沖擊荷載對(duì)無煙煤微納觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響

王以賢 梁為民

1. 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院 2. 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院

關(guān)鍵字 沖擊荷載 SHPB 無煙煤 微納觀孔隙 壓汞 低溫液氮

0 引言

煤層氣（俗稱瓦斯）主要以吸附態(tài)附著于煤基質(zhì)顆粒表面[1]，需要通過抽采使煤層氣有效解吸、擴(kuò)散、滲流和產(chǎn)出。無煙煤的孔隙尺寸主要處于納米級(jí)別[2]，由于煤層吸附性強(qiáng)、滲透率低，要實(shí)現(xiàn)無煙煤煤層氣的規(guī)模、高效開發(fā)難度大。研究煤體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)有利于加深對(duì)煤層氣吸附/解吸機(jī)理的理解[3-4]，也可以為解決制約煤層氣產(chǎn)能的瓶頸問題提供相關(guān)思路。為此，針對(duì)不同變質(zhì)程度煤的微納觀孔隙結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外已開展大量研究工作[5-10]，但對(duì)于沖擊荷載對(duì)煤體微納觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響研究卻鮮有報(bào)道。已有的研究成果表明，通過外部擾動(dòng)可以改善煤體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)[11-14]，從而促進(jìn)煤層氣解吸，同時(shí)提高煤層的滲透性，但目前的認(rèn)識(shí)還不是很清楚，有必要對(duì)外部擾動(dòng)改進(jìn)煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理進(jìn)行深入探討。目前，形成外部擾動(dòng)的方式主要有3種：①流體沖載，主要包括水力/高能氣體壓裂等[15-16]；②物理場(chǎng)激勵(lì)，主要有靜電場(chǎng)/交變電場(chǎng)/電磁場(chǎng)/聲場(chǎng)激勵(lì)等[17-18]；③沖擊荷載，比如爆破[19-21]、脈沖沖擊波[22]等。為此，筆者利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）沖擊加載系統(tǒng)模擬沖擊波、應(yīng)力波，通過開展沖擊實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合沖擊前后煤樣壓汞及低溫液氮實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，探討了沖擊荷載對(duì)無煙煤微納觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響，以期為無煙煤爆破參數(shù)的設(shè)置提供技術(shù)支撐。

1 樣品制備與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品取自河南省焦作礦區(qū)趙固二礦，屬于無煙煤，其顯微組分、工業(yè)分析結(jié)果及基本力學(xué)參數(shù)如表1所示。為了盡量減小煤樣間的差異，在礦井采煤工作面同一煤層同一地點(diǎn)采集大塊完整煤巖，然后鉆取直徑為50 mm，高度為50 mm的圓柱體。按照《工程巖體實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266—2013）[23]及《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》（GB/T 23561.7—2009）[24]要求，利用雙端面磨床打磨試件，確保煤樣兩端面平整度小于等于0.05 mm，兩端面平行度小于等于0.02 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與方案

采用河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院SHPB沖擊加載系統(tǒng)，根據(jù)爆炸沖擊波（應(yīng)力波）壓力隨距離衰減的規(guī)律，結(jié)合樣品的基本力學(xué)參數(shù)及試沖情況，設(shè)定沖擊氣壓分別為0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa、0.30 MPa、0.50 MPa。壓汞、低溫液氮實(shí)驗(yàn)在河南省巖石礦物測(cè)試中心頁巖氣測(cè)試技術(shù)研究所進(jìn)行。其中，壓汞儀采用美國麥克儀器公司AutoPore Ⅳ 9520型全自動(dòng)壓汞儀，工作壓力介于0.1～60 000.0 psi（1 psi=0.006 895 MPa），測(cè)定孔徑介于3 nm～ 1100 μm；低溫液氮儀為美國麥克儀器公司TriStar Ⅱ 3020型全自動(dòng)比表面積與孔隙度分析儀，測(cè)定孔徑介于0.35～500 nm?？讖絼澐植捎肏odot的十進(jìn)制劃分法[25]，即對(duì)于微孔、小孔、中孔、大孔，對(duì)應(yīng)孔徑依次小于10 nm、介于10～100 nm、介于100～1 000 nm、大于1 000 nm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)

根據(jù)一維彈性應(yīng)力波和應(yīng)力均勻的假設(shè)，采用三波法[26-27]計(jì)算煤樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變率。子彈以一定速度沖擊入射桿，入射桿撞擊試件使試件產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變并對(duì)試件造成一定損傷，然后形成透射波，最后由吸收系統(tǒng)將透射波吸收。該過程實(shí)際上是一個(gè)能量傳遞和轉(zhuǎn)化的過程。利用本文參考文獻(xiàn)[28-30]所列能量計(jì)算公式，可以計(jì)算出煤樣受沖擊后的損傷值。鑒于煤體的非均質(zhì)性及各向異性，同等實(shí)驗(yàn)條件下沖擊4個(gè)試件，取各個(gè)參數(shù)的平均值（表2）進(jìn)行分析，其中損傷變量為總耗散能密度與總吸收能密度的比值。

表1 煤樣基本參數(shù)表

表2 SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.2 壓汞實(shí)驗(yàn)

考慮煤體的各向異性及非均質(zhì)性，為了增強(qiáng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有效性，實(shí)驗(yàn)時(shí)在不同方向、不同沖擊力下都設(shè)置4個(gè)煤樣，取同一方向、沖擊力下的測(cè)試數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析（表3）?？梢钥闯鰶_擊荷載的變化會(huì)引起孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，但不同方向、不同沖擊力大小對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響各異。

2.2.1 孔容

如圖1所示，受不同方向沖擊荷載的影響，煤樣總孔容增幅不一。沖擊荷載方向與層理方向垂直時(shí)，煤樣總孔容最大增幅為172.7%，對(duì)應(yīng)沖擊荷載為42.10 MPa；與層理方向平行時(shí)，煤樣總孔容最大增幅為207.5%，對(duì)應(yīng)沖擊荷載為20.45 MPa；與層理方向斜交時(shí)，煤樣總孔容最大增幅為265.0%，對(duì)應(yīng)沖擊荷載為56.90 MPa。在同一方向上，隨沖擊荷載增大總孔容并未持續(xù)增加，而是呈波動(dòng)式變化，總體呈增加趨勢(shì)。其原因包括：①煤樣本身的各向異性及非均質(zhì)性；②煤體對(duì)不同方向沖擊荷載的響應(yīng)不同；③沖擊荷載越大，煤體越破碎，微小碎粒會(huì)堵塞中大孔[31]，導(dǎo)致總孔容不隨沖擊荷載增大而持續(xù)增加。但在制樣及實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的前提下，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度考慮，大量數(shù)據(jù)的趨同性也為發(fā)現(xiàn)事物的客觀規(guī)律提供了證據(jù)。因此，可以認(rèn)為煤樣在不同方向沖擊荷載的作用下總孔容是波動(dòng)增加的，并且煤體對(duì)不同方向沖擊荷載的響應(yīng)確實(shí)不同。

如圖2所示，在不同的荷載加載方向上，不同孔徑孔隙的孔容增加率存在著差異。沖擊荷載方向與層理方向垂直時(shí)，孔容增加率最大的是微孔，大孔次之，沖擊荷載為61.65 MPa時(shí)微孔孔容增加率達(dá)到555.5%，沖擊荷載為42.10 MPa時(shí)大孔孔容增加率為328.0%；與層理方向平行時(shí)，孔容增加率最大的是微孔，小孔次之，沖擊荷載為20.45 MPa時(shí)微孔孔容增加率為1161%，小孔孔容增加率為335.6%；與層理方向斜交時(shí)，孔容增加率最大的是大孔、中孔，沖擊荷載為56.90 MPa時(shí)中孔孔容增加率445.2%，大孔孔容增加率為382.8%?？梢钥闯觯煌较驔_擊荷載對(duì)煤體孔隙的改造具有差異性，垂直層理方向上的沖擊荷載主要使微孔和大孔數(shù)量增加，平行層理方向上的沖擊荷載主要使微孔和小孔數(shù)量增加，而斜交層理方向上的沖擊荷載則主要使中孔和大孔數(shù)量增加。

2.2.2 孔比表面積

如表3、圖3所示，沖擊荷載作用后孔比表面積整體呈波動(dòng)增加狀態(tài)，在不同方向沖擊荷載的作用下孔比表面積增加率不同；沖擊荷載方向與層理方向垂直時(shí)，孔比表面積增加率最大的是微孔，大孔、小孔次之；與層理方向平行時(shí)，孔比表面積增加率最大的是微孔，小孔次之；與層理方向斜交時(shí)，孔比表面積增加率最大的是大孔、中孔。這和前述孔容的變化規(guī)律相似。

2.2.3 孔隙度及退汞效率

孔隙度能夠反映煤體內(nèi)部孔隙空間的大??；退汞效率是表征煤體內(nèi)部孔隙連通性好壞的重要指標(biāo)，退汞效率越高則孔隙連通性越好。如圖4、5所示，沖擊荷載作用后孔隙度及退汞效率都呈波動(dòng)變化，但整體呈增加趨勢(shì)。其原因在于以下兩個(gè)方面：①孔容的波動(dòng)增加導(dǎo)致孔隙度的波動(dòng)增加；②沖擊后孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增強(qiáng)及孔隙表面張力增大是引起退汞效率波動(dòng)變化的主要原因[32]。在垂直層理方向沖擊荷載的作用下，42.10 MPa對(duì)應(yīng)的孔隙度最大，沖擊荷載為56.90 MPa時(shí)退汞效率最高，但42.10 MPa對(duì)應(yīng)的退汞效率僅比56.90 MPa對(duì)應(yīng)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%；平行層理方向上，最大孔隙度、退汞效率對(duì)應(yīng)的沖擊荷載均為20.45 MPa，孔隙度增幅介于72.0%～308.8%，退汞效率增幅介

連通性并未持續(xù)改善。沖擊前煤樣大多為一端封閉孔，沖擊荷載作用后，開放性、透氣性孔隙逐漸增多，但從吸附、脫附曲線分支形態(tài)可以看出并不是沖擊于-1.21%～11.24%；斜交層理方向上，最大孔隙度對(duì)應(yīng)的沖擊荷載為30.96 MPa，僅比56.9 MPa對(duì)應(yīng)的孔隙度大了0.4%，最大退汞效率對(duì)應(yīng)的沖擊荷載為20.45 MPa，僅比56.90 MPa對(duì)應(yīng)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%?？梢哉J(rèn)為，垂直層理方向的沖擊載荷為42.10 MPa時(shí)，改造孔隙的效果好；平行層理方向的沖擊荷載為20.45 MPa時(shí)，改造孔隙的效果好；斜交層理方向的沖擊荷載為56.90 MPa時(shí)，改造孔隙的效果好。

表3 煤樣壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖1 煤樣總孔容與沖擊荷載的關(guān)系圖

圖2 不同加載方向各階段煤樣孔容增加率圖

2.3 低溫液氮實(shí)驗(yàn)

通過開展低溫液氮實(shí)驗(yàn)，測(cè)得沖擊荷載方向與層理方向垂直時(shí)的液氮吸附—脫附曲線（圖6），可以看出，隨著沖擊荷載的增大，煤體微納觀孔隙的荷載越大越好，而是存在一個(gè)最佳值。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，垂直層理方向最佳沖擊荷載為42.10 MPa，這和壓汞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。不同方向最佳沖擊荷載雖然不同，但對(duì)應(yīng)的損傷值都介于0.1～0.2，根據(jù)劉運(yùn)通和高文學(xué)[33]、唐紅梅等[34]的研究，該損傷值范圍正好屬于爆破裂隙區(qū)，即不管哪個(gè)沖擊方向，爆破裂隙區(qū)是最佳的致裂增滲區(qū)。

圖3 不同加載方向各階段煤樣孔比表面積增加率圖

圖4 不同方向孔隙度與沖擊荷載的關(guān)系圖

圖5 不同方向退汞效率與沖擊荷載的關(guān)系圖

3 沖擊荷載改造無煙煤微納觀孔隙結(jié)構(gòu)的機(jī)理探討

沖擊波進(jìn)入煤體后，除了在原有孔隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，擴(kuò)展原有孔隙，增大中大孔孔隙外，還會(huì)在煤基質(zhì)表面及內(nèi)部形成較大的張應(yīng)力[22]，從而破碎煤基質(zhì)，打開部分封閉孔，并增加微小孔數(shù)量，所以，沖擊荷載對(duì)無煙煤孔隙的改造是全方位的。雖然同一荷載所攜帶的初始能量相同，但由于與層理作用方向不同，在與層理的交界面所產(chǎn)生的波反射與透射也不相同，因此不同方向沖擊荷載改造孔隙的實(shí)際范圍就會(huì)產(chǎn)生差異。

圖6 垂直層理方向不同沖擊荷載作用下煤體吸附—脫附曲線圖

4 結(jié)論

1）沖擊荷載作用后無煙煤的總孔容、孔比表面積、孔隙度及退汞效率都呈波動(dòng)式增加，總體上孔隙數(shù)量增多、連通性增強(qiáng)，但并不是沖擊荷載越大越有利于瓦斯的解吸、擴(kuò)散與滲流。

2）不同方向沖擊荷載對(duì)煤體孔隙的改造具有差異性，垂直層理方向上的沖擊荷載主要使微孔和大孔數(shù)量增加，平行層理方向上的沖擊荷載主要使微孔和小孔數(shù)量增加，而斜交層理方向上的沖擊荷載則主要使中孔和大孔數(shù)量增加。

3）不同方向最佳沖擊荷載大小不同，垂直層理方向最佳沖擊荷載為42.10 MPa，平行層理方向最佳沖擊荷載為20.45 MPa，斜交層理方向最佳沖擊荷載為56.90 MPa。