戎彥龍，王 毅，趙 東,2，趙耀江，游世達(dá)，郭 志

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 晉中 030600；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

0 引言

煤層氣是煤層自生自儲式非常規(guī)天然氣，主要以吸附狀態(tài)儲存于煤層中，是威脅煤礦安全生產(chǎn)和引起溫室效應(yīng)的災(zāi)害性氣體，同時(shí)也是1種替代常規(guī)能源高效、潔凈的能源，其開發(fā)利用在世界多國取得進(jìn)展。我國儲煤層普遍具有低滲高儲的特點(diǎn)，煤層滲透率一般在(0.001～0.1×10-3)μm2，國內(nèi)外學(xué)者針對低滲透性煤層氣開采問題，提出了水力壓裂、擴(kuò)孔等技術(shù)方案，但原有技術(shù)受限于地質(zhì)或水資源等條件[1]，如何合理、高效地提高煤層采前滲透率仍是當(dāng)前尚未解決的難題，對此，眾多學(xué)者在低溫流體煤層增透領(lǐng)域展開研究。

低溫惰性致裂液體產(chǎn)生的冷沖擊能夠劣化煤體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤體力學(xué)性質(zhì)改變，進(jìn)而改善煤層透氣性。盧碩等[2]分別選擇褐煤、煙煤和無煙煤3種煤階的煤樣進(jìn)行不同條件下的液氮溶浸，發(fā)現(xiàn)通過增加液氮循環(huán)處理次數(shù)可有效提升液氮對煙煤的增透效果，多次液氮處理對無煙煤透氣性的改善不甚明顯，只會逐漸降低其抗拉強(qiáng)度，通過增大熱冷沖擊溫度梯度的液氮處理方式可以有效改善無煙煤透氣性。魏建平等[3]通過恒溫箱和液氮對原煤進(jìn)行了不同溫度梯度的冷沖擊試驗(yàn)，研究冷沖擊對煤體致裂增透機(jī)制，各向異性和溫度沖擊產(chǎn)生超過煤體抗拉強(qiáng)度的熱應(yīng)力是主要的增透因素。Xu等[4]通過自制模擬3種不同煤種熱循環(huán)效應(yīng)的高壓低溫反應(yīng)系統(tǒng)，研究了影響熱循環(huán)前后不同方向的p波速度。發(fā)現(xiàn)斷裂效果與煤階有關(guān)，等級越低，最終的斷裂效果越好。冰水相變凍脹力是低溫致裂的重要因素，申艷軍等[5]以理論分析與數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)裂隙邊界在低溫環(huán)境作用下產(chǎn)生凍脹載荷，在冰鋒面凍漲載荷由無到有，在完全凍結(jié)段其水分遷移活動停止時(shí)，凍脹力保持不變。綜上所述，低溫誘導(dǎo)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力與冰水相變產(chǎn)生的凍脹力共同作用造成煤樣孔裂隙改變。利用低溫液氮、液態(tài)CO2相變致裂等技術(shù)[6-10]增產(chǎn)煤層氣，一直以來是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)，雖然低溫致裂技術(shù)已取得一定的成果，但冷沖擊過程中所研究對象通常為干燥煤，冷沖擊對煤體孔裂隙演化的定量表征局限于壓汞法、氮吸附法等，易受試樣尺寸的影響，冷沖擊飽水煤樣過程中的熱效應(yīng)及冰水相變效應(yīng)的影響規(guī)律還需進(jìn)一步完善。

本文利用冷沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)、金相顯微鏡、聲發(fā)射系統(tǒng)分別從宏觀與細(xì)觀角度，研究冷沖擊條件下飽水煤樣損傷規(guī)律演化，并通過三軸滲流系統(tǒng)，驗(yàn)證冷沖擊前后煤體的增透效果，研究結(jié)果可為煤層氣高效開發(fā)利用提供理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備及工業(yè)指標(biāo)

試驗(yàn)所用試樣為煤化程度較高的無煙煤，其宏觀觀測以半亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，采區(qū)位于陽泉新景礦盧南9#煤采區(qū)南翼中部，該煤層厚度平均為3.20 m，煤層傾角平均為7°，煤層層理發(fā)育，工業(yè)分析指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1 9#煤工業(yè)指數(shù)分析Table 1 Industrial index analysis of 9# coal %

選取大塊原煤，按巖樣制備標(biāo)準(zhǔn)，使用金剛砂線切割機(jī)沿煤層層理制備成Ф50*100 mm的煤柱，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)所需試樣均來自同一塊煤，并在端面磨平機(jī)將端面打磨平整光滑(保證試驗(yàn)過程中煤樣受力均勻)，將制備好的試樣編號為低溫組A-2，A-3，A-4，對照組為常溫干燥煤樣A-1，滲透率測試組為B-2，B-3，B-4。

光學(xué)薄片制備過程如下，首先制成Ф20 mm*10 mm的圓形薄片，依次進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、粗拋光、精細(xì)拋光，打磨至鏡面效果，干燥試樣編號N-1、飽水薄片試樣編號N-2，其他薄片備用。

1.2 試驗(yàn)方案

為研究低溫惰性液體致裂過程所產(chǎn)生的冷沖擊對煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響規(guī)律，搭建低溫冷沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示，該平臺可模擬低溫條件下冷沖擊不同含水率煤巖，可測試?yán)錄_擊煤巖產(chǎn)生熱應(yīng)力及冰水相變所生的凍脹力對煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，從多尺度研究冷沖擊煤體致裂效果。具體方案如下：

圖1 細(xì)觀觀測及冷沖擊系統(tǒng)Fig.1 Mesoscopic observation and cold shock system

1)將試樣A-1，N-1放置在鼓風(fēng)干燥箱干燥，對試樣A-2，A-3，A-4及N-2利用自制真空飽水設(shè)備進(jìn)行負(fù)壓飽水處理。

2)對飽水試樣A-2，A-3，A-4及N-2進(jìn)行冷沖擊，具體沖擊溫度見表2，同時(shí)利用聲發(fā)射儀檢測冷沖擊過程中試樣的實(shí)時(shí)狀況，沖擊過后立即放置在剛性壓縮機(jī)試驗(yàn)并配備聲發(fā)射儀器對其內(nèi)部損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)探測。

表2 試樣參數(shù)條件及波速測定Table 2 Sample parameter conditions and wave velocity measurement

3)將薄片N-1，N-2置于相同的溫度下進(jìn)行冷沖擊，并將沖擊后的N-1與N-2分別放置在金相顯微鏡下觀測其表面損傷。測試飽水試樣經(jīng)不同溫度沖擊前后滲透率，飽水、冷沖擊方式按步驟1)～2)進(jìn)行，處理后自然恢復(fù)常溫備用。

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)分為低溫沖擊系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)(包括聲發(fā)射監(jiān)測子系統(tǒng)、顯微鏡觀測子系統(tǒng)、單軸加載系統(tǒng))及三軸滲流測試系統(tǒng)。

1)低溫沖擊系統(tǒng)采用定值溫控系統(tǒng)運(yùn)行方式保持恒溫，溫度控制范圍為-45～190 ℃，溫度控制精度±0.5 ℃，升降溫速率0.7～1 ℃/min。

2)聲發(fā)射單元參數(shù)設(shè)置，其中為避免雜音干擾，試驗(yàn)門檻設(shè)置40 dB，類型固定，前置放大電壓28 V，類型2/4/6，傳感器波形采樣率2 MSPS。

3)金相物鏡采用5X，目鏡10X22 mm，粗微同軸調(diào)焦旋鈕，粗調(diào)量程28 mm，微調(diào)精度0.002 mm，在圖形分析軟件中可實(shí)時(shí)成像。

4)三軸滲流測試系統(tǒng)軸向力控制精度±0.5%，圍壓控制精度±1%，控制范圍為：0～15 MPa，氣體壓力測量精度為示值的±1%。

冷沖擊試驗(yàn)具體步驟：

1)低溫沖擊系統(tǒng)包括低溫試驗(yàn)箱單元、自制真空飽水裝置單元、改裝杜瓦瓶單元，為加強(qiáng)保溫效果，在杜瓦瓶外側(cè)加裝鋁箔保溫層。將低溫組煤樣、圓形薄片N-2放入樣品罐進(jìn)行負(fù)壓飽水，打開真空泵，檢查單元?dú)饷苄?，持續(xù)飽水24 h，此時(shí)認(rèn)為煤樣完全飽水。在低溫箱溫度達(dá)到試驗(yàn)條件后，將煤樣和杜瓦瓶同時(shí)放入分別進(jìn)行0 ℃，-20 ℃，-40 ℃冷沖擊，在煤樣兩側(cè)安裝聲發(fā)射探頭，4 h后觀測表面裂隙，試驗(yàn)過程記錄聲發(fā)射數(shù)據(jù)，試樣處理后放入杜瓦瓶待用。

2)將處理后的煤樣，安裝在單軸加載系統(tǒng)球型座上，降下壓力機(jī)使其固定，安裝聲發(fā)射探頭后，將波速定位，預(yù)加載采用位移控制，控制速率設(shè)置0.1 mm/min，進(jìn)入試驗(yàn)后改為負(fù)荷控制，控制速率設(shè)置為0.02 kN/s，試驗(yàn)結(jié)束后觀測裂隙及破壞狀態(tài)，試驗(yàn)過程中記錄聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

3)將薄片N-1，N-2分別放到載物臺，觀測并記錄圖像，標(biāo)記位置，冷沖擊處理后用顯微鏡對同一標(biāo)記區(qū)域觀測并記錄圖像。

4)將試樣B-2，B-3，B-4飽水后分別經(jīng)0，-20，-40 ℃不同溫度沖擊處理，利用三軸滲流系統(tǒng)，在圍壓、軸壓分別為3 MPa、孔隙壓力為0.5 MPa條件下，分別測試滲透率，多次測量取其平均值作為煤樣最終滲透率。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 冷沖擊煤樣特征及聲發(fā)射變化

飽水煤樣經(jīng)低溫沖擊后宏觀圖像如圖2所示，在0 ℃冷沖擊后，煤樣有水分區(qū)域顏色加深，無明顯變化，-20 ℃冷沖擊后試樣表面水分結(jié)晶，呈顆粒狀彌漫狀分布，-40 ℃冷沖擊后試樣表面可觀測到明顯裂隙條紋分布，表面均附著冰晶，煤樣周圍散落部分脫落碎屑。

圖2 經(jīng)低溫沖擊后試樣特征Fig.2 Characteristics of samples after low temperature shock

經(jīng)低溫處理后的試樣在拍照記錄后，立即進(jìn)行波速測定，各試樣對應(yīng)的冷沖擊前后對應(yīng)的波速結(jié)果如表2所示，具體波速變化率的表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

式中：ε為波速變化率，%；v為冷沖擊后波速，m/s；v0為冷沖擊前波速，m/s。

由式(1)可計(jì)算出，飽水煤樣平均波速由1 819 m/s下降到1 303 m/s，在冷沖擊作用下，飽水煤樣的波速均有一定的下降，不同沖擊溫度作用后波速下降幅度不同，其中試樣A-2波速下降幅度為29.79%，A-3為23.93%，A-4為36.87%。試樣波速的變化能夠間接反映出煤樣內(nèi)部微裂隙密度演化規(guī)律，同時(shí)波速的變化率可表征煤體冷沖擊前后孔裂隙的發(fā)育程度，是由于試樣在冷沖擊過程中因發(fā)生劇烈收縮及凍脹力引起內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力破壞，形成延展裂隙和新生裂隙。原生孔裂隙復(fù)雜度增加，部分裂隙之間相互貫通，新生大量孔裂隙，超聲波在含孔裂隙煤樣中傳播速度衰減明顯。

冷沖擊過程中，煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)破壞，其內(nèi)部各部分之間相互約束會產(chǎn)生熱應(yīng)力，外壁首先冷卻，內(nèi)壁較外壁溫度高，外壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)壁產(chǎn)生壓應(yīng)力。低溫沖擊引起煤體收縮受到約束時(shí)，會在試樣內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力(溫度應(yīng)力)，則在垂直和水平方向的應(yīng)變?nèi)缡?2)～(3)所示：

(2)

(3)

式中：α為線膨脹系數(shù)，1/℃，取21×10-6/℃；Δh/h為在垂直方向的收縮量；Δd/d為在水平方向的收縮量；t0為初始溫度為，℃；t1為受到持續(xù)的冷沖擊后的溫度，℃。

溫度由t1下降到t0，各方向的應(yīng)變均如式(4)所示：

ε=α(t1-t0)=αΔT

(4)

式中：ΔT為溫度變化量，℃。

則煤樣內(nèi)部最大的熱應(yīng)力如式(5)所示：

(5)

式中：E為彈性模量，取3 433 MPa；μ為泊松比，取0.26。

根據(jù)巖石力學(xué)理論，當(dāng)熱應(yīng)力超過其能承受最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤體孔裂隙發(fā)生破壞，重構(gòu)煤體結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算得出0 ℃時(shí)熱應(yīng)力最小為1.95 MPa，-40 ℃熱應(yīng)力最大為5.86 MPa，齊慶新等[11]研究表明，不同變質(zhì)程度的煤抗拉強(qiáng)度為0.28～2.35 MPa，因而在溫度沖擊的載荷作用下，煤樣發(fā)生失穩(wěn)破壞。

煤巖破壞變形過程中聲發(fā)射強(qiáng)度較弱，需借助專業(yè)的聲發(fā)射儀器檢測，即域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波到達(dá)煤巖損傷變形處，將物理變形反饋為AE電信號，以評估聲發(fā)射源的嚴(yán)重性[12-14]。煤巖體聲發(fā)射的頻次、數(shù)量、激烈程度與煤巖體的破壞過程密切相關(guān)，破壞程度越大，巖體聲發(fā)射頻次越高，釋放能量愈大，該指標(biāo)均反映煤巖結(jié)構(gòu)特征及破壞過程[15-18]。本文通過AE計(jì)數(shù)、能量角度分析冷沖擊過程煤巖聲發(fā)射特性，進(jìn)而研究煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷變形規(guī)律。

如圖3(a)～圖3(c)所示，振鈴計(jì)數(shù)最大峰值均在2 000 s內(nèi)，隨冷沖擊溫度降低，振鈴計(jì)數(shù)越來越活躍，振鈴計(jì)數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)間后移，0，-20，-40 ℃條件下最大峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為111，701，1 938 s。如圖3(d)～圖3(f)所示，聲發(fā)射能量與振鈴計(jì)數(shù)變化趨勢一致，按時(shí)間-振鈴計(jì)數(shù)曲線可將冷沖擊過程分為初始爆發(fā)期、間歇平靜期、穩(wěn)定活躍期。不同低溫沖擊，聲發(fā)射計(jì)數(shù)增長趨勢不同，0 ℃聲發(fā)射計(jì)數(shù)經(jīng)歷初始爆發(fā)期-間歇平靜期，冷沖擊過程中聲發(fā)射活動微弱，電信號能量較低，除間歇平靜期外，累積能量曲線趨勢平緩；-20 ℃經(jīng)歷初始爆發(fā)期-穩(wěn)定活躍期，相比0 ℃，聲發(fā)射活動活躍，累計(jì)能量曲線在冷沖擊初期增大趨勢明顯，后期逐漸平緩；-40 ℃較長時(shí)間處于爆發(fā)期，相比0，-20 ℃聲發(fā)射活躍，累計(jì)能量隨時(shí)間曲線斜率不斷增大，呈直線上升趨勢，微觀致裂效果更為明顯。

不同低溫條件下，AE計(jì)數(shù)、能量規(guī)律出現(xiàn)顯著差異，是由于隨沖擊溫度下降，飽水煤樣溫度急劇降低，煤體具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，內(nèi)部礦物顆粒遇冷收縮產(chǎn)生熱應(yīng)力且以拉應(yīng)力形式存在，煤巖存在抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)，使得冷沖擊誘導(dǎo)產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以破壞煤巖原有結(jié)構(gòu)，冷沖擊溫度越低拉應(yīng)力越大，內(nèi)部空間新增裂隙越復(fù)雜，煤巖試樣在不同冷沖擊溫度下，聲發(fā)射計(jì)數(shù)初期最為活躍，煤體經(jīng)低溫沖擊表面溫度急劇變化，誘導(dǎo)煤體拉應(yīng)力致裂，表面產(chǎn)生碎屑脫落現(xiàn)象。綜上所述，飽水煤體經(jīng)過冷沖擊后內(nèi)部孔裂隙進(jìn)一步發(fā)育。

2.2 冷沖擊前后煤相細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷分析

通過冷沖擊煤樣及其聲發(fā)射試驗(yàn)明確飽水煤樣隨溫度降低可有效增強(qiáng)所產(chǎn)生的致裂效果，但孔隙的貫通度、裂隙長度等指標(biāo)需進(jìn)一步研究，通過觀測薄片試樣表面孔隙形貌特征及冷沖擊前后飽水與干燥煤樣裂隙變化，采用定性、定量結(jié)合手段來表征試樣表面細(xì)觀損傷。使用金相顯微鏡放大50倍，采用視頻拍攝方式實(shí)時(shí)觀測煤樣表面特征，分別對薄片N-1干燥煤樣和薄片N-2飽水煤樣冷沖擊處理前后的同一位置進(jìn)行觀測并拍照。

如圖4(a)和圖4(c)所示，分別為干燥煤樣經(jīng)-40 ℃冷沖擊前后拍攝，經(jīng)對比矩形區(qū)域1裂隙閉合，2，3，4區(qū)域出現(xiàn)新裂隙，橢圓形區(qū)域6，7部分連通孔閉合，封閉孔表面碎屑脫落，顏色變淺，橢圓區(qū)域5出現(xiàn)少數(shù)新孔，箭頭m，n所指區(qū)域，裂隙結(jié)構(gòu)經(jīng)冷沖擊復(fù)雜化，由“Ⅱ”型裂隙演變?yōu)椤癏”型裂隙。

圖3 不同冷沖擊過程聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量、累計(jì)能量曲線Fig.3 Acoustic emission count,energy and cumulative energy curves for different cold shock processes

圖4 干燥煤樣冷沖擊前后顯微圖像Fig.4 Microscopic images of dry coal sample before and after cold shock

如圖5(a)和圖5(c)所示，分別為飽水煤樣經(jīng)-40 ℃冷沖擊前后拍攝，經(jīng)對比橢圓區(qū)域1，2出現(xiàn)明顯裂隙，箭頭r所指區(qū)域裂隙由單裂隙演化為網(wǎng)狀裂隙，s，t，u，v箭頭所指區(qū)域出現(xiàn)新生裂隙與原有裂隙交匯，經(jīng)對比原生裂隙擴(kuò)展，并產(chǎn)生較多斜向新生裂隙。

圖5 飽水煤樣冷沖擊前后顯微圖像Fig.5 Microscopic images of saturated coal sample before and after cold shock

冷沖擊前后的顯微圖像經(jīng)ImageJ圖像處理軟件二值化處理后，可便于計(jì)算孔裂隙面積，分別如圖4(b)，圖4(d)，圖5(b)，圖5(d)所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示，可知冷沖擊后干燥和飽水煤樣裂隙面積均有增幅，但飽水煤樣增幅(63.91%)相對于干燥煤樣(11.05%)增幅更大，進(jìn)一步說明冰水相變產(chǎn)生的凍脹力對致裂產(chǎn)生影響大于煤體骨架收縮所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2.3 增透效果驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證冷沖擊前后飽水煤體結(jié)構(gòu)變化帶來的增透效果，進(jìn)行滲透率測試試驗(yàn)，結(jié)果見表4，隨冷沖擊溫度的降低煤樣滲透率增幅效果更加顯著。所測滲透率變化規(guī)律與圖3所示聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)隨冷沖擊溫度降低，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)越來越活躍、累計(jì)能量斜率不斷增大的變化規(guī)律相符合。飽水煤樣隨冷沖擊溫度梯度的增加，促進(jìn)裂隙的擴(kuò)展延伸，在微觀上聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)峰值后移現(xiàn)象，在宏觀上形成裂紋。

表3 試樣冷沖擊前后裂隙面積測定結(jié)果Table 3 Measurement results of crack area of samples before and after cold shock

表4 冷沖擊處理煤樣滲透率測定結(jié)果Table 4 Measurement results of permeability of coal samples treated with cold shock

經(jīng)滲透率測試試驗(yàn)，冷沖擊前后飽水煤體滲透率增幅為15.83%～139.68%，在沖擊過程中新舊裂隙交匯貫通，在顯微鏡下出現(xiàn)網(wǎng)格絮狀裂隙，裂隙面積增幅明顯，煤體原有結(jié)構(gòu)破壞，瓦斯運(yùn)移通道增加，提高煤體的滲透性，有利于瓦斯抽采。

3 冷沖擊后煤樣單軸壓縮加載

不同低溫沖擊煤樣后，在單軸加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢變化基本一致，分為4階段：壓密階段-彈性變形階段-屈服階段-峰后破壞階段，如圖6所示。

圖6 加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves during loading process

壓密階段應(yīng)變-應(yīng)力呈平滑弧形曲線，隨著加載應(yīng)力增大，部分原有孔裂隙閉合，斜率緩慢增大。在彈性變形階段曲線呈線性，水相變?yōu)楸蟊w的結(jié)構(gòu)使得曲線斜率即彈性模量隨冷沖擊溫度的降低而增大，屈服階段曲線呈波浪型。常溫下單軸壓縮試樣最先達(dá)到屈服點(diǎn)，隨冷沖擊的溫度下降，煤孔裂隙中的水相變?yōu)楸?，黏聚力增大，屈服點(diǎn)后移，該階段為裂隙擴(kuò)張階段。峰后破壞階段，煤樣達(dá)到抗壓極限，發(fā)出斷裂聲，但軸應(yīng)力上下反復(fù)波動，表明經(jīng)冷沖擊后的干燥及飽水煤樣此時(shí)仍具有承載能力。單軸壓縮加載作用后煤體端面破壞小，煤體中間破壞嚴(yán)重，主要破壞形式為劈裂，常溫下單軸破壞程度高，破壞形式更為復(fù)雜，裂隙附近散落大量煤屑；煤樣經(jīng)低溫冷沖擊后，煤體內(nèi)部礦物顆粒收縮及冰本身的強(qiáng)度，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度峰值隨溫度降低而增大，其中在-40 ℃的低溫沖擊下，峰值應(yīng)力可達(dá)5.2 MPa。單軸壓縮加載表現(xiàn)為劈裂破壞，破壞類型以剪切破壞為主，加載過程中沿加載方向平行出現(xiàn)多個(gè)主破裂面，且隨冷沖擊溫度降低破裂面越平滑，表面裂紋數(shù)目越多。

為進(jìn)一步探究經(jīng)冷沖擊煤體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，對壓縮加載過程采用聲發(fā)射定位技術(shù)監(jiān)測煤體內(nèi)部損傷及破壞區(qū)域，如圖7(a)～圖7(l)所示，為不同溫度沖擊后煤樣試驗(yàn)壓縮加載開始后100，200，400 s的聲發(fā)射事件定位圖。常溫及冷沖擊作用后煤樣聲發(fā)射定位數(shù)量均隨時(shí)間增加而增加，在試樣逐漸加載過程中，新生裂隙分布由局部演變?yōu)檎w。而對飽水煤樣，隨著冷沖擊溫度的降低，同一時(shí)間聲發(fā)射定位數(shù)量增多，表明煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂位置增多，即煤體內(nèi)部弱結(jié)構(gòu)的數(shù)量變多，說明不同溫度梯度的冷沖擊作用對飽水煤體強(qiáng)度具有弱化效果，且不同低溫沖擊對飽水煤體的弱化效果也不相同，具體表現(xiàn)為溫度越低，弱化效果越明顯。

4 結(jié)論

1)經(jīng)不同低溫沖擊后的飽水煤樣，所測得的波速均有一定下降，其中沖擊溫度越低，波速下降幅度越大，表面經(jīng)不同低溫沖擊后煤樣自身固有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞重構(gòu)現(xiàn)象。

2)冷沖擊過程中聲發(fā)射最大振鈴計(jì)數(shù)均在2 000 s內(nèi)，隨冷沖擊溫度降低，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)越活躍，-40 ℃沖擊時(shí)，累計(jì)能量曲線斜率達(dá)到最大，說明冷沖擊造成的溫差越大所產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大，對煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)影響也越大。

3)通過細(xì)觀顯微手段定量對比分析冷沖擊作用下干燥及飽水煤樣的致裂效果，其中經(jīng)-40 ℃冷沖擊后的飽水煤樣孔裂隙面積增幅可達(dá)63.91%。進(jìn)一步表明，冰水相變所產(chǎn)生凍脹力，是破煤的重要機(jī)制，且對煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)重構(gòu)的影響大于煤體受冷自身骨架收縮及顆粒擠壓所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。經(jīng)冷沖擊后，飽水煤樣孔裂隙演化比干燥煤樣更為復(fù)雜化，新舊裂隙交匯貫通，主體裂隙趨于網(wǎng)格絮化狀，瓦斯運(yùn)移通道增加，滲透率增幅效果滲透率增幅效果隨冷沖擊溫度減小顯著提升，利于瓦斯抽采。

圖7 不同溫度沖擊后煤體單軸壓縮聲發(fā)射定位Fig.7 Acoustic emission localization of coal under uniaxial compression after different temperature shock

4)通過冷沖擊處理煤樣單軸壓縮加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤體內(nèi)部礦物顆粒收縮及冰本身的強(qiáng)度，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度峰值隨溫度降低而增大。壓縮加載過程，煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合壓密-彈性變形-屈服-峰后破壞特征，宏觀上煤體內(nèi)部裂隙經(jīng)歷裂隙閉合-裂隙擴(kuò)張-裂隙新萌生3個(gè)階段，細(xì)觀上新生裂隙分布由局部演化為整體，溫度越低弱化煤體效果越明顯。