冷热冲击条件下饱水煤样渗流及力学特性研究.pdf

扫码阅读下载王珂,戎彦龙,郭志.冷热冲击条件下饱水煤样渗流及力学特性研究J.矿业安全与环保,2023,50(4):42-46.WANG Ke,RONG Yanlong,GUO Zhi.Study on seepage and mechanical properties of water-saturated coal sample under the condition of cold and thermal shockJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):42-46.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.04.008冷热冲击条件下饱水煤样渗流及力学特性研究王 珂1,戎彦龙2,郭 志2(1.山西煤矿安全监察局安全技术中心,山西 太原 030031;2.太原理工大学 安全与应急管理工程学院,山西 太原 030024)摘要:为探究煤体在冷热冲击影响下的渗流规律及力学损伤机制,利用高低温系统、三轴渗流系统,对饱水煤样进行不同温度条件下冲击试验,基于声发射、金相显微图像技术分别对饱水煤样经冷热冲击处理后结构损伤演化进行定位、定量分析。研究结果表明:经不同冷热温度冲击,煤样渗透率均有增加,增幅为 20.59%253.26%,但不同孔隙压力下煤体的渗透率增幅随温度梯度并非正相关,而是呈现低高低的趋势;在温度冲击下饱水煤体在热应力及水冰相变产生冻胀力作用下内部结构损伤显著;冷热冲击过程中,温度梯度越大,孔裂隙扩展量越大,煤体结构劣化更为显著;冷热冲击对煤体细观损伤较为复杂,新生成主裂隙呈“S”形分布,对煤层致裂效果显著。关键词:煤;冷热冲击;饱水;渗流特性;结构损伤;显微细观中图分类号:TD712 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0042-05收稿日期:2022-04-17;2022-07-02 修订作者简介:王 珂(1975),女,山西阳泉人,本科,高级工程 师,主 要 从 事 矿 山 安 全 技 术 管 理 工 作。E-mail:WangKe2015 。Study on seepage and mechanical properties of water-saturated coal sample under the condition of cold and thermal shockWANG Ke1,RONG Yanlong2,GUO Zhi2(1.Safety Technology Center of Shanxi Coal Mine Safety Supervision Bureau,Taiyuan 030031,China;2.School of Safety and Emergency Management Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to explore the coal seepage law and damage mechanism under the influence of cold and thermal shock,high and low temperature system and triaxial seepage system were used to conduct impact tests on water-saturated coal samples under different temperature conditions.The structural damage evolution of water-saturated coal samples after cold and thermal shock treatment was located and quantitatively analyzed.The results show that the permeability of coal samples increased by different cold and thermal shock temperatures,and the increase range is 20.59%to 253.26%.However,the permeability increase of coal body under different pore pressures is not positively correlated with temperature gradient,but shows a low-high-low trend.Under temperature shock,the thermal stress and water-ice phase transition of water-saturated coal body produce frost heaving force.The damage to the lower internal structure is significant.In the process of cold and thermal shock,the greater the temperature gradient,the greater the expansion of pores and fractures,and the more significant deterioration of coal structure.The mesoscopic damage to coal body caused by cold and thermal shock is relatively complex,and the newly formed main fractures are distributed in an“S”shape,which has a significant effect on coal seam cracking.Keywords:coal;cold and thermal shock;saturated water;seepage characteristic;structural damage;microscopic 煤层气是成煤过程中形成的伴生气体,是一种高效、洁净的非常规能源。据初步估算,我国浅表煤层气资源量高达 35 万亿 m3,分布于常规能源短缺的中东部地区及洁净能源短缺的南方地区1。我国煤层气具有储量高、分布广的特点,为煤层气开发提供了有利条件。但我国多数地区储煤层兼具“高储低渗”的特点,限制了煤层气产业的发展。注入高低温流体介质是煤层增透的重要手段之24Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月一。张春会等2-3利用低温液氮对干燥和饱水煤样进行冷冲击试验,得出冷冲击前后煤样波速变化率和表面裂隙演化规律;王登科等4利用 CT 扫描研究了温度冲击条件下煤层微观裂隙发育,得出煤样表面切线方向产生的热应力最大,且超过了煤体抗拉强度;FANG 等5建立了 CO2-ECBM 过程中热水力耦合场的数值模型,揭示了 CO2-ECBM 机理;魏建平6、张路路7、王登科8、孙刘涛9等研究了温度冲击下煤样的渗透率变化及增透机制。近年来,低渗煤层注入低温液氮、液态 CO2及热蒸汽改善增透煤层技术,以提高煤层气的产出量,是众多学者研究的热点10-15,但对含水煤及冷热冲击煤体损伤的研究甚少。因此,研究温度冲击条件下饱水煤样结构损伤规律对煤层气抽采具有现实意义。1 试验设备及方案1.1 试验设备试验煤样采用负压真空饱水装置进行饱水,冷热冲击试验设备采用高低温冲击试验系统。其中,高低温试验箱如图1(a)所示。温度控制范围为-45190,温度控制精度0.5,升降温速率0.71.0 /min。图 1 高低温冲击试验及三轴渗流系统三轴瓦斯渗流系统见图 1(b),渗流装置由主机、液压系统、气路控制系统、计算机自动加载控制系统等部分组成,试验力范围 10800 kN,轴向力控制精度优于示值的0.5%。轴向载荷由压杆通过煤样压板施加到煤样,液压系统可给三轴室试验产生围压;气体主要由氮气气瓶供给,利用调压阀调节进口气压,通过排水法测出口流量。细观损伤观测试验采用 CX40m 型金相显微设备,在图形分析软件中可实时成像。1.2 煤样制备试验所用煤样为取自阳泉新景矿煤化度较高的无烟煤,外观呈灰黑色,带金属光泽。选取大块煤样,按岩样制备标准,使用砂线切割机制备成 50 mm100 mm的圆柱,并利用端面磨平机保持端面平整。煤样工业分析结果如表 1 所示。利用超声检测仪对煤样进行超声检测,选取纵波波速相近的煤样,排除特异性明显的煤样,以保证试验的准确性。表 1 煤样的工业分析结果单位:%取样点MadAadVdafFCad新景矿2.2619.6010.6467.89金相观测试验所需煤样尺寸为 20 mm10 mm的圆形薄片,需经过粗加工、粗抛光、精细抛光,直至将观测面打磨为镜面,薄片编号为 N-1、N-2。试验所需煤样及金相显微镜如图 2 所示。(a)煤样(b)金相显微镜图 2 煤样及金相显微镜照片1.3 试验方案将制备好的煤样以不同温度梯度为划分依据,对煤样进行分组。其中,试验组的温度梯度为冷冲击与热冲击温度绝对值之和;对照组的温度梯度为冷冲击温度与常温(20)绝对值之和。将煤样放入真空负压饱水装置中,每隔 12 h 对煤样称重,直至煤样质量不再变化,得到最大含水煤样,抽样检测得出煤样含水率为 4%左右。运行温度冲击试验系统,设定低温试验箱和电热风试验箱内温度恒定在试验所需值。1.3.1 煤样的处理1)煤样处理方式为冷热冲击,试验温度梯度及煤样编号如表 2 所示。表 2 冷热冲击试验方案试验组别煤样编号冲击温度/温度梯度/LR-40-404080LR-80-4080120试验组(冷热冲击)LR-120-40120160LR-160-40160200N-1-40160200对照组(冷冲击)L-40-4060N-2-40602)将 LR-40 饱水煤样置入预设温度为-40 的低温箱中,冷冲击持续 2 h,此时煤样表面与内部34第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023不存在温度差,煤样完全冷却。3)将冷却处理完成的煤样迅速放入预设温度为40 的高温试验箱中,热冲击持续 2 h 后取出煤样,此时煤样表面与内部温度相同。自然恢复至室温,以备后续试验使用。4)其他煤样处理。冷冲击重复上述步骤,按表 2改变热冲击温度,依次完成煤样冷热冲击处理(冷冲击对照组只进行步骤 2)。1.3.2 不同孔隙压条件下三轴渗流及力学损伤试验1)利用三轴瓦斯渗流系统,在围压为 3 MPa、轴压为 3 MPa、加载速率为 0.02 kN/s、孔隙压力为0.25 MPa 的条件下,测试冷热冲击煤样的初始渗透率;改变孔隙压力,分别在 0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 MPa 的孔隙压力下测定处理煤样的渗透率,每组压力下测定 3 次渗透率,做好详细记录,取平均值作为处理煤样渗透率,对比分析不同孔隙压力条件下渗透率增幅变化规律。本次试验选用稳态法测试煤样的渗透率。煤体轴向渗透率计算公式如下:k=2Qp0L(p21-p22)S(1)式中:k 为渗透率,10-15 m2;Q 为流量,cm3/s;p0为标准大气压,MPa;为动力黏度系数,MPa s;L 为试样长度,cm;p1为进气口压力,MPa;p2为出气口压力,MPa;S 为试样渗流断面面积,cm2。2)在孔隙压力为 0.50 MPa、其他参数不变的条件下,对不同温度冲击处理后的煤样进行三轴压缩加载试验,利用声发射实时监测定位煤体内部损伤,直至煤样破碎,分析煤体抗压强度与温度梯度的关系。2 试验结果及分析2.1 冷热冲击煤样在不同孔隙压力下渗透率特征低渗煤层渗透率较低,以微孔裂隙通道为主,气体在煤体低速渗流时,随平均孔隙压力的增大,渗透率减小,具有典型的滑脱效应16。煤体在温度冲击的影响下,煤体内部的微孔裂隙重构,滑脱效应的改变可以在一定程度上反映煤体的损伤演化规律。试验煤样经过负压饱水处理后,水分充满煤体内部孔裂隙,在冷热冲击过程中,特别是热冲击开始阶段,煤体发出清脆的破裂声。试验所测渗透率结果如图 3 所示,相对于 LR-40 煤样,其他 3 组煤样经不同冷热温度冲击后煤样渗透率均有增大。从图 3 可以看出,随热冲击处理温度梯度的增加,微孔裂隙增多,滑脱效应越显著,煤体损伤越大。图 3 不同孔隙压力下处理煤体的渗透率各孔隙压力下煤体渗透率增幅随温度梯度上下波动,增幅呈现低高低的趋势。在不同孔隙压力下,可通过式(2)计算煤体的渗透率增幅:w=kj-kiki100(2)式中:w 为渗透率增幅,%;ki、kj分别为改变冷热冲击温度前后的渗透率,10-15 m2。不同孔隙压力下处理煤体的渗透率增幅如图 4所示。可以看出,与 LR-40 煤样相比,LR-80 煤样冷热冲击后渗透率平均增幅为 30%,LR-120 煤样冷热冲击后渗透率平均增幅为 206.42%、最大增幅为253.26%,LR-160 煤样冷热冲击后渗透率平均增幅为20.59%。3 种冷热冲击温度相比,热冲击温度为 120 增幅最高、160 增幅最低。孔隙压力达到 0.75 MPa后渗透率增幅随孔隙压力增大而增加,LR-160 煤样渗透率随孔隙压力增大整体呈增大趋势,而 LR-80 煤样渗透率增幅随孔隙压力增大规律性减小。图 4 不同孔隙压力下处理煤体的渗透率增幅冷热冲击现象广泛存在于利用冷、热源增透低渗煤层过程中。在冷热冲击作用下,一方面煤岩壁面、孔裂隙内产生较大的温度梯度,形成热应力,煤体发生破裂,煤体内部的水分受到温度冲击作用,发生相变,冷热冲击裂隙不断发育,渗透性得到改善;另一方面,煤基质随温变过程,热胀冷缩效应、非均44Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月质性均会改变煤体内部矿物颗粒的空间结构,但作为连续体,煤自由变形受到约束。综上所述,冷热温度冲击作用对煤体结构影响显著,改变温度梯度,对旧裂隙延伸扩展及新生裂隙萌生有促进作用。试验结果表明,热冲击温度为 120 时对渗透率增幅影响较明显,增透效果显著。2.2 不同温度梯度对渗透率的增幅效应在冷热冲击过程中,当冷冲击温度相同,改变热冲击温度,即增加温度冲击梯度,对温度梯度 40、80、120、160、200 下煤体三轴抗压强度与温度梯度的关系进行拟合,抗压强度温度梯度曲线如图 5 所示。图 5 煤体抗压强度与温度梯度拟合曲线拟合曲线表达式如下:y=ln(3.092 291014-1.536 011012x)(3)由式(3)可知煤体抗压强度与温度梯度的关系,计算得到相关性系数为 0.999 83。2.3 冷热冲击煤样三轴压缩加载过程中声发射定位特征煤岩破坏过程中声发射信号强度较弱,如冰水相变、微裂纹开裂等需要通过专业仪器设备来进行检测17-19。笔者所使用的声发射设备为 AEwin for PCI2 E5.81 声发射仪。该设备可分析煤样三轴压缩加载过程中煤体内部结构破坏,主要技术参数如下:1)声发射单元参数设置。为确保试验数据的可靠性,试验门槛设置 40 dB,类型固定,范 围 为4099 dB。2)前置放大电压为 28 V,类型 2/4/6。3)传感器波形采样率为 200 万次/s。声发射事件主要与煤体孔裂隙的产生、扩展及断裂有关。不同温度冷热冲击煤样后,三轴压缩过程 AE 事件定位俯视图如图 6 所示。由图 6 可以看出,在压缩加载过程中 LR-80 煤样相对于 LR-40 煤样 AE 事件分布变化不明显,但随着热冲击温度的升高 AE 事件分布越来越密集。这说明随着冷热处理温度梯度的增大,煤体内部结构受到的破坏越严重。LR-40LR-80LR-120LR-160图 6 三轴压缩 AE 事件定位俯视图在压密过程中,受温度应力的圣维南效应影响,裂隙面两侧变形不协调,AE 事件基本集中在温度冲击裂隙面周围。在冷冲击阶段,靠近煤样外壁的低温区受到热应力较大,在加载过程中内部不同组分矿物颗粒之间挤压与摩擦作用明显;在热冲击阶段,靠近煤样中心的低温区 AE 事件也随温度梯度的升高分布越来越密集。说明在冷热冲击过程中,煤体结构劣化显著,渗透率也随之改变,在冷热冲击过程中热冲击温度越高,孔裂隙扩展量越大。3 冷热冲击处理对煤样结构损伤机理分析3.1 温度冲击饱水煤样内在机理分析冷冲击阶段,水冰相变过程伴随着煤基质收缩及冻胀现象,一般认为在 0 及以下一定范围内会产生水冰相变过程。当试验煤体置入低温箱进行冷冲击时,煤体内部的水温随煤体自身温度的降低而下降,一方面孔裂隙内水分的结构及自身物理性质会发生显著变化,由液态转变为准固态,最终形成冰晶,在此演变过程中准固态内部的水分产生冻胀力;另一方面煤具有一系列固态胶体性质,受温度冲击影响,煤基质收缩、膨胀,促进了原有孔裂隙的发育并萌生新的孔裂隙,重构煤体孔裂隙空间分布,使煤体的渗流及力学特性改变。因此,温度冲击下饱水煤体结构的演化与水冰相变过程密切相关。对于正在发生水冰相变的饱和状态煤样而言,温度冲击下饱水煤体结构的改变主要发生在水冰相变区段。从微观角度看,水分子是典型的极性分子,随着温度的降低,HO 键缔合至完全饱和,冻结完成即形成六方系晶格,宏观上体积增大。饱水煤样内部孔隙充满水分,在冷冲击冻结过程中,煤体导热系数远大于水,随机分布于煤体的孔裂隙在有限的空间产生冻胀力,破坏了原有结构。54第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023热冲击阶段,将处于冻结状态的煤体置入高温箱内,即在外部热源干扰下,煤体孔裂隙内的固态冰升温融化,水分子中的氢键断裂,热冲击使煤样内部水分迅速蒸发。120 之前以脱去煤体内游离水为主,120 之后主要脱去煤所吸附的气体如 CO、CH4等20。通常煤是由植物中的木质素和纤维素等成分形成,这种复杂的结构造成了煤体自身的不均质性及矿物颗粒大小、组成的随机性,在强烈温度载荷冲击下,产生热应力,使煤体孔隙率增大,造成了大量细观损伤。在冷热冲击过程中煤体结构劣化主要有 2 个因素:水冰相变过程,孔裂隙内的水分处于受限空间,冻胀力作用于裂隙壁;冷热冲击过程,煤体内部矿物颗粒自身收缩、膨胀变形,冷冲击以拉应力为主,热冲击以压应力为主,引起了不可逆损伤。3.2 冷热冲击前后煤样细观结构损伤分析结构损伤定位试验说明了温度冲击对煤体的弱化作用,需进一步研究温度冲击下内部孔裂隙的演化规律。煤体裂隙结构肉眼难以观测,需借助光学或电子显微镜方可观测到。利用金相显微镜及煤岩学观测分析薄片煤样冷冲击前后及冷热冲击前后同一位置,并利用光学转换技术拍取照片。镜下显微组分可观测到均质镜质体、惰质组、壳质组,内生裂隙发育。显微组分的差异、煤基质矿物颗粒大小不一,进一步反映了煤体的非均质性,显微镜下煤体内生裂隙发育。金相显微设备 CX40m 调试参数如下:1)金相物镜采用 5,目镜 10、线视场 22 mm;2)粗微同轴调焦旋钮,粗调量程 28 mm;3)微调精度 0.002 mm;4)最大样品高度 28 mm;5)带视场光栅及暖色照明、斜照明装置。冷热冲击前后金相显微图如图 7 所示。可以看出,在冻胀力及热应力作用下左侧较大区域范围出现孔裂隙,与原生主裂隙交汇,R 区域最长新生裂隙达 1 180.91 m,S 区域出现密集短裂隙,纵横交错分布,较为复杂;在热冲击阶段煤体迅速失水,显微组分收缩产生多条失水裂隙,呈“S”形分布,1、2、3区域裂隙宽度分别由 71.88、13.16、92.58 m 扩宽至 87.16、18.42、107.46 m。裂隙宽度平均增大10.14 m。可见冷热冲击产生的孔隙变化更为复杂,既有旧孔闭合又有新孔生成,最终导致裂隙由细观向宏观演化,进一步验证了冷热冲击作用下渗透率变化规律。(a)冷热冲击前显微图(b)冷热冲击前二值化图(c)冷热冲击后显微图(d)冷热冲击后二值化图图 7 冷热冲击前后金相显微图4 结论1)试验结果表明,经不同冷热温度冲击,煤样渗透率均有所增加,但不同孔隙压力下煤体的渗透率增幅随温度梯度并非正相关,而是呈现低高低的趋势。2)对煤体抗压强度与温度梯度的关系进行了拟合,结果表明,在温度冲击下饱水煤体在热应力及水冰相变产生冻胀力作用下内部结构损伤显著。3)冷热冲击过程中,温度梯度越大,孔裂隙扩展量越大,煤体结构劣化更为显著。4)冷热冲击对煤体损伤复杂,冷热冲击改变了煤体原有孔裂隙,裂隙宽度平均增大 10.14 m,新生成的主裂隙呈“S”形分布,对煤层致裂效果显著。参考文献(References):1 滕吉文,王玉辰,司芗,等.煤炭、煤层气多元转型是中国化石能源勘探开发与供需之本J.科学技术与工程,2021,21(22):9169-9193.2 张春会,张海霞,于永江,等.饱水度和再溶浸对液氮冷冻煤致裂的影响J.煤炭学报,2016,41(增刊2):400-406.3 张春会,耿哲,徐刚,等.液氮冻融循环作用下饱水煤样力学特性试验研究J.煤炭科学技术,2020,48(10):218-224.4 王登科,张平,刘淑敏,等.温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究J.煤炭学报,2018,43(12):9.5 FANG Huihuang,SANG Shuxun,LIU Shiqi.The coupling mechanism of the thermal-hydraulic-mechanical fields in CH4-bearing coal and its application in the CO2-enhanced coalbed methane recovery J.Journal of Petroleum Science and Engineering,2019,181(C):106177.(下转第 54 页)64Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月37(3):593-600.11 罗波,朱宝龙,刘俊新,等.黑色页岩三轴加载过程中层理效应对力学特征和能量耗散的影响J.工程地质学报,2023,31(3):1027-1037.12 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