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 安全科學與工程學院,河南 焦作 454000;2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地,河南 焦作 454000;3.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心,河南 焦作 454000;4.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司,河南 鄭州 450000)

0 引言

我國煤炭資源分布廣泛,是我國能源結構中不可或缺的1環[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,地質條件日趨復雜,易發生瓦斯突出事故,且大多數礦區瓦斯儲層具有低壓力、低滲透率、低飽和度及非均質性強的“三低一強”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,可對煤體進行擾動,增加煤層孔裂隙,提高煤層的透氣性,如保護層開采[3]、水力化增透[4]、深孔爆破增透[5]、CO2預裂增透[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能夠促進煤巖體裂隙發育,改善煤層滲透性,是1種高效綠色的增透技術。

低頻振動激勵下,煤巖體受到反復作用的單向激振力。因此可以將受載煤體看作結構系統,受到一定頻率與幅值下的循環沖擊載荷,進而引起煤體內部一系列的孔裂隙發育擴展,導致其微觀結構特征與透氣性改變。對此,國內外學者圍繞低頻振動激勵的沖擊特性、循環加載與不同激振頻率研究其對煤體結構的損傷與改造作用。李峰[9]認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造成拉、壓和剪切作用,煤基質的骨架因此發生彈性形變,從而使煤體的微孔隙和微裂隙增加,擴散和滲流通道得到擴張,提高了擴散速率和滲透率。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,煤體質點發生位移,煤體中產生新的裂縫網,使煤體孔裂隙間的聯通性增加,從而改善煤體滲透率。宋洋等[11-12]利用振動設備開展細觀實驗,發現振動作用能使煤巖的滲透率增大,且當振動頻率與煤體固有頻率相同時(10 Hz),煤巖自身產生共振效應,滲透率達到最大。李建樓等[13]、胡水根[14]進行含瓦斯煤振動增滲實驗,在120 Hz的中低頻范圍內,振動作用產生了能量集中頻帶,且在低頻帶內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共振效應,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行振動破裂特征實驗,當激勵頻率等于煤體自振頻率時,試件產生共振放大效應,煤巖加速破裂。

綜上可知,低頻振動激勵會改變煤體的力學性能,也會改變煤體內部孔裂隙的狀態,使煤體孔裂隙相互聯通形成新的裂縫網,同時不同振動頻率激勵下,煤巖體的裂隙發育規律不同。關于低頻振動激勵含瓦斯煤時,煤體的孔裂隙致裂機理,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制?？紤]到以上問題,本文利用工業CT掃描系統和低場核磁共振設備對振動前后含瓦斯煤樣進行精確表征和分析,測試不同激振頻率激勵含瓦斯煤的孔裂隙發育特征,闡明低頻振動下含瓦斯煤的孔裂隙變化特征。

1 實驗方案與裝置

1.1 煤樣制備與實驗方案

煤樣制備:選用趙固二礦高變質程度無煙煤(WY),為確保所制煤樣進行低頻振動激勵前的物理基礎參數基本一致,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構保持完好,利用數控線切割機及巖心鉆取機等設備加工成尺寸為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,并測試其基礎參數如表1所示。

表1 實驗煤樣的基礎參數Table 1 Basic parameters of experimental coal samples

考慮到低頻振動激勵所產生的共振效應,其實驗方案如下:

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,進行工業CT和低場核磁共振測試,測得煤樣原生孔裂隙的發育情況。

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,再次進行工業CT和低場核磁共振測試,與振動前煤樣的原生孔裂隙進行對比分析。

1.2 實驗裝置

1)低頻振動激勵煤體共振增滲測試系統

利用低頻振動激勵煤體共振增滲測試系統,開展振動激勵含瓦斯煤孔裂隙改造實驗,系統結構如圖1所示。

圖1 低頻振動激勵煤體共振增滲實驗系統結構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行共振致裂的前提,因此,在開展煤樣低頻振動實驗之前,利用實驗系統的煤體振動參數監測單元,監測單元如圖2所示,使用“敲擊法”測定實驗煤樣的固有頻率。

圖2 振動參數監測單元實物Fig.2 Physical object of vibration parameter monitoring unit

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

表2 煤樣固有頻率測試結果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定不變,并根據以往學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,隨著外部環境的改變,煤體固有頻率相應增加,但相較于自由環境下提升較小,且20 Hz頻率始終處于煤體共振頻帶內,因此,可選定20 Hz作為低頻振動激勵實驗的共振頻率。

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、尺寸、邊界條件等參數緊密相關,采用“敲擊法”實測煤樣的固有頻率(20 Hz)可以指導低頻振動激勵煤樣孔裂隙變化特征的后續實驗。

2)工業顯微CT煤孔裂隙變化測試系統

利用煤巖工業顯微CT掃描系統(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,系統如圖5所示。

圖5 煤巖工業顯微CT掃描系統實物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,由X射線源發射出錐形射線光束,穿過載物臺上的待測試件,當射線經過密度較大的區域,能量會發生大幅衰減,當經過較小的密度區域,能量會發生小幅衰減,這些發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],進一步得到煤樣的投影視圖,可以反映煤樣的內部缺陷、密度、孔裂隙等結構的分布情況。

3)低場核磁共振煤孔隙變化測試系統

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,設備如圖6所示。

圖6 低場核磁共振實物Fig.6 Physical object of low field NMR

低場核磁共振利用煤基質中孔隙流體的橫向弛豫時間與信號幅值的關系進行孔隙度測試,由外加磁場打破磁化矢量的平衡態,之后再回歸到平衡態,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(T2)稱為橫向弛豫時間,T2的衰減包含了絕大多數多孔介質物理信息,可進一步分析煤體在振動前后孔隙度的變化。

2 實驗結果與分析

2.1 工業顯微CT測試結果

1)工業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行閾值分割處理,將微小裂隙標記為紅色,以便觀察煤體的裂隙分布,由圖7可知,振動作用后,煤體內部的原生裂隙發生擴展,長度和寬度增加;相同方向或相鄰的兩條裂隙發生相向擴展,彼此之間相互聯通。密閉的孔隙之間互相連接產生新的裂隙,即在非原生裂隙處產生新的裂隙。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CT掃描切片Fig.7 Industrial CT scanning slices

2)CT裂隙三維重構分析

煤體三維裂隙重構如圖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。通過導出的裂隙率數據,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構。由圖9(b)可知,不同振動頻率激勵下煤巖內部裂隙發育特征呈現一致性規律,即大中小尺寸裂隙的裂隙度均存在不同程度的增長。

3)孔裂隙低頻振動發育效果分析

通過AVIZO軟件內置的Auto Skeleton及Spatial Graph Statistics模塊對工業CT切片生成的數據集進行處理分析,生成煤巖體內部的裂隙空間結構模型,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距離。通過軟件對空間結構模型進行數據統計,根據分型維數與迂曲度2個參數,表征振動前后煤體孔裂隙結構變化特征。

分型維數代表了孔裂隙的復雜程度與粗糙度,由圖11可知,不同頻率振動激勵后各切片分型維數變化不同,這是由于振動激勵后煤體孔裂隙結構特征發生改變,原生裂隙發生擴展,微孔與小孔受到反復的拉壓作用,聯通生成小裂隙,增加了煤體裂隙的差異性與復雜度。由于煤是1種復雜非均質的多孔介質,因此低頻振動激勵作用下煤體分型維數的變化呈現不規則的增長或遞減規律。對比不同頻率下,20 Hz頻率作用下分型維數基本呈現出了明顯的增長趨勢,說明共振作用下煤體內部新生孔裂隙的出現加劇了煤體內部結構的復雜性與非均質性,有效促進了孔裂隙的發育。

圖11 煤體裂隙分形維數變化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中擴散的難易程度,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性與不規則性,使得煤體內部的孔隙通道更加復雜化,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構,使新生裂隙數量增多。

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

2.2 低場核磁測試結果

對4塊無煙煤樣進行振動前后的低頻核磁共振實驗,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,表現為微小孔發育較好,中大孔的發育不明顯。為進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據提取出來,得到的結果如表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。

結合CT掃描結果,共振作用能夠有效提高煤體的孔隙度與裂隙度。振動激勵所產生的周期性擠壓應力會導致煤體骨架崩塌斷裂,孔隙表面也會產生不規則形變。振動作用對孔隙度與裂隙度的改造體現在對原生裂隙的擴展與中大孔的孔徑發育,使得煤基質內部的孔裂隙連通,更有利于瓦斯分子的解吸擴散。

由工業CT和低場核磁的實驗結果可知,含瓦斯煤在低頻振動激勵下孔裂隙結構發生改變,且當施加的振動頻率與煤體固有頻率接近時,孔裂隙產生越多的不可逆形變,并形成新的瓦斯運移通道,此時對煤體的孔裂隙結構改造效果更好。下一步將優化實驗系統,利用工業CT或低場核磁的動態加載及連續掃描功能,實現對含瓦斯煤低頻振動過程中孔裂隙動態發展過程的分析,深入研究低頻振動激勵對含瓦斯煤孔裂隙動態發展的作用和效果。

3 結論

1)低頻振動激勵前后煤體的裂隙度與孔隙度均呈現上升趨勢,說明低頻振動激勵可以有效促進煤體孔裂隙發育。且煤巖內部裂隙發育特征呈現一致性,振動激勵的改造效果集中在對大尺寸裂隙的改造,即對原生孔縫發育的改造效果更好。對比不同激振頻率下CT掃描結果及低場核磁共振測試結果,當激振頻率處在共振頻帶時,煤體的孔裂隙改造效果最好。

2)由煤體內部的裂隙分形維數、迂曲度與切片圖變化可知,振動作用后,煤基質內部新生成的孔裂隙使煤體空間結構更加復雜化,也使內部裂隙不斷發育,有利于瓦斯解吸。對比不同振動頻率下煤體分形維數與迂曲度變化,共振作用對裂隙的改造作用更加明顯,促進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)今后將進一步開展煤質、尺寸、邊界條件等因素對煤體固有頻率影響的相關研究,同時利用工業CT或低場核磁的動態加載及連續掃描功能,深入分析振動激勵對含瓦斯煤孔裂隙動態發展的作用和效果。