凍融循環對煤體孔隙結構的改造特征

袁軍偉，夏靜怡，初紹飛

（1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.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；3.煤礦災害預防與搶險救災教育部工程研究中心，河南 焦作 454000；4.山西潞安環保能源開發股份有限公司漳村煤礦，山西 長治 046000）

瓦斯抽采是瓦斯災害防治的治本之策，是煤層氣（瓦斯）規模化利用的基礎。現階段我國資源開采主要集中在低透氣性煤層中，常見的瓦斯增透促抽技術原理有以下幾類[1-4]：①保護層開采：即上（下）部煤層先行開采保護層，使被保護層大范圍泄壓；②水力壓裂：即在煤層裂隙中注入高壓水，使煤體壓裂從而增大煤層透氣性；③高能氣體爆破：即使用高能量氣體爆破煤體，有效增加煤層透氣性；④水力沖孔：即用高壓水煤層內部沖刷形成孔洞，孔周煤體蠕變過程中形成新的裂隙，從而增加煤層透氣性。但上述增透促抽技術也存在一定的局限性[5-6]，如開采保護層僅適用在層間距合適的煤層群中開采，單一煤層或不具備開采技術條件是無法實施；水力壓裂僅適用于容易和較易抽采瓦斯的煤層中，然而所需設備龐大，投資大，受地面地形條件限制，造成地下水污染；水力沖孔適用于自噴性較好的煤層等等。

冷凍致裂技術是隨著寒區開發興起的一種新型煤巖體致裂技術，國內外學者對此開展了眾多研究。借鑒寒區凍融巖體內部的致裂機理[7-9]，從煤體的物質組成、孔隙結構、次生膠結物性質等因素出發，對影響煤體內孔隙-裂隙發育的因素進行探究。

在凍融循環對煤巖體孔隙-裂隙改造特性方面的研究方面，張志強等[10]認為在凍融過程中，由于各巖層和礦物的熱膨脹系數不相一致，使裂隙增多，從而造成煤層氣的抽采難度降低；劉海康等[11]研究得出凍融對巖體的損傷程度受飽和度影響較大；周科平[12]經試驗得出，冷凍作用可以使煤巖體破裂，從而對強化抽采起到積極的作用。凍融循環技術因其環保增透效果強等優點受到了廣泛關注，該技術將提高煤層的增透率，起到良好的增透效果[13-14]。但現有研究中，對冷凍無煙煤孔隙改造和冷凍效果及最佳次數研究較少。為此，使用冷凍箱（-20 ℃）對無煙煤進行凍融循環實驗，經過核磁共振測試后，得到煤樣的T2圖譜，分析無煙煤凍融循環致裂效果；研究低溫冷凍對無煙煤孔隙結構改造特征，確定該技術措施在現場應用過程中較合理的凍融循環次數。

1 NMR 無損測定技術原理與應用

1.1 NMR 無損測定技術原理

核磁共振是具有磁矩和角動量的原子核所在的系統中所發生的一種自然現象，原子核可以吸收強磁場中存在一定頻率的電磁輻射。當原子核中的質子和中子有1 項或者2 項為奇數時，則具備產生核磁共振的條件。原子核自旋時具有磁矩和自旋角動量，在外部施加1 個核定磁場B，磁矩發生旋進，繼續施加垂直于B 的交變磁場B0。把z 軸磁場增加至原來的63%時的所需的時間稱之為T1弛豫時間，把xy 軸方向上的磁場Bxy減小至原來的37%時所需的時間稱之為T2弛豫時間。核磁共振技術（NMR）是依據氫元素在多孔介質內的流動得到細觀孔隙結構特征，對煤樣中氫元素核磁信號進行測定，從而獲取煤體孔隙中流體的核磁共振T2圖譜。

1.2 煤樣孔隙結構與T2 圖的關系

在煤樣核磁共振研究和應用中包括了橫向弛豫和縱向弛豫2 個過程，弛豫主要有自由、表面、擴散3 種。1/T1為縱向弛豫速率，其在孔隙流體包括自由和表面弛豫速率；1/T2為橫向弛豫速率，其包括橫向自由弛豫速率、橫向表面弛豫速率、橫向擴散弛豫速率。因此在煤體孔隙的研究中，流體的1/T2橫向弛豫速率可以用下式來表示：

由式（2）可知，煤體內孔的比表面積越大，表面相互作用的影響越強烈，弛豫越強，T2弛豫時間越短；反之，則T2時間越長。核磁共振的全部T2圖譜面積，是反映孔隙結構變化的1 個重要參數，它等于或略小于巖石的有效孔隙度。可以視為核磁共振孔隙度，弛豫時間譜積分面積的大小，與巖體中所含流體的多少成正比，因此巖樣在經歷不同的凍融循環次數后，T2譜分布積分面積的變化，可以反映巖石孔隙體積的變化。T2表面弛豫時間可反映孔徑的大小，橫向弛豫時間越長，對應的孔徑越大。T2弛豫時間小于10 ms 的T2圖譜范圍代表試樣中微小孔，10～100 ms 之間代表中孔，大于100 ms 代表大孔及裂隙，T2圖譜的幅值越高，孔的數目越多。

2 試驗流程

2.1 試樣采集與準備

從河南焦作古漢山煤礦二1 煤層工作面采集大塊原生結構無煙煤，并用保鮮膜進行密封。將所采集原煤在Z5040 型立式鉆床上切割成φ25 mm×50 mm圓柱形煤樣。切割時確保煤柱由同一塊原煤中切割而來，煤柱上下端面平整光滑，與軸線垂直，且煤柱表面沒有形成因為鉆割產生的較大裂縫。

2.2 試驗裝置

煤體凍融循環致裂實驗系統主要包括核磁共振測試裝置、真空飽水裝置、干燥稱重裝置和凍融循環裝置4 部分。

1）核磁共振測試裝置。低場核磁設備采用蘇州紐邁科技有限公司生產的MseoMR23-060H-I 型低場核磁共振實驗系統，包括主機、顯示器、測試裝置和測試線圈，設備磁場強度（0.5±0.05）T，儀器主頻率為21.3 MHz，該系統裝配有25 mm 和50 mm 2種不同尺寸的線圈，在測試時需要將飽水煤柱試樣放置于線圈之中。由于煤樣尺寸越大，其每次凍融循環所需的時間周期越長；為節省試驗時間，本實驗選用25 mm 線圈。

2）干燥稱重裝置。干燥稱重裝置由干燥箱和電子天平組成。干燥箱為上海一恒科技有限公司生產的GRX-9053A 熱空氣消毒箱，干燥箱溫度設置為105 ℃。電子天平型號為ME-T 精密天平，其量程為0～220 g，精度為0.1 mg。

3）真空飽水裝置。真空飽水裝置主要包括真空泵和飽水裝置，真空泵型號為2XZ-4 型旋片式真空泵，最大抽真空壓力可達-0.1 MPa。

4）凍融循環裝置。凍融循環裝置由冷凍箱和解凍燒杯組成。本實驗采用冷凍箱對煤樣進行冷凍。冷凍箱型號為BCD-58A118，冷凍溫度為-20 ℃，冷凍箱規格為270 mm×350 mm×300 mm。燒杯為400 mL的大容量器皿，在室溫無風流的燒杯內自然解凍。

2.3 操作步驟

1）取加工好的φ25 mm×50 mm 無煙煤煤樣，放入干燥箱中，干燥箱設置溫度為105 ℃。每隔6 h 取出煤樣在電子天平上進行稱重，當煤樣的質量不再發生變化時，認為干燥完全。

2）將干燥完畢的煤樣冷卻后放置于真空飽水裝置中，在10 Pa 的壓力狀態下真空飽水8 h 以上，確保煤樣完全飽水。對煤樣進行真空飽水時，需將煤柱放入裝有蒸餾水的燒杯中，確保煤柱全部處于蒸餾水液面之下，將燒杯放入真空飽水裝置的真空罩內，打開真空飽水裝置開關進行抽真空。

3）取出飽水后的煤樣，擦干外表面水珠后，對煤樣進行核磁共振測試，測得未凍融循環原始煤樣的T2圖譜。核磁共振實驗操作步驟為：①打開計算機和NMR 測試系統配套軟件，設置好FID 序列和所使用線圈；②打開射頻開關，連接線圈，將煤樣放入線圈，設置好儀器相關參數，SW 譜寬333.333 kHz、SF 頻率主值21 MHz，O1頻率偏移量674 805 Hz、RFD 開始采樣時間的控制參數0.08 ms、RG1 模擬增益15 db、P1 90°脈寬6 μs、DRG 增益3、DR 直接數字化X 射線攝影系統1、TW 重復采樣等待時間1 500 ms、NS 重復采樣次數64、PRG 前置放大增益1、P2 180°脈寬11 μs、TE 回波時間0.201 ms、NECH回波個數1 000；③按照實驗儀器操作步驟進行校準；④校準完畢后，對煤樣進行核磁測試。

4）將進行NMR 測試后的煤樣重新真空飽水，并按照步驟2）中要求進行飽水；取出飽水后煤樣，擦干外表面水珠。

5）取飽水后煤樣裝入密封袋中，確保密封完全。由于冷凍箱為風冷式制冷，為防止風流對煤樣產生的風干作用，降低煤樣保水效果，因此放入密封袋中。

6）將密封袋放置于冷凍箱-20 ℃中，冷凍3 h以后取出，置于燒杯內，在室溫無風流條件下自然解凍，直至完全恢復室溫。

7）對恢復至室溫的煤樣進行核磁共振測試。

8）重復步驟4）～步驟7），即進行真空飽水-低溫冷凍-恢復室溫-核磁測試循環。對同一煤樣進行9 次凍融循環。

3 凍融循環對煤體孔隙結構改造特征

3.1 原始未凍融煤樣的T2 圖譜

按照學者對T2弛豫時間與孔隙結構的研究成果[15-17]，T2弛豫時間小于10 ms 的范圍代表微小孔，10～100 ms 之間的區域代表中孔，大于100 ms 的區域代表大孔及裂隙。因此，將煤樣的T2圖譜劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3 個部分，即T2＜10 ms、10 ms＜T2＜100 ms、T2＞100 ms 3 個部分，分別代表小孔、中孔、大孔及裂隙，其代表區域的面積為煤樣所對應孔隙數量，T2圖譜的幅值越高，則對應的圖譜面積越大，該區域對應孔類型的數量越多。原始飽水未凍融狀態下，無煙煤（-20 ℃）的T2圖譜如圖1。

圖1 無煙煤（-20 ℃）的T2 圖譜Fig.1 T2 spectrum of anthracite（-20 ℃）

由圖1 可以看出，第1 峰位于Ⅰ區，即小孔孔隙區；第2 峰的一部分位于Ⅱ區，即中孔孔隙區，一部分位于第3 峰區，即大孔及裂隙區；第3 峰位于Ⅲ區，即大孔裂隙區。試驗煤樣中小孔、中孔、大孔及裂隙均有發育。無煙煤煤樣的T2圖譜總面積為17 217.9；第1 峰面積為15 886.07，占比為96.265%；第2峰面積為1 250.169，占比為7.261%；第3 峰面積為81.654，占比為0.474%。由此可知，第1 峰的面積遠大于第2 峰、第3 峰面積，說明試驗所用無煙煤小孔隙極為發育，中孔次之，大孔及裂隙最少。

3.2 不同凍融循環次數條件下T2 圖譜

對同一煤樣共進行了9 次凍融循環試驗，不同凍融循環次數煤樣的T2圖譜如圖2，不同凍融次數T2圖譜特征值的變化情況見表1。

圖2 不同凍融循環次數煤樣的T2 圖譜Fig.2 T2 spectrums of different freeze-thaw cycles

表1 不同凍融次數T2 圖譜特征值的變化情況Table 1 Variation of characteristic values of different freeze-thaw times

由圖2 可知，在經過3 次凍融循環時，煤樣T2圖譜譜峰迅速增大，T2圖譜面積增幅明顯，第4～第9 次凍融循環煤樣的T2圖譜變化不大。

由圖2 及表1 分析可知：

1）隨著凍融次數的增加，T2圖譜總體形態保持一致，第1 峰值增大，第2 峰、第3 峰向右、向上移動。表明隨凍融次數的增加，煤樣內部各類孔隙數量均出現不同程度增多；由于低溫冷凍、凍融循環作用，對煤體產生了損傷破壞，微孔萌生，致使各類孔隙進一步發育，小孔、中孔直徑增大，進一步發育成中孔、大孔及裂隙。雖然小孔、中孔轉變為中孔、大孔，但小孔數量仍保持增加的趨勢，說明小孔形成的速率大于小孔轉變為中孔、大孔的速率。

2）圖2（a）中的T2圖譜變化大于圖2（b）、圖2（c）、圖2（d），第1 譜峰峰值和圖譜面積增加最大。圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）圖譜變化微弱，說明第4～第9 次凍融循環對煤樣的破壞損傷減弱，致裂的效果大大降低。

3）由表1 可知，前3 次凍融循環過程中，煤樣中孔隙數量、孔隙面積及孔隙體積均隨著凍融次數的增加而快速增加；在第4～第9 次的凍融過程中，各譜峰面積趨于穩定，隨凍融次數的增加其譜峰面積增幅逐漸減小，各類孔隙的數量、孔隙面積及孔隙體積分布趨于穩定；說明凍融循環、冷凍致裂對煤體的損傷破壞作用是逐漸減弱、并趨于穩定的。

不同凍融次數下煤樣T2圖譜面積如圖3。

圖3 不同凍融次數下煤樣T2 圖譜面積Fig.3 T2 spectrum area of coal samples under different freeze-thaw times

從圖3 可以看出，隨著凍融次數的增加，雖然煤樣的孔隙數量和孔隙面積仍在增大，但其增長率不斷減小并趨于穩定。第1～第3 次的凍融循環中曲線斜率增加，在第3 次的凍融循環中面積增加的斜率最大，反映出煤樣中孔隙結構變化劇烈，孔隙數量、孔隙面積及孔隙體積急劇增加；第4～第9 次的凍融循環中曲線的斜率逐漸減小，其增加幅度趨于穩定。由此可知，在第1～第3 次的凍融循環條件下，凍融損傷煤體致裂效果不斷增強，第4～第9 次的凍融循環條件下致裂效果逐漸微弱。從技術和經濟角度考慮，當煤樣凍融循環3 次時，凍融損傷的效果最佳；當凍融次數超過3 次時，煤體內部的損傷趨于穩定，從經濟上已不再合理。

3.3 凍融循環對煤體孔隙結構的改造機制

在該實驗條件下，煤樣內部孔隙結構的改造主要有3 方面的原因：一是煤樣基質在溫變作用下熱脹冷縮的性質，產生熱應力；二是煤樣內部水分在溫變作用下冷脹熱縮的性質[18]；三是煤樣內部水分在溫變作用下的遷移情況。凍融次數、冷凍溫度與時間均是在以上3 種原因的基礎上增強改造效果。

3.3.1 煤樣基質的熱應力

一般物體都具有熱脹冷縮的現象，物體溫度降低時，分子的動能減小，分子的平均自由程減少，所以表現為冷縮。在煤樣冷凍過程中，會引起表面溫度迅速降低，煤樣表面產生一定程度的應變，萌生新的裂隙，煤樣表面的原始裂隙也會進一步擴展連通。假設煤樣各方向同性均勻，各方向的收縮系數相同，則各方向的應變相同。建立xyz 軸坐標系，由公式可以得出煤樣微元在溫度作用下產生的應變值。

式中：εx′、εy′、εz′為冷沖擊作用后x、y、z 軸方向上的應變；σx、σy、σz為x、y、z 軸方向上的收縮應力，MPa；νH、νV為平面割理、垂直割理的泊松比；EH、EV為平面割理、垂直割理的彈性模量，GPa。

Dwivedi 測試了煤的斷裂韌度KIC為0.242 MPa·m0.5，假設煤樣內部孔隙裂隙0.02 m。當煤樣內部冷沖擊產生的熱應力強度因子KI大于煤斷裂韌度時，即KI>KIC，裂隙擴展。經過計算可知無煙煤在冷凍箱中的熱應力因子強度為0.31 MPa·m0.5，大于KIC，冷沖擊產生的應力超過了煤巖的抗拉強度，使得煤巖的孔隙結構發生破壞，產生熱應力裂縫。

3.3.2 煤樣內部水分的凍脹力

在-20 ℃的試驗條件下，水會表現出冷脹熱縮的現象。經過真空飽水后，煤樣內部孔隙中充滿了大量水分。在巖體冷凍研究中[22]，水冰相變體積增大9%是凍脹的基本特征之一。在煤樣的冷凍循環中，孔隙內部的水分結冰體積增大，致使原有的孔隙增大，孔隙連通性增強，且隨著冷凍時間的增加凍脹力增強。飽水度100%的煤樣在低溫條件下水凍結成冰時，孔隙內部沒有任何緩沖空間，凍脹力全部作用于裂隙壁。在水冰相變的過程中，假設：①孔隙內水分流動符合立方定律；②冰、煤基質各向同性彈性介質；③冰含有未凍水膜，且冰與裂隙壁無摩擦均勻分布；④裂隙橫斷面保持橢圓不變。

凍結段凍結后冰體積Vf為：

無煙煤的孔隙度為5.02%，在溫差為40 ℃，煤線性收縮系數為3×10-6℃-1，可以得出凍脹力的大小為2.202 MPa，煤的抗拉強度約為0.71 MPa，比較可知凍脹力的強度大于煤的抗拉強度。

3.3.3 煤樣內部水分的遷移作用

在凍融循環過程中，冷凍與融化在煤樣內部有所差別。冷凍時溫度梯度的方向由內到外，融化時情況相反。因此，在溫度場作用下各點都存在不同的溫度梯度勢，這給水分遷移提供了一部分動力勢。

在凍結初期，溫度梯度較大，煤樣內部溫度大，連通的孔隙水向水壓力或水密度降低的方向流動，并遷移至凍結峰面結冰。由外向內的水分凍脹速率加快，孔隙變大速度增加。在融化初期，煤樣外部溫度高，外部孔隙內的冰吸熱融化，并通過煤基質傳熱至內部引起內部孔隙冰的融化。此時，由于內部冰壓大于融化產生的少量水壓，孔隙水便會產生向四周流動的力。經過幾次凍融后，煤樣內部孔隙增大，煤骨架變形。較大孔隙中的水分會受到重力的影響下移，因此在往后的凍融循環中煤樣下部的孔隙改造效果更好。

4 結 語

1）在以冷凍箱（-20 ℃）為冷源的條件下對無煙煤進行凍融循環試驗，利用NMR 技術對煤樣凍融前后的T2圖譜進行測定；測定結果表明，隨著凍融次數的增加，煤樣T2圖譜的面積不斷增加。在第1～第3 次凍融循環過程中，圖譜的面積快速增加，第4～第9 次的凍融循環過程中，圖譜面積增加量迅速減小，增長率也迅速衰減。

2）通過煤樣T2圖片面積增加量及增長率，結合凍融循環煤體致裂增透技術現場應用過程中經濟因素及技術條件綜合考慮，認為實施3 次凍融循環后對煤體的致裂效果和增透促抽最為合理。

3）水分在煤樣內部溫度場下的遷移對煤孔隙改造產生影響，新裂隙產生。當熱應力強度因子超過煤樣抗拉強度，孔隙增大連通性增強。