冷热冲击饱水煤体多尺度损伤特性研究.pdf
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1、为探究饱水煤体在冷热冲击下的损伤特性,使用高低温试验箱对煤样进行不同温差的冷热冲击,冲击过程中利用声发射仪从微观尺度监测煤体损伤,利用金相显微镜从细观尺度观察冲击前后煤体表面的裂隙变化,并从微观尺度与细观尺度解释了冷热冲击后煤体的单轴抗压强度和渗透率的宏观变化。试验结果表明:经冷热冲击后的饱水煤样表面裂隙数目增多,各裂隙相互连接贯通,同一区域内裂隙面积增大;冷热冲击温差越大,声发射信号越活跃,致裂效果越显著,宏观表现为煤体的抗压强度越小,其渗透率增大。关键词:煤层增透;温度冲击;煤体损伤;声发射;金相显微镜;单轴抗压强度中图分类号:TD712文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 9 59(
2、2 0 2 3)0 7-0 13 3-0 6Iulti-scale damage characteristics of water-saturated coal body under thermal shocGUO Zhi,WANG Yi,RONG Yanlong(College of Safety and Emergency Management Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to explore the damage characteristics of
3、 water-saturated coal under thermal shock,a high and lowtemperature test chamber was used to treat the coal samples with different temperature differences.The microscopic observationof the changes of the fissures on the coal surface before and after the shock was carried out from the microscopic sca
4、le,and themacroscopic changes of the uniaxial compressive strength and permeability of the coal body after the thermal shock wereexplained through the microscopic and mesoscopic scales.The test results show that the number of cracks on the surface of thewater-saturated coal sample after cold shock a
5、nd heat shock increases,and the cracks are connected to each other,and thecrack area in the same area increases;the more significant the effect is,the smaller the compressive strength of the coal bodyis,and the higher its permeability is.Keywords:coal seam pemeability enhancement;thermal shock;coal
6、damage;acoustic emission;metallographic microscope;uniaxial compressive strength矿井瓦斯是煤炭开采中常见的有害气体,威胁着煤矿的安全生产。随着开采深度的不断增加,瓦斯含量和瓦斯压力随着开采深度的增加而自然升高,预计瓦斯灾害将越来越严重1.2 。煤层气的开发既可以防治瓦斯,且具有一定的经济价值。我国煤层渗透率普遍偏低,制约着煤层气的开发利用。因此,探究煤层致裂增透技术对煤层气开发具有重要意义3 冷热冲击致裂技术是一种无水压裂技术,对煤体进行高低温度冲击,劣化煤体结构,进而改善煤层透气性。魏建平等4 通过对比冷冲击与热
7、-冷冲击后煤样的渗透率及裂隙发育情况得出热-冷冲击处理增透效果更好,温度冲击产生的热应力大于煤体抗拉强度是主要增透机理。王登科5 等为研究温度冲击下煤的微观结构变化及其损伤断裂机制,分别开展了煤样的冷冲击和热冲击试验,结合断裂力学理论揭示了煤样的断裂机制。张平6 等研究了温度冲收稿日期:2 0 2 2-0 7-18基金项目:国家自然科学基金项目(519 0 419 7);山西省自然科学基金项目(2 0 18 0 1D121283)作者简介:郭志(19 9 6 一),男,山西灵石人,硕士研究生,研究方向:煤层瓦斯渗流机理,E-mail:g u o z h i i proton.me。通讯作者:王
8、毅(19 7 4一),男,山西汾阳人,副教授,研究方向:煤层注热开采中固-流-热耦合机理,E-mail:w a n g y i 。饰水烘休州山1342023年第7 期研究探讨程炭煤击下煤体裂隙结构演化特征,从微细观方面揭示煤体对温度的响应机制。张磊等7 研究了不同含水率煤样在液氮低温致裂下的渗流特性,研究表明相同致裂次数下,煤样含水率越高表面裂隙发育越明显。液氮致裂能提高煤体渗透率水平,且与含水率成正比。田苗苗8 总结了相关学者的研究成果,对水-冰相变冻胀力、液氮汽化膨胀力和温度应力诱发的煤基质收缩作用等主要作用机理进行讨论。张春会等9 研究了饱水度和液氮再溶浸对液氮冷冻煤致裂效果的影响,分析
9、了饱水程度、液氮再溶浸对煤内原生裂隙结构扩展和新裂隙萌生的影响。秦雷10 研究了液氮对煤体孔隙结构变化和煤层渗透性能影响规律,揭示液氮致裂煤体孔隙演化规律和煤层渗透率变化特征。李和万11 使用激光显微镜观测冷热交替作用前后煤样表面原生裂隙扩展情况。刘泉声12 研究了岩体在冻融循环下裂隙中冻胀力的萌生裂隙冻胀扩展和岩体冻胀损伤程度。杨兆中13 为揭示液氮注入地层过程对煤层渗透率影响的规律,采用压力脉冲衰减法开展了低温处理前、后煤岩渗透率测试,结果试验表明随着处理温度的降低,煤岩渗透率升高幅度变大。近年来,温度冲击致裂增透成为学者研究的重点,研究不同温差冲击饱水煤样的损伤规律对煤层气抽采有重要意义
10、。本文利用冷热冲击试验装置、金相显微技术、声发射技术,研究了冷热冲击条件下饱水煤样损伤规律,通过单轴压缩试验和三轴渗流试验验证冷热冲击对煤体损伤的效果。研究结果可为煤层气开发提供理论支撑1试验方法1.1试样制备及工业指标本次试验所用煤样为阳泉新景矿9#无烟煤,选取裂隙较少的大块原煤。按照实验室岩样制备标准煤和岩石物理力学性质测定方法(GB/T23561.72009),使用砂线切割机制取50 mmx100mm的标准煤样。为使煤样在应力加载时上下两端面受力均匀,煤样的端面不平行度小于0.0 0 5cm。将煤样按单轴组和三轴组,分别编号为A,一A4,B,一B4。试验所采用的煤样的工业分析见表1。表1
11、煤工业分析指标%MadAadVarFCad2.4619.311.3466.82金相显微观测所需煤样需按如下流程进行制备,首先将2 0 mm100mm的煤柱试样,制备成若干个2 0 mm10mm的煤样,经手工打磨,抛光达到镜面效果,编号为JI、J2。为减小误差,所需煤样均来自同一煤块使用负压饱水装置对煤样进行饱水处理,每隔12h对煤样称重,直至煤样质量不再变化,得到最大含水率煤样。1.2试验方案通过冷热冲击试验装置,对实验组及对照组煤样进行冷/冷热冲击处理,从以下3 个尺度研究冷热冲击饱水煤体损伤增透效果,1)微观尺度:在冷热冲击饱水煤样的同时使用声发射仪监测冲击过程中的声发射信号2)细观尺度:
12、使用金相显微镜观测冷/冷热冲击前后煤样表面裂隙的变化,验证冷热冲击饱水煤体损伤效果3)宏观尺度:使用单轴压缩装置测试冷/冷热后煤样的力学特性,并使用三轴渗流仪测试冷/冷热冲击后的煤样的渗透率,进一步验证冷热冲击饱水煤体结构损伤效果。试验方案见表2。表2试验方案煤样编号冲击温度类型单轴压缩三轴渗流金相/测试组测试组观测组对照组AB,J-40A2B2一-4040实验组A3B3一40 80A4B4J2-401201.3试验流程试验装置分5个单元:冷热冲击单元、声发射单元、金相显微镜观测单元、单轴加载单元及三轴渗流测试单元。具体流程如下:1)冷/冷热冲击试验。对照组进行冷冲击试验。在饱水处理后的煤样A
13、,表面安装声发射探头,放人预设温度为-40 的低温试验箱,冷冲击处理持续2h,试验过程中记录声发射数据。B、J做相同的冷冲击处理。实验组进行冷热冲击试验。在饱水处理后的煤样A,表面安装声发射探头,放入预设温度为-40 的低温试验箱,冷冲击处理持续2 h,立即取出,放人预设温度为40 的高温试验箱,热冲击处理持续2 h。试验过程中记录声发射数据。煤样A3、A 4、J(B3、B4)重复上述冷热冲击步骤,热冲13520233年第7 期程炭研究探讨煤击温度分别改变为8 0 和12 0。2)金相显微观测。J1、J煤样冷/冷热冲击试验前,使用金相显微镜观测并拍取图像,选取具有裂隙特征的图像并标记观测点位置
14、。冷/冷热冲击试验后用显微镜对同一标记区域观测并记录图像。3)单轴压缩试验。将冷冲击处理后的煤样Al置于球型座上,降下压力机使煤样固定,在煤样表面安装声发射探头。预加载采用位移控制,控制速率设置为0.1mm/min,试验开始后改为负荷控制,控制速率设置为0.0 2 kN/s,试验结束后观测裂隙及破坏状态,试验过程中记录声发射数据。重复上述操作,测试A2一A404)三轴渗流试验,将冷冲击处理后的煤样B,装人三轴渗流仪。对煤样施加3 MPa轴压,3 MPa围压,0.5MPa孔隙压。待吸附平衡后,测试其渗透率,重复测量3 次,取其平均值。重复上述操作,测试 B2-B4 02冷热冲击饱水煤体损伤特性与
15、机理2.1声发射特征饱水煤样经不同温度冷热冲击后的端面如图1所示,经-40 冷冲击后,煤样裂隙清晰可见;经-4040冷热冲击,煤样裂隙数量较冷冲击增多,随着冷热冲击的温差增大,煤样端面裂隙逐渐增加,-40120冷热冲击煤样的裂隙最多,细小新生裂隙数目增加,裂隙之间相互贯通,裂隙发育较充分A1A2A3A4图1冷热冲击煤样端面冷热冲击会对造成煤体损伤,在此过程会产生声发射信号并以弹性波的形式从破坏源向外释放能量14.5,因此可利用声发射监测仪监测其损伤,从微观尺度分析冷/冷热冲击对煤体的结构弱化规律。不同温度冷/冷热冲击煤样在冲击过程中的声发射振铃计数如图2 所示。冷冲击煤样在冲击初期声发射信号密
16、集,振铃计数激增达到峰值,之后逐渐下降,进入平静期,声发射事件大幅减少。不同温度冷/冷热冲击煤样在冲击过程中的声发射能量及累计能量曲线如图3 所示。其能量的变化趋势与振铃计数一致,能量达到峰值后,累计能量趋于平缓。300r15001500r2500200020010001000150010050050010005000L0000010002000300001000200030000100020003000100020003000时间/s时间/s时间/s时间/s(a)-40(b)-4040(c)-4080(d)-40120图2冷/冷热冲击煤样过程声发射振铃计数11500120002000元累计能
17、量1200002500r40000300F累计能量900累计能量累计能量能量能量90001500能量15000能量30000200F900600150060001000100002000060010030030030005005000500100001001010010002000300000100020003000100020003000100020003000时间s时间/s时间/s时间/s(a)-40(b)-4040(c)-4080(d)-40120图3冷/冷热冲击煤样过程声发射能量及累计能量冷-热冲击煤样在冷冲击阶段声发射特征与冷冲击煤样基本一致,所以截取其热冲击阶段的计数及能量进行分析
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