王以賢 梁為民

1. 河南理工大學土木工程學院 2. 河南建筑職業(yè)技術學院

關鍵字 沖擊荷載 SHPB 無煙煤 微納觀孔隙 壓汞 低溫液氮

0 引言

煤層氣（俗稱瓦斯）主要以吸附態(tài)附著于煤基質顆粒表面[1]，需要通過抽采使煤層氣有效解吸、擴散、滲流和產出。無煙煤的孔隙尺寸主要處于納米級別[2]，由于煤層吸附性強、滲透率低，要實現無煙煤煤層氣的規(guī)模、高效開發(fā)難度大。研究煤體的微觀孔隙結構有利于加深對煤層氣吸附/解吸機理的理解[3-4]，也可以為解決制約煤層氣產能的瓶頸問題提供相關思路。為此，針對不同變質程度煤的微納觀孔隙結構，國內外已開展大量研究工作[5-10]，但對于沖擊荷載對煤體微納觀孔隙結構的影響研究卻鮮有報道。已有的研究成果表明，通過外部擾動可以改善煤體內部的孔隙結構[11-14]，從而促進煤層氣解吸，同時提高煤層的滲透性，但目前的認識還不是很清楚，有必要對外部擾動改進煤體微觀孔隙結構的作用機理進行深入探討。目前，形成外部擾動的方式主要有3種：①流體沖載，主要包括水力/高能氣體壓裂等[15-16]；②物理場激勵，主要有靜電場/交變電場/電磁場/聲場激勵等[17-18]；③沖擊荷載，比如爆破[19-21]、脈沖沖擊波[22]等。為此，筆者利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）沖擊加載系統(tǒng)模擬沖擊波、應力波，通過開展沖擊實驗，并結合沖擊前后煤樣壓汞及低溫液氮實驗的測試結果，探討了沖擊荷載對無煙煤微納觀孔隙結構的影響，以期為無煙煤爆破參數的設置提供技術支撐。

1 樣品制備與實驗方案

1.1 樣品制備

實驗樣品取自河南省焦作礦區(qū)趙固二礦，屬于無煙煤，其顯微組分、工業(yè)分析結果及基本力學參數如表1所示。為了盡量減小煤樣間的差異，在礦井采煤工作面同一煤層同一地點采集大塊完整煤巖，然后鉆取直徑為50 mm，高度為50 mm的圓柱體。按照《工程巖體實驗方法標準》（GB/T 50266—2013）[23]及《煤和巖石物理力學性質測定方法》（GB/T 23561.7—2009）[24]要求，利用雙端面磨床打磨試件，確保煤樣兩端面平整度小于等于0.05 mm，兩端面平行度小于等于0.02 mm。

1.2 實驗儀器與方案

采用河南理工大學土木工程學院SHPB沖擊加載系統(tǒng)，根據爆炸沖擊波（應力波）壓力隨距離衰減的規(guī)律，結合樣品的基本力學參數及試沖情況，設定沖擊氣壓分別為0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa、0.30 MPa、0.50 MPa。壓汞、低溫液氮實驗在河南省巖石礦物測試中心頁巖氣測試技術研究所進行。其中，壓汞儀采用美國麥克儀器公司AutoPore Ⅳ 9520型全自動壓汞儀，工作壓力介于0.1～60 000.0 psi（1 psi=0.006 895 MPa），測定孔徑介于3 nm～ 1100 μm；低溫液氮儀為美國麥克儀器公司TriStar Ⅱ 3020型全自動比表面積與孔隙度分析儀，測定孔徑介于0.35～500 nm?？讖絼澐植捎肏odot的十進制劃分法[25]，即對于微孔、小孔、中孔、大孔，對應孔徑依次小于10 nm、介于10～100 nm、介于100～1 000 nm、大于1 000 nm。

2 實驗結果分析

2.1 SHPB沖擊實驗

根據一維彈性應力波和應力均勻的假設，采用三波法[26-27]計算煤樣動態(tài)應力、應變及應變率。子彈以一定速度沖擊入射桿，入射桿撞擊試件使試件產生應力、應變并對試件造成一定損傷，然后形成透射波，最后由吸收系統(tǒng)將透射波吸收。該過程實際上是一個能量傳遞和轉化的過程。利用本文參考文獻[28-30]所列能量計算公式，可以計算出煤樣受沖擊后的損傷值。鑒于煤體的非均質性及各向異性，同等實驗條件下沖擊4個試件，取各個參數的平均值（表2）進行分析，其中損傷變量為總耗散能密度與總吸收能密度的比值。

表1 煤樣基本參數表

表2 SHPB沖擊實驗數據表

2.2 壓汞實驗

考慮煤體的各向異性及非均質性，為了增強統(tǒng)計數據的有效性，實驗時在不同方向、不同沖擊力下都設置4個煤樣，取同一方向、沖擊力下的測試數據平均值進行分析（表3）?？梢钥闯鰶_擊荷載的變化會引起孔隙結構參數的改變，但不同方向、不同沖擊力大小對孔隙結構的影響各異。

2.2.1 孔容

如圖1所示，受不同方向沖擊荷載的影響，煤樣總孔容增幅不一。沖擊荷載方向與層理方向垂直時，煤樣總孔容最大增幅為172.7%，對應沖擊荷載為42.10 MPa；與層理方向平行時，煤樣總孔容最大增幅為207.5%，對應沖擊荷載為20.45 MPa；與層理方向斜交時，煤樣總孔容最大增幅為265.0%，對應沖擊荷載為56.90 MPa。在同一方向上，隨沖擊荷載增大總孔容并未持續(xù)增加，而是呈波動式變化，總體呈增加趨勢。其原因包括：①煤樣本身的各向異性及非均質性；②煤體對不同方向沖擊荷載的響應不同；③沖擊荷載越大，煤體越破碎，微小碎粒會堵塞中大孔[31]，導致總孔容不隨沖擊荷載增大而持續(xù)增加。但在制樣及實驗標準統(tǒng)一的前提下，從統(tǒng)計學的角度考慮，大量數據的趨同性也為發(fā)現事物的客觀規(guī)律提供了證據。因此，可以認為煤樣在不同方向沖擊荷載的作用下總孔容是波動增加的，并且煤體對不同方向沖擊荷載的響應確實不同。

如圖2所示，在不同的荷載加載方向上，不同孔徑孔隙的孔容增加率存在著差異。沖擊荷載方向與層理方向垂直時，孔容增加率最大的是微孔，大孔次之，沖擊荷載為61.65 MPa時微孔孔容增加率達到555.5%，沖擊荷載為42.10 MPa時大孔孔容增加率為328.0%；與層理方向平行時，孔容增加率最大的是微孔，小孔次之，沖擊荷載為20.45 MPa時微孔孔容增加率為1161%，小孔孔容增加率為335.6%；與層理方向斜交時，孔容增加率最大的是大孔、中孔，沖擊荷載為56.90 MPa時中孔孔容增加率445.2%，大孔孔容增加率為382.8%?？梢钥闯?，不同方向沖擊荷載對煤體孔隙的改造具有差異性，垂直層理方向上的沖擊荷載主要使微孔和大孔數量增加，平行層理方向上的沖擊荷載主要使微孔和小孔數量增加，而斜交層理方向上的沖擊荷載則主要使中孔和大孔數量增加。

2.2.2 孔比表面積

如表3、圖3所示，沖擊荷載作用后孔比表面積整體呈波動增加狀態(tài)，在不同方向沖擊荷載的作用下孔比表面積增加率不同；沖擊荷載方向與層理方向垂直時，孔比表面積增加率最大的是微孔，大孔、小孔次之；與層理方向平行時，孔比表面積增加率最大的是微孔，小孔次之；與層理方向斜交時，孔比表面積增加率最大的是大孔、中孔。這和前述孔容的變化規(guī)律相似。

2.2.3 孔隙度及退汞效率

孔隙度能夠反映煤體內部孔隙空間的大小；退汞效率是表征煤體內部孔隙連通性好壞的重要指標，退汞效率越高則孔隙連通性越好。如圖4、5所示，沖擊荷載作用后孔隙度及退汞效率都呈波動變化，但整體呈增加趨勢。其原因在于以下兩個方面：①孔容的波動增加導致孔隙度的波動增加；②沖擊后孔隙結構復雜性增強及孔隙表面張力增大是引起退汞效率波動變化的主要原因[32]。在垂直層理方向沖擊荷載的作用下，42.10 MPa對應的孔隙度最大，沖擊荷載為56.90 MPa時退汞效率最高，但42.10 MPa對應的退汞效率僅比56.90 MPa對應的退汞效率低3.58%，孔隙度增幅介于162.6%～816.5%，退汞效率增幅介于-5.8%～24%；平行層理方向上，最大孔隙度、退汞效率對應的沖擊荷載均為20.45 MPa，孔隙度增幅介于72.0%～308.8%，退汞效率增幅介

連通性并未持續(xù)改善。沖擊前煤樣大多為一端封閉孔，沖擊荷載作用后，開放性、透氣性孔隙逐漸增多，但從吸附、脫附曲線分支形態(tài)可以看出并不是沖擊于-1.21%～11.24%；斜交層理方向上，最大孔隙度對應的沖擊荷載為30.96 MPa，僅比56.9 MPa對應的孔隙度大了0.4%，最大退汞效率對應的沖擊荷載為20.45 MPa，僅比56.90 MPa對應的退汞效率大了1.66%，孔隙度增幅介于16.8%～103.4%，退汞效率增幅介于-5.32%～36.78%?？梢哉J為，垂直層理方向的沖擊載荷為42.10 MPa時，改造孔隙的效果好；平行層理方向的沖擊荷載為20.45 MPa時，改造孔隙的效果好；斜交層理方向的沖擊荷載為56.90 MPa時，改造孔隙的效果好。

表3 煤樣壓汞實驗結果統(tǒng)計表

圖1 煤樣總孔容與沖擊荷載的關系圖

圖2 不同加載方向各階段煤樣孔容增加率圖

2.3 低溫液氮實驗

通過開展低溫液氮實驗，測得沖擊荷載方向與層理方向垂直時的液氮吸附—脫附曲線（圖6），可以看出，隨著沖擊荷載的增大，煤體微納觀孔隙的荷載越大越好，而是存在一個最佳值。對于本次實驗，垂直層理方向最佳沖擊荷載為42.10 MPa，這和壓汞實驗的結果一致。不同方向最佳沖擊荷載雖然不同，但對應的損傷值都介于0.1～0.2，根據劉運通和高文學[33]、唐紅梅等[34]的研究，該損傷值范圍正好屬于爆破裂隙區(qū)，即不管哪個沖擊方向，爆破裂隙區(qū)是最佳的致裂增滲區(qū)。

圖3 不同加載方向各階段煤樣孔比表面積增加率圖

圖4 不同方向孔隙度與沖擊荷載的關系圖

圖5 不同方向退汞效率與沖擊荷載的關系圖

3 沖擊荷載改造無煙煤微納觀孔隙結構的機理探討

沖擊波進入煤體后，除了在原有孔隙尖端產生應力集中，擴展原有孔隙，增大中大孔孔隙外，還會在煤基質表面及內部形成較大的張應力[22]，從而破碎煤基質，打開部分封閉孔，并增加微小孔數量，所以，沖擊荷載對無煙煤孔隙的改造是全方位的。雖然同一荷載所攜帶的初始能量相同，但由于與層理作用方向不同，在與層理的交界面所產生的波反射與透射也不相同，因此不同方向沖擊荷載改造孔隙的實際范圍就會產生差異。

圖6 垂直層理方向不同沖擊荷載作用下煤體吸附—脫附曲線圖

4 結論

1）沖擊荷載作用后無煙煤的總孔容、孔比表面積、孔隙度及退汞效率都呈波動式增加，總體上孔隙數量增多、連通性增強，但并不是沖擊荷載越大越有利于瓦斯的解吸、擴散與滲流。

2）不同方向沖擊荷載對煤體孔隙的改造具有差異性，垂直層理方向上的沖擊荷載主要使微孔和大孔數量增加，平行層理方向上的沖擊荷載主要使微孔和小孔數量增加，而斜交層理方向上的沖擊荷載則主要使中孔和大孔數量增加。

3）不同方向最佳沖擊荷載大小不同，垂直層理方向最佳沖擊荷載為42.10 MPa，平行層理方向最佳沖擊荷載為20.45 MPa，斜交層理方向最佳沖擊荷載為56.90 MPa。