不同介质下构造煤体受载破坏孔隙结构变化规律

胡明烨,马衍坤,颜泽文

(1.安徽理工大学 煤矿深井开采灾害防治技术科技研发平台, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学 安全科学与工程学院, 安徽 淮南 232001)

煤与瓦斯突出是一种复杂的煤岩动力灾害,在深部煤炭开采中,这类灾害严重威胁井下采掘安全。突出灾害往往发生在软弱煤层中,在煤体破坏前,由于应力场和瓦斯场相互耦合,导致孔隙结构发生变化。因此了解含瓦斯软煤在应力加载过程中孔隙结构的演化对于动力灾害预防工作至关重要。

核磁共振监测技术由于其高精度、无损特征,常常被用于渗流分析、孔隙分析。在煤层中,1H20、C1H4作为两种最为常见的渗流介质,常用作核磁的监测介质。其中在孔隙分析试验中,大多数学者以1H20作为监测介质,得到了应力条件下原煤的孔隙演化[1-3]、水分分布[4,5],但脱离了煤体内部以瓦斯为主的赋存条件。也有小部分学者以C1H4作为监测介质,分析了煤粉的吸附特性,通过T2图谱的信号确认了煤粉中瓦斯吸附量的准确性,但脱离了真实的应力环境[6,7]. 此外,以瓦斯作为监测介质和以水作为监测介质,分析结果是否一致也尚未可知。从工程实际的角度出发,突出灾害一般发生于软煤层中,对于质地偏硬的原煤,一般不易发生突出灾害。同时,煤层中的流体以甲烷和水居多,在发生采动灾害时,不同的流体对煤层可能也会造成不一样的损伤。针对这些问题,利用专用核磁夹持器、轴向加载装置等,分别以瓦斯和水做为监测介质,以型煤作为受载煤体,开展不同介质下的突出煤体三轴压缩实验,获得煤体破坏过程的T2谱曲线,并分析煤体破坏过程的孔隙结构变化规律,以对煤岩动力灾害危险区做出超前精准探测。

1 试验方法与步骤

1.1 试样样品制备

煤样取自中国河南省平顶山矿区五矿己煤组,埋深300～500 m. 将井下采集的煤样进行粉碎,筛选出粒径为0～0.8 mm与0.8～2.5 mm的煤颗粒,按照0.76∶0.24的质量比例进行配比,再加入浓度为20%的腐殖酸钠溶液,混合后搅拌。最后将搅拌均匀的煤样放入φ25 mm×50 mm的型煤模具中,通过压力机以40 MPa的应力压实,稳压30 min后取出。

1.2 试验装置

试验系统包括MecroMR12-150H-VTHP核磁共振分析仪(中国苏州纽迈公司生产)和专用核磁夹持器两部分,核磁共振分析仪的永磁体磁场强度为(0.3±0.05)T,温度设置为32 ℃. 实验采用序列CPMG进行T2谱测试,回波时间为0.3 ms,回波个数为18 000,等待时间为3 000 ms,采样次数为16.

在夹持器入口端和出口端均有压力传感器以显示压力示数,同时为了保持实验的恒温状态,设置了恒温水浴装置,见图1.

通过核磁共振弛豫法[8-10]分析煤样孔隙特征时,弛豫时间T2与孔隙半径r正相关,即:

r=CT2

(1)

式中:C为定值,μm/s,一般取经验值30;r为孔隙半径,μm;T2为弛豫时间,μs.

在T2图谱中,T2值越大,孔隙半径r越大;其信号幅度越大,对应孔径的孔隙体积越大。

1.3 试验步骤

试验具体步骤分为两部分,具体如下:

1) 监测介质的连接。

以甲烷为监测介质:打开甲烷气瓶,调节气瓶减压阀,并通过管线与夹持器连接,末端连接回压装置和气体流量计。

以水为监测介质时:打开液相加载系统,连接夹持器,并在末端连接回压装置,出口处连接电子天平,记录平均流量。

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2) 煤体的监测及加载。

将烘干的煤样包裹热缩管,并放入核磁夹持器中。加载1.5 MPa围压,围压稳定对煤样抽真空2 h;随后通入指定压力的监测介质;缓慢调节出口端减压阀,使入口端稳定在0.1 MPa,出口端稳定在0.01 MPa,并开始采集T2谱。实验样品主要参数及工业分析参数见表1.

表1 实验样品主要参数及工业分析参数

通过轴压泵对煤体进行加载,并每隔1 MPa分别记录T2谱、渗透率,直至煤样加载破坏。

2 结果与讨论

以往研究表明,煤的孔隙类型可根据T2谱进行划分[11,12],在该实验中,测得的T2谱均呈现三峰分布。P1峰(T2<2.5 ms)对应微孔和过渡孔,主要影响煤的吸附特性,称为吸附孔。P2峰(2.5 ms100 ms)对应中孔或者裂隙,主要影响煤的渗流特性,称为渗流孔。煤样在轴向加载过程中可根据应变特性分为压实阶段、弹塑性变形阶段、峰值破裂阶段。

2.1 受载过程T2谱演化

每个峰与零轴交汇所产生的封闭区域面积对应介质在不同孔隙中的含量,在轴向应力的加载下孔隙发生变形、发育、扩展,使得不同孔隙中介质的含量发生改变。故核磁的信号面积反映了孔隙体积的变化,见图2.

图2 煤体孔隙结构演化规律

在甲烷环境下,煤体在加载过程的T2谱呈三峰分布,最高峰为吸附孔峰P1,吸附孔峰与渗流孔峰P2、P3未实现有效连通。且P1峰远高于P2、P3峰。其中P1、P2峰在加载过程中变化程度较大。说明吸附孔占据了孔隙的大多数,且孔隙之间不连通,产生变化的主体孔隙主要包括吸附孔和孔径较小的渗流孔。

2.2 孔径差异

以甲烷为监测介质的样品孔径小于0.025 μm的占比高达77%,而以水为监测介质的样品孔径小于0.025 μm的占比仅有33%,远低于通过甲烷监测的孔隙占比,这也说明了甲烷更易吸附在微小孔中,而水相较于甲烷不易吸附于微小孔中。

在孔径大于16 μm后,以甲烷为监测介质的煤样孔隙占比归0,而以水为监测介质的样品中孔径大于16 μm的占比仍有17%,见图3,导致这种情况的产生是因为核磁对于不同介质的弛豫能力不同,这也就导致甲烷对微小孔的探测能力更为明显,而水更易探测到煤体内部中大孔隙、裂缝的演化。

图3 不同介质下煤体孔径分布

2.3 煤体孔隙演化分析

通过对加载过程中T2谱面积的归一化处理得到了吸附孔和渗流孔在全过程的孔隙演化规律,见图4.

图4 加载过程中各孔隙体积演化

在以水为监测介质的孔隙演化中可见吸附孔在整个加载过程变化不明显,整体变化幅度在3%以内,但渗流孔呈现先减后增的变化,变化幅度高于20%,从而总孔的变化幅度在17%.

在以甲烷为监测介质的孔隙演化中,吸附孔和渗流孔变化趋势相同,均呈先减后增趋势。而渗流孔的变化幅度较吸附孔更大,变化幅度超过40%,远高于吸附孔的13%. 原因可能存在两点:1) 对渗流孔的监测不全,在监测范围内的渗流孔变化幅度较为剧烈。2) 由于渗流孔的应力敏感性较吸附孔更高,在压缩过程中,渗流孔更易被压缩。由于以甲烷为监测介质的煤样小于0.025 μm吸附孔孔隙占比高达77%,故总孔的孔隙变化与吸附孔类似。

2.4 煤体损伤演化分析

为能更清晰地了解煤体内部的损伤特征,通过各类孔隙变化对含瓦斯煤体受载过程进行定量的损伤分析[13-16],损伤程度公式如下:

(2)

式中:D为损伤程度;Ai为对应轴向应力下不同孔隙类型的谱峰面积;Amin为在同一瓦斯压力下不同孔隙类型的谱峰面积最小值;Amax为在同一瓦斯压力下不同孔隙类型的谱峰面积最大值。

由于水的软化作用,以水为介质的煤样更易发生破坏,整体损伤在2 MPa附近前损伤呈快速减小,随后损伤增加逐渐破坏,这与以瓦斯为监测介质的损伤演化趋势相同。为使相关程度定量化,将加载过程中损伤演化与其他孔的数据通过Pearson相关系数进行分析,见表2.

表2 损伤相关性汇总

以水为介质的煤样中吸附孔损伤程度与整体不同,整体损伤与渗流孔损伤一致,最低相关系数为0.99. 但以甲烷为介质的煤样不同孔隙的损伤变化趋势一致,但损伤整体以吸附孔为主,最低相关系数为0.95. 不同监测介质的煤损伤演化规律见图5.

图5 不同监测介质的煤损伤演化

3 结 论

利用NMR测试技术,对在不同监测介质下的型煤进行三轴压缩试验,结合核磁共振T2谱,探究了不同介质下轴向加载过程中的孔隙特性,主要结论如下:

1) 以水为介质和以甲烷为介质的煤体均呈现三峰分布,且变化集中在P1、P2峰。以水为监测介质的煤样孔隙连通性优于以甲烷为监测介质的煤样。

2) 以甲烷为监测介质时更易捕捉到孔径小于0.025 μm的孔隙,而以水为监测介质更易捕捉到孔径大于16 μm的孔隙。

3) 在以水为监测介质的煤样加载中以渗流孔变化为主,吸附孔变化幅度小于3%. 在以甲烷为监测介质的煤样加载中以吸附孔变化为主。

4) 通过不同监测介质监测煤样的损伤演化趋势整体相同,但以水信号评价损伤时需以渗流孔为准,当以甲烷信号评价损伤时以吸附孔为准。