度产生较大改变；张春会等[10]研究了液氮注入煤岩后其变形、破坏及渗透率演化的过程；王乔[11]利用CT 扫描技术和金相显微镜对不同含水煤岩液氮冻融前后表观细观破坏进行观测；WANG 等[12]、王登科等[13]发现煤体的非均质性和热应力的存在是温度冲击增透的主要内在机制，利用热应力理论分析了温度冲击破煤机理；李万和等[14]研究了不同节理煤岩在液氮浸融4 h 后的损伤情况和力学性能；郭晓康[15]将煤岩半溶浸于液氮中模拟煤层气井注液氮时近井煤岩的状态，研究了饱水度、液氮冻融次数等多种因素对液氮注入不同类型煤体内缺陷结构扩展的影响规律；Xu 等[16]研究了液态二氧化碳对煤岩冷热循环致裂的效果与循环次数和煤变质程度的关系。

前人的研究主要是利用CT、扫描电镜及超声波测试仪等仪器测定温度冲击或循环冷加载前后煤岩表面及内部的损伤变化，或通过测定煤岩力学和渗流特性的变化情况反映低温对煤岩结构的影响，对低温冲击过程中煤岩损伤的演化规律研究较少。为此，采用监测煤岩在低温处理过程中声发射信号的方法分析煤岩体在低温作用下其内部结构的损伤演化规律，并结合三轴加载渗流试验研究不同低温作用对煤岩力学渗流特性的影响。

1 试验系统与方法

1.1 试验设备与煤样制备

试验用煤岩为阳泉新景煤矿9#煤层的无烟煤，井下取得大块煤样后用塑料薄膜包裹密封并标记取样信息，用砂线切割机床加工成平行煤层层理的圆柱煤样，使用端面切割机和砂纸切割打磨端面，保证试件两端面的不平行度误差在0.02 mm 范围内，最后得到ϕ50 mm×100 mm 的标准试件。将试件在烘干箱内60 ℃烘干24 h，保证试件完全干燥。试验系统那个主要由以下设备组成：

1）高低温试验箱。试验使用的高低温试验箱箱体由保温隔热材料制成，采用空气压缩机对空气制冷/制热，从进气口将冷/热空气输入箱体内维持设定温度，温度范围为-45～190 ℃，温度均匀度≤2 ℃。

2）声发射监测系统。试验使用的12CHsPCI-2声发射监测系统由美国物理声学公司生产制造，包括声发射传感器、前置放大器、信号处理系统等组成部分，声发射传感器型号为Nano30，工作温度范围为-65～177 ℃。

3）WYS-800 微机控制电液伺服三轴试验装置。试验采用太原理工大学自主研发的WYS-800 微机控制电液伺服三轴瓦斯渗流装置，整体系统主要由自动化操作平台、压力加载系统、气液渗流控制系统及主体试验平台等多部分组成，该系统适用于各类岩石的标准试件。WYS-800 微机控制电液伺服三轴渗流装置示意图如图1。

图1 WYS-800 微机控制电液伺服三轴渗流装置示意图Fig.1 Schematic diagram of WYS-800 microcomputer controlled electro-hydraulic servo three-axis seepage device

1.2 试验方案与步骤

试验分为2 个阶段，先使用低温环境箱在不同低温（0、-20、-40 ℃）下处理试样连续5 h，同时对煤样进行声发射实时监测，常温煤样不进行该阶段试验，然后对低温处理后的煤样和常温煤样分别进行三轴加载力学渗流试验。

1）低温环境箱处理煤样。①测定煤样常温状态下的超声波波速；②将声发射探头通过密封接口接入低温环境箱，确保环境箱的密闭性能；③关闭箱体上盖，设置目标温度开始降温；④当温度降至目标值后打开箱体盖，使用耦合剂快速将声发射探头贴于试件指定部位，将试件水平放置于低温环境箱内，关闭箱体上盖；⑤记录声发射信号，处理5 h 后保存数据，取出煤样试件放置在常温环境中12 h，待其恢复至常温状态测定处理后的波速。

2）三轴加载力学渗流试验。①在煤样试件表面均匀涂抹硅橡胶，用热缩套管和喉箍将试件与围压加载油路隔绝，在试件外壁安装径向引伸计；②将三轴室下降安装好后进行3 h 抽真空脱气，向三轴室内注入抗磨液压油，将轴压和围压交替预加载至3 MPa 后将纯度为99.99%、0.5 MPa 压力的N2通入试样进行8 h 吸附解吸；③待吸附解吸完全平衡后，测定煤样初始渗透率，试验系统采用稳态法测定煤样渗透率，监测进出口气体压力和出口气体流量，测定3 组数据后计算渗透率，取其平均值为该煤样的初始渗透率；④再继续对煤样施加轴压，加载方式为力加载，加载速率为0.02 kN/s，加载至煤样破坏，同步监测轴向应变、径向应变等数据；⑤按照以上步骤完成所有煤样测试。

2 试验结果

2.1 低温处理过程中煤样声发射特征

在0、-20、-40 ℃低温处理煤样的过程中都可检测到声发射信号，这说明煤样在低温处理过程中内部发生损伤，处理过程伴随着孔-裂隙的发育和萌生，不同温度处理下声发射信号规律大致相同。对比不同温度下煤样声发射信号强度和密集程度可大致将其分为3 个阶段：初期密集爆发阶段（0～1 000 s）、中期间断活跃阶段（1 000～7 000 s）及末期平静阶段（7 000 s 后）。

2.1.1 煤样声发射振铃计数及累计计数

声发射振铃计数是指超过门槛信号的振荡次数，用于声发射活动性评价，低温处理全程中超过门槛信号的振荡次数总和定义为累计振铃计数。这2 个参数可以体现低温处理过程中煤样内部的损伤断裂发生的时间节点和煤样的损伤程度。不同低温处理煤样过程声发射振铃计数如图2。

图2 不同低温处理煤样过程声发射振铃计数Fig.2 AE counts in the process of treating coal samples at different low temperatures

低温处理过程中声发射信号初期密集爆发阶段为0～1 000 s 左右，在此阶段内声发射振铃计数信号最密集，且存在整个处理过程中的振铃计数最大值，在处理温度为0、-20 ℃时，该阶段的振铃计数值大于全程的70%，处理温度为-40 ℃时该阶段振铃计数占全程的43.51%，但仍大于其他2 个阶段的振铃计数值。在声发射信号初期密集爆发阶段，-20、-40 ℃处理煤样的累计声发射振铃计数是0 ℃的2倍和4 倍左右。当常温煤样突然进入0、-20、-40℃的低温环境中时，煤样温度与环境温度有温度差，根据传热学原理，煤样发生对流换热使得其表面温度迅速下降，且煤岩导热系数低，煤样内部降温较慢，在低温处理初期煤样表面附近温度降低并剧烈收缩，而内部煤体体积收缩不明显，阻碍了外部煤样的向内收缩，从而局部产生热应力导致煤样表面附近发生剧烈的裂隙拓展和发育。

随着低温处理的持续，煤样外部附近温度已经接近环境温度，但内部仍存在较小的温度梯度，相较低温处理初期声发射振铃计数的密集爆发，中期声发射振铃计数呈间断活跃状态，一段时间的振铃计数间断或者数值较低过后会发生激增。随着处理温度的降低，处理中期振铃计数峰值变密集，间断空白期减少。在不同处理温度的处理中期，声发射振铃计数峰值相差不大，大致集中在30～70 次之间，反映出煤样在不同低温处理中期发生损伤破坏的严重程度基本一致，但随着处理温度的降低，煤样发生损伤破坏的事件数增多。

低温处理末期声发射信号逐渐趋于平静，由于煤样整体的温度与环境温度已基本相同，在煤样内部几乎不存在温度梯度，煤样内部损伤破坏逐渐停止，声发射振铃计数大幅减少。末期声发射振铃计数值占处理全程累计声发射振铃计数的比例越大，0、-20、-40 ℃低温处理末期的声发射累计振铃计数值分别占全程的6.26%、11.21%、32.01%。可以看出处理温度越低，末期声发射事件相对越多。

2.1.2 煤样声发射信号幅值

声发射信号幅值与声发射事件的大小有直接关系，可以区分波源类型和强弱。若煤体发生裂隙拓展延伸或萌生新裂隙类的脆性断裂，对应的声发射信号幅值会比较高；若煤体内部由于低温作用收缩不均匀发生挤压摩擦，则会产生幅值较低的声发射信号。因此对声发射信号幅值分布进行统计，可了解低温处理过程中煤体的损伤类型，不同低温处理过程中声发射信号的幅值如图3。

图3 不同低温处理煤样过程中声发射信号的幅值Fig.3 AE amplitude in the process of treating coal samples at different low temperatures

由于低温处理1 000 s 后声发射信号较少，因此主要对低温处理0～1 000 s 声发射信号初期密集爆发阶段的信号幅值进行统计分析。

低温处理煤样过程中的声发射信号幅值基本都在90 dB 以下，主要集中在40～60 dB，振幅小于60 dB 的声发射事件占处理全程总事件的85%～91%，幅值大于60 dB 的声发射事件仅占9%～15%。在煤样发生损伤破坏事件最多的初期，低幅值的声发射信号占绝大多数，高幅值的声发射事件较少，这表明低温处理过程中煤岩矿物颗粒遇冷收缩不均匀造成的挤压摩擦占主导作用，脆性断裂相对较少。随着处理温度降低，高幅值的声发射信号数量有所增多，这说明煤样内部发生脆性断裂事件变多，损伤程度更高。

2.2 煤岩低温作用前后声波波速的变化

由于超声波在固体和气体2 种介质中的传播速率不同，并且超声波在煤岩内部传播过程中会在裂隙处的气体和煤岩的交界面发生折射、反射等现象，最终导致超声波能量耗散以及波速降低，因此可用超声波在煤岩内部的波速变化判断其内部的损伤程度。下表为煤样低温处理前后的波速对比以及低温处理后煤岩波速的降幅比例。不同低温处理煤岩的波速变化见表1。

表1 不同低温处理煤岩的波速变化Table 1 Wave speed changes of coal and rock treated at different low temperatures

从表1 可看出：煤岩经过低温处理后其波速较处理前有所衰减，且处理前后波速的降幅随处理温度的降低而增大，-40 ℃处理煤样的波速降幅约为0 ℃处理煤样的5 倍，这说明处理温度越低，煤岩的损伤程度越高，内部的裂隙扩展程度越大，萌生新裂隙数量越多。

2.3 煤岩体低温损伤机理

仅考虑低温对干燥煤岩的作用，不考虑煤岩内部水分在低温作用下对其内部损伤的影响。前人研究表明，煤岩体在低温作用下的损伤主要为原生裂隙拓展和结构弱点产生新裂隙[17]。

煤岩体是一种孔隙、裂隙共同发育的双重孔隙非均质天然材料，由不同成分的矿物颗粒和胶结物组成。不同矿物颗粒的强度和刚度有所差别，在受到低温作用后其收缩变形程度也不同。由于煤岩体是连续性介质，在受到低温作用后，组成煤岩体的矿物颗粒受到周围其他矿物颗粒的相互作用而不能自由变形，在孔隙或裂隙尖端形成应力集中点，导致原生裂隙会发生拓展延伸；当收缩产生的热应力大于局部矿物颗粒之间的联结的强度极限时，局部会发生损伤断裂，产生新的裂隙。

当煤岩体由于外部环境温度骤降，靠近冷源的外部矿物颗粒由于整体约束作用不能自由收缩变形而产生的热应力可由下式计算[18]：

式中：σij为热应力，MPa；αij为煤体线膨胀系数，试验煤样测得为26×10-6℃-1；Eij为煤体弹性模量，取3 209 MPa；△T 为温度变化，℃；δij为Kronecker符号，取1。

计算可知：0 ℃低温处理时煤样局部的热应力为1.67 MPa，-20、-40 ℃低温处理时煤样局部的热应力分别为3.34、5.01 MPa。

通过对不同温度下煤岩体局部产生热应力的计算，可得出20 ℃常温煤岩体在环境温度骤降至0～-40 ℃时，其局部会产生1.67～5.01 MPa 的热应力，产生热应力的大小与温度差呈正比。对试验煤样进行巴西劈裂实验测得抗拉强度为0.371～1.01 MPa，因此煤岩体局部产生的热应力大于自身抗拉强度，造成煤岩原生裂隙延展和新裂隙发育。

2.4 低温作用后煤样的三轴力学渗流特性

煤岩试样经过不同低温处理后逐渐恢复至常温状态的过程中，低温导致其内部发生了损伤破坏，裂隙发育必然对煤岩的抗压强度和渗流性能造成影响。通过对试样进行三轴加载试验，研究低温作用后煤岩力学性能和渗流性能的变化情况。

2.4.1 三轴加载时煤岩的力学特性

不同低温处理煤样偏应力-应变曲线如图4。可以看出，加载过程可分为4 个阶段：压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和峰后破坏阶段。

图4 不同低温处理煤样偏应力-应变曲线图Fig.4 Deviatoric stress-strain curves of coal samples treated at different low temperatures

压密阶段煤样的全应力-应变曲线呈斜率逐渐增大的微弧形，煤体轴向变形速率随轴向应力的增加逐渐加快，煤体内部孔隙、裂隙受到载荷作用逐渐压密闭合；弹性变形阶段，煤样应力应变曲线基本呈一定斜率的直线，煤体骨架在发生弹性形变的同时，也会形成少量新裂隙；塑性变形阶段，煤体应力应变曲线的斜率开始发生变化，可以看出处理温度越低，煤样开始塑性变形的应变节点越提前，此时煤体所受载荷已经超过弹性极限，煤体开始产生裂隙并逐渐膨胀变形；峰后破坏阶段，当煤样所受轴向应力到达其强度极限时，煤体发生剧烈破坏，轴向应力快速跌落，轴向应变激增。

不同低温处理煤样三轴加载下的力学性能指标见表2。

表2 不同低温处理煤样三轴加载下的力学性能指标Table 2 Mechanical performance indexes under triaxial loading of coal samples processed at different low temperatures

由表2 可以看出：随着处理温度的降低，煤样的抗压强度、弹性模量和泊松比也都随之有明显降低；其中常温煤样与0 ℃处理煤样的力学性能差异微小，但-20、-40 ℃处理煤样的抗压强度相较于常温煤样分别减小了4.3%、15.6%。由于处理温度越低，煤体损伤程度越大，新生裂隙和原生裂隙拓宽延伸造成煤体孔隙率增大，从而造成了煤体强度下降。

2.4.2 煤样三轴加载过程中的渗流特性

不同低温处理煤样初始渗透率与初始渗透率增幅见表3。低温处理煤样初始渗透率K0与处理温度T 的关系如图5。