基于热声发射技术的陕北火烧岩烧变温度识别

2022-06-07王少飞葛振龙魏少妮丁晓英

煤田地质与勘探 2022年5期

孙强，王少飞，葛振龙，魏少妮，丁晓英

(1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054；2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西西安 710054；3.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院，陕西西安 710054；4.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西西安 710021)

火烧岩是煤层自燃导致周围岩石(特别是上覆岩层)发生高温变化形成的岩体[1-2]，目前在中国、美国、俄罗斯、蒙古、印度等主要产煤国家都有发现[3-14]。我国的火烧岩主要发育在新疆、陕西陕北、内蒙古鄂尔多斯、宁夏贺兰山等地的侏罗纪煤田，在山西、甘肃、青海等地也有发现。煤层自燃高温作用形成的火烧岩岩体多呈现为碎裂结构，岩石裂隙和孔隙增多，岩体强度降低，导水性和储水性增强，制约着其下部煤层安全开采[15]。国内学者对火烧岩的分类、理化性质等方面已有深入研究[16-18]。管海晏等[19]将火烧岩的形成分为4 个阶段：烘烤阶段、瓷化阶段、熔融阶段、冷凝阶段；刘志伟[20]对陕北地区火烧岩的工程地质特征、地球物理特征、分布特征、渗透性做了研究；范立民[21]对火烧岩的裂隙率做了实测统计，讨论了火烧岩对煤矿安全开采的意义。同时火烧岩区的水文地质特征也是保水采煤的重点研究对象。火烧岩的研究有助于探讨煤层盆地的构造运动，分析煤层自燃的古气候和古地理特征[22-28]。

火烧岩的形成、演化及工程性质与其烧变温度密切相关。根据岩石热记忆性的Kaiser 效应[29-30]，岩石能够记忆地质历史中经历过的最高温度。席道瑛等[31]通过热声发射技术对全国9 个地区岩石样品的阈值温度进行了预测，结果与地质温度计测量值较为吻合。张建坤等[32]利用岩石热声发射实验与干酪根红外光谱，对中扬子地区西部典型井下古生界海相页岩经历的最高古温度及热演化成熟史进行了恢复。李佳蔚等[33]探讨了塔里木盆地不同埋深的砂岩和泥岩以及川西地区灰岩的热Kaiser 效应，结果表明实测的阈值温度和岩石经历的最高温度基本一致。因此，通过对火烧岩加热过程的声发射信号特征分析，可以实现对不同位置火烧岩烧变温度的识别。

目前关于火烧岩(特别是对古火烧岩)烧变温度识别未有报道。基于此，笔者选取陕北神木张家峁火烧岩，针对不同层位的岩样进行热声发射测试。通过热Kaiser 效应，对火烧岩烧变温度进行识别，在此基础上研究火烧岩区的工程地质效应，对于煤矿防治水、围岩稳定等都具有重要的现实意义。

1 样品采集与测试

1.1 典型取样点剖面地质特征

取样点位于神木市考考乌素沟北侧，如图1 所示。该位置属于宽浅河谷地貌与沙盖黄土梁峁地貌，相对高差50～70 m。河谷水流侵蚀作用较弱，河谷及阶地宽度50～100 m，呈“U”形。梁峁地势浑圆平缓，沟壑、沟谷纵横交错，切割深度10～20 m。如图2 所示，上部为深灰色中粒长石砂岩，岩石受烧变影响较小；中部主要为砖红色烘烤岩；煤灰上部和局部出露褐红色烧熔岩，可见大量的气孔构造；下部为灰白色细砂岩(原岩)，几乎未受煤层自燃影响。根据层位、颜色和岩性的特征分为8 层，采取8 组样品(图3)。

图1 取样点地形地貌(镜向240°)Fig.1 Topography and geomorphology of the sampling site (mirror direction 240°)

图2 取样点岩体结构特征Fig.2 Structural characteristics of the rock mass at the sampling site

图3 采样层位Fig.3 Diagram of sampling levels

1.2 样品制备与测试过程

选取大块完整、表面无明显裂隙的不同层位岩样，严格按照国际岩石力学学会试验规范(International Society for Rock Mechanics，ISRM)，将试样加工成直径为50 mm、高为25 mm 的标准圆柱样。将制备好的岩样在50℃的温度下干燥24 h。将干燥后的试样放入马弗炉中，以8℃/min 的升温速率加热至目标温度并恒温2 h。采用DS5-8A/B 型声发射信号分析系统，在加热的过程中实时监测声发射信号，声发射门槛值设为40 dB，采用Macromr 12-150 h-1 型大口径核磁共振分析与成像系统对不同层位火烧岩的孔隙结构进行测试。

2 烧变温度识别

2.1 声发射累计能量特征

基于岩石热声发射特征对不同层位的火烧岩的烧变温度进行识别。本试验采用累计能量来识别不同层位岩石热Kaiser 效应的阈值温度。从图4 可以看出，当加热温度超过某一温度之后，岩石声发射累计能量曲线开始呈显著的上升趋势，这一温度被定义为热Kaiser 效应的阈值温度，即岩石经历的最高温度。当加热温度在50～100℃时，开始出现声发射信号，累计能量曲线接近水平。此时岩石内部主要为一些小裂纹的扩展和形成，造成的热损伤较小。当加热温度超过阈值温度后，岩石内部矿物逐渐受热膨胀，产生热损伤，导致声发射信号显著增多。对于第1−第3 层岩石，阈值温度分别为154、168、191℃；第4、第5 层岩石，阈值温度分别为372、638℃。随着温度的升高，热破裂持续产生，岩石内部积聚的能量得到释放，热破裂裂纹的出现导致内部结构自由面的产生，起到了容纳变形和阻止裂纹扩展的作用[34]，声发射出现小范围的平静期。随着裂纹的继续扩展，积聚的能量再次释放，产生声发射信号。当加热温度超过600℃后，累计能量曲线出现多个平台，如图4d 和图4e 所示。同时，石英等矿物发生相变，体积急剧膨胀，导致热破裂程度加剧，声发射信号出现二次增强的现象。对于第8 层岩石，阈值温度为245℃。第6、第7 层岩石，通过岩相学及相关资料显示曾经经历的最高温度超过700℃，在本次试验中未能准确识别。

2.2 声发射参数RA 和AF 特征

声发射参数中的RA 值和AF 值可以反映材料内部的裂纹类型。一般来说，高AF 值、低RA 值表示拉张裂纹的产生或发育，反之，代表剪切裂纹的产生或发育[35]。图5 显示了不同层位岩石在加热过程中不同温度区间内RA-AF 散点分布图。从图中可以看出，对于第1 层岩石，在加热过程中声发射数据点在剪切裂纹和拉张裂纹区都有分布，RA 主要分布在0～15 ms/V范围内，AF 主要分布在0～30 kHz。当加热温度超过200℃时，声发射的数据点逐渐增多，表明热Kaiser 效应的阈值温度小于200℃。对于第2 层岩石，当加热温度低于200℃时，声发射数据点较密集且主要集中在拉张裂纹区，结合声发射能量的特征，预测其阈值温度约为150℃。对于第3 和第4 层位的岩石，当加热温度位于200～400℃时，声发射数据点显著增加，且主要分布在拉张裂纹区，剪切裂纹区有部分声发射信号。由此可以判断，第3 和第4 层岩石的阈值温度位于200～400℃。超过400℃之后，第2 和第3 层声发射信号减小，且RA-AF 值相对分散。对于第4 层岩石，超过400℃之后，声发射信号相对第2 和第3 层信号增多，且在拉张裂纹和剪切裂纹区散乱分布。对于第5层岩石，当加热温度超过600℃时，声发射信号开始向剪切裂纹区移动，这主要与高温下岩石内部的穿晶剪切裂纹的发育有关。对于第8 层岩石，目标温度设置为400℃。从图中可以看出，当加热温度位于200～300℃时，声发射信号显著增多，热Kaiser 效应的阈值温度位于此温度区间内。

图5 不同层位岩石不同加热阶段RA-AF 分布散点Fig.5 Scatter diagram of RA-AF distribution in different heating stages in different layer of rock

在升温过程中，岩石内部矿物不均匀膨胀，微裂纹增多，主要产生拉伸损伤[36]。由于热破裂发生位置主要集中在颗粒边界或矿物交界面，导致沿晶拉张裂纹的发育。同时一些矿物受热膨胀，与周围矿物发生剪切错位，导致少量剪切裂纹的产生。当加热温度超过600℃时，晶体内部弱结构激发裂纹成核[29]，导致穿晶剪切裂纹的扩展，剪切裂纹所占比例开始增加。

综上，当热处理温度较低时，拉张裂纹相对发育，随着温度的升高，剪切裂纹逐渐发育。通过声发射能量特征及RA-AF 散点图，并结合岩相学特征可以较准确地识别不同层位岩石热Kaiser 效应的阈值温度(图6)。通过对火烧岩烧变温度的识别，可以判断火烧岩区不同层位岩体经历的最高温度，从而对火烧岩物理力学性质做出合理的评价，为火烧岩区的工程活动提供支撑。

图6 不同层位火烧岩阈值温度Fig.6 Threshold temperature of burnt rock in different strata

根据核磁共振结果，第5 层火烧岩孔隙率约为1.3%，第5 层之后，孔隙率开始显著增加，第6 层和第7 层孔隙率约为7.3%和18.5%，分别为第5 层的5.6倍和14.23 倍，第6 层和第7 层火烧岩内孔隙和裂隙发育且连通性较好。因此，大气降水和地表水易通过火烧岩的裂隙网络进入煤层或含水层，威胁煤矿防治水注浆工程[37-39]。