基于熱聲發(fā)射技術(shù)的陜北火燒巖燒變溫度識(shí)別

孫 強(qiáng)，王少飛，葛振龍，魏少妮，丁曉英

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054；4.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

火燒巖是煤層自燃導(dǎo)致周圍巖石(特別是上覆巖層)發(fā)生高溫變化形成的巖體[1-2]，目前在中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、蒙古、印度等主要產(chǎn)煤國(guó)家都有發(fā)現(xiàn)[3-14]。我國(guó)的火燒巖主要發(fā)育在新疆、陜西陜北、內(nèi)蒙古鄂爾多斯、寧夏賀蘭山等地的侏羅紀(jì)煤田，在山西、甘肅、青海等地也有發(fā)現(xiàn)。煤層自燃高溫作用形成的火燒巖巖體多呈現(xiàn)為碎裂結(jié)構(gòu)，巖石裂隙和孔隙增多，巖體強(qiáng)度降低，導(dǎo)水性和儲(chǔ)水性增強(qiáng)，制約著其下部煤層安全開采[15]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)火燒巖的分類、理化性質(zhì)等方面已有深入研究[16-18]。管海晏等[19]將火燒巖的形成分為4 個(gè)階段：烘烤階段、瓷化階段、熔融階段、冷凝階段；劉志偉[20]對(duì)陜北地區(qū)火燒巖的工程地質(zhì)特征、地球物理特征、分布特征、滲透性做了研究；范立民[21]對(duì)火燒巖的裂隙率做了實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，討論了火燒巖對(duì)煤礦安全開采的意義。同時(shí)火燒巖區(qū)的水文地質(zhì)特征也是保水采煤的重點(diǎn)研究對(duì)象。火燒巖的研究有助于探討煤層盆地的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，分析煤層自燃的古氣候和古地理特征[22-28]。

火燒巖的形成、演化及工程性質(zhì)與其燒變溫度密切相關(guān)。根據(jù)巖石熱記憶性的Kaiser 效應(yīng)[29-30]，巖石能夠記憶地質(zhì)歷史中經(jīng)歷過的最高溫度。席道瑛等[31]通過熱聲發(fā)射技術(shù)對(duì)全國(guó)9 個(gè)地區(qū)巖石樣品的閾值溫度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果與地質(zhì)溫度計(jì)測(cè)量值較為吻合。張建坤等[32]利用巖石熱聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)與干酪根紅外光譜，對(duì)中揚(yáng)子地區(qū)西部典型井下古生界海相頁(yè)巖經(jīng)歷的最高古溫度及熱演化成熟史進(jìn)行了恢復(fù)。李佳蔚等[33]探討了塔里木盆地不同埋深的砂巖和泥巖以及川西地區(qū)灰?guī)r的熱Kaiser 效應(yīng)，結(jié)果表明實(shí)測(cè)的閾值溫度和巖石經(jīng)歷的最高溫度基本一致。因此，通過對(duì)火燒巖加熱過程的聲發(fā)射信號(hào)特征分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置火燒巖燒變溫度的識(shí)別。

目前關(guān)于火燒巖(特別是對(duì)古火燒巖)燒變溫度識(shí)別未有報(bào)道?；诖?，筆者選取陜北神木張家峁火燒巖，針對(duì)不同層位的巖樣進(jìn)行熱聲發(fā)射測(cè)試。通過熱Kaiser 效應(yīng)，對(duì)火燒巖燒變溫度進(jìn)行識(shí)別，在此基礎(chǔ)上研究火燒巖區(qū)的工程地質(zhì)效應(yīng)，對(duì)于煤礦防治水、圍巖穩(wěn)定等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 樣品采集與測(cè)試

1.1 典型取樣點(diǎn)剖面地質(zhì)特征

取樣點(diǎn)位于神木市考考烏素溝北側(cè)，如圖1 所示。該位置屬于寬淺河谷地貌與沙蓋黃土梁峁地貌，相對(duì)高差50～70 m。河谷水流侵蝕作用較弱，河谷及階地寬度50～100 m，呈“U”形。梁峁地勢(shì)渾圓平緩，溝壑、溝谷縱橫交錯(cuò)，切割深度10～20 m。如圖2 所示，上部為深灰色中粒長(zhǎng)石砂巖，巖石受燒變影響較??；中部主要為磚紅色烘烤巖；煤灰上部和局部出露褐紅色燒熔巖，可見大量的氣孔構(gòu)造；下部為灰白色細(xì)砂巖(原巖)，幾乎未受煤層自燃影響。根據(jù)層位、顏色和巖性的特征分為8 層，采取8 組樣品(圖3)。

圖1 取樣點(diǎn)地形地貌(鏡向240°)Fig.1 Topography and geomorphology of the sampling site (mirror direction 240°)

圖2 取樣點(diǎn)巖體結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Structural characteristics of the rock mass at the sampling site

圖3 采樣層位Fig.3 Diagram of sampling levels

1.2 樣品制備與測(cè)試過程

選取大塊完整、表面無明顯裂隙的不同層位巖樣，嚴(yán)格按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)規(guī)范(International Society for Rock Mechanics，ISRM)，將試樣加工成直徑為50 mm、高為25 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣。將制備好的巖樣在50℃的溫度下干燥24 h。將干燥后的試樣放入馬弗爐中，以8℃/min 的升溫速率加熱至目標(biāo)溫度并恒溫2 h。采用DS5-8A/B 型聲發(fā)射信號(hào)分析系統(tǒng)，在加熱的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射門檻值設(shè)為40 dB，采用Macromr 12-150 h-1 型大口徑核磁共振分析與成像系統(tǒng)對(duì)不同層位火燒巖的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。

2 燒變溫度識(shí)別

2.1 聲發(fā)射累計(jì)能量特征

基于巖石熱聲發(fā)射特征對(duì)不同層位的火燒巖的燒變溫度進(jìn)行識(shí)別。本試驗(yàn)采用累計(jì)能量來識(shí)別不同層位巖石熱Kaiser 效應(yīng)的閾值溫度。從圖4 可以看出，當(dāng)加熱溫度超過某一溫度之后，巖石聲發(fā)射累計(jì)能量曲線開始呈顯著的上升趨勢(shì)，這一溫度被定義為熱Kaiser 效應(yīng)的閾值溫度，即巖石經(jīng)歷的最高溫度。當(dāng)加熱溫度在50～100℃時(shí)，開始出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，累計(jì)能量曲線接近水平。此時(shí)巖石內(nèi)部主要為一些小裂紋的擴(kuò)展和形成，造成的熱損傷較小。當(dāng)加熱溫度超過閾值溫度后，巖石內(nèi)部礦物逐漸受熱膨脹，產(chǎn)生熱損傷，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)顯著增多。對(duì)于第1?第3 層巖石，閾值溫度分別為154、168、191℃；第4、第5 層巖石，閾值溫度分別為372、638℃。隨著溫度的升高，熱破裂持續(xù)產(chǎn)生，巖石內(nèi)部積聚的能量得到釋放，熱破裂裂紋的出現(xiàn)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)自由面的產(chǎn)生，起到了容納變形和阻止裂紋擴(kuò)展的作用[34]，聲發(fā)射出現(xiàn)小范圍的平靜期。隨著裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，積聚的能量再次釋放，產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。當(dāng)加熱溫度超過600℃后，累計(jì)能量曲線出現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)，如圖4d 和圖4e 所示。同時(shí)，石英等礦物發(fā)生相變，體積急劇膨脹，導(dǎo)致熱破裂程度加劇，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)二次增強(qiáng)的現(xiàn)象。對(duì)于第8 層巖石，閾值溫度為245℃。第6、第7 層巖石，通過巖相學(xué)及相關(guān)資料顯示曾經(jīng)經(jīng)歷的最高溫度超過700℃，在本次試驗(yàn)中未能準(zhǔn)確識(shí)別。

2.2 聲發(fā)射參數(shù)RA 和AF 特征

聲發(fā)射參數(shù)中的RA 值和AF 值可以反映材料內(nèi)部的裂紋類型。一般來說，高AF 值、低RA 值表示拉張裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，反之，代表剪切裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育[35]。圖5 顯示了不同層位巖石在加熱過程中不同溫度區(qū)間內(nèi)RA-AF 散點(diǎn)分布圖。從圖中可以看出，對(duì)于第1 層巖石，在加熱過程中聲發(fā)射數(shù)據(jù)點(diǎn)在剪切裂紋和拉張裂紋區(qū)都有分布，RA 主要分布在0～15 ms/V范圍內(nèi)，AF 主要分布在0～30 kHz。當(dāng)加熱溫度超過200℃時(shí)，聲發(fā)射的數(shù)據(jù)點(diǎn)逐漸增多，表明熱Kaiser 效應(yīng)的閾值溫度小于200℃。對(duì)于第2 層巖石，當(dāng)加熱溫度低于200℃時(shí)，聲發(fā)射數(shù)據(jù)點(diǎn)較密集且主要集中在拉張裂紋區(qū)，結(jié)合聲發(fā)射能量的特征，預(yù)測(cè)其閾值溫度約為150℃。對(duì)于第3 和第4 層位的巖石，當(dāng)加熱溫度位于200～400℃時(shí)，聲發(fā)射數(shù)據(jù)點(diǎn)顯著增加，且主要分布在拉張裂紋區(qū)，剪切裂紋區(qū)有部分聲發(fā)射信號(hào)。由此可以判斷，第3 和第4 層巖石的閾值溫度位于200～400℃。超過400℃之后，第2 和第3 層聲發(fā)射信號(hào)減小，且RA-AF 值相對(duì)分散。對(duì)于第4 層巖石，超過400℃之后，聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)第2 和第3 層信號(hào)增多，且在拉張裂紋和剪切裂紋區(qū)散亂分布。對(duì)于第5層巖石，當(dāng)加熱溫度超過600℃時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)開始向剪切裂紋區(qū)移動(dòng)，這主要與高溫下巖石內(nèi)部的穿晶剪切裂紋的發(fā)育有關(guān)。對(duì)于第8 層巖石，目標(biāo)溫度設(shè)置為400℃。從圖中可以看出，當(dāng)加熱溫度位于200～300℃時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)顯著增多，熱Kaiser 效應(yīng)的閾值溫度位于此溫度區(qū)間內(nèi)。

圖5 不同層位巖石不同加熱階段RA-AF 分布散點(diǎn)Fig.5 Scatter diagram of RA-AF distribution in different heating stages in different layer of rock

在升溫過程中，巖石內(nèi)部礦物不均勻膨脹，微裂紋增多，主要產(chǎn)生拉伸損傷[36]。由于熱破裂發(fā)生位置主要集中在顆粒邊界或礦物交界面，導(dǎo)致沿晶拉張裂紋的發(fā)育。同時(shí)一些礦物受熱膨脹，與周圍礦物發(fā)生剪切錯(cuò)位，導(dǎo)致少量剪切裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)加熱溫度超過600℃時(shí)，晶體內(nèi)部弱結(jié)構(gòu)激發(fā)裂紋成核[29]，導(dǎo)致穿晶剪切裂紋的擴(kuò)展，剪切裂紋所占比例開始增加。

綜上，當(dāng)熱處理溫度較低時(shí)，拉張裂紋相對(duì)發(fā)育，隨著溫度的升高，剪切裂紋逐漸發(fā)育。通過聲發(fā)射能量特征及RA-AF 散點(diǎn)圖，并結(jié)合巖相學(xué)特征可以較準(zhǔn)確地識(shí)別不同層位巖石熱Kaiser 效應(yīng)的閾值溫度(圖6)。通過對(duì)火燒巖燒變溫度的識(shí)別，可以判斷火燒巖區(qū)不同層位巖體經(jīng)歷的最高溫度，從而對(duì)火燒巖物理力學(xué)性質(zhì)做出合理的評(píng)價(jià)，為火燒巖區(qū)的工程活動(dòng)提供支撐。

圖6 不同層位火燒巖閾值溫度Fig.6 Threshold temperature of burnt rock in different strata

根據(jù)核磁共振結(jié)果，第5 層火燒巖孔隙率約為1.3%，第5 層之后，孔隙率開始顯著增加，第6 層和第7 層孔隙率約為7.3%和18.5%，分別為第5 層的5.6倍和14.23 倍，第6 層和第7 層火燒巖內(nèi)孔隙和裂隙發(fā)育且連通性較好。因此，大氣降水和地表水易通過火燒巖的裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入煤層或含水層，威脅煤礦防治水注漿工程[37-39]。

3 結(jié) 論

a.對(duì)于不同層位火燒巖，當(dāng)加熱溫度超過某一溫度時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)顯著增強(qiáng)，累計(jì)能量曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，此閾值溫度可作火燒巖燒變溫度。研究結(jié)果與火燒巖經(jīng)歷溫度的巖相學(xué)分析基本一致。

b.張家峁取樣點(diǎn)火燒巖存在顯著的地層燒變溫度梯度。第1?第3 層巖石，燒變溫度分別為154、168、191℃；第 4、第5、第8 層巖石，燒變溫度分別為372、638、245℃；對(duì)于第6、第7 層巖石，最高溫度超過700℃。

c.熱處理過程中，火燒巖內(nèi)部存在不同類型裂紋的發(fā)展演化。當(dāng)溫度較低時(shí)，巖石內(nèi)部沿晶拉張裂紋發(fā)育，超過600℃之后，穿晶剪切裂紋所占比例開始增加。同時(shí)隨著熱破裂的持續(xù)發(fā)育，累計(jì)能量曲線呈現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)，發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)二次增長(zhǎng)。