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)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，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)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，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)律及增透機制，利用恒溫箱和液氮對原煤煤樣進(jìn)行了兩種條件下的溫度沖擊試驗，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)射信號分布規(guī)律。試驗結(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度的熱應(yīng)力是主要的增透機制。

溫度沖擊;裂隙擴展;電鏡掃描;聲發(fā)射;增透機制

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，日益受到世界各國的重視。我國是煤層氣資源最為豐富的國家之一，煤層氣開發(fā)利用[1-2]具有重要的現(xiàn)實意義。但我國煤層氣儲層一般具有高儲低滲[3]、黏土含量高的特點，常規(guī)的水力壓裂需要消耗大量的水資源，對煤儲層產(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定實驗，得出煤體滲透率會受到有效應(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度。SOMERTON和GUPTA[14]對熱作用后的砂巖進(jìn)行了研究，實驗發(fā)現(xiàn)高溫處理后的砂巖滲透率增加了50%。任韶然等[15]試驗研究了液氮對煤巖冷沖擊的作用機制，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]在對不同類型巖石進(jìn)行反復(fù)凍融循環(huán)試驗的基礎(chǔ)上，得出了隨溫度反復(fù)變化巖石完整性會受到一定的損失，且凍融循環(huán)變化頻率越高、波動的越劇烈，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，混凝土抗壓強度降低比較明顯。蔡承政等[18]研究了液氮對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]等利用低溫壓裂實驗室試驗裝置結(jié)合聲發(fā)射測試手段對巖石的冷凍起裂進(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)。張春會等[20]開展了液氮溶浸致裂的機理研究，結(jié)果表明液氮作用會引起煤內(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、聲波測試儀測試不同初始溫度的煤樣經(jīng)液氮凍融前后的裂隙擴展程度，得到了凍融循環(huán)前后及冷熱交替處理前后煤樣抗壓強度的變化規(guī)律。黃中偉等[23]研究了液氮壓裂時低溫對巖石力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明經(jīng)液氮凍結(jié)處理后，巖石的單軸抗壓強度、抗拉強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，利用掃描電鏡觀測煤樣表面在溫度沖擊作用前后的裂紋擴展規(guī)律，并通過含瓦斯煤三軸滲流實驗系統(tǒng)測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煤巖滲透性影響的宏觀變化規(guī)律。

1 試驗設(shè)備與方案

1.1 試驗裝置

對煤樣進(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，液氮的沸點為-195.8 ℃，用于對煤體進(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

滲透率測試設(shè)備采用河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室的三軸瓦斯?jié)B流實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由煤樣加持器、手動加壓泵、抽真空系統(tǒng)、氣體滲流系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)、位移監(jiān)測系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖2所示。該裝置可以實現(xiàn)不同溫度、不同軸壓和不同圍壓下的瓦斯?jié)B流試驗，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)量流量計兩種手段進(jìn)行監(jiān)測，氣體質(zhì)量流量計量程有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流實驗系統(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、切磨機、干燥箱。

煤樣檢測所用設(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，以保證滲透率測試加載時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)研究內(nèi)容和目的，每組試樣數(shù)量不應(yīng)少于3個。

試驗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。在實驗室中，利用巖芯鉆取機沿垂直層理方向加工成直徑為50 mm的柱狀煤樣，再用巖芯切磨機將鉆取后的煤樣切磨成長度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，以保證滲透率測試加載時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 實驗方案與步驟

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

1.3.1冷沖擊處理試驗步驟

(1)對干燥好的柱狀煤樣進(jìn)行標(biāo)號，M-1～M-5，利用三軸瓦斯?jié)B流實驗系統(tǒng)測定煤樣的氣體滲透率，每個煤樣測定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 ℃)時測量其冷沖擊后的滲透率，并作好詳細(xì)記錄。

1.3.2熱-冷沖擊處理試驗步驟

(1)對干燥好的柱狀煤樣進(jìn)行標(biāo)號，M-6～M-8，利用三軸瓦斯?jié)B流實驗系統(tǒng)測定煤樣的氣體滲透率，每個煤樣測定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 ℃)時測量其熱-冷沖擊后的滲透率，并作好詳細(xì)記錄。

2 試驗結(jié)果與分析

本文所用試驗煤樣均經(jīng)充分干燥，排除水分凍脹對煤體作用，探討冷沖擊和熱-冷沖擊效應(yīng)對滲透率的影響。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)?？梢?，增加溫度梯度對引起裂隙擴展和產(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)到或超過煤的強度極限(抗拉強度)，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，煤體內(nèi)部許多強度較低的顆粒、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)超過抗拉強度時，再次使裂隙擴展。其中因溫度場急劇變化，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)，利用膨脹儀實驗測得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，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

本文對煤樣M-1～M-8進(jìn)行巴西劈裂試驗，測得的最大抗拉強度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。可見，增加溫度梯度對引起裂隙擴展和產(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)可以同時實現(xiàn)對信號的采集、波形處理以及事件發(fā)生的時間。系統(tǒng)主要由主機、信號分析系統(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信號峰值幅度：20～96.3 dB;

(3)上升時間：分辨率為ADC周期，長度為65 535個ADC采樣;

(4)持續(xù)時間：分辨率為ADC周期，長度為4 294 967 295個ADC采樣;

(5)幅度：1～65 535，折合0～96.3 dB;

(6)能量數(shù)據(jù)長度：分辨率為1，64位字長(大數(shù)可折算成科學(xué)計數(shù)方式)。

由于計數(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，本文采用測量聲發(fā)射信號的能量來對連續(xù)型聲發(fā)射信號進(jìn)行分析。

本文監(jiān)測了液氮冷浸煤樣過程中的聲發(fā)射信號，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到了強烈的聲發(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)射能量信號強度高低，煤體在冷沖擊和熱-冷沖擊過程中，經(jīng)歷了微裂隙產(chǎn)生、擴展、衰減階段。

圖6 煤樣M-3冷沖擊過程中聲發(fā)射-時間序列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。溫度對煤巖力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在溫度對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。在微觀裂紋擴展成為宏觀裂紋之前，需要經(jīng)過裂紋的慢擴展階段。理論計算表明，裂紋擴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)射信號強度時高時低，說明裂紋擴展是間斷進(jìn)行的，煤巖都具有一定的塑性，裂紋向前擴展一步，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)裂紋擴展到接近臨界裂紋長度時，就開始失穩(wěn)擴展，成為快速斷裂，這時產(chǎn)生的聲發(fā)射強度更大，人耳會聽到噼啪的聲音。

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)射信號強度高的原因是，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，再次使裂隙擴展，監(jiān)測到聲發(fā)射信號強度較為強烈。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：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比照片。冷沖擊作用前后煤粒表面掃描電鏡對比觀察可見，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-冷沖擊作用對煤巖體的破壞、孔裂隙結(jié)構(gòu)形成與貫通影響更為強烈。

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展，還可能生成新裂隙，當(dāng)裂隙增長到一定程度后，裂隙之間會相互連通，而熱-冷沖擊作用則是通過增大溫度梯度將增透效果加強，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)試驗結(jié)果表明對煤進(jìn)行冷處理和熱-冷處理均可提高其滲透率，對于非均質(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)射信號能量強度較大，由于表面溫度的變化不能瞬時被傳遞遍整個煤體，因而熱傳遞的時間效應(yīng)將產(chǎn)生空間上的熱應(yīng)力效應(yīng)，較大的溫度梯度對裂隙的擴展和新裂隙的產(chǎn)生有促進(jìn)作用，故熱-冷沖擊處理對煤體的損傷強于冷沖擊處理。

(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)在機制。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(51574112,51404100);河南省科技創(chuàng)新杰出青年基金資助項目(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)律與增透機制[J].煤炭學(xué)報,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