低頻振動激勵含瓦斯煤孔裂隙變化特征研究*

魏建平,毋新亮,溫志輝,4,張立博,任永婕

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗室培育基地,河南 焦作 454000;3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000;4.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河南 鄭州 450000)

0 引言

我國煤炭資源分布廣泛,是我國能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的1環(huán)[1],但我國目前煤礦淺部資源不斷枯竭,井工開采深度逐年遞增,地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,易發(fā)生瓦斯突出事故,且大多數(shù)礦區(qū)瓦斯儲層具有低壓力、低滲透率、低飽和度及非均質(zhì)性強(qiáng)的“三低一強(qiáng)”的特性,抽采極為困難[2]。因此針對如何提高煤層透氣性這一難題,可對煤體進(jìn)行擾動,增加煤層孔裂隙,提高煤層的透氣性,如保護(hù)層開采[3]、水力化增透[4]、深孔爆破增透[5]、CO2預(yù)裂增透[6]、大孔徑鉆孔[7]及密集交叉鉆孔卸壓[8]等。其中,低頻振動激勵煤層增透技術(shù)能夠促進(jìn)煤巖體裂隙發(fā)育,改善煤層滲透性,是1種高效綠色的增透技術(shù)。

低頻振動激勵下,煤巖體受到反復(fù)作用的單向激振力。因此可以將受載煤體看作結(jié)構(gòu)系統(tǒng),受到一定頻率與幅值下的循環(huán)沖擊載荷,進(jìn)而引起煤體內(nèi)部一系列的孔裂隙發(fā)育擴(kuò)展,導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)特征與透氣性改變。對此,國內(nèi)外學(xué)者圍繞低頻振動激勵的沖擊特性、循環(huán)加載與不同激振頻率研究其對煤體結(jié)構(gòu)的損傷與改造作用。李峰[9]認(rèn)為振動波可以有效對煤體施加擾動,在其傳播過程中對煤巖介質(zhì)造成拉、壓和剪切作用,煤基質(zhì)的骨架因此發(fā)生彈性形變,從而使煤體的微孔隙和微裂隙增加,擴(kuò)散和滲流通道得到擴(kuò)張,提高了擴(kuò)散速率和滲透率。王松[10]研究振動場作用下煤體滲透率的變化,施加振動場后,煤體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移,煤體中產(chǎn)生新的裂縫網(wǎng),使煤體孔裂隙間的聯(lián)通性增加,從而改善煤體滲透率。宋洋等[11-12]利用振動設(shè)備開展細(xì)觀實(shí)驗,發(fā)現(xiàn)振動作用能使煤巖的滲透率增大,且當(dāng)振動頻率與煤體固有頻率相同時(10 Hz),煤巖自身產(chǎn)生共振效應(yīng),滲透率達(dá)到最大。李建樓等[13]、胡水根[14]進(jìn)行含瓦斯煤振動增滲實(shí)驗,在120 Hz的中低頻范圍內(nèi),振動作用產(chǎn)生了能量集中頻帶,且在低頻帶內(nèi)的振動激勵對煤巖的破壞最明顯。由上述研究可知,激振頻率與煤體固有頻率相同時會出現(xiàn)共振效應(yīng),而在低頻振動共振煤體致裂方面,楊威等[15]理論分析了振動碎煤的可行性,并指出共振頻率下碎煤效果最好。孫曉元[16]、Li等[17]、李成武[18-19]、高天寶[20]對大尺度煤巖材料進(jìn)行振動破裂特征實(shí)驗,當(dāng)激勵頻率等于煤體自振頻率時,試件產(chǎn)生共振放大效應(yīng),煤巖加速破裂。

綜上可知,低頻振動激勵會改變煤體的力學(xué)性能,也會改變煤體內(nèi)部孔裂隙的狀態(tài),使煤體孔裂隙相互聯(lián)通形成新的裂縫網(wǎng),同時不同振動頻率激勵下,煤巖體的裂隙發(fā)育規(guī)律不同。關(guān)于低頻振動激勵含瓦斯煤時,煤體的孔裂隙致裂機(jī)理,尤其是共振激勵作用下的含瓦斯煤孔裂隙變化特征,目前仍需進(jìn)行定性定量表征,以探明低頻振動激勵對煤體孔裂隙的改造機(jī)制?？紤]到以上問題,本文利用工業(yè)CT掃描系統(tǒng)和低場核磁共振設(shè)備對振動前后含瓦斯煤樣進(jìn)行精確表征和分析,測試不同激振頻率激勵含瓦斯煤的孔裂隙發(fā)育特征,闡明低頻振動下含瓦斯煤的孔裂隙變化特征。

1 實(shí)驗方案與裝置

1.1 煤樣制備與實(shí)驗方案

煤樣制備:選用趙固二礦高變質(zhì)程度無煙煤(WY),為確保所制煤樣進(jìn)行低頻振動激勵前的物理基礎(chǔ)參數(shù)基本一致,需保證采集的新鮮塊狀煤樣尺寸不小于200 mm×200 mm×200 mm(長×寬×高),盡可能使煤樣的原生結(jié)構(gòu)保持完好,利用數(shù)控線切割機(jī)及巖心鉆取機(jī)等設(shè)備加工成尺寸為Φ50 mm×100 mm(圓柱底面直徑×高)煤柱試樣,挑選出表面較為完整,表面微裂隙差異較小的煤樣,并測試其基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parameters of experimental coal samples

考慮到低頻振動激勵所產(chǎn)生的共振效應(yīng),其實(shí)驗方案如下:

1)使用“敲擊法”,確定待測煤樣的固有頻率。

2)在煤樣振動激勵前,進(jìn)行工業(yè)CT和低場核磁共振測試,測得煤樣原生孔裂隙的發(fā)育情況。

3)將煤樣放入煤樣夾持器中,打開氣瓶以及閥門,向煤樣夾持器中通入瓦斯,使煤樣充分吸附瓦斯。

4)對煤體施加不同頻率的振動激勵。

5)振動激勵完成后取出煤樣,再次進(jìn)行工業(yè)CT和低場核磁共振測試,與振動前煤樣的原生孔裂隙進(jìn)行對比分析。

1.2 實(shí)驗裝置

1)低頻振動激勵煤體共振增滲測試系統(tǒng)

利用低頻振動激勵煤體共振增滲測試系統(tǒng),開展振動激勵含瓦斯煤孔裂隙改造實(shí)驗,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低頻振動激勵煤體共振增滲實(shí)驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of experimental system for resonance permeability enhancement of coal under low-frequency vibration excitation

確定煤樣的固有頻率是進(jìn)行共振致裂的前提,因此,在開展煤樣低頻振動實(shí)驗之前,利用實(shí)驗系統(tǒng)的煤體振動參數(shù)監(jiān)測單元,監(jiān)測單元如圖2所示,使用“敲擊法”測定實(shí)驗煤樣的固有頻率。

圖2 振動參數(shù)監(jiān)測單元實(shí)物Fig.2 Physical object of vibration parameter monitoring unit

對每個煤樣均進(jìn)行20次敲擊,剔除異常信號,得到煤樣固有頻率測試結(jié)果如表2所示。

表2 煤樣固有頻率測試結(jié)果Table 2 Test results on natural frequency of coal samples

由表2可知,多次敲擊下煤體的固有頻率基本穩(wěn)定不變,并根據(jù)以往學(xué)者的研究可以確定煤體的相對固有頻率及固有頻帶[21],由圖3～4可知,隨著外部環(huán)境的改變,煤體固有頻率相應(yīng)增加,但相較于自由環(huán)境下提升較小,且20 Hz頻率始終處于煤體共振頻帶內(nèi),因此,可選定20 Hz作為低頻振動激勵實(shí)驗的共振頻率。

圖3 煤體固有頻率和相對固有頻率對比Fig.3 Comparison of natural frequency and relative natural frequency of coal body

圖4 煤體固有頻帶分布Fig.4 Distribution of natural frequency band of coal body

由于煤體固有頻率與煤質(zhì)、尺寸、邊界條件等參數(shù)緊密相關(guān),采用“敲擊法”實(shí)測煤樣的固有頻率(20 Hz)可以指導(dǎo)低頻振動激勵煤樣孔裂隙變化特征的后續(xù)實(shí)驗。

2)工業(yè)顯微CT煤孔裂隙變化測試系統(tǒng)

利用煤巖工業(yè)顯微CT掃描系統(tǒng)(型號為phoenix v|tome|x s)測試低頻振動激勵前后煤體裂隙變化特征,系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 煤巖工業(yè)顯微CT掃描系統(tǒng)實(shí)物Fig.5 Physical object of industrial micro-CT scanning system for coal and rock

將振動前后的煤體放置于掃描艙室內(nèi),由X射線源發(fā)射出錐形射線光束,穿過載物臺上的待測試件,當(dāng)射線經(jīng)過密度較大的區(qū)域,能量會發(fā)生大幅衰減,當(dāng)經(jīng)過較小的密度區(qū)域,能量會發(fā)生小幅衰減,這些發(fā)生不同程度衰減透射出的能量信號被探測器接收,會在底片上留下明暗不同的圖像[22],進(jìn)一步得到煤樣的投影視圖,可以反映煤樣的內(nèi)部缺陷、密度、孔裂隙等結(jié)構(gòu)的分布情況。

3)低場核磁共振煤孔隙變化測試系統(tǒng)

利用低場核磁共振儀(型號為MesoMR23-060H-I)測試低頻振動激勵前后煤體孔隙變化特征,設(shè)備如圖6所示。

圖6 低場核磁共振實(shí)物Fig.6 Physical object of low field NMR

低場核磁共振利用煤基質(zhì)中孔隙流體的橫向弛豫時間與信號幅值的關(guān)系進(jìn)行孔隙度測試,由外加磁場打破磁化矢量的平衡態(tài),之后再回歸到平衡態(tài),在這一過程中測試磁化矢量的信號幅值,可得到橫向弛豫時間與信號幅值的變化曲線。橫向磁化矢量衰減的時間常數(shù)(T2)稱為橫向弛豫時間,T2的衰減包含了絕大多數(shù)多孔介質(zhì)物理信息,可進(jìn)一步分析煤體在振動前后孔隙度的變化。

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

2.1 工業(yè)顯微CT測試結(jié)果

1)工業(yè)CT掃描切片分析

振動前后煤體俯視切片如圖7所示。利用DragonFly軟件對二維切片圖進(jìn)行閾值分割處理,將微小裂隙標(biāo)記為紅色,以便觀察煤體的裂隙分布,由圖7可知,振動作用后,煤體內(nèi)部的原生裂隙發(fā)生擴(kuò)展,長度和寬度增加;相同方向或相鄰的兩條裂隙發(fā)生相向擴(kuò)展,彼此之間相互聯(lián)通。密閉的孔隙之間互相連接產(chǎn)生新的裂隙,即在非原生裂隙處產(chǎn)生新的裂隙。振動對煤體原生裂隙的影響更大,對于未存在裂隙的位置影響較小。

圖7 工業(yè)CT掃描切片F(xiàn)ig.7 Industrial CT scanning slices

2)CT裂隙三維重構(gòu)分析

煤體三維裂隙重構(gòu)如圖8所示,利用AVZIO的Sieve Analysis可以篩選裂隙體積大小,將不同體積裂隙通過不同顏色渲染進(jìn)行裂隙分級展示,其中紫色表示較大尺寸裂隙,黃色與紅色次之。通過導(dǎo)出的裂隙率數(shù)據(jù),繪制出不同頻率振動前后的裂隙率變化如圖9所示。

圖8 煤體三維裂隙分級展示Fig.8 Three-dimensional fissure classification display of coal body

由圖9(a)可知,振動前后,不同頻率下模型總裂隙度均得到不同程度的增加,其中20 Hz頻率下煤樣振動前后總裂隙度增長大于其他頻率的煤樣,說明共振作用能夠明顯改善煤樣的孔縫結(jié)構(gòu)。由圖9(b)可知,不同振動頻率激勵下煤巖內(nèi)部裂隙發(fā)育特征呈現(xiàn)一致性規(guī)律,即大中小尺寸裂隙的裂隙度均存在不同程度的增長。

3)孔裂隙低頻振動發(fā)育效果分析

通過AVIZO軟件內(nèi)置的Auto Skeleton及Spatial Graph Statistics模塊對工業(yè)CT切片生成的數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理分析,生成煤巖體內(nèi)部的裂隙空間結(jié)構(gòu)模型,如圖10所示,其中紅色小球為孔隙,小球之間的白色曲線即為孔隙之間的真實(shí)距離。通過軟件對空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,根據(jù)分型維數(shù)與迂曲度2個參數(shù),表征振動前后煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)變化特征。

分型維數(shù)代表了孔裂隙的復(fù)雜程度與粗糙度,由圖11可知,不同頻率振動激勵后各切片分型維數(shù)變化不同,這是由于振動激勵后煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)特征發(fā)生改變,原生裂隙發(fā)生擴(kuò)展,微孔與小孔受到反復(fù)的拉壓作用,聯(lián)通生成小裂隙,增加了煤體裂隙的差異性與復(fù)雜度。由于煤是1種復(fù)雜非均質(zhì)的多孔介質(zhì),因此低頻振動激勵作用下煤體分型維數(shù)的變化呈現(xiàn)不規(guī)則的增長或遞減規(guī)律。對比不同頻率下,20 Hz頻率作用下分型維數(shù)基本呈現(xiàn)出了明顯的增長趨勢,說明共振作用下煤體內(nèi)部新生孔裂隙的出現(xiàn)加劇了煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與非均質(zhì)性,有效促進(jìn)了孔裂隙的發(fā)育。

圖11 煤體裂隙分形維數(shù)變化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質(zhì)中擴(kuò)散的難易程度,由圖12可知,振動作用后煤體迂曲度升高,這是由于新生成的孔裂隙具有非均質(zhì)性與不規(guī)則性,使得煤體內(nèi)部的孔隙通道更加復(fù)雜化,同時在20 Hz時迂曲度增長最高,說明共振作用可以有效改造煤體的孔裂隙結(jié)構(gòu),使新生裂隙數(shù)量增多。

圖12 煤體迂曲度分布Fig.12 Tortuosity distribution of coal body

2.2 低場核磁測試結(jié)果

對4塊無煙煤樣進(jìn)行振動前后的低頻核磁共振實(shí)驗,獲得煤樣T2譜圖如圖13所示。

圖13 振動前后煤體T2譜圖Fig.13 T2 spectrum of coal body before and after vibration

對圖13中的T2與信號幅值變化曲線進(jìn)行積分即可得到T2譜面積,T2譜面積的大小反映了煤體孔隙體積的大小。圖13中所存在的波峰代表了煤體中的孔徑分布,且T2的大小與孔徑的大小成反比,因此通常第1波峰面積代表了微孔的孔隙體積,第2、第3波峰面積對應(yīng)中孔與大孔的孔隙體積。因此,由T2譜圖可以得到煤體孔隙的大小與分布情況。

綜合對比4塊無煙煤T2譜圖可知,4塊無煙煤樣的孔徑分布較一致,表現(xiàn)為微小孔發(fā)育較好,中大孔的發(fā)育不明顯。為進(jìn)一步考察振動前后煤體的孔隙分布特征,對T2譜圖積分,將波峰面積與孔隙度數(shù)據(jù)提取出來,得到的結(jié)果如表3～4所示。

表3 振動前煤樣T2譜圖面積及孔隙度Table 3 T2 spectrum area and porosity of coal samples before vibration

表4 振動后煤樣T2譜圖面積及孔隙度Table 4 T2 spectrum area and porosity of coal samples after vibration

由表3～4可知,4種不同激振頻率振動后煤樣的孔隙度均有提升。10,20,30,50 Hz振動前煤樣的孔隙度分別為6.22%、6.36%、6.35%、6.23%,振動后孔隙度為6.44%、6.75%、6.52%、6.31%,增長率分別為3.5%、6.1%、2.7%、1.3%。說明在共振頻帶內(nèi)的激振頻率能更好地提升煤體孔隙度,同時由峰值面積可以看出振動激勵對中孔和大孔的改造效果更好。

結(jié)合CT掃描結(jié)果,共振作用能夠有效提高煤體的孔隙度與裂隙度。振動激勵所產(chǎn)生的周期性擠壓應(yīng)力會導(dǎo)致煤體骨架崩塌斷裂,孔隙表面也會產(chǎn)生不規(guī)則形變。振動作用對孔隙度與裂隙度的改造體現(xiàn)在對原生裂隙的擴(kuò)展與中大孔的孔徑發(fā)育,使得煤基質(zhì)內(nèi)部的孔裂隙連通,更有利于瓦斯分子的解吸擴(kuò)散。

由工業(yè)CT和低場核磁的實(shí)驗結(jié)果可知,含瓦斯煤在低頻振動激勵下孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,且當(dāng)施加的振動頻率與煤體固有頻率接近時,孔裂隙產(chǎn)生越多的不可逆形變,并形成新的瓦斯運(yùn)移通道,此時對煤體的孔裂隙結(jié)構(gòu)改造效果更好。下一步將優(yōu)化實(shí)驗系統(tǒng),利用工業(yè)CT或低場核磁的動態(tài)加載及連續(xù)掃描功能,實(shí)現(xiàn)對含瓦斯煤低頻振動過程中孔裂隙動態(tài)發(fā)展過程的分析,深入研究低頻振動激勵對含瓦斯煤孔裂隙動態(tài)發(fā)展的作用和效果。

3 結(jié)論

1)低頻振動激勵前后煤體的裂隙度與孔隙度均呈現(xiàn)上升趨勢,說明低頻振動激勵可以有效促進(jìn)煤體孔裂隙發(fā)育。且煤巖內(nèi)部裂隙發(fā)育特征呈現(xiàn)一致性,振動激勵的改造效果集中在對大尺寸裂隙的改造,即對原生孔縫發(fā)育的改造效果更好。對比不同激振頻率下CT掃描結(jié)果及低場核磁共振測試結(jié)果,當(dāng)激振頻率處在共振頻帶時,煤體的孔裂隙改造效果最好。

2)由煤體內(nèi)部的裂隙分形維數(shù)、迂曲度與切片圖變化可知,振動作用后,煤基質(zhì)內(nèi)部新生成的孔裂隙使煤體空間結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化,也使內(nèi)部裂隙不斷發(fā)育,有利于瓦斯解吸。對比不同振動頻率下煤體分形維數(shù)與迂曲度變化,共振作用對裂隙的改造作用更加明顯,促進(jìn)含瓦斯煤解吸的效果更好。

3)由核磁共振T2譜圖峰值面積可知,低頻振動激勵后煤體微孔體積提高,但中大孔的體積的增長率高于微孔體積,說明低頻振動激勵對煤體孔隙改造作用集中在煤體的中孔與大孔。

4)今后將進(jìn)一步開展煤質(zhì)、尺寸、邊界條件等因素對煤體固有頻率影響的相關(guān)研究,同時利用工業(yè)CT或低場核磁的動態(tài)加載及連續(xù)掃描功能,深入分析振動激勵對含瓦斯煤孔裂隙動態(tài)發(fā)展的作用和效果。