低频振动激励含瓦斯煤孔裂隙变化特征研究*

魏建平,毋新亮,温志辉,4,张立博,任永婕

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院,河南 焦作 454000;2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,河南 焦作 454000;3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南 焦作 454000;4.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司,河南 郑州 450000)

0 引言

我国煤炭资源分布广泛,是我国能源结构中不可或缺的1环[1],但我国目前煤矿浅部资源不断枯竭,井工开采深度逐年递增,地质条件日趋复杂,易发生瓦斯突出事故,且大多数矿区瓦斯储层具有低压力、低渗透率、低饱和度及非均质性强的“三低一强”的特性,抽采极为困难[2]。因此针对如何提高煤层透气性这一难题,可对煤体进行扰动,增加煤层孔裂隙,提高煤层的透气性,如保护层开采[3]、水力化增透[4]、深孔爆破增透[5]、CO2预裂增透[6]、大孔径钻孔[7]及密集交叉钻孔卸压[8]等。其中,低频振动激励煤层增透技术能够促进煤岩体裂隙发育,改善煤层渗透性,是1种高效绿色的增透技术。

低频振动激励下,煤岩体受到反复作用的单向激振力。因此可以将受载煤体看作结构系统,受到一定频率与幅值下的循环冲击载荷,进而引起煤体内部一系列的孔裂隙发育扩展,导致其微观结构特征与透气性改变。对此,国内外学者围绕低频振动激励的冲击特性、循环加载与不同激振频率研究其对煤体结构的损伤与改造作用。李峰[9]认为振动波可以有效对煤体施加扰动,在其传播过程中对煤岩介质造成拉、压和剪切作用,煤基质的骨架因此发生弹性形变,从而使煤体的微孔隙和微裂隙增加,扩散和渗流通道得到扩张,提高了扩散速率和渗透率。王松[10]研究振动场作用下煤体渗透率的变化,施加振动场后,煤体质点发生位移,煤体中产生新的裂缝网,使煤体孔裂隙间的联通性增加,从而改善煤体渗透率。宋洋等[11-12]利用振动设备开展细观实验,发现振动作用能使煤岩的渗透率增大,且当振动频率与煤体固有频率相同时(10 Hz),煤岩自身产生共振效应,渗透率达到最大。李建楼等[13]、胡水根[14]进行含瓦斯煤振动增渗实验,在120 Hz的中低频范围内,振动作用产生了能量集中频带,且在低频带内的振动激励对煤岩的破坏最明显。由上述研究可知,激振频率与煤体固有频率相同时会出现共振效应,而在低频振动共振煤体致裂方面,杨威等[15]理论分析了振动碎煤的可行性,并指出共振频率下碎煤效果最好。孙晓元[16]、Li等[17]、李成武[18-19]、高天宝[20]对大尺度煤岩材料进行振动破裂特征实验,当激励频率等于煤体自振频率时,试件产生共振放大效应,煤岩加速破裂。

综上可知,低频振动激励会改变煤体的力学性能,也会改变煤体内部孔裂隙的状态,使煤体孔裂隙相互联通形成新的裂缝网,同时不同振动频率激励下,煤岩体的裂隙发育规律不同。关于低频振动激励含瓦斯煤时,煤体的孔裂隙致裂机理,尤其是共振激励作用下的含瓦斯煤孔裂隙变化特征,目前仍需进行定性定量表征,以探明低频振动激励对煤体孔裂隙的改造机制。考虑到以上问题,本文利用工业CT扫描系统和低场核磁共振设备对振动前后含瓦斯煤样进行精确表征和分析,测试不同激振频率激励含瓦斯煤的孔裂隙发育特征,阐明低频振动下含瓦斯煤的孔裂隙变化特征。

1 实验方案与装置

1.1 煤样制备与实验方案

煤样制备:选用赵固二矿高变质程度无烟煤(WY),为确保所制煤样进行低频振动激励前的物理基础参数基本一致,需保证采集的新鲜块状煤样尺寸不小于200 mm×200 mm×200 mm(长×宽×高),尽可能使煤样的原生结构保持完好,利用数控线切割机及岩心钻取机等设备加工成尺寸为Φ50 mm×100 mm(圆柱底面直径×高)煤柱试样,挑选出表面较为完整,表面微裂隙差异较小的煤样,并测试其基础参数如表1所示。

表1 实验煤样的基础参数Table 1 Basic parameters of experimental coal samples

考虑到低频振动激励所产生的共振效应,其实验方案如下:

1)使用“敲击法”,确定待测煤样的固有频率。

2)在煤样振动激励前,进行工业CT和低场核磁共振测试,测得煤样原生孔裂隙的发育情况。

3)将煤样放入煤样夹持器中,打开气瓶以及阀门,向煤样夹持器中通入瓦斯,使煤样充分吸附瓦斯。

4)对煤体施加不同频率的振动激励。

5)振动激励完成后取出煤样,再次进行工业CT和低场核磁共振测试,与振动前煤样的原生孔裂隙进行对比分析。

1.2 实验装置

1)低频振动激励煤体共振增渗测试系统

利用低频振动激励煤体共振增渗测试系统,开展振动激励含瓦斯煤孔裂隙改造实验,系统结构如图1所示。

图1 低频振动激励煤体共振增渗实验系统结构Fig.1 Structure of experimental system for resonance permeability enhancement of coal under low-frequency vibration excitation

确定煤样的固有频率是进行共振致裂的前提,因此,在开展煤样低频振动实验之前,利用实验系统的煤体振动参数监测单元,监测单元如图2所示,使用“敲击法”测定实验煤样的固有频率。

图2 振动参数监测单元实物Fig.2 Physical object of vibration parameter monitoring unit

对每个煤样均进行20次敲击,剔除异常信号,得到煤样固有频率测试结果如表2所示。

表2 煤样固有频率测试结果Table 2 Test results on natural frequency of coal samples

由表2可知,多次敲击下煤体的固有频率基本稳定不变,并根据以往学者的研究可以确定煤体的相对固有频率及固有频带[21],由图3～4可知,随着外部环境的改变,煤体固有频率相应增加,但相较于自由环境下提升较小,且20 Hz频率始终处于煤体共振频带内,因此,可选定20 Hz作为低频振动激励实验的共振频率。

图3 煤体固有频率和相对固有频率对比Fig.3 Comparison of natural frequency and relative natural frequency of coal body

图4 煤体固有频带分布Fig.4 Distribution of natural frequency band of coal body

由于煤体固有频率与煤质、尺寸、边界条件等参数紧密相关,采用“敲击法”实测煤样的固有频率(20 Hz)可以指导低频振动激励煤样孔裂隙变化特征的后续实验。

2)工业显微CT煤孔裂隙变化测试系统

利用煤岩工业显微CT扫描系统(型号为phoenix v|tome|x s)测试低频振动激励前后煤体裂隙变化特征,系统如图5所示。

图5 煤岩工业显微CT扫描系统实物Fig.5 Physical object of industrial micro-CT scanning system for coal and rock

将振动前后的煤体放置于扫描舱室内,由X射线源发射出锥形射线光束,穿过载物台上的待测试件,当射线经过密度较大的区域,能量会发生大幅衰减,当经过较小的密度区域,能量会发生小幅衰减,这些发生不同程度衰减透射出的能量信号被探测器接收,会在底片上留下明暗不同的图像[22],进一步得到煤样的投影视图,可以反映煤样的内部缺陷、密度、孔裂隙等结构的分布情况。

3)低场核磁共振煤孔隙变化测试系统

利用低场核磁共振仪(型号为MesoMR23-060H-I)测试低频振动激励前后煤体孔隙变化特征,设备如图6所示。

图6 低场核磁共振实物Fig.6 Physical object of low field NMR

低场核磁共振利用煤基质中孔隙流体的横向弛豫时间与信号幅值的关系进行孔隙度测试,由外加磁场打破磁化矢量的平衡态,之后再回归到平衡态,在这一过程中测试磁化矢量的信号幅值,可得到横向弛豫时间与信号幅值的变化曲线。横向磁化矢量衰减的时间常数(T2)称为横向弛豫时间,T2的衰减包含了绝大多数多孔介质物理信息,可进一步分析煤体在振动前后孔隙度的变化。

2 实验结果与分析

2.1 工业显微CT测试结果

1)工业CT扫描切片分析

振动前后煤体俯视切片如图7所示。利用DragonFly软件对二维切片图进行阈值分割处理,将微小裂隙标记为红色,以便观察煤体的裂隙分布,由图7可知,振动作用后,煤体内部的原生裂隙发生扩展,长度和宽度增加;相同方向或相邻的两条裂隙发生相向扩展,彼此之间相互联通。密闭的孔隙之间互相连接产生新的裂隙,即在非原生裂隙处产生新的裂隙。振动对煤体原生裂隙的影响更大,对于未存在裂隙的位置影响较小。

图7 工业CT扫描切片Fig.7 Industrial CT scanning slices

2)CT裂隙三维重构分析

煤体三维裂隙重构如图8所示,利用AVZIO的Sieve Analysis可以筛选裂隙体积大小,将不同体积裂隙通过不同颜色渲染进行裂隙分级展示,其中紫色表示较大尺寸裂隙,黄色与红色次之。通过导出的裂隙率数据,绘制出不同频率振动前后的裂隙率变化如图9所示。

图8 煤体三维裂隙分级展示Fig.8 Three-dimensional fissure classification display of coal body

由图9(a)可知,振动前后,不同频率下模型总裂隙度均得到不同程度的增加,其中20 Hz频率下煤样振动前后总裂隙度增长大于其他频率的煤样,说明共振作用能够明显改善煤样的孔缝结构。由图9(b)可知,不同振动频率激励下煤岩内部裂隙发育特征呈现一致性规律,即大中小尺寸裂隙的裂隙度均存在不同程度的增长。

3)孔裂隙低频振动发育效果分析

通过AVIZO软件内置的Auto Skeleton及Spatial Graph Statistics模块对工业CT切片生成的数据集进行处理分析,生成煤岩体内部的裂隙空间结构模型,如图10所示,其中红色小球为孔隙,小球之间的白色曲线即为孔隙之间的真实距离。通过软件对空间结构模型进行数据统计,根据分型维数与迂曲度2个参数,表征振动前后煤体孔裂隙结构变化特征。

分型维数代表了孔裂隙的复杂程度与粗糙度,由图11可知,不同频率振动激励后各切片分型维数变化不同,这是由于振动激励后煤体孔裂隙结构特征发生改变,原生裂隙发生扩展,微孔与小孔受到反复的拉压作用,联通生成小裂隙,增加了煤体裂隙的差异性与复杂度。由于煤是1种复杂非均质的多孔介质,因此低频振动激励作用下煤体分型维数的变化呈现不规则的增长或递减规律。对比不同频率下,20 Hz频率作用下分型维数基本呈现出了明显的增长趋势,说明共振作用下煤体内部新生孔裂隙的出现加剧了煤体内部结构的复杂性与非均质性,有效促进了孔裂隙的发育。

图11 煤体裂隙分形维数变化Fig.11 Fractal dimension change of coal body fissures

迂曲度反映的是孔隙通道迂回曲折的程度,代表了瓦斯分子在煤基质中扩散的难易程度,由图12可知,振动作用后煤体迂曲度升高,这是由于新生成的孔裂隙具有非均质性与不规则性,使得煤体内部的孔隙通道更加复杂化,同时在20 Hz时迂曲度增长最高,说明共振作用可以有效改造煤体的孔裂隙结构,使新生裂隙数量增多。

图12 煤体迂曲度分布Fig.12 Tortuosity distribution of coal body

2.2 低场核磁测试结果

对4块无烟煤样进行振动前后的低频核磁共振实验,获得煤样T2谱图如图13所示。

图13 振动前后煤体T2谱图Fig.13 T2 spectrum of coal body before and after vibration

对图13中的T2与信号幅值变化曲线进行积分即可得到T2谱面积,T2谱面积的大小反映了煤体孔隙体积的大小。图13中所存在的波峰代表了煤体中的孔径分布,且T2的大小与孔径的大小成反比,因此通常第1波峰面积代表了微孔的孔隙体积,第2、第3波峰面积对应中孔与大孔的孔隙体积。因此,由T2谱图可以得到煤体孔隙的大小与分布情况。

综合对比4块无烟煤T2谱图可知,4块无烟煤样的孔径分布较一致,表现为微小孔发育较好,中大孔的发育不明显。为进一步考察振动前后煤体的孔隙分布特征,对T2谱图积分,将波峰面积与孔隙度数据提取出来,得到的结果如表3～4所示。

表3 振动前煤样T2谱图面积及孔隙度Table 3 T2 spectrum area and porosity of coal samples before vibration

表4 振动后煤样T2谱图面积及孔隙度Table 4 T2 spectrum area and porosity of coal samples after vibration

由表3～4可知,4种不同激振频率振动后煤样的孔隙度均有提升。10,20,30,50 Hz振动前煤样的孔隙度分别为6.22%、6.36%、6.35%、6.23%,振动后孔隙度为6.44%、6.75%、6.52%、6.31%,增长率分别为3.5%、6.1%、2.7%、1.3%。说明在共振频带内的激振频率能更好地提升煤体孔隙度,同时由峰值面积可以看出振动激励对中孔和大孔的改造效果更好。

结合CT扫描结果,共振作用能够有效提高煤体的孔隙度与裂隙度。振动激励所产生的周期性挤压应力会导致煤体骨架崩塌断裂,孔隙表面也会产生不规则形变。振动作用对孔隙度与裂隙度的改造体现在对原生裂隙的扩展与中大孔的孔径发育,使得煤基质内部的孔裂隙连通,更有利于瓦斯分子的解吸扩散。

由工业CT和低场核磁的实验结果可知,含瓦斯煤在低频振动激励下孔裂隙结构发生改变,且当施加的振动频率与煤体固有频率接近时,孔裂隙产生越多的不可逆形变,并形成新的瓦斯运移通道,此时对煤体的孔裂隙结构改造效果更好。下一步将优化实验系统,利用工业CT或低场核磁的动态加载及连续扫描功能,实现对含瓦斯煤低频振动过程中孔裂隙动态发展过程的分析,深入研究低频振动激励对含瓦斯煤孔裂隙动态发展的作用和效果。

3 结论

1)低频振动激励前后煤体的裂隙度与孔隙度均呈现上升趋势,说明低频振动激励可以有效促进煤体孔裂隙发育。且煤岩内部裂隙发育特征呈现一致性,振动激励的改造效果集中在对大尺寸裂隙的改造,即对原生孔缝发育的改造效果更好。对比不同激振频率下CT扫描结果及低场核磁共振测试结果,当激振频率处在共振频带时,煤体的孔裂隙改造效果最好。

2)由煤体内部的裂隙分形维数、迂曲度与切片图变化可知,振动作用后,煤基质内部新生成的孔裂隙使煤体空间结构更加复杂化,也使内部裂隙不断发育,有利于瓦斯解吸。对比不同振动频率下煤体分形维数与迂曲度变化,共振作用对裂隙的改造作用更加明显,促进含瓦斯煤解吸的效果更好。

3)由核磁共振T2谱图峰值面积可知,低频振动激励后煤体微孔体积提高,但中大孔的体积的增长率高于微孔体积,说明低频振动激励对煤体孔隙改造作用集中在煤体的中孔与大孔。

4)今后将进一步开展煤质、尺寸、边界条件等因素对煤体固有频率影响的相关研究,同时利用工业CT或低场核磁的动态加载及连续扫描功能,深入分析振动激励对含瓦斯煤孔裂隙动态发展的作用和效果。