沖擊載荷對無煙煤微觀孔隙的作用機理

王以賢 梁為民

1. 河南建筑職業(yè)技術學院 2. 河南理工大學土木工程學院

0 引言

我國煤層氣資源豐富，2 000 m以淺的資源總量為36.81×1012m3[1]，居世界第三位。但我國煤層氣產(chǎn)業(yè)與美國等發(fā)達國家相比卻存在著很大差距。導致這種差距既有非技術層面的原因[2]，也有技術創(chuàng)新不夠和煤層氣儲層結構、吸附/解吸、氣藏運移等基礎理論研究匱乏等方面的原因，尤其是對煤樣微觀、宏觀層面在沖擊載荷作用前后的孔隙變化及瓦斯解吸[3]、擴散、滲流關系方面的研究與發(fā)達國家相比差距較大。以上也是炸藥爆破[4-5]、CO2相變致裂[6-7]等沖擊擾動致裂方式不能達到理想抽采效果的本質原因。

事實上，國內外學者關于沖擊載荷對脆性材料微觀孔隙破壞機制已有大量研究。王興渝等[8]利用大直徑霍普金森實驗裝置對不同層理的頁巖進行了沖擊載荷實驗，獲得了沖擊載荷作用下層理對頁巖微裂隙的影響特征。戴兵等[9]采用霍普金森實驗裝置模擬了不同循環(huán)沖擊載荷，研究了循環(huán)沖擊載荷對隧道圍巖的破壞規(guī)律。陶明等[10]利用霍普金森實驗系統(tǒng)對花崗巖試件進行了不同沖擊載荷實驗，結果表明：花崗巖層裂斷口的微觀破碎程度和粗糙度隨沖擊載荷增加而增大。Ghamgosar等[11-12]通過沖擊載荷方式研究了巖石的微觀斷裂機制。趙洪寶等[13]利用自制沖擊載荷系統(tǒng)對原煤與型煤試件進行沖擊載荷實驗，結果表明：沖擊載荷后，原煤與型煤內部微結構都發(fā)生了較大變化，并且影響規(guī)律隨沖擊次數(shù)、沖擊能量及沖擊次序的變化而變化。王以賢等[14]通過對比沖擊前后高階煤微觀孔隙參數(shù)的變化特征，初步探討了沖擊載荷對煤體微觀孔隙的影響規(guī)律。通過以上闡述可知，以往學者雖然大量研究了沖擊載荷對巖石等脆性材料的微觀孔裂隙的影響機制，但對于沖擊載荷對煤樣微觀孔隙的影響規(guī)律的研究卻并不深入，尚處于起步階段。

本文以山西沁水煤田成莊礦無煙煤為研究對象，利用霍普金森沖擊載荷實驗系統(tǒng)模擬單次沖擊載荷應力在衰減過程中的沖擊波、應力波，對不同層理方向（垂直、平行、45°斜交）煤樣實施單次沖擊載荷。根據(jù)沖擊前后壓汞、低溫液氮及電鏡掃描數(shù)據(jù)，分析單次沖擊載荷對無煙煤微觀孔隙的作用特點及規(guī)律，得出一次性沖擊載荷對無煙煤微觀孔隙的作用機理，以期進一步豐富和完善煤儲層強化改造理論。此舉對于探討煤層氣產(chǎn)氣機理、產(chǎn)氣特征及其控制因素具有重要的理論意義，對經(jīng)濟有效地開（抽）采煤層氣（煤礦瓦斯）具有現(xiàn)實意義及推廣價值。

1 煤樣選取與制備

1.1 煤樣選取

由于壓汞、低溫液氮及電鏡掃描實驗所選取測試煤樣樣品少，為了最大限度地保證實驗數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計意義及沖擊載荷前后對比可靠，在選取煤樣時按照以下步驟和要求進行。

1）在煤巷采集煤樣時選擇同一煤層同一地點采集，盡量保證所有煤樣屬于同一完整大塊煤樣，并在原始煤塊上標記好煤樣采集位置。

2）鉆取煤樣時盡量保證同一方向煤樣在同一煤塊上鉆取，如果同一煤塊數(shù)量不夠，就根據(jù)采集煤塊過程中標記的編號優(yōu)先選取相鄰煤塊進行鉆取。

3）沖擊載荷前后的壓汞、低溫液氮和電鏡掃描測試樣品都取圓柱體煤樣的中軸位置附近煤顆粒進行實驗。

1.2 煤樣制備

1）利用巖石鉆心機、切割機及雙端面打磨機，制作直徑50 mm，長度50 mm的圓柱體試樣。本次霍普金森沖擊載荷實驗之所以選擇長度50 mm的試樣，原因如下：①滿足一維假定和應力均勻假定[15]；②能夠準確反映材料的動態(tài)力學特性[16]；③該尺寸試塊總質量約150 g，能夠滿足沖擊載荷前后壓汞、低溫液氮及電鏡掃描等孔隙測定實驗對質量的要求。

2）本次取樣分別按垂直、平行和45°斜交層理方向開展取樣。

3）按照《工程巖體實驗方法標準：GB/T 50266—2013》及《煤和巖石物理力學性質測定方法：GB/T 23561.7—2009》要求[17]，利用雙端面打磨機打磨試件，確保實驗煤樣兩端面不平行度小于等于0.02 mm，兩端面不平整度小于等于0.05 mm。兩端面不平行度的測量方法為：將煤樣試件放在水平檢測臺上，一邊移動一邊用百分表測定煤樣試件的表面平整度，其最大值與最小值的偏差應小于0.02 mm，把試件上下顛倒，重復以上操作。

2 實驗過程

1）首先測定煤樣的顯微組分、工業(yè)分析及鏡質組反射率等基本參數(shù)，如表1所示。根據(jù)《國際煤分類：ISO 11760—2018》和《鏡質體反射率的煤化程度分級：MT/T 1158—2011》劃分[17]，成莊礦煤樣變質程度達到無煙煤C階段和高階煤Ⅰ階段。

表1 煤樣煤質的基本參數(shù)表

2）利用霍普金森沖擊載荷實驗系統(tǒng)對煤樣實施沖擊載荷實驗。根據(jù)沖擊載荷應力在煤樣中的衰減規(guī)律及試沖情況[18-21]，本次實驗將沖擊載荷氣壓設定為 0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa、0.30 MPa和 0.50 MPa。所對應的沖擊載荷速度及沖擊載荷如表2所示。

表2 不同沖擊載荷氣壓對應的沖擊載荷速度及沖擊載荷值表

3）壓汞實驗。壓汞實驗采用美國麥克儀器公司Autopre 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 ～1 100 nm。

4）低溫液氮實驗。低溫液氮實驗采用美國麥克儀器公司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。

5）掃描電鏡實驗。掃描電鏡實驗采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡，型號為蔡司Merlin Compact，首先用Gatan 697 Ilion Ⅱ型號的氬離子拋光儀對煤樣進行氬離子拋光。

3 實驗結果及探討

3.1 孔隙結構變化特征

3.1.1 沖擊載荷前后孔容變化特征

為了減小實驗誤差及煤樣各向異性對實驗結果的影響，每個煤樣在中心軸附近取3組試樣做壓汞數(shù)據(jù)。由于1個沖擊載荷3個平行樣，所以同一方向同一沖擊載荷做9個壓汞數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值，同一方向同一沖擊載荷統(tǒng)計了7個數(shù)據(jù)，分別用Vg1、Vg2、Vg3、Vg4、Vg5、Vg6、Vg7表示，為7個有效數(shù)據(jù)的平均值。

基于壓汞孔容數(shù)據(jù)可知，同一方向隨沖擊載荷增加總孔容整體呈增大趨勢，如表3所示。垂直層理方向孔容增幅介于30.29%～100.79%，最大增幅對應的沖擊載荷為41.43 MPa，對應孔容為469.86×10－4cm3/g；平行層理方向孔容增幅介于37.17%～105.7%，最大增幅對應的沖擊載荷為32.59 MPa，對應孔容為486.05×10－4cm3/g；斜交層理方向孔容增幅介于22.28%～77.31%，最大增幅對應的沖擊載荷為28.46 MPa，對應孔容為451.18×10－4cm3/g。

表3 壓汞孔容測試結果表

從平均孔容與沖擊載荷之間的關系可知（圖1）：雖然沖擊載荷后的孔容都大于沖擊載荷前，但并非沖擊載荷越大孔容就越大，而是孔容隨沖擊載荷增加先升高再降低，即存在孔容極大值的最佳改善效果，且不同方向孔容極大值所對應的沖擊載荷大小不同。如垂直層理方向孔容極大值為469.86×10－4cm3/g，對應的極值沖擊載荷為41.43 MPa。原因為：不同方向煤樣對沖擊載荷的響應不同，斜交層理方向煤樣由于本身強度很低、較容易破壞，所以，很小的沖擊載荷就能增加較多的孔容；平行層理方向煤樣受到與層理平行的沖擊載荷后，沖擊載荷應力會沿著層理面直接浸入煤樣內部，改造煤樣更加直接，作用效果更加明顯，所以較小沖擊載荷作用下就達到了很好的改造效果；但是，垂直層理方向的煤樣本身強度較大，也不容易破碎，所以，只有沖擊載荷達到一定程度以后才能增加孔容。

根據(jù)成莊礦煤樣各階段孔孔容占比數(shù)據(jù)可知，不同方向沖擊載荷對無煙煤孔容改造程度不一，孔容總體呈波動增加態(tài)勢（圖2）。垂直層理和斜交層理方向孔容主要增加中孔和大孔，平行層理方向孔容主要增加中小孔（表4）。結合孔容及孔容增加率與沖擊載荷的關系可知，每個方向都存在一個拐點，但不同方向拐點不同且所對應的沖擊載荷大小也不同。垂直層理方向拐點所對應的沖擊載荷為41.43 MPa；平行層理方向拐點所對應的沖擊載荷為32.59MPa；斜交層理方向拐點所對應的沖擊載荷為28.46 MPa。原因可能為：沖擊載荷能夠促進不同階段孔隙的相互轉化，微孔可以轉化為小孔，小孔可以轉化為中孔，中孔能夠進一步轉化為大孔，但由于煤樣的各向異性，導致不同方向不同孔隙的轉化效率存在差異。

表4 各階段孔孔容參數(shù)表

3.1.2 沖擊載荷前后孔隙的平均孔徑變化

瓦斯氣體在大孔徑內滲流時的壁面效應屬于單側壁面受力，在小孔徑內流動時的壁面效應屬于雙側壁面受力[22]。也就是說，孔徑越大，瓦斯流動時的壁面效應越小，與孔壁的摩阻力越小，也就越有利于瓦斯的滲流與擴散。因此，煤樣內部孔隙平均孔徑越大，大直徑孔隙的數(shù)量就會越多，就越有可能為瓦斯提供較好的滲流條件。不同方向沖擊載荷作用后，煤樣平均孔徑都發(fā)生了改變，平均孔徑隨沖擊載荷呈波動變化，不同方向沖擊后都存在一個最大平均孔徑，且沖擊后最大平均孔徑所對應的沖擊載荷與最大孔容所對應的沖擊載荷大小完全一致。結合壓汞孔容及平均孔徑可以認為，成莊礦垂直、平行及斜交層理方向煤樣改造孔隙參數(shù)效果最好的沖擊載荷及相應孔徑分別為41.43 MPa、32.59 MPa、28.46 MPa及201.47 nm、148.25 nm、157.15 nm，如表5、圖3所示。

表5 平均孔徑數(shù)據(jù)表

3.1.3 沖擊前后進退汞曲線變化

壓汞進退曲線形態(tài)能夠反映煤體內部孔隙的連通性[17]，其中，開放孔進退曲線具有明顯的“滯后環(huán)”，半封閉孔則由于進退汞壓力不等而“滯后環(huán)”不明顯或不產(chǎn)生“滯后環(huán)”，墨水瓶孔會由于“瓶體”與“瓶頸”的退汞壓力不等，而產(chǎn)生突降型的滯后環(huán)[23-24]。根據(jù)成莊礦煤樣不同方向沖擊載荷作用前后的進退汞曲線形態(tài)可知：①沖擊載荷對煤樣微觀孔隙連通性的影響很大，即使是較低沖擊載荷（垂直、平行、45°斜交層理）煤樣的進退汞曲線也都較沖擊前有很大變化，“回滯環(huán)”明顯增大，這說明沖擊載荷增強了煤樣孔隙的連通性，提高了瓦斯運移能力，促進了瓦斯的擴散與滲流，如圖4-a、b，圖5-a、b，圖6-a、b所示；②垂直、平行、斜交層理方向都存在沖擊載荷為58.70 MPa時，所對應的進退汞曲線“回滯環(huán)”小于沖擊前的現(xiàn)象，這說明很大的沖擊載荷作用后會產(chǎn)生較多的微小煤粉堵塞中大孔，從而導致煤樣孔隙連通性受阻, 如圖4-f，圖5-f，圖6-f所示；③不同方向進退汞曲線“回滯環(huán)”并不隨沖擊載荷增大而持續(xù)增加，而是存在一個最大“回滯環(huán)”，且每個方向煤樣的最大“回滯環(huán)”所對應的沖擊載荷大小與最大孔容及最大平均孔徑所對應的沖擊載荷大小相同，如圖4～6所示；④不同方向最佳沖擊載荷改造效果所對應的沖擊載荷大小不等。

綜上所述，沖擊載荷能夠改變煤樣內部的孔隙，改善煤樣的孔隙結構，增大煤樣的平均孔徑，提高煤樣孔隙的連通性，增強瓦斯的擴散與滲流；但并不是沖擊載荷越大越有利于瓦斯的抽采，而是存在一個最佳的沖擊載荷改造效果（即孔容最大、平均孔徑最大、孔隙連通性最好），且不同方向最佳沖擊載荷改造效果所對應的沖擊載荷大小不等。

3.2 沖擊載荷對無煙煤微觀孔隙的作用機理探討

3.2.1 沖擊載荷特征與煤樣孔隙變化規(guī)律

根據(jù)成莊礦平行層理方向煤樣電鏡掃描圖片可知：①沖擊前煤樣孔徑多為納米級，如圖7-a所示，很少有微米級孔隙出現(xiàn)；沖擊后煤樣孔隙直徑明顯變大，隨著沖擊載荷的增加，孔隙直徑表現(xiàn)出從偶爾見微米級孔隙到大量出現(xiàn)微米級孔隙到全部是微米級孔隙的變化過程，如圖7-b、c所示。②沖擊實驗后，孔形明顯變化，孔四周形貌由沖擊前的尖狀、狹縫狀變?yōu)閳A弧狀；沖擊前的孔隙類型多為晶內孔，沖擊后出現(xiàn)了大量溶蝕孔，表現(xiàn)出明顯外力破壞作用。③沖擊后能夠看到明顯的應力集中（圖7-b，圖7-c）和沖擊震裂作用（圖7-e）。④隨著沖擊載荷繼續(xù)加大，會出現(xiàn)過大沖擊能量擊碎煤基質堵塞中大孔的情況，如圖7-f所示。

根據(jù)沖擊實驗結果及SEM測試結果可知，沖擊載荷對無煙煤微觀孔隙的影響效果并不隨沖擊載荷增大而持續(xù)改善，而是存在一個最佳改善效果，且不同方向最佳改善效果所對應的極值沖擊載荷大小不同。同一沖擊方向，小于該極值時沖擊改善效果持續(xù)改善，大于該極值時改善效果反而較小于該值時的沖擊效果差，即改善效果劣化。為此，可以將沖擊載荷分為極值以前的沖擊載荷和極值以后的沖擊載荷，這兩種沖擊載荷對微觀孔隙的作用機理完全不同。需要說明的是，不同沖擊方向所對應的極值載荷是不同的，所以，極值以前的沖擊載荷和極值以后的沖擊載荷均具有明顯的沖擊方向性。

3.2.2 沖擊載荷對煤樣微觀作用機理分析

大量文獻表明，煤樣中存在微晶結構[25-29]，它雖然只是存在于微觀孔隙的狹縫和孔洞中，但卻影響著煤的大分子結構及碳網(wǎng)層片的定向化和秩理化[30]，晶格缺陷和邊緣無序化排列也是表征煤樣微觀缺陷的一種方式[31]。因此，可以以微晶缺陷作為突破口，揭示沖擊載荷對煤樣的微觀損傷，進而探討沖擊載荷對煤樣微觀孔隙的作用機理。

位錯是脆性材料晶界之間發(fā)生的一種普遍現(xiàn)象[32]，低速沖擊過程中會產(chǎn)生位錯塞積[33]，對于巖石材料，采用Cotterll位錯塞積模型[34]，可以從能量角度解釋微觀裂紋成核及擴展的機制。一方面，沖擊波同時作用于煤樣的骨架和孔隙氣液系統(tǒng)時，由于沖擊波在兩種系統(tǒng)中的傳播速度不同，就會在兩種系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的“錯動”機制，從而導致大量新位錯的產(chǎn)生。另一方面，低速沖擊過程中，由于外部能量的輸入會促使位錯塞積的產(chǎn)生，也會產(chǎn)生大量新的位錯。大量新位錯的產(chǎn)生與集聚便會形成微裂紋萌生及巖石的微觀損傷，當局部能量大于微裂紋擴展的基本條件時就會生成新的微裂紋[35-36]，從而在累計裂隙尖端產(chǎn)生應力集中，促進裂隙擴展與連通。

根據(jù)以上分析，可以得出沖擊載荷對煤樣微觀孔隙的作用機理為：極值以前的沖擊載荷由于攜帶能量較小而不能夠直接擴展孔隙，潛入煤體內部低能量只能促使發(fā)生位錯的晶體之間產(chǎn)生位錯塞積，從而使晶體之間產(chǎn)生更多的位錯，大量位錯的積累就會產(chǎn)生微裂紋萌生和微觀損傷，當外界能量超過微裂紋擴展所需的基礎能量時，就會形成損傷積累和能量集聚，從而在累計微裂紋尖端產(chǎn)生應力集中，此時所形成的這種應力集中才具有破壞微觀孔隙的作用，這種破壞有兩種結果：一種是擴大孔隙直徑、增加孔容、連通多個孔隙尖端，如圖8-a所示；一種是破壞孔隙尖端，使孔隙變得圓潤，降低孔隙的表面粗糙度，增強孔隙光滑度，從而提高瓦斯的解吸，增加瓦斯擴散與運移速度。

極值以后的沖擊載荷攜帶能量較多，在改造孔隙的同時也會深入煤基質，對煤基質表面進行沖擊，當沖擊波、應力波作用到水、氣、固三相都存在的煤基質表面時，就會因為3種介質波的傳播速度不同而在煤基質表面產(chǎn)生拉應力或剪應力，從而拉裂甚至剪碎煤基質，打開部分閉孔。同時粉碎的煤基質由于顆粒很小就會進入開孔堵塞原有的中大孔，從而使中大孔變?yōu)槲⑿】?，提高微小孔含量，如圖8-b所示。其次，極值以后的沖擊載荷不再具有修飾孔隙作用，而破壞孔隙的能力大大增強，從而破壞原有孔隙，使得原來規(guī)則的、圓潤的孔隙變得粗糙且不規(guī)則。

總之，通過以上分析可以認為，沖擊載荷對不同方向煤樣微觀孔隙結構的影響可以以極值沖擊載荷大小為界，分為極值以前的沖擊載荷對煤樣微觀孔隙結構的影響和極值以后的沖擊載荷對煤樣微觀孔隙結構的影響，這兩種載荷對煤樣微觀孔隙的破壞模式是完全不同：一種是始于微晶結構、基于位錯塞積效應的破壞模式；一種是始于宏觀孔隙、基于煤基質破碎的破壞模式。

4 結論

1）沖擊載荷可以增大孔徑、增加孔容、提高孔隙的連通性，改善孔隙結構，增強瓦斯擴散、滲流與運移速度，但并不是沖擊載荷越大改善孔隙效果越好，而是存在最佳沖擊改善效果，且不同方向最佳改善效果所對應的沖擊載荷大小不同。

2）極值以前的沖擊載荷基于位錯塞積效應所產(chǎn)生的應力集中來破壞孔隙尖端、連通微小孔、增加中大孔、增強孔隙連通性、修飾孔隙、降低孔壁摩阻力，提高瓦斯運移與滲流速度。極值以后的沖擊載荷攜帶富裕沖擊能量在破壞煤基質、增加微孔、堵塞中大孔、降低孔隙連通性的同時還會增加孔隙的不規(guī)則程度，增強孔隙吸附力，減緩瓦斯的擴散與運移。

3）沖擊載荷對煤樣微觀孔隙的破壞模式可以分為兩種。一種是始于微晶結構、基于位錯塞積效應的破壞模式；一種是始于宏觀孔隙、基于煤基質破碎的破壞模式。