低溫處理煤巖的聲發射及力學滲流特性研究

王江濤，趙耀江，趙 亮，王 浩，王菁瑞，張慧娟

（太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西晉中 030600）

近年來，隨著能源結構調整和能源產業變革，我國大力發展煤層氣等非常規天然氣，開發和利用煤層氣既是重要的戰略布局也是煤炭產業鏈能夠如期實現“碳達峰”和“碳中和”目標的重要碳減排手段[1-2]。我國煤層大多屬于低滲煤層，需進行增透措施后產氣量才會有明顯提升[3-4]。低溫致裂增透技術是通過向煤巖體注入液氮等低溫液化氣體，利用冷沖擊作用使煤體結構損傷破壞，提高煤體孔隙率和滲透性能，降低煤層氣抽采難度，并提高產氣量[5-7]。相比傳統致裂增透技術，低溫致裂增透技術增透效果較好且綠色環保，受到業內廣泛關注。

前人針對低溫致裂煤巖增透技術已經進行了相關研究。Mc Daniel 等[8]在煤層氣儲層現場進行注液氮壓裂試驗，發現在初始壓裂后儲層增透效果顯著，煤層氣產量有明顯提升，但持續產氣效果不理想；任韶然等[9]進行了液氮冷沖擊對煤巖聲波傳播的影響試驗，認為液氮冷沖擊作用能對煤巖的內部結構和力學強度產生較大改變；張春會等[10]研究了液氮注入煤巖后其變形、破壞及滲透率演化的過程；王喬[11]利用CT 掃描技術和金相顯微鏡對不同含水煤巖液氮凍融前后表觀細觀破壞進行觀測；WANG 等[12]、王登科等[13]發現煤體的非均質性和熱應力的存在是溫度沖擊增透的主要內在機制，利用熱應力理論分析了溫度沖擊破煤機理；李萬和等[14]研究了不同節理煤巖在液氮浸融4 h 后的損傷情況和力學性能；郭曉康[15]將煤巖半溶浸于液氮中模擬煤層氣井注液氮時近井煤巖的狀態，研究了飽水度、液氮凍融次數等多種因素對液氮注入不同類型煤體內缺陷結構擴展的影響規律；Xu 等[16]研究了液態二氧化碳對煤巖冷熱循環致裂的效果與循環次數和煤變質程度的關系。

前人的研究主要是利用CT、掃描電鏡及超聲波測試儀等儀器測定溫度沖擊或循環冷加載前后煤巖表面及內部的損傷變化，或通過測定煤巖力學和滲流特性的變化情況反映低溫對煤巖結構的影響，對低溫沖擊過程中煤巖損傷的演化規律研究較少。為此，采用監測煤巖在低溫處理過程中聲發射信號的方法分析煤巖體在低溫作用下其內部結構的損傷演化規律，并結合三軸加載滲流試驗研究不同低溫作用對煤巖力學滲流特性的影響。

1 試驗系統與方法

1.1 試驗設備與煤樣制備

試驗用煤巖為陽泉新景煤礦9#煤層的無煙煤，井下取得大塊煤樣后用塑料薄膜包裹密封并標記取樣信息，用砂線切割機床加工成平行煤層層理的圓柱煤樣，使用端面切割機和砂紙切割打磨端面，保證試件兩端面的不平行度誤差在0.02 mm 范圍內，最后得到?50 mm×100 mm 的標準試件。將試件在烘干箱內60 ℃烘干24 h，保證試件完全干燥。試驗系統那個主要由以下設備組成：

1）高低溫試驗箱。試驗使用的高低溫試驗箱箱體由保溫隔熱材料制成，采用空氣壓縮機對空氣制冷/制熱，從進氣口將冷/熱空氣輸入箱體內維持設定溫度，溫度范圍為-45～190 ℃，溫度均勻度≤2 ℃。

2）聲發射監測系統。試驗使用的12CHsPCI-2聲發射監測系統由美國物理聲學公司生產制造，包括聲發射傳感器、前置放大器、信號處理系統等組成部分，聲發射傳感器型號為Nano30，工作溫度范圍為-65～177 ℃。

3）WYS-800 微機控制電液伺服三軸試驗裝置。試驗采用太原理工大學自主研發的WYS-800 微機控制電液伺服三軸瓦斯滲流裝置，整體系統主要由自動化操作平臺、壓力加載系統、氣液滲流控制系統及主體試驗平臺等多部分組成，該系統適用于各類巖石的標準試件。WYS-800 微機控制電液伺服三軸滲流裝置示意圖如圖1。

圖1 WYS-800 微機控制電液伺服三軸滲流裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of WYS-800 microcomputer controlled electro-hydraulic servo three-axis seepage device

1.2 試驗方案與步驟

試驗分為2 個階段，先使用低溫環境箱在不同低溫（0、-20、-40 ℃）下處理試樣連續5 h，同時對煤樣進行聲發射實時監測，常溫煤樣不進行該階段試驗，然后對低溫處理后的煤樣和常溫煤樣分別進行三軸加載力學滲流試驗。

1）低溫環境箱處理煤樣。①測定煤樣常溫狀態下的超聲波波速；②將聲發射探頭通過密封接口接入低溫環境箱，確保環境箱的密閉性能；③關閉箱體上蓋，設置目標溫度開始降溫；④當溫度降至目標值后打開箱體蓋，使用耦合劑快速將聲發射探頭貼于試件指定部位，將試件水平放置于低溫環境箱內，關閉箱體上蓋；⑤記錄聲發射信號，處理5 h 后保存數據，取出煤樣試件放置在常溫環境中12 h，待其恢復至常溫狀態測定處理后的波速。

2）三軸加載力學滲流試驗。①在煤樣試件表面均勻涂抹硅橡膠，用熱縮套管和喉箍將試件與圍壓加載油路隔絕，在試件外壁安裝徑向引伸計；②將三軸室下降安裝好后進行3 h 抽真空脫氣，向三軸室內注入抗磨液壓油，將軸壓和圍壓交替預加載至3 MPa 后將純度為99.99%、0.5 MPa 壓力的N2通入試樣進行8 h 吸附解吸；③待吸附解吸完全平衡后，測定煤樣初始滲透率，試驗系統采用穩態法測定煤樣滲透率，監測進出口氣體壓力和出口氣體流量，測定3 組數據后計算滲透率，取其平均值為該煤樣的初始滲透率；④再繼續對煤樣施加軸壓，加載方式為力加載，加載速率為0.02 kN/s，加載至煤樣破壞，同步監測軸向應變、徑向應變等數據；⑤按照以上步驟完成所有煤樣測試。

2 試驗結果

2.1 低溫處理過程中煤樣聲發射特征

在0、-20、-40 ℃低溫處理煤樣的過程中都可檢測到聲發射信號，這說明煤樣在低溫處理過程中內部發生損傷，處理過程伴隨著孔-裂隙的發育和萌生，不同溫度處理下聲發射信號規律大致相同。對比不同溫度下煤樣聲發射信號強度和密集程度可大致將其分為3 個階段：初期密集爆發階段（0～1 000 s）、中期間斷活躍階段（1 000～7 000 s）及末期平靜階段（7 000 s 后）。

2.1.1 煤樣聲發射振鈴計數及累計計數

聲發射振鈴計數是指超過門檻信號的振蕩次數，用于聲發射活動性評價，低溫處理全程中超過門檻信號的振蕩次數總和定義為累計振鈴計數。這2 個參數可以體現低溫處理過程中煤樣內部的損傷斷裂發生的時間節點和煤樣的損傷程度。不同低溫處理煤樣過程聲發射振鈴計數如圖2。

圖2 不同低溫處理煤樣過程聲發射振鈴計數Fig.2 AE counts in the process of treating coal samples at different low temperatures

低溫處理過程中聲發射信號初期密集爆發階段為0～1 000 s 左右，在此階段內聲發射振鈴計數信號最密集，且存在整個處理過程中的振鈴計數最大值，在處理溫度為0、-20 ℃時，該階段的振鈴計數值大于全程的70%，處理溫度為-40 ℃時該階段振鈴計數占全程的43.51%，但仍大于其他2 個階段的振鈴計數值。在聲發射信號初期密集爆發階段，-20、-40 ℃處理煤樣的累計聲發射振鈴計數是0 ℃的2倍和4 倍左右。當常溫煤樣突然進入0、-20、-40℃的低溫環境中時，煤樣溫度與環境溫度有溫度差，根據傳熱學原理，煤樣發生對流換熱使得其表面溫度迅速下降，且煤巖導熱系數低，煤樣內部降溫較慢，在低溫處理初期煤樣表面附近溫度降低并劇烈收縮，而內部煤體體積收縮不明顯，阻礙了外部煤樣的向內收縮，從而局部產生熱應力導致煤樣表面附近發生劇烈的裂隙拓展和發育。

隨著低溫處理的持續，煤樣外部附近溫度已經接近環境溫度，但內部仍存在較小的溫度梯度，相較低溫處理初期聲發射振鈴計數的密集爆發，中期聲發射振鈴計數呈間斷活躍狀態，一段時間的振鈴計數間斷或者數值較低過后會發生激增。隨著處理溫度的降低，處理中期振鈴計數峰值變密集，間斷空白期減少。在不同處理溫度的處理中期，聲發射振鈴計數峰值相差不大，大致集中在30～70 次之間，反映出煤樣在不同低溫處理中期發生損傷破壞的嚴重程度基本一致，但隨著處理溫度的降低，煤樣發生損傷破壞的事件數增多。

低溫處理末期聲發射信號逐漸趨于平靜，由于煤樣整體的溫度與環境溫度已基本相同，在煤樣內部幾乎不存在溫度梯度，煤樣內部損傷破壞逐漸停止，聲發射振鈴計數大幅減少。末期聲發射振鈴計數值占處理全程累計聲發射振鈴計數的比例越大，0、-20、-40 ℃低溫處理末期的聲發射累計振鈴計數值分別占全程的6.26%、11.21%、32.01%。可以看出處理溫度越低，末期聲發射事件相對越多。

2.1.2 煤樣聲發射信號幅值

聲發射信號幅值與聲發射事件的大小有直接關系，可以區分波源類型和強弱。若煤體發生裂隙拓展延伸或萌生新裂隙類的脆性斷裂，對應的聲發射信號幅值會比較高；若煤體內部由于低溫作用收縮不均勻發生擠壓摩擦，則會產生幅值較低的聲發射信號。因此對聲發射信號幅值分布進行統計，可了解低溫處理過程中煤體的損傷類型，不同低溫處理過程中聲發射信號的幅值如圖3。

圖3 不同低溫處理煤樣過程中聲發射信號的幅值Fig.3 AE amplitude in the process of treating coal samples at different low temperatures

由于低溫處理1 000 s 后聲發射信號較少，因此主要對低溫處理0～1 000 s 聲發射信號初期密集爆發階段的信號幅值進行統計分析。

低溫處理煤樣過程中的聲發射信號幅值基本都在90 dB 以下，主要集中在40～60 dB，振幅小于60 dB 的聲發射事件占處理全程總事件的85%～91%，幅值大于60 dB 的聲發射事件僅占9%～15%。在煤樣發生損傷破壞事件最多的初期，低幅值的聲發射信號占絕大多數，高幅值的聲發射事件較少，這表明低溫處理過程中煤巖礦物顆粒遇冷收縮不均勻造成的擠壓摩擦占主導作用，脆性斷裂相對較少。隨著處理溫度降低，高幅值的聲發射信號數量有所增多，這說明煤樣內部發生脆性斷裂事件變多，損傷程度更高。

2.2 煤巖低溫作用前后聲波波速的變化

由于超聲波在固體和氣體2 種介質中的傳播速率不同，并且超聲波在煤巖內部傳播過程中會在裂隙處的氣體和煤巖的交界面發生折射、反射等現象，最終導致超聲波能量耗散以及波速降低，因此可用超聲波在煤巖內部的波速變化判斷其內部的損傷程度。下表為煤樣低溫處理前后的波速對比以及低溫處理后煤巖波速的降幅比例。不同低溫處理煤巖的波速變化見表1。

表1 不同低溫處理煤巖的波速變化Table 1 Wave speed changes of coal and rock treated at different low temperatures

從表1 可看出：煤巖經過低溫處理后其波速較處理前有所衰減，且處理前后波速的降幅隨處理溫度的降低而增大，-40 ℃處理煤樣的波速降幅約為0 ℃處理煤樣的5 倍，這說明處理溫度越低，煤巖的損傷程度越高，內部的裂隙擴展程度越大，萌生新裂隙數量越多。

2.3 煤巖體低溫損傷機理

僅考慮低溫對干燥煤巖的作用，不考慮煤巖內部水分在低溫作用下對其內部損傷的影響。前人研究表明，煤巖體在低溫作用下的損傷主要為原生裂隙拓展和結構弱點產生新裂隙[17]。

煤巖體是一種孔隙、裂隙共同發育的雙重孔隙非均質天然材料，由不同成分的礦物顆粒和膠結物組成。不同礦物顆粒的強度和剛度有所差別，在受到低溫作用后其收縮變形程度也不同。由于煤巖體是連續性介質，在受到低溫作用后，組成煤巖體的礦物顆粒受到周圍其他礦物顆粒的相互作用而不能自由變形，在孔隙或裂隙尖端形成應力集中點，導致原生裂隙會發生拓展延伸；當收縮產生的熱應力大于局部礦物顆粒之間的聯結的強度極限時，局部會發生損傷斷裂，產生新的裂隙。

當煤巖體由于外部環境溫度驟降，靠近冷源的外部礦物顆粒由于整體約束作用不能自由收縮變形而產生的熱應力可由下式計算[18]：

式中：σij為熱應力，MPa；αij為煤體線膨脹系數，試驗煤樣測得為26×10-6℃-1；Eij為煤體彈性模量，取3 209 MPa；△T 為溫度變化，℃；δij為Kronecker符號，取1。

計算可知：0 ℃低溫處理時煤樣局部的熱應力為1.67 MPa，-20、-40 ℃低溫處理時煤樣局部的熱應力分別為3.34、5.01 MPa。

通過對不同溫度下煤巖體局部產生熱應力的計算，可得出20 ℃常溫煤巖體在環境溫度驟降至0～-40 ℃時，其局部會產生1.67～5.01 MPa 的熱應力，產生熱應力的大小與溫度差呈正比。對試驗煤樣進行巴西劈裂實驗測得抗拉強度為0.371～1.01 MPa，因此煤巖體局部產生的熱應力大于自身抗拉強度，造成煤巖原生裂隙延展和新裂隙發育。

2.4 低溫作用后煤樣的三軸力學滲流特性

煤巖試樣經過不同低溫處理后逐漸恢復至常溫狀態的過程中，低溫導致其內部發生了損傷破壞，裂隙發育必然對煤巖的抗壓強度和滲流性能造成影響。通過對試樣進行三軸加載試驗，研究低溫作用后煤巖力學性能和滲流性能的變化情況。

2.4.1 三軸加載時煤巖的力學特性

不同低溫處理煤樣偏應力-應變曲線如圖4。可以看出，加載過程可分為4 個階段：壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和峰后破壞階段。

圖4 不同低溫處理煤樣偏應力-應變曲線圖Fig.4 Deviatoric stress-strain curves of coal samples treated at different low temperatures

壓密階段煤樣的全應力-應變曲線呈斜率逐漸增大的微弧形，煤體軸向變形速率隨軸向應力的增加逐漸加快，煤體內部孔隙、裂隙受到載荷作用逐漸壓密閉合；彈性變形階段，煤樣應力應變曲線基本呈一定斜率的直線，煤體骨架在發生彈性形變的同時，也會形成少量新裂隙；塑性變形階段，煤體應力應變曲線的斜率開始發生變化，可以看出處理溫度越低，煤樣開始塑性變形的應變節點越提前，此時煤體所受載荷已經超過彈性極限，煤體開始產生裂隙并逐漸膨脹變形；峰后破壞階段，當煤樣所受軸向應力到達其強度極限時，煤體發生劇烈破壞，軸向應力快速跌落，軸向應變激增。

不同低溫處理煤樣三軸加載下的力學性能指標見表2。

表2 不同低溫處理煤樣三軸加載下的力學性能指標Table 2 Mechanical performance indexes under triaxial loading of coal samples processed at different low temperatures

由表2 可以看出：隨著處理溫度的降低，煤樣的抗壓強度、彈性模量和泊松比也都隨之有明顯降低；其中常溫煤樣與0 ℃處理煤樣的力學性能差異微小，但-20、-40 ℃處理煤樣的抗壓強度相較于常溫煤樣分別減小了4.3%、15.6%。由于處理溫度越低，煤體損傷程度越大，新生裂隙和原生裂隙拓寬延伸造成煤體孔隙率增大，從而造成了煤體強度下降。

2.4.2 煤樣三軸加載過程中的滲流特性

不同低溫處理煤樣初始滲透率與初始滲透率增幅見表3。低溫處理煤樣初始滲透率K0與處理溫度T 的關系如圖5。

圖5 低溫處理煤樣初始滲透率與處理溫度的關系Fig.5 Relationship between initial permeability of coal sample treated at low temperature and treating temperature

表3 不同低溫處理煤樣初始滲透率與初始滲透率增幅Table 3 Initial permeability and initial permeability increase of coal samples treated at different low temperatures

0、-20、-40 ℃處理后的煤樣初始滲透率相較于常溫煤樣分別增長了8.15%、23.46%、74.87%。由此可見，隨著處理溫度的降低，煤體局部產生的熱應力增大，導致煤體損傷破壞更加劇烈，滲流通道增多拓寬，煤樣滲透率隨之增大。

3 結 論

1）煤巖在低溫作用下其結構會發生損傷破壞，原生裂隙延展發育并伴有新裂隙產生，同時能夠監測到相應聲發射信號。從聲發射信號的強度和密集程度可將煤樣低溫處理分為3 個階段：初期密集爆發階段、中期間斷活躍階段及末期平靜階段。

2）隨著處理溫度的降低，處理過程中聲發射信號的振鈴計數明顯增多，但幅值分布狀況則基本一致，低幅值信號占80%左右，中高幅值的信號較少。煤巖低溫處理過程中的聲發射信號特征為研究低溫損傷的演化過程提供了新角度和依據。

3）低溫處理改變了煤巖原本的力學性能，隨著處理溫度的降低，煤樣的抗壓強度、彈性模量和泊松比也都有明顯減小。-20、-40 ℃處理煤樣的抗壓強度相較于常溫煤樣分別減小了4.3%、15.6%。

4）相較常溫煤樣，0、-20、-40 ℃處理的煤樣初始滲透率分別增長了8.15%、23.46%、74.87%，低溫作用可增強煤體滲流性能，在試驗的低溫范圍內，處理溫度越低致裂增透效果越顯著。