魏建平，孫劉濤，王登科，李 波，彭 明，劉淑敏

(1.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000; 2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

溫度沖擊作用下煤的滲透率變化規(guī)律與增透機(jī)制

魏建平1,2,3，孫劉濤1,2，王登科1,2,3，李 波1,2,3，彭 明1,2，劉淑敏1,2

(1.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000; 2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

為了研究溫度沖擊條件下的煤體滲透性變化規(guī)律及增透機(jī)制，利用恒溫箱和液氮對(duì)原煤煤樣進(jìn)行了兩種條件下的溫度沖擊試驗(yàn)，分析了煤樣在溫度沖擊前后的滲透率變化情況和微觀裂隙發(fā)育情況，探討了溫度沖擊過程中的聲發(fā)射信號(hào)分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在經(jīng)過冷沖擊處理和熱-冷沖擊處理后，煤體的滲透率平均增幅分別為48.68%和469.24%，熱-冷沖擊處理過程中煤樣的聲發(fā)射能量峰值是冷沖擊處理過程中煤樣的聲發(fā)射能量峰值的3.6倍，相比冷沖擊處理，熱-冷處理所產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量更多，裂隙呈樹枝狀發(fā)育，增透效果更好;煤體性質(zhì)的各向異性和溫度沖擊所產(chǎn)生的超過煤體抗拉強(qiáng)度的熱應(yīng)力是主要的增透機(jī)制。

溫度沖擊;裂隙擴(kuò)展;電鏡掃描;聲發(fā)射;增透機(jī)制

煤層氣作為氣體能源家族三大成員之一，與天然氣、天然氣水合物的勘探開發(fā)一樣，日益受到世界各國(guó)的重視。我國(guó)是煤層氣資源最為豐富的國(guó)家之一，煤層氣開發(fā)利用[1-2]具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層一般具有高儲(chǔ)低滲[3]、黏土含量高的特點(diǎn)，常規(guī)的水力壓裂需要消耗大量的水資源，對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)生固體物質(zhì)傷害、水鎖水敏傷害和壓裂液低返傷害，壓裂效果不甚理想[4-6]。近年來，為了提高煤層氣增產(chǎn)效果，低溫?zé)o水壓裂技術(shù)[7-8]和注熱增產(chǎn)技術(shù)[9-10]日益受到重視。

在煤巖高低溫度沖擊作用下煤巖孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、滲透性變化規(guī)律等研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究。楊新樂、張永利[11-12]進(jìn)行了不同溫度條件下煤瓦斯的滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，得出煤體滲透率會(huì)受到有效應(yīng)力、氣體吸熱和煤固體受熱影響的結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上建立流固耦合模型。HEARD[13]的研究結(jié)果表明，花崗巖在加熱作用下形成新裂紋，發(fā)現(xiàn)晶粒形狀和尺寸決定了新裂紋的長(zhǎng)度。SOMERTON和GUPTA[14]對(duì)熱作用后的砂巖進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高溫處理后的砂巖滲透率增加了50%。任韶然等[15]試驗(yàn)研究了液氮對(duì)煤巖冷沖擊的作用機(jī)制，結(jié)果表明液氮的超低溫作用能使煤巖基質(zhì)收縮，產(chǎn)生熱應(yīng)力裂縫，增加煤巖滲透率。MUTLUTüK等[16]在對(duì)不同類型巖石進(jìn)行反復(fù)凍融循環(huán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出了隨溫度反復(fù)變化巖石完整性會(huì)受到一定的損失，且凍融循環(huán)變化頻率越高、波動(dòng)的越劇烈，巖石的完整性損失就越大的結(jié)論。韋江雄等[17]利用掃描電鏡(SEM)觀察分析了冷熱循環(huán)負(fù)荷作用下硅酸鹽混凝土微觀形貌的變化。結(jié)果表明，200 ℃條件下硅酸鹽混凝土的水化產(chǎn)物和結(jié)構(gòu)沒有明顯變化;而經(jīng)過15次20 ℃—250 ℃—20 ℃的冷熱循環(huán)后，硬化漿體內(nèi)部出現(xiàn)少量因高溫-冷卻過程造成的裂隙，混凝土抗壓強(qiáng)度降低比較明顯。蔡承政等[18]研究了液氮對(duì)砂巖和混凝土試樣孔隙結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)液氮冷卻可使試樣的孔隙數(shù)量減少和體積縮小，孔隙尺度增加，微裂隙發(fā)育，宏觀裂隙生成，從而提高試樣的滲透率。CHA Minsu[19]等利用低溫壓裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置結(jié)合聲發(fā)射測(cè)試手段對(duì)巖石的冷凍起裂進(jìn)行了相關(guān)研究，分析表明巖石的冷凍破裂程度與巖性有關(guān)。張春會(huì)等[20]開展了液氮溶浸致裂的機(jī)理研究，結(jié)果表明液氮作用會(huì)引起煤內(nèi)溫度拉應(yīng)力和應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中超過煤巖的強(qiáng)度便可產(chǎn)生局部裂縫。李和萬等[21-22]采用激光共聚焦顯微鏡、聲波測(cè)試儀測(cè)試不同初始溫度的煤樣經(jīng)液氮凍融前后的裂隙擴(kuò)展程度，得到了凍融循環(huán)前后及冷熱交替處理前后煤樣抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。黃中偉等[23]研究了液氮壓裂時(shí)低溫對(duì)巖石力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明經(jīng)液氮凍結(jié)處理后，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有降低。

從目前的研究來看，人們主要集中于高溫或低溫影響煤層氣解吸滲流、內(nèi)部孔隙/裂隙結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性等方面的研究，研究人員對(duì)煤樣受溫度沖擊作用的滲透率變化、煤體孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律和微觀形貌等進(jìn)行的研究甚少。本文采用溫度沖擊分別對(duì)煤樣進(jìn)行冷沖擊處理和熱-冷沖擊處理，利用聲發(fā)射設(shè)備來測(cè)試煤樣在溫度沖擊作用下的內(nèi)部微破裂發(fā)生情況，利用掃描電鏡觀測(cè)煤樣表面在溫度沖擊作用前后的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，并通過含瓦斯煤三軸滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試溫度沖擊前后的煤樣滲透率變化情況，試圖從微細(xì)觀方面解釋溫度沖擊對(duì)煤巖滲透性影響的宏觀變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試驗(yàn)裝置

對(duì)煤樣進(jìn)行冷沖擊處理和熱-冷沖擊處理采用恒溫干燥箱加熱和液氮進(jìn)行冷沖擊(圖1)，干燥箱的有效空間為500 mm×300 mm×300 mm，溫度控制范圍為0～999 ℃，溫度控制精度±2 ℃，升溫速度為0～10 ℃/min。液氮的溫度極低，在0.1 MPa壓力下，液氮的沸點(diǎn)為-195.8 ℃，用于對(duì)煤體進(jìn)行冷沖擊處理和熱-冷沖擊處理。

圖1 恒溫干燥箱和液氮Fig.1 Constant-temperature drying oven and liquid nitrogen

滲透率測(cè)試設(shè)備采用河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的三軸瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由煤樣加持器、手動(dòng)加壓泵、抽真空系統(tǒng)、氣體滲流系統(tǒng)、流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖2所示。該裝置可以實(shí)現(xiàn)不同溫度、不同軸壓和不同圍壓下的瓦斯?jié)B流試驗(yàn)，其圍壓加載范圍可達(dá)0～35 MPa，精度為±0.1 MPa;軸壓加載范圍達(dá)0～70 MPa，精度為±0.1 MPa;瓦斯壓力可控制在0～10 MPa，精度為±0.05 MPa;氣體流量可由排水法和氣體質(zhì)量流量計(jì)兩種手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，氣體質(zhì)量流量計(jì)量程有0～100 mL/min和0～500 mL/min 等規(guī)格，精度±0.2 mL/min。

圖2 三軸瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Object picture of triaxial gas seepage testing system

1.2 煤樣制備

試樣加工所用設(shè)備：鉆取機(jī)、切磨機(jī)、干燥箱。

煤樣檢測(cè)所用設(shè)備：游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)、直角尺、天平。

試樣加工精度要求：試樣兩端的平行度偏差不得大于0.005 cm，以保證滲透率測(cè)試加載時(shí)煤樣上下端面受力均勻;試樣兩端的尺寸偏差不得大于0.02 cm;試樣的兩端應(yīng)垂直于試樣軸線。

試樣數(shù)量的要求：根據(jù)研究?jī)?nèi)容和目的，每組試樣數(shù)量不應(yīng)少于3個(gè)。

試驗(yàn)所用煤樣均來自河南省煤業(yè)化工集團(tuán)焦煤公司古漢山礦二1煤層，煤種為無煙煤，煤層平均厚度為5.0 m。在實(shí)驗(yàn)室中，利用巖芯鉆取機(jī)沿垂直層理方向加工成直徑為50 mm的柱狀煤樣，再用巖芯切磨機(jī)將鉆取后的煤樣切磨成長(zhǎng)度50±2 mm的原煤煤樣，在鉆取煤柱過程中要保持均勻緩慢鉆取，以確保鉆取煤樣的完整性，在切磨過程中要將鉆取的煤樣上下端面打磨光滑。每個(gè)煤樣取自同一煤塊，兩端面不平行度不超過0.05 mm，以保證滲透率測(cè)試加載時(shí)煤樣上下端面受力均勻。制備好的煤樣放入干燥箱，調(diào)整干燥溫度為75 ℃，干燥備用，制備好的煤樣如圖3所示。

圖3 制備好的煤樣Fig.3 Coal samples for testing

1.3 實(shí)驗(yàn)方案與步驟

煤樣滲透率的測(cè)試采用三軸瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試氣體為純度99.99%的氮?dú)?，為盡量避免滲透率測(cè)試過程中“密實(shí)效應(yīng)[24]”影響溫度沖擊對(duì)煤巖滲透率的作用規(guī)律，測(cè)試所施加載荷選擇較小的圍壓2 MPa與軸壓2 MPa。

1.3.1冷沖擊處理試驗(yàn)步驟

(1)對(duì)干燥好的柱狀煤樣進(jìn)行標(biāo)號(hào)，M-1～M-5，利用三軸瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)定煤樣的氣體滲透率，每個(gè)煤樣測(cè)定3次，取平均值作為煤樣初始狀態(tài)下的滲透率，并做好記錄。

(2)將液氮(圖4)倒入裝有煤樣的保溫灌中且浸沒煤樣，然后蓋上保溫蓋，冷浸處理1 h，短時(shí)間內(nèi)煤體的溫度由表面向內(nèi)部迅速降低至-195.8 ℃。

圖4 液氮冷浸過程Fig.4 Liquid nitrogen quenching process

(3)冷沖擊處理結(jié)束后，待煤樣恢復(fù)到室溫(20 ℃)時(shí)測(cè)量其冷沖擊后的滲透率，并作好詳細(xì)記錄。

1.3.2熱-冷沖擊處理試驗(yàn)步驟

(1)對(duì)干燥好的柱狀煤樣進(jìn)行標(biāo)號(hào)，M-6～M-8，利用三軸瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)定煤樣的氣體滲透率，每個(gè)煤樣測(cè)定3次，取平均值作為煤樣初始狀態(tài)下的滲透率，并做好記錄。

(2)干燥箱溫度設(shè)定為100 ℃，穩(wěn)定后將煤樣M-6～M-8放入干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱沖擊處理1 h。

(3)然后對(duì)煤樣進(jìn)行冷沖擊處理，方法同1.3.1節(jié)中的步驟(2)。

(4)冷沖擊處理結(jié)束后，待煤樣恢復(fù)到室溫(20 ℃)時(shí)測(cè)量其熱-冷沖擊后的滲透率，并作好詳細(xì)記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文所用試驗(yàn)煤樣均經(jīng)充分干燥，排除水分凍脹對(duì)煤體作用，探討冷沖擊和熱-冷沖擊效應(yīng)對(duì)滲透率的影響。從表1和表2可知，經(jīng)冷沖擊處理后，煤樣M-1～M-5在干燥狀態(tài)下的滲透率有所增加，增幅為21.8%～87.49%，平均增幅為48.68%;經(jīng)熱-冷沖擊處理后，煤樣M-6～M-8在干燥狀態(tài)下的滲透率顯著增加，增幅為377.26%～552.46%，平均增幅為469.24%;熱-冷處理后的煤樣滲透率增幅明顯大于冷處理后的煤樣滲透率增幅(圖5)。可見，增加溫度梯度對(duì)引起裂隙擴(kuò)展和產(chǎn)生新裂隙有促進(jìn)作用，進(jìn)而增大煤體的滲透率，提高增透效果。

表1冷沖擊前后煤滲透率變化
Table1Coalpermeabilitybeforeandaftercoldimpacttreatment

編號(hào)滲透率/10-15m2冷沖擊前冷沖擊后滲透率增幅/%M-1186234918749M-2069109593878M-3087114396521M-4205226703012M-5013301622180

表2熱-冷沖擊前后煤滲透率變化
Table2Coalpermeabilitybeforeandafterthermalandcoldimpacttreatment

編號(hào)滲透率/10-15m2熱-冷沖擊前熱-冷沖擊后滲透率增幅/%M-60568328347799M-70409195237726M-80122079655246

圖5 溫度沖擊前后煤樣滲透率的增幅情況Fig.5 Increase multiples of permeability of coal samples before and after temperature-load impact

3 溫度沖擊的增透機(jī)制

3.1 溫度沖擊煤熱應(yīng)力理論分析

煤是由不同的礦物顆粒所組成的非均質(zhì)體，由于組成煤巖的各種礦物顆粒在溫度沖擊下的熱膨脹系數(shù)各不相同，煤體受到溫度沖擊作用后，各種礦物顆粒的變形也不同。然而，煤作為一個(gè)連續(xù)體，煤體內(nèi)部各礦物顆粒不可能相應(yīng)地按各自固有的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化而自由變形。因此，礦物顆粒之間產(chǎn)生約束，變形大的受壓縮，變形小的受拉伸，由此在煤中形成一種由溫度引起的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力最大值往往發(fā)生在礦物顆粒的邊界處，如果此處的熱應(yīng)力達(dá)到或超過煤的強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度)，則沿此邊界面的礦物顆粒之間的聯(lián)接斷裂，產(chǎn)生微裂隙，隨著溫度梯度的增加，這些裂隙擴(kuò)展形成宏觀裂隙，煤體的滲透率大幅增加。煤是晶體、孔隙、膠結(jié)物、微裂隙、裂隙組成的非均質(zhì)天然材料。當(dāng)煤在溫度沖擊作用下發(fā)生變形時(shí)，煤體內(nèi)部許多強(qiáng)度較低的顆粒、孔隙與微裂隙的存在導(dǎo)致局部產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生更多的裂隙產(chǎn)生、發(fā)展、密集、連通，形成更大的裂縫，直至煤體整體結(jié)構(gòu)的破壞。

相較于冷沖擊，熱-冷沖擊作用下煤體滲透率增幅顯著增大的原因是，煤體外部因溫度驟降造成內(nèi)外溫度梯度過大，外部晶粒受冷體積收縮，與內(nèi)部晶粒之間局部熱應(yīng)力過大，當(dāng)超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，再次使裂隙擴(kuò)展。其中因溫度場(chǎng)急劇變化，煤體各組分相互約束不能自由變形而產(chǎn)生的熱應(yīng)力可由下式計(jì)算[25]：

式中，σij為熱應(yīng)力，GPa;αij為煤體線膨脹系數(shù)，利用膨脹儀實(shí)驗(yàn)測(cè)得21×10-6℃-1;Eij為煤體彈性模量，2 GPa;ΔT為溫度變化,℃;δij為Kronecker符號(hào)，取1。

所以，冷沖擊作用下的熱應(yīng)力為

σL=21×10-6×2 000×215.8×1=9.06 MPa

熱-冷沖擊作用下的熱應(yīng)力為

σR-L=21×10-6×2 000×295.8×1=12.42 MPa

本文對(duì)煤樣M-1～M-8進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，測(cè)得的最大抗拉強(qiáng)度σt為1.48 MPa，即σt<σL<σR-L，遠(yuǎn)小于冷沖擊和熱冷沖擊作用下的熱應(yīng)力，達(dá)到冷沖擊和熱冷沖擊煤體的起裂條件?？梢?，增加溫度梯度對(duì)引起裂隙擴(kuò)展和產(chǎn)生新裂隙有促進(jìn)作用，進(jìn)而增大煤體的滲透率，提高增透效果。

3.2 溫度沖擊作用過程中聲發(fā)射-時(shí)間序列特征和煤體滲透特性

文中所用的聲發(fā)射設(shè)備是由美國(guó)Physical Acoustics Corporation(PAC)公司生產(chǎn)8通道AE-winE1.86 聲發(fā)射儀。該系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、波形處理以及事件發(fā)生的時(shí)間。系統(tǒng)主要由主機(jī)、信號(hào)分析系統(tǒng)、電纜、前置放大器和傳感器組成。聲發(fā)射系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下。

(1)頻率響應(yīng)：1 kHz～40 MHz，±1.0 kHz偏差;

(2)AE信號(hào)峰值幅度：20～96.3 dB;

(3)上升時(shí)間：分辨率為ADC周期，長(zhǎng)度為65 535個(gè)ADC采樣;

(4)持續(xù)時(shí)間：分辨率為ADC周期，長(zhǎng)度為4 294 967 295個(gè)ADC采樣;

(5)幅度：1～65 535，折合0～96.3 dB;

(6)能量數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：分辨率為1，64位字長(zhǎng)(大數(shù)可折算成科學(xué)計(jì)數(shù)方式)。

由于計(jì)數(shù)法易受樣品幾何形狀、傳感器特性、耦合條件和門檻電壓等因素的影響，本文采用測(cè)量聲發(fā)射信號(hào)的能量來對(duì)連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析。

本文監(jiān)測(cè)了液氮冷浸煤樣過程中的聲發(fā)射信號(hào)，圖6和圖7分別為煤樣M-3(由常溫條件下放入液氮中)和M-8(100 ℃溫度沖擊后放入液氮中)液氮冷浸過程中得到的聲發(fā)射能量變化曲線。煤體在冷沖擊和熱-冷沖擊過程中均觀測(cè)到了強(qiáng)烈的聲發(fā)射現(xiàn)象，說明煤體在溫度沖擊過程中其內(nèi)部的確有微破裂產(chǎn)生。根據(jù)聲發(fā)射能量信號(hào)強(qiáng)度高低，煤體在冷沖擊和熱-冷沖擊過程中，經(jīng)歷了微裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、衰減階段。

圖6 煤樣M-3冷沖擊過程中聲發(fā)射-時(shí)間序列Fig.6 AE time history of coal sample M-3 in cold shock processing

圖7 煤樣M-8熱-冷沖擊過程中聲發(fā)射-時(shí)間序列Fig.7 AE time history of coal sample M-8 in thermal-cold shock processing

微裂隙產(chǎn)生階段：冷沖擊從0～100 s和熱-冷沖擊從0～40 s，聲發(fā)射次數(shù)出現(xiàn)增多，但平均每次發(fā)射釋放的能量較小。由于煤是非均質(zhì)材料，加上內(nèi)部大量的微裂紋、微孔洞等微細(xì)觀特征結(jié)構(gòu)的存在，溫度變化使組成煤樣材料的基本成分的力學(xué)性能發(fā)生變化，同時(shí)由于其熱力學(xué)效應(yīng)不一致，引起煤體內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)的變化，而且會(huì)引起煤體孔隙結(jié)構(gòu)的變化，如裂紋的產(chǎn)生，以及結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化。溫度對(duì)煤巖力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在溫度對(duì)煤顆粒組成的骨架力學(xué)性能的影響以及骨架與膠結(jié)物所組成的煤巖力學(xué)性能的影響方面[25]。

微裂隙擴(kuò)展階段：冷沖擊從100～600 s和熱-冷沖擊從40～200 s，此階段聲發(fā)射次數(shù)最多，而且單次聲發(fā)射釋放的能量最大，達(dá)到峰值。在微觀裂紋擴(kuò)展成為宏觀裂紋之前，需要經(jīng)過裂紋的慢擴(kuò)展階段。理論計(jì)算表明，裂紋擴(kuò)展所需要的能量比裂紋形成需要的能量大100～1 000倍。聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度時(shí)高時(shí)低，說明裂紋擴(kuò)展是間斷進(jìn)行的，煤巖都具有一定的塑性，裂紋向前擴(kuò)展一步，將積蓄的能量釋放出來，導(dǎo)致裂紋尖端區(qū)域卸載[26]。這樣，裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射很可能比裂紋形成的聲發(fā)射還大得多。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到接近臨界裂紋長(zhǎng)度時(shí)，就開始失穩(wěn)擴(kuò)展，成為快速斷裂，這時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射強(qiáng)度更大，人耳會(huì)聽到噼啪的聲音。

微裂隙衰減階段：冷沖擊從600～1 200 s和熱-冷沖擊從200～1 200 s，此階段聲發(fā)射現(xiàn)象處于低水平階段，表明煤樣內(nèi)部的變形破壞趨向穩(wěn)定，裂隙擴(kuò)展出現(xiàn)停滯，煤體內(nèi)部溫度分布趨于均勻。

圖6和圖7發(fā)射能量曲線對(duì)比分析，熱-冷沖擊處理過程中煤樣M-8的聲發(fā)射能量明顯大于冷沖擊處理過程中煤樣M-3的聲發(fā)射能量，分別為650 V·μs和180 V·μs，煤樣M-8的能量峰值大約是煤樣M-3的能量峰值的3.6倍，微裂隙擴(kuò)展階段，煤樣M-8的平均聲發(fā)射能量是煤樣M-3的平均聲發(fā)射能量的15倍左右，聲發(fā)射能量高強(qiáng)度釋放與煤體內(nèi)部較大裂隙的出現(xiàn)有關(guān)。

熱-冷沖擊作用下煤體聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度高的原因是，煤體外部因溫度驟降造成內(nèi)外溫度梯度過大，外部晶粒受冷體積收縮，與內(nèi)部晶粒之間局部應(yīng)力過大，當(dāng)超過屈服極限時(shí)，再次使裂隙擴(kuò)展，監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度較為強(qiáng)烈。因此，聲發(fā)射特征一定程度上解釋了圖5中溫度沖擊下滲透率的變化規(guī)律。

3.3 溫度沖擊作用前后電鏡掃描分析

所用掃描電鏡設(shè)備為日本電子株式會(huì)社JSM-6390LV，設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如下。

(1)高真空模式：3.0 nm;低真空模式：4.0 nm;

(2)低真空度：1～270 Pa，高低真空切換;

(3)樣品臺(tái)：X:80 nm，Y:40 nm，T:-10°～+90°，R：360°;

(4)加速電壓：0.5～30 kV束流：1 pA～μA;

(5)放大倍數(shù)：30～300 000。

圖8是溫度沖擊作用前后煤粒表面同一位置的掃描電鏡對(duì)比照片。冷沖擊作用前后煤粒表面掃描電鏡對(duì)比觀察可見，由于冷沖擊作用，煤基質(zhì)收縮[15]，在500倍的放大水平下，煤樣出現(xiàn)了一條寬約1 μm的裂隙，但煤樣整體的結(jié)構(gòu)仍很致密(圖8(a)，(b))。冷沖擊作用還導(dǎo)致附著在煤樣表面的部分煤顆粒脫落，但煤樣原有裂隙寬度加寬的趨勢(shì)不甚顯著(圖8(c)，(d))。古漢山礦煤粒熱-冷沖擊處理前，原始裂隙間斷不連續(xù)(圖8(e))，處理后裂隙明顯增寬，平均寬度為3 μm左右(圖8(f))，間斷的裂隙發(fā)生貫通且裂隙寬度、深度增加，并伴有新的微裂隙產(chǎn)生，形成“Y”型裂隙，增加氣體的流動(dòng)途徑。由于煤巖熱脹冷縮各向異性，在熱-冷沖擊作用下煤顆粒發(fā)生膨脹和縮小引起體積的增加和減小，導(dǎo)致原始裂隙的延伸以及新裂隙的產(chǎn)生，在500倍的放大水平下，煤樣在原有裂隙變寬的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了4條新裂隙，與原有裂隙形成樹枝狀的裂隙群，相互貫通，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重(圖8(g)，(h))?？梢?，熱-冷沖擊作用對(duì)煤巖體的破壞、孔裂隙結(jié)構(gòu)形成與貫通影響更為強(qiáng)烈。

圖8 溫度沖擊作用前后煤粒表面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM photos of coal particle surface before and after thermal loading

通過掃描電鏡觀察，溫度沖擊作用下煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的破壞。冷處理后的煤體，大多出現(xiàn)單一裂隙，對(duì)煤體滲透性的提高比較有限。而熱-冷處理過的煤體，出現(xiàn)不規(guī)則樹枝狀裂隙，規(guī)模大，貫通性好，具有較好的滲透性，易于瓦斯抽放和煤層氣開發(fā)。經(jīng)溫度沖擊處理后，煤體內(nèi)部礦物顆粒遇冷收縮，造成煤體的原始裂隙擴(kuò)展，還可能生成新裂隙，當(dāng)裂隙增長(zhǎng)到一定程度后，裂隙之間會(huì)相互連通，而熱-冷沖擊作用則是通過增大溫度梯度將增透效果加強(qiáng)，從而提高煤巖滲透率。這與圖5中溫度沖擊下滲透率變化規(guī)律相一致，互相印證。

4 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)煤進(jìn)行冷處理和熱-冷處理均可提高其滲透率，對(duì)于非均質(zhì)的煤體而言，熱-冷處理的溫度梯度效應(yīng)更明顯，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力更大，破煤效果好，增透效果更顯著。

(2)相較于冷沖擊，熱-冷沖擊過程中初始階段的聲發(fā)射信號(hào)能量強(qiáng)度較大，由于表面溫度的變化不能瞬時(shí)被傳遞遍整個(gè)煤體，因而熱傳遞的時(shí)間效應(yīng)將產(chǎn)生空間上的熱應(yīng)力效應(yīng)，較大的溫度梯度對(duì)裂隙的擴(kuò)展和新裂隙的產(chǎn)生有促進(jìn)作用，故熱-冷沖擊處理對(duì)煤體的損傷強(qiáng)于冷沖擊處理。

(3)煤體經(jīng)過熱-冷沖擊后掃描電鏡觀察，基質(zhì)收縮導(dǎo)致煤體中產(chǎn)生大量新的裂隙，原始裂隙變寬并延伸，煤體部分顆粒脫落，裂隙呈樹枝狀，相互貫通，煤體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育。

(4)通過熱應(yīng)力理論分析和計(jì)算，不論是何種方式，溫度沖擊處理的破煤條件是所產(chǎn)生的熱應(yīng)力必須要大于煤體抗拉強(qiáng)度。煤體的非均質(zhì)性和熱應(yīng)力的存在是溫度沖擊增透的主要內(nèi)在機(jī)制。

[1] YUAN Liang.Theory and practice of integrated coal production and gas extraction[J].International Journal of Coal Science & Technology，2015，2(1):3-11.

[2] CHENG Yuanping，WANG Liang，LIU Hongyong，et al.Definition，theory，methods，and applications of the safe and efficient simultaneous extraction of coal and gas[J].International Journal of Coal Science & Technology，2015，2(1):52-65.

[3] 葉建平，史保生，張春才.中國(guó)煤儲(chǔ)層滲透性及其主要影響因素[J].煤炭學(xué)報(bào)，1999，24(2):118-122. YE Jianping，SHI Baosheng，ZHANG Chuncai.Coal reservoir permeability and its controlled factors in China[J].Journal of China Coal Society，1999，24(2):118-122.

[4] BENNION D B，THOMAS F B，BIETZ R F.Low permeability gas reservoirs:Problems，opportunities and solutions for drilling，completion，stimulation and production[J].SPE 35577，1996：117-131.

[5] BRYANT J，HAGGSTROM J.An environmental solution to help reduce freshwater demands and minimize chemical use[J].SPE 153867，2012:1-10.

[6] HOLTSCLAW J，LOVELESS D，SAINI R，et al.Environmentally focused crosslinked-gel system results in high retained proppant-pack conductivity[J].SPE 146832，2011:2803-2815.

[7] MCDANIEL B W，GRUNDMANN S R，KENDRICK W D，et al.Field applications of cryogenic nitrogen as a hydraulic fracturing fluid[J].Journal of Petroleum Technology，1998，50(3):38-39.

[8] 張亮，羅炯，崔國(guó)棟，等.低溫氣體輔助煤層氣壓裂中的冷沖擊機(jī)理[J].地球科學(xué)，2016，41(4):664-674. ZHANG Liang，LUO Jiong，CUI Guodong，et al.Mechanisms of cold shock during coalbed frcaturingassisted with cryogenic gases[J].Earth Science，2016，41(4):664-674.

[9] 楊新樂，任常在，張永利，等.低滲透煤層氣注熱開采熱-流-固耦合數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(6):1044-1049. YANG Xinle，REN Changzai，ZHANG Yongli,et al.Numerical simulation of the coupled thermal-fluid-solid mathematical models during extracting methane in low-permeability coal bed by heat injection[J].Journal of China Coal Society，2013，38(6):1044-1049.

[10] 楊新樂，張永利.熱采煤層氣藏過程煤層氣運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40(1):89-94. YANG Xinle，ZHANG Yongli.Process of coal bed methane gas migration regularity numerical simulation with heat injection[J].Journal of China University of Mining and Technology，2011，40(1):89-94.

[11] 楊新樂，張永利.氣固耦合作用下溫度對(duì)煤瓦斯?jié)B透率影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)[J].2008，14(4):374-380. YANG Xinle，ZHANG Yongli.Experimental study of effect of temperature on coal gas permeability under gas-solid coupling[J].Journal of Geomechanics，2008，14(4):374-380.

[12] 楊新樂，張永利，李成全，等.考慮溫度影響下煤層氣解吸滲流規(guī)律試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(12):1811-1814. YANG Xinle，ZHANG Yongli，LI Chengquan，et al.Experimental study of desorption and seepage rules of coal-bed gas considering temperature conditions[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(12):1811-1814.

[13] HEARD H C.Thermal expansion and inferred permeability of climax quartz monzonite to 300 ℃ and 27.6 MPa[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Science & Geomechanics Abstracts 1980，17(5):289-296.

[14] SOMERTON W H，GUPTA V S.Role of fluxing agents in thermal alteration of sandstone[J].Journal of Petroleum Technology，1965，17(5):585-588.

[15] 任韶然，范志坤，張亮，等.液氮對(duì)煤巖的冷沖擊作用機(jī)制及試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(S2):3790-3794. REN Shaoran，F(xiàn)AN Zhikun，ZHANG Liang，et al.Mechanisms and experimental study of thermal-shock effect on coal-rock using liquid nitrogen[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(S2):3790-3794.

[16] MUTLUTüRK M，ALTINDAG R，TüRK G.A decay function model for the integrity loss of rock when subjected to recurrent cycles of freezing-thawing and heating-cooling[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2004，41(2):237-244.

[17] 韋江雄，余其俊，李鐵鋒，等.冷熱循環(huán)負(fù)荷作用下混凝土微觀形貌分析[J].混凝土，2007(1):19-22. WEI Jiangxiong，YU Qijun，LI Tiefeng，et al.Microscopic analysis on hardened Portland cement concrete under thermal cycles[J].Concrete，2007(1):19-22.

[18] 蔡承政，李根生，黃中偉，等.液氮凍結(jié)條件下巖石孔隙結(jié)構(gòu)損傷試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2014，35(4):965-971. CAI Chengzheng，LI Gensheng，HUANG Zhongwei，et al.Experiment study of rock porous structure damage under cryogenic nitrogen freezing[J].Rock and Soil Mechanics，2014，35(4):965-971.

[19] CHA Minsu，YIN Xiaolong，KNEAFSEY Timothy，et al.Cryogenic fracturing for reservoir stimulation-laboratory studies[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2014，124(12):436-450.

[20] 張春會(huì)，李偉龍，王錫朝，等.液氮溶浸煤致裂的機(jī)理研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36(4):425-430. ZHANG Chunhui，LI Weilong，WANG Xichao，et al.Research of fracturing mechanism of coal subjected to liquid nitrogen cooling[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36(4):425-430.

[21] 李和萬，王來貴，牛富民，等.冷熱交替作用致煤樣裂隙結(jié)構(gòu)損傷試驗(yàn)[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016,16(1):40-43. LI Hewan，WANG Laigui，NIU Fumin，et al.Experimental study on the structure crack damage of the coal samples via the abrupt temperature-changing cycles[J].Journal of Safety and Environment，2016,16(1):40-43.

[22] 李和萬，王來貴，牛富民，等.液氮對(duì)不同溫度煤裂隙凍融擴(kuò)展作用研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，25(10):121-126. LI Hewan，WANG Laigui，NIU Fumin，et al.Study on effect of freeze-thaw cycle with liquid nitrogen on crack extension of coal at different initial temperatures[J].China Safety Science Journal，2015，25(10):121-126.

[23] 黃中偉，位江巍，李根生，等.液氮凍結(jié)對(duì)巖石抗拉及抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2016，37(3):694-700. HUANG Zhongwei，WEI Jiangwei，LI Gensheng，et al.An experimental study of tensile and compressive strength of rocks under cryogenic nitrogen freezing[J].Rock and Soil Mechanics，2016，37(3):694-700.

[24] 王登科.含瓦斯煤巖本構(gòu)模型與失穩(wěn)規(guī)律研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2009.

[25] 康健.巖石熱破裂的研究及應(yīng)用[M].大連:大連理工大學(xué)出版社，2008.

[26] 袁振明，馬羽寬，何澤云.聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

Changelawofpermeabilityofcoalundertemperatureimpactandthemechanismofincreasingpermeability

WEI Jianping1,2,3，SUN Liutao1,2，WANG Dengke1,2,3，LI Bo1,2,3，PENG Ming1,2，LIU Shumin1,2

(1.StateKeyLaboratoryCultivationBaseforGasGeologyandGasControl,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China; 2.SchoolofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China; 3.TheCollaborativeInnovationCenterofCoalSafetyProductionofHenan,Jiaozuo454000,China)

To study the change law of permeability of coal under the condition of temperature impact and the mechanism of increasing permeability,the temperature impact test of two kinds of conditions of coal samples were carried out using thermostat and liquid nitrogen,the permeability variation of coal samples before and after temperature shock and the development of micro fracture were analyzed,and the distribution of acoustic emission signal in the process of temperature shock was also discussed.The experimental results indicate that after the cold shock treatment and hot-cold shock treatment,an average increase of permeability of coal were 48.68% and 469.24% respectively,the AE energy peak during hot-cold impact process is 3.6 times of that during the cold shock process.Compared with cold shock treatment,the hot-cold impact process produces more number of crack,the fractures show a dendritic development,and the effect of increasing permeability is better.The thermal stress exceeding the tensile strength of coal produced by the anisotropy and thermal shock properties of coal is the main mechanism of increasing permeability.

temperature impact;crack propagation;electron microscope scanning;acoustic emission;mechanism of increasing permeability

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1489

TD712

:A

:0253-9993(2017)08-1919-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574112,51404100);河南省科技創(chuàng)新杰出青年基金資助項(xiàng)目(164100510013)

魏建平(1971—)，男，河南駐馬店人，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:0391-3987885，E-mail:weijianping@hpu.edu.cn。

：王登科(1980—)，男，湖南永州人，副教授，博士。E-mail:wdk@hpu.edu.cn

魏建平，孫劉濤，王登科，等.溫度沖擊作用下煤的滲透率變化規(guī)律與增透機(jī)制[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(8):1919-1925.

WEI Jianping，SUN Liutao，WANG Dengke，et al.Change law of permeability of coal under temperature impact and the mechanism of increasing permeability[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1919-1925.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1489