單軸壓縮下煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)表征及演化規(guī)律

楊 琪 ，于巖斌 ，崔文亭 ，高成偉 ，張 鑫 ，申家龍

（1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗室培育基地, 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 青島 266590）

0 引 言

煤炭截割產(chǎn)塵、煤與瓦斯突出等礦山災(zāi)害問題時刻困擾著煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-2]。煤礦開采會產(chǎn)生大量粉塵[3]，由粉塵引起的塵肺病是中國最嚴(yán)重的職業(yè)病，約占職業(yè)病病例總數(shù)的80%[4-5]。此外，煤與瓦斯突出時，井下工作面和巷道內(nèi)的氣流會受到嚴(yán)重破壞，并可能引發(fā)瓦斯爆炸等次生災(zāi)害[6]。煤層注水作為一種抑制煤與瓦斯突出[7]、降低煤塵生產(chǎn)量的有效方法，它可以濕潤煤體內(nèi)的原生煤塵，降低煤塵的產(chǎn)生量，抑制煤層瓦斯的解析。但是，注水潤濕、瓦斯?jié)B流與煤巖內(nèi)部孔裂隙的發(fā)育情況有直接關(guān)聯(lián)[8]，煤是一種多孔介質(zhì)，孔徑跨度范圍大且孔隙形態(tài)多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[9]，這些孔隙裂隙所構(gòu)成的空間是煤層中唯一存儲和輸運(yùn)流體的空間[10]，因此，煤的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)一直是煤礦安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。煤是一種應(yīng)力敏感的有機(jī)巖石，在地應(yīng)力作用下，煤內(nèi)部裂隙、孔隙等細(xì)觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，而變化的孔隙通道對煤體注水、潤濕有著至關(guān)重要的作用[11]，煤礦中煤柱處于單軸壓縮狀態(tài)，當(dāng)煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育后漏風(fēng)，漏粉導(dǎo)致采空區(qū)自燃發(fā)火，因此，探明在單軸壓縮作用下煤體裂隙孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過程，掌握煤體細(xì)觀結(jié)構(gòu)改變的空間展布形態(tài)，對認(rèn)清煤體破壞過程中的裂紋擴(kuò)展及其分布，具有理論研究價值和實(shí)際工程意義。

為了更好理解煤巖內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)，以往的研究人員不僅分析了煤巖變形破壞過程中微觀結(jié)構(gòu)對破壞形式產(chǎn)生的影響以及滲透率的變化[12-13]，而且在單軸壓縮條件下研究了裂紋的微損傷和細(xì)觀損傷的演化特征以及微裂隙初始密度與煤巖單軸抗壓強(qiáng)度之間的聯(lián)系[14-15]。人們對于煤體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的研究也越來越深入[16-19]。隨著CT、核磁共振、掃描電鏡等細(xì)觀成像技術(shù)的發(fā)展，通過細(xì)觀尺度的研究來揭示宏觀結(jié)構(gòu)特征演化的內(nèi)在原因，尤其CT 技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。CT 掃描技術(shù)利用X 射線對巖石進(jìn)行全方位快速且無損掃描并重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)特征，能呈現(xiàn)樣品中孔裂隙空間分布與連通性，精細(xì)定量表征煤巖孔裂隙形態(tài)、分布以及礦物分布，因此該方法被廣泛應(yīng)用于表征煤巖微米-毫米級連通微裂隙特征[20-21]。目前，諸多學(xué)者應(yīng)用CT 掃描技術(shù)對煤巖的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)評價。研究主要包括：評價特定煤巖的三維孔裂隙空間分布特征、動態(tài)監(jiān)測煤巖的孔裂隙系統(tǒng)隨外界條件的變化趨勢、及探究不同圖像處理技術(shù)在煤巖評價上的優(yōu)缺點(diǎn)等[22-24]?，F(xiàn)代運(yùn)用CT 對煤體結(jié)構(gòu)的分析主要是通過CT 掃描觀測吸附瓦斯煤體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的受載破壞過程，分析孔隙結(jié)構(gòu)對煤體受載變形的影響，結(jié)合分型理論對煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[25-31]。研究人員運(yùn)用CT 可以定量表征煤巖孔隙度、孔喉特征、配位數(shù)、連通性、通道長度、喉道尺寸和孔隙體積的測量分布之間的相關(guān)性等參數(shù)[32-34]。以往的CT 掃描都是狀態(tài)的掃描，不能實(shí)時監(jiān)測樣品的變化情況，原位加載技術(shù)使樣品可以在保持負(fù)載的情況下進(jìn)行掃描，提高掃描樣品時孔裂隙的精確度[35]。原位CT 可以在加載樣本時逐層捕獲詳細(xì)的損壞狀態(tài)并掃描測量裂紋[36]，其對于研究煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)有著重要意義，通過它能夠獲得樣品內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨著應(yīng)力加載的動態(tài)演化規(guī)律，進(jìn)而定量、定性揭示其內(nèi)部裂隙孔隙時空展布特征及裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通與承載能力的關(guān)聯(lián)[37]。

盡管CT 掃描技術(shù)對前人探究煤巖微觀結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，但僅運(yùn)用CT 并不能全面動態(tài)地研究煤巖微觀結(jié)構(gòu)隨著軸向壓力變化的規(guī)律，而原位加載系統(tǒng)則為實(shí)時監(jiān)測煤樣隨著軸向壓力變化的規(guī)律特點(diǎn)提供了支持，但利用CT 掃描技術(shù)結(jié)合原位加載系統(tǒng)對煤巖多尺度孔裂隙評價的研究相對較少。本文基于原位加載系統(tǒng)并結(jié)合NanoVoxel-3502EX 射線三維顯微鏡對煤樣進(jìn)行單軸壓縮，通過AVIZO 進(jìn)行煤樣三維重構(gòu)，探究煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的時空演化特征。

1 試驗及煤樣

1.1 試驗裝置

采用NanoVoxel-3502E X 射線三維顯微鏡和原位加載系統(tǒng)進(jìn)行試驗，X 射線三維掃描成像原理如圖1 所示。原位加載系統(tǒng)載荷力范圍是0～5 kN。NanoVoxel-3502E X 射線三維顯微鏡是具有超高分辨率的無損傷三維顯微成像設(shè)備。X 射線三維顯微鏡，采用獨(dú)特的X 光光學(xué)顯微成像技術(shù)，利用不同角度的X 射線透視圖像，結(jié)合三維數(shù)字重構(gòu)技術(shù)，提供樣品內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高分辨率三維數(shù)字圖像，對樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行微米尺度上的數(shù)字化三維表征，以及對構(gòu)成樣品的物質(zhì)屬性進(jìn)行分析。

圖1 X 射線三維掃描成像原理及二維切片展示Fig.1 X-ray three-dimensional scanning imaging principle and two-dimensional section presentation

1.2 煤 樣

本試驗煤樣取自中國山東省濟(jì)寧市興隆莊煤礦，屬于煙煤，經(jīng)工業(yè)分析表明，煤樣的灰分9.4%，水分2.8%，揮發(fā)分28.4%，固定碳59.4%(圖2)。為便于掃描將煤樣試件磨制成長方體，試件尺寸為：6 mm×6 mm×12 mm，用巖石斷面打磨機(jī)打磨煤樣試件端面，使端面不平整度誤差不大于0.02 mm。掃描前用熱縮管包裹煤樣試件，防止煤樣試件破壞后崩落，影響后期試樣的CT 掃描。

圖2 煤樣地理位置Fig.2 Geographical location of coal sample

1.3 試驗過程

將煤樣試件固定于樣品臺，通過NanoVoxel-3502E X 射線三維顯微鏡和原位加載系統(tǒng)進(jìn)行煤樣試件的掃描。為使煤樣與加載臺接觸，初期原位加載臺以1.0 mm/min 的速度進(jìn)行移動，并設(shè)定預(yù)加軸向力為20 N。單軸壓縮實(shí)驗過程中采用軸向位移控制方式進(jìn)行加載，位移加載速度變?yōu)?.1 mm/min，軸向位移每加載0.1 mm 進(jìn)行一次CT 掃描，共計進(jìn)行了5 次掃描。試驗過程參數(shù)見表1。

表1 位移-軸向力關(guān)系與三維掃描參數(shù)Table 1 Displacement-axial force telationship and 3D scanning parameters

試驗路徑如圖3 所示。獲得數(shù)據(jù)后結(jié)合AVIZO 將煤樣試件三維重構(gòu)，其中圖像尺寸為1 200 pix×1 300 pix×1 300 pix、像素分辨率為8 μm。將煤樣外層包裹的熱縮管裁切后得到816 個切片。

圖3 原位加載試驗路徑Fig.3 In-situ loading test path

2 CT 掃描數(shù)據(jù)處理情況

將五個狀態(tài)下的孔裂隙進(jìn)行骨架化，從圖4 中可以清楚地看出孔裂隙（包括貫通裂隙）隨時間和應(yīng)力增長而逐漸發(fā)育成熟的過程：20 N 應(yīng)力狀態(tài)下微小孔裂隙出現(xiàn)；431 N 下孤立孔裂隙逐漸密集，發(fā)育出貫通裂隙，并且垂直X-Y平面；732 N 下的孔裂隙相互勾通，局部孔裂隙被壓實(shí)，貫通煤樣試件的裂隙逐漸發(fā)育，裂隙網(wǎng)絡(luò)開始顯現(xiàn)；峰值1 100 N 軸向應(yīng)力的作用下使貫通煤樣試件的裂隙發(fā)育地更加成熟；最終在峰后492 N 下可以看出殘余荷載使微小孔裂隙部分消失?；诳琢严豆羌芑梢垣@得孔裂隙配位數(shù)的情況。

圖4 孔裂隙骨架化Fig.4 Skeletonizing pore and fracture

3 煤巖細(xì)觀情況分析

煤樣試件置于NanoVoxel-3502E X 射線三維顯微鏡設(shè)備中在各狀態(tài)下進(jìn)行掃描，將所得數(shù)據(jù)運(yùn)用Avizo 處理后得到各狀態(tài)下的球形度、配位數(shù)、曲率、開度一系列參數(shù)。

3.1 煤巖球形度情況分析

將處理所得球形度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析得到圖5。球形度反映了煤巖內(nèi)部孔裂隙的形狀，形貌上越接近球的顆粒，其球形度越接近于1，球形度越偏離1，則其孔裂隙形狀越不規(guī)則，越狹長。

圖5 球形度散點(diǎn)圖Fig.5 Spherical scatter

通過圖5 可知在時間和應(yīng)力的作用下，孔隙由20～431 N 先逐漸增多至18 萬個，431～732 N 逐漸減少至7 萬個，732～492 N（峰后）再次逐漸增多至11.5 萬個。煤樣孔隙在單軸壓縮過程初期先發(fā)育增多，而孔裂隙在732 N 時開始被壓實(shí)壓密，導(dǎo)致孔裂隙減少9 萬個，但隨著單軸壓縮過程的推進(jìn)，孔隙逐漸增長，部分孔裂隙雖然在732 N 被壓實(shí)壓密，但由于軸向力的增大以及殘余荷載的作用，孔裂隙的增多是必然趨勢。20 N 孔隙球形度在0.5～2.5、2.9 范圍內(nèi)，431N 孔隙球形度在0.5～2.5、2.9 范圍內(nèi)，集中分布在1.0～2.5 和2.9，球形度分布范圍沒有明顯變化，732～492 N（峰后）孔隙球形度集中在1.5～2.5、2.9 范圍內(nèi)，球形度集中分布范圍此時開始變窄，部分孔隙被融合并入裂隙網(wǎng)絡(luò)中，使球形度開始明顯發(fā)生變化。煤樣在單軸壓縮過程初期開始中出現(xiàn)微小孔裂隙，從431 N 開始孔隙球形度集中分布范圍變窄，部分孔裂隙逐漸融合進(jìn)入裂隙網(wǎng)絡(luò)，部分孔裂隙被壓實(shí)壓密，峰值和峰后仍然存在微小孔裂隙，但球形度更多的是集中在1.5～2.0。

3.2 煤巖配位數(shù)情況分析

對煤巖內(nèi)部孔裂隙進(jìn)行骨架化后得到配位數(shù)情況，配位數(shù)是反映煤巖內(nèi)部孔裂隙連通程度的重要參數(shù)，配位數(shù)越大，儲層性質(zhì)越好。

隨著軸向力增加，節(jié)點(diǎn)與配位數(shù)之間的變化情況如圖6 所示。在20 N 軸向力下，節(jié)點(diǎn)有1 933 個，配位數(shù)最大值是20，配位數(shù)集中分布范圍是0～5；施加至431 N 的軸向力作用后，節(jié)點(diǎn)增加至4.5 萬個，配位數(shù)最高是98，配位數(shù)集中分布范圍是0～10；當(dāng)軸向力由431 N 增至732 N，節(jié)點(diǎn)個數(shù)減少了2.6 萬個，配位數(shù)最高是204，配位數(shù)集中分布范圍是0～10；當(dāng)軸向力由732 N 增至1 100 N（峰值），節(jié)點(diǎn)增加了4.9 萬個，配位數(shù)最高是405，配位數(shù)集中分布范圍是0～15；當(dāng)軸向力由1 100 N（峰值）降至492 N（峰后），此時節(jié)點(diǎn)數(shù)為8.3 萬個，配位數(shù)最高值為319，配位數(shù)集中分布范圍為0～15。

圖6 配位數(shù)Fig.6 Coordination number

配位數(shù)分布范圍隨著軸向力的增大而逐漸增大，在20～431 N 時存在一部分節(jié)點(diǎn)配位數(shù)高于集中分布范圍，而自732 N 后配位數(shù)只有1 或2 個高于集中分布范圍，即732 N 后配位數(shù)集中率更高，同時也說明煤樣內(nèi)部連通性更好。

3.3 煤巖裂隙曲率和開度情況分析

為進(jìn)一步分析煤樣內(nèi)部裂隙發(fā)生演化規(guī)律，運(yùn)用AVIZO 對產(chǎn)生貫通裂隙的四個狀態(tài)（431 N、732 N、1 100 N、492 N）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7 所示，展示了431 N的貫通裂隙網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后得到4 個狀態(tài)的貫通裂隙的曲率和開度的數(shù)據(jù)，如圖8、圖9 所示。

圖7 貫通裂隙網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing of through fracture

圖8 貫通裂隙曲率展示Fig.8 Curvature of interconnected fracture

圖9 貫通裂隙開度展示Fig.9 Thickness of interconnected fracture

曲率在一定程度上控制了裂縫發(fā)育的密度、方向、寬度和深度。曲率事故幾何體不平坦程度的一種衡量，地層曲率用來表征地層受構(gòu)造應(yīng)力擠壓后的彎曲程度，曲率越大說明巖石所受的應(yīng)力越大，地層的彎曲程度越大，裂縫裂隙也就越發(fā)育。圖8 中看出4 個狀態(tài)下貫通裂隙的曲率在裂隙網(wǎng)絡(luò)的邊緣普遍較高，即裂隙網(wǎng)絡(luò)邊緣為裂隙發(fā)育帶，其中732 N的曲率紅色范圍最多，1 100 N（峰值）和492 N（峰后）的曲率綠色范圍居多，說明732 N 是裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的巔峰，1 100 N（峰值）和492 N（峰后）裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育已接近飽和。四個狀態(tài)下的開度展示如圖9 所示。在整個發(fā)育過程中，431 N 和492 N（峰后）的裂隙開度較小，只有小區(qū)域的裂隙開度較大，732 N 的裂隙逐漸發(fā)育，當(dāng)1 100 N（峰值）時，裂隙開度開始出現(xiàn)較大的區(qū)域。

4 結(jié) 論

1）煤樣在單軸壓縮過程初期開始中出現(xiàn)微小孔裂隙，孔隙個數(shù)增多，從431 N 開始孔隙球形度集中分布范圍變窄，部分孔裂隙逐漸融合進(jìn)入裂隙網(wǎng)絡(luò)，部分孔裂隙被壓實(shí)壓密，732 N 時部分孔隙被壓實(shí)壓密，此時孔隙個數(shù)減少9 萬個，但隨著單軸壓縮過程的推進(jìn)，孔隙個數(shù)仍然逐漸增長，部分孔裂隙雖然在732 N 被壓實(shí)壓密，但由于軸向力的增大以及殘余荷載的作用，孔裂隙的增多是必然趨勢，峰值和峰后仍然存在微小孔裂隙，但球形度更多的是集中在1.5～2.0。

2）配位數(shù)分布范圍隨著軸向力的增大而逐漸增大，在20～431 N 時存在一部分節(jié)點(diǎn)配位數(shù)高于集中分布范圍，而自732 N 后配位數(shù)只有1 或2 個高于集中分布范圍，即732 N 后配位數(shù)集中率更高，同時也說明煤樣內(nèi)部連通性更好。

3）4 個狀態(tài)下貫通裂隙的曲率在裂隙網(wǎng)絡(luò)的邊緣普遍較高，即裂隙網(wǎng)絡(luò)邊緣為裂隙發(fā)育帶，其中732 N 的曲率紅色范圍最多，裂隙開度逐漸變大，732 N是裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的巔峰。1 100 N（峰值）和492 N（峰后）的曲率綠色范圍居多，1 100 N（峰值）時，裂隙開度開始出現(xiàn)較大的區(qū)域，492 N（峰后）的裂隙較窄。