基于CT 掃描的受載破裂煤樣注漿封堵效應(yīng)量化研究

李雁，李兵，姚帥，姚邦華

（1.徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

煤炭長期在我國能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位[1]。隨著我國淺部煤炭資源日益枯竭，煤炭開采逐步向深部延伸，煤與瓦斯突出等災(zāi)害防控形勢(shì)嚴(yán)峻。礦井瓦斯抽采是預(yù)防煤與瓦斯突出的重要技術(shù)手段，但是我國煤礦井下瓦斯抽采長期存在封孔質(zhì)量低下的難題，造成鉆孔漏氣失效問題嚴(yán)重，抽采效率普遍較低[2]。

瓦斯抽采鉆孔漏氣失效是巷道內(nèi)的空氣沿著鉆孔圍巖裂隙通道進(jìn)入鉆孔的現(xiàn)象[3]。提高注漿封孔質(zhì)量是改善瓦斯抽采鉆孔圍巖力學(xué)性質(zhì)、減少鉆孔漏氣的主要方法。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律、注漿漿液堵漏降滲機(jī)制等開展了大量研究并取得了豐碩成果[4-9]，對(duì)于揭示煤巖體的注漿堵漏降滲效應(yīng)具有重要意義。近年來，煤巖體介質(zhì)結(jié)構(gòu)觀測(cè)CT 掃描技術(shù)的快速發(fā)展及其量化分析的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其在煤巖體裂隙結(jié)構(gòu)分析方面逐步得到應(yīng)用。郭東明等[10]借助CT 掃描系統(tǒng)，研究了裂隙煤體注漿后漿液對(duì)煤體裂隙的充填效果。魏建平等[11]結(jié)合工業(yè) CT 及數(shù)值模擬開展了注漿下裂隙煤體的堵漏降滲特性研究。楊仁樹等[12]在實(shí)驗(yàn)室條件下利用 CT掃描技術(shù)對(duì)泥巖試件注漿前后的裂隙變化情況進(jìn)行了分析，并評(píng)價(jià)了裂隙封堵效果。但注漿煤體裂隙的CT 掃描和分析研究尚處于起步階段，對(duì)瓦斯抽采鉆孔注漿封孔漏氣研究多停留在定性分析階段，對(duì)于不同破壞形式煤體注漿封堵效應(yīng)的定量研究還較少，這限制了瓦斯抽采鉆孔注漿封孔效果的定量分析和漏氣機(jī)制的科學(xué)揭示。為此，本文利用自主搭建的受載煤巖體注漿試驗(yàn)系統(tǒng)開展了不同受載破裂煤樣（單軸和劈裂）的注漿試驗(yàn)，采用工業(yè)CT 掃描設(shè)備對(duì)破裂煤樣注漿前后的裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行CT 掃描，應(yīng)用圖像分析軟件VG Studio MAX 對(duì)CT 掃描數(shù)據(jù)重建模型所得到的數(shù)字煤樣進(jìn)行裂隙精準(zhǔn)提取，對(duì)受載破裂煤樣注漿前后三維裂隙形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)字化定量分析。研究成果對(duì)于評(píng)價(jià)裂隙煤體注漿效果、優(yōu)化瓦斯抽采鉆孔注漿封孔參數(shù)具有重要的理論意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 煤樣制備

試驗(yàn)所用的煤樣取自河南省焦作市某礦。該礦煤層為無煙煤，煤樣工業(yè)分析參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)煤樣工業(yè)分析參數(shù)Table 1 Industrial analysis parameters of test coal samples %

將井下采集的大塊原煤煤樣在實(shí)驗(yàn)室鉆取并打磨成φ50 mm×100 mm 的圓柱狀，給煤樣編號(hào)并放入密封袋中，以備后續(xù)試驗(yàn)使用。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

受載煤巖體注漿試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括煤樣加載系統(tǒng)、CT 掃描試驗(yàn)系統(tǒng)及自主搭建的注漿系統(tǒng)。煤樣加載系統(tǒng)主要用于加載煤樣，使其產(chǎn)生預(yù)制裂隙，為后續(xù)注漿和掃描奠定基礎(chǔ)。CT 掃描試驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）主要用于掃描煤樣的三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)，并在不破壞煤樣狀態(tài)（孔隙、缺陷、裂隙分布和密度變化等）的情況下完成煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的描述。注漿系統(tǒng)主要由壓力泵、注漿氣室、軸壓控制儀和圍壓控制儀組成，如圖2 所示。圖2 中V1-V6 為閥門；Q 為讀數(shù)表，用于讀取軸壓、圍壓數(shù)據(jù)。

圖1 CT 掃描試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 CT scanning test system

圖2 煤樣注漿系統(tǒng)Fig.2 Coal sample grouting system

為了研究煤樣在受載條件下三維裂隙的分布及注漿后對(duì)煤樣裂隙的封堵情況，對(duì)φ50 mm×100 mm的煤樣進(jìn)行受載狀態(tài)下的 CT 實(shí)時(shí)掃描，得到煤樣內(nèi)部裂隙圖像，同時(shí)對(duì)注漿后的煤樣進(jìn)行CT 實(shí)時(shí)掃描，對(duì)比分析注漿前后煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

2 受載破裂煤樣裂隙結(jié)構(gòu)特征

為研究不同受載破裂煤樣裂隙結(jié)構(gòu)，采用單軸和劈裂2 種方式對(duì)煤樣進(jìn)行破壞，并采用CT 掃描對(duì)其裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。本文試驗(yàn)所用煤樣表面包裹一層薄膠套，可在不影響煤樣力學(xué)參數(shù)測(cè)試及CT 掃描結(jié)果的基礎(chǔ)上保證破裂煤樣的整體性。應(yīng)用煤樣加載系統(tǒng)對(duì)煤樣開展單軸加載試驗(yàn)，軸向應(yīng)力采用位移控制法，預(yù)頂力為 800 N，加載速率為0.1 mm/min，直至煤樣受載破壞。利用煤樣加載系統(tǒng)對(duì)煤樣進(jìn)行劈裂，加載速率為 0.1 mm/min。煤樣劈裂過程與巴西劈裂類似，通過在圓柱體煤樣的直徑方向上放入上下2 根墊條，施加相對(duì)的線性載荷，使之沿煤樣軸向破壞。采用CT 掃描對(duì)煤樣裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，試樣掃描切片達(dá)1 000 余張，等間距選取若干切片進(jìn)行重構(gòu)和分析。

2.1 單軸加載破裂煤樣裂隙結(jié)構(gòu)特征

單軸加載破裂煤樣裂隙網(wǎng)絡(luò)在三維空間中的內(nèi)部切片形態(tài)及煤樣內(nèi)部的三維裂隙量化數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖3 可看出：?jiǎn)屋S加載破裂煤樣主裂隙由頂部?jī)蓚?cè)貫穿至煤樣底部并匯聚，裂隙寬度基本保持不變；單軸加載煤樣主要在剪切應(yīng)力作用下破裂，整體破碎程度較大，主裂隙網(wǎng)絡(luò)伴生較多的小裂隙。根據(jù)掃描結(jié)果分析和由VG Studio MAX 軟件計(jì)算結(jié)果可知，煤樣內(nèi)部裂隙數(shù)量為97 條，體積為0.42～12 000 mm3。

圖3 單軸加載破裂煤樣裂隙結(jié)構(gòu)Fig.3 Fracture structure of fractured coal samples under uniaxial loading

2.2 劈裂破壞煤樣裂隙結(jié)構(gòu)特征

劈裂破壞煤樣裂隙網(wǎng)絡(luò)在三維空間中的內(nèi)部切片形態(tài)及煤樣內(nèi)部的三維裂隙網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過VG Studio MAX 軟件得到的量化結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可看出：劈裂破壞煤樣主裂隙由煤樣頂部沿豎直方向向下延伸至煤樣中下部，裂隙寬度較大，然后向一方傾斜45°繼續(xù)延伸，裂隙寬度逐漸變小。根據(jù)掃描結(jié)果分析和由VG Studio MAX 軟件計(jì)算結(jié)果可知，煤樣內(nèi)部裂隙體積為0.4～3 430 mm3。

圖4 劈裂破壞煤樣裂隙結(jié)構(gòu)Fig.4 Fracture structure of splitting failure coal samples

3 受載破裂煤樣注漿后裂隙結(jié)構(gòu)特征

3.1 單軸加載破裂煤樣注漿后裂隙結(jié)構(gòu)特征

單軸加載破裂煤樣注漿后CT 重構(gòu)如圖5 所示。由于注漿材料的密度比煤的密度小，X 射線穿過煤樣和注漿材料的透射程度不同，所以會(huì)顯示出不同的CT 值，在重構(gòu)過程中顯示出不同的灰度值，在CT 掃描切片中注漿材料會(huì)顯示出較淺的顏色，但其密度遠(yuǎn)大于裂隙密度，因此在重構(gòu)圖中可以清楚地識(shí)別出煤體、裂隙和注漿材料。

圖5 單軸加載破裂煤樣注漿后裂隙結(jié)構(gòu)Fig.5 Fracture structure of fractured coal samples under uniaxial loading after grouting

從圖5 可看出，注漿材料沿裂隙通道向上遷移和擴(kuò)散。由三維立體圖可以看出漿液擴(kuò)散至煤樣下部1/3 處，其間煤樣的較寬裂隙全部被注漿材料充填。利用VG Studio MAX 軟件對(duì)煤樣注漿后裂隙體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，其最大裂隙體積為5 700 mm3，與注漿前相比縮小了52.5%。

3.2 劈裂破壞煤樣注漿后裂隙結(jié)構(gòu)特征

劈裂破壞煤樣注漿后CT 重構(gòu)如圖6 所示。對(duì)比圖4 可知，漿液從頂部貫穿裂隙，沿裂隙通道向下擴(kuò)散，劈裂破壞煤樣中的主裂隙幾乎全部被注漿材料充填。利用VG Studio MAX 軟件對(duì)煤樣注漿后裂隙體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，其最大裂隙體積為312 mm3，與注漿前相比縮小了90.9%，注漿后煤樣的裂隙封堵效果明顯。

圖6 劈裂破壞煤樣注漿后裂隙結(jié)構(gòu)Fig.6 Fracture structure of splitting failure coal samples after grouting

4 受載破裂煤樣注漿封堵裂隙量化分析

4.1 注漿前后煤樣裂隙分布規(guī)律量化分析

為了定量分析注漿對(duì)受載破裂煤樣內(nèi)部裂隙的影響，通過CT 掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪制了煤樣裂隙數(shù)量及體積變化圖。

4.1.1 單軸加載破裂煤樣裂隙分布量化分析

單軸加載破裂煤樣注漿前后裂隙數(shù)量統(tǒng)計(jì)對(duì)比如圖7 所示。從圖7 可看出：注漿后煤樣裂隙數(shù)量從97 條增加到了298 條，其中50 mm 以上裂隙由1 條轉(zhuǎn)為0，其他區(qū)段數(shù)量都有所增加，但是主要集中在2～5 mm 裂隙段，占比超過60% ；在裂隙數(shù)量占比方面較接近，僅在2～5 mm 及＜2 mm 裂隙段數(shù)量占比變化較大，5 mm 以下裂隙的整體占比并無顯著變化。

造成裂隙數(shù)量變化的原因主要有兩方面：一是注漿漿液對(duì)原有較大裂隙的封堵作用，有效地減小了主裂隙的長度，并將剩余原連通裂隙部分分割成多個(gè)裂隙段，在部分裂隙網(wǎng)絡(luò)中也出現(xiàn)了相似的情況，因此形成了更多的較小裂隙段；二是由于軸壓和漿液壓力的共同作用，致使已破壞煤樣中形成了新的微小裂隙。

單軸加載破裂煤樣注漿前后裂隙體積統(tǒng)計(jì)對(duì)比如圖8 所示。從圖8 可看出：注漿后煤樣裂隙總體積由注漿前的1.206×104mm3減小到了3.9×103mm3，其中30 mm 以上裂隙體積占比由注漿前的99.69%降為59.38%。從裂隙整體體積的變化角度看，注漿后煤樣裂隙體積僅為注漿前的約1/3，說明注漿效果顯著。

圖8 單軸破裂煤樣注漿前后裂隙體積占比Fig.8 Fracture volume ratio of fractured coal samples under uniaxial loading before and after grouting

4.1.2 劈裂破壞煤樣裂隙分布量化分析

劈裂破壞煤樣注漿前后裂隙數(shù)量統(tǒng)計(jì)對(duì)比如圖9 所示。從圖9 可看出：煤樣在完成注漿試驗(yàn)后，裂隙總數(shù)增多，約是注漿前煤樣裂隙的2 倍，但裂隙的增長主要為5 mm 以下的微小裂隙，約占裂隙總數(shù)的92%，10 mm 以上較大裂隙數(shù)量則顯著減少，僅占裂隙總數(shù)的1.3%，特別是50 mm 以上裂隙數(shù)量由注漿前的2 條變?yōu)?。造成這一現(xiàn)象的原因：一是注漿作用下大裂隙被漿液有效封堵，使大裂隙數(shù)量顯著減少；二是由于注漿漿液壓力在裂隙中的應(yīng)力作用，使煤樣中形成新的微小裂隙；三是在漿液滲流過程中，由于裂隙條件不同，造成部分裂隙未能實(shí)現(xiàn)完全滲入封堵，使部分較大裂隙碎裂化，轉(zhuǎn)為更多微小裂隙。

圖9 劈裂破壞煤樣注漿前后裂隙數(shù)量占比Fig.9 Fracture number ratio of splitting failure coal samples before and after grouting

劈裂破壞煤樣注漿前后裂隙體積統(tǒng)計(jì)對(duì)比如圖10 所示。根據(jù)CT 掃描結(jié)果的統(tǒng)計(jì)可知，注漿后煤樣裂隙總體積由注漿前的4 593.9 mm3減小到861.6 mm3，其中30 mm 以上較大裂隙體積占比由注漿前的96.7%降為62.11%。從裂隙體積的變化角度看，煤樣裂隙體積僅為注漿前的約1/5，表明注漿效果顯著。

圖10 劈裂破壞煤樣注漿前后裂隙體積占比Fig.10 Fracture volume ratio of splitting failure coal samples before and after grouting

4.2 注漿前后煤樣滲透率變化

煤體滲透性是評(píng)價(jià)注漿效果的重要參數(shù)之一。利用滲透性測(cè)定設(shè)備分別對(duì)單軸和劈裂破壞煤樣進(jìn)行破裂前、注漿前及注漿后3 個(gè)階段滲透率測(cè)定，同時(shí)測(cè)定注漿前后煤樣的質(zhì)量，結(jié)果見表2。

表2 煤樣注漿前后基本數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of coal sample basic data before and after grouting

從表2 可看出:注漿后單軸加載破裂煤樣的滲透率由注漿前受載破裂的57×10-14m2下降到1.2×10-14m2，下降了97.9%；注漿后劈裂破壞煤樣的滲透率由注漿前受載破裂的75×10-14m2下降到1.3×10-14m2，下降了98.3%。測(cè)定結(jié)果顯示注漿對(duì)不同破壞形式煤樣均具有顯著的堵漏降滲效果，表明注漿是封堵煤體裂隙的有效手段。

5 工程借鑒

（1）煤樣破裂后，由于內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)充分發(fā)育，滲透率會(huì)出現(xiàn)顯著增大，表明鉆孔卸壓帶裂隙區(qū)是抽采鉆孔漏氣的主要區(qū)域，需要采取注漿封孔措施。

（2）從煤樣注漿前后煤樣結(jié)構(gòu)CT 掃描圖可以看出，雖然單軸受載破裂煤樣注漿漿液大多僅滲入到煤樣距下端面約1/3 處，且裂隙體積僅下降了52.5%，但是已滲入部分均實(shí)現(xiàn)了有效封堵，注漿后滲透率大幅下降，表明工程實(shí)踐中只要注漿漿液能夠在瓦斯抽采漏氣通道中任意位置形成阻隔斷面，打破漏氣通道的連通性，即可有效封堵裂隙并取得良好的注漿封孔效果。

6 結(jié)論

（1）單軸加載破裂煤樣主裂隙由煤樣頂部?jī)蓚?cè)貫穿至煤樣底部并匯聚，裂隙寬度基本保持不變，煤樣主要在剪切應(yīng)力作用下破裂，整體破碎程度較大，主裂隙網(wǎng)絡(luò)伴生較多的小裂隙；注漿前后50 mm 以上裂隙由1 條轉(zhuǎn)為0，總裂隙體積由12 000 mm3減小為5 700 mm3，降幅為52.5%，表明單軸破裂煤樣裂隙結(jié)構(gòu)相對(duì)不利于漿液擴(kuò)散流動(dòng)。劈裂破壞煤樣主裂隙由頂部沿豎直方向向下延伸至煤樣中下部，裂隙寬度較大，然后向一方傾斜45°繼續(xù)延伸，裂隙寬度逐漸變??；注漿前后50 mm 以上裂隙由2 條轉(zhuǎn)為0，總裂隙體積由3 430 mm3減小為312 mm3，降幅為90.9%，表明劈裂破壞煤樣裂隙結(jié)構(gòu)有利于漿液的流動(dòng)和充填。

（2）注漿后單軸加載破裂煤樣的滲透率由注漿前受載破裂的57×10-14m2下降到1.2×10-14m2，下降了97.9%；注漿后劈裂破壞煤樣的滲透率由注漿前受載破裂 的75×10-14m2下降到1.3×10-14m2，下降了98.3%，表明注漿對(duì)不同破壞形式煤樣均具有顯著的堵漏降滲效果。

（3）單軸加載破裂煤樣注漿漿液僅充填了部分裂隙，但滲透率與原始煤樣差別很小，表明通過阻隔漏氣通道的連通性，即可有效封堵裂隙并取得良好的注漿封孔效果。研究成果對(duì)于評(píng)價(jià)裂隙煤體注漿效果、優(yōu)化瓦斯抽采鉆孔注漿封孔參數(shù)具有重要的理論意義。