超聲機械效應致裂煤巖增滲規律研究*（安全）

               趙  鑫¹，肖曉春¹，潘一山¹，徐  軍²，李  鑫¹

（1．遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧阜新123000；2．東南大學工程力學系，江蘇南京210096）

摘  要：超聲機械效應致裂煤巖過程中裂紋的萌生、擴展過程及增滲規律僅憑借物理實驗無法得到，煤巖破裂能量變化、煤巖應力-應變關系及儲層滲透特性變化缺乏深入的研究。結合CT觀測及滲透率的氣測實驗對煤巖破裂聲發射、有效聲壓及聲波對煤巖體裂紋擴展規律進行了深入探討；開展了超聲機械效應致裂煤巖的數值試驗研究。結果表明：煤巖破裂過程應力變化率和煤巖聲發射現象具有一致性；有效聲壓的增大有利于裂紋擴展和貫穿，使煤巖體內部原本互不相通的裂紋裂隙形成了相互貫通的網絡，從而提高了煤巖的滲透率。

關鍵詞：超聲機械效應；聲發射；有效聲壓；裂紋；滲透率

中圖分類號：X936  doi:  10. 11731/j. issn．1673-193x. 2016. 05. 026

0  引言

    煤巖體的原生結構與煤層的透氣性存在著密切的關系，要從根本上提高儲層煤層氣的抽采效率，就必須致力于打開抑制煤層氣運移的通道。功率超聲在煤巖體中傳播時，其機械效應可以致裂煤巖體，提高儲層滲透率，達到增采煤層氣的目的，因此，超聲物理激勵煤層技術是一種具有廣闊應用前景的物理增透技術。對于煤層氣增采及煤巖吸附和解析規律國內外學者都進行了研究。聶百勝等分析了20 kHz的超聲波對煤巖介質孔隙率和滲透率的影響規律及作用機理；易俊、姜永東等研究了在40 kHz，30 W超聲波作用下煤中甲烷氣的解吸特性和超聲波的熱效應提高煤層氣抽采率的機理；李建樓對20 Hz~ 20 kHz聲波作用下煤體瓦斯解吸與放散特征做了研究；肖曉春等通過CT觀測實驗和滲透率測定實驗，對28 kHz超聲波作用下煤樣不同尺度裂隙發展規律進行了深入分析；吳迪等對超聲熱效應下型煤的氣體解析規律進行研究，超聲熱效應可以有效的提高型煤的溫度，提高了氮氣的解析率；肖曉春等對圍壓作用下的煤巖材料的超聲致裂煤巖規律進行了研究，圍壓降低了煤巖內部裂紋的斷裂強度因子；趙麗娟等對超聲波改善煤樣的儲層滲透性進行了實驗研究，推算并擬合出不同圍壓、不同功率的煤樣滲透率關系模型。以上文獻較全面地研究了煤巖從低頻到高頻超聲波下煤巖的力學性質及解吸規律。但是超聲作用煤體后的裂紋萌生及擴展僅憑借物理實驗很難觀測到，煤巖破裂聲發射變化、煤巖應力應變關系及儲層滲透特性變化尚未有深入的研究。因

此，本文結合聲學基礎、巖石力學及斷裂力學等理論知識，對超聲機械效應致裂機理進行深入探討；利用數值方法，對不同功率下40 kHz超聲波致裂煤巖體過程進行模擬試驗研究，通過煤巖破裂過程聲發射能量釋放及裂紋擴展規律揭示超聲機械效應致裂煤巖體增滲規律，為利用超聲致裂煤層增采煤層氣技術提供理論支持和實驗基礎。

1  超聲機械效應致裂煤巖增透機制

    超聲機械效應致裂煤巖增透機制主要包括由超聲機械振動導致的多孔介質煤體損傷和應力波傳播作用。

1.1  多孔介質煤體的損傷

    聲波在傳播過程中可以使煤體產生拉伸、壓縮、剪切變形，煤體質點產生振動，雖然振動的位移和速度不大，但與超聲波振動頻度的平方成正比的質點加速卻很大，有時超過重力加速度的數萬倍，這么大的加速度足以造成對介質的強大機械效應，甚至能達到破壞介質的作用，使煤體發生損傷破壞；其次在聲波持續的輻射下，其能量轉化為熱能，使煤體溫度升高，這樣煤體產生熱膨脹，使煤的大分子結構產生變化，因為煤的大分子結構決定了煤的滲流特性，從而造成煤體損傷。

1.2  應力波傳播作用

    在聲波衰減范圍內，其縱波的傳播方向與質點的振動方向一致，會使煤體彈性介質受到交替變化的拉應力和壓應力作用，就相應地產生交替變化的伸長和壓縮形變，則煤質點產生疏密相間的縱向振動。其橫波的傳播方向與質點的振動方向垂直，且具有剪切特性，當煤體受到交變的剪切力作用時，將會相應地發生交變的剪切形變，介質質點產生具有波峰和波谷的橫向振動，這樣就會在界面上產生強烈的剪切力和振動。所以在超聲波作用下，煤基質中的孔隙和裂隙產生時大時小的變化，煤體易破碎，煤體中產生新的裂縫網，使煤的裂隙和孔隙增多，有利于氣體的滲流。

2  超聲機械作用的- CT觀測實驗

    將煤樣磨制成直徑為5 mm的試樣，通過CT觀測實驗觀測超聲波作用后煤巖體試樣裂紋一裂隙條數、長度、寬度等。所選試樣為平頂山十礦戊。- 20180采面的褐煤試樣，其物理及力學參數見表1，表2為CT觀測的實驗方案。

    對煤巖體試樣進行CT掃描，Z向投影圖均取第280、370、399幅，縱向切割2 000層，X-Y向剖面圖取第400、600、800、1 200、1 600層，結果如圖1。

    由圖1中(a)、(c)可以看出，未經超聲作用的煤巖體試樣內部裂紋-裂隙為1~2條，相距較遠，貫穿性差，并且長度較短較少，根據放大倍數換算后，其單條裂隙長度約為2.5 mm，寬度約0.89~1.3ym；經過超聲作用的煤巖體試樣內部裂紋一裂隙條數和寬度以及貫穿性均明顯增加，同時也出現了明顯的微裂紋，裂紋-裂隙條數增到5~10，寬度0. 98~3.57μm，單條裂紋-裂隙長度達到7.5~8.5 mm。其觀測結果如圖1中(b)和(d)所示?？梢姽β食�聲作用于煤巖固體介質后，會促進煤巖體中原生裂紋的擴展，形成良好的裂紋網絡，達到增滲煤層氣的目的。

    圖2是在圍壓為分別4 M Pa和12 M Pa作用下以超聲作用后實驗數據為統計對象，選用基于Darcy定律的穩態方法進行煤層氣的滲透率測量。然后，對不同孔隙壓力下滲透率的實測值進行擬合后得到的實驗擬合曲線。由圖可知，超聲作用后煤巖試樣的氣測滲透率有了

明顯提高，并且隨著孔隙壓力的增加滲透率的增長率也有比較明顯的增加，而微觀界面裂紋-裂隙網的形成和貫通是煤樣滲透率變化及滲透率增長率變化的主要因素，這說明超聲作用有助于提高低滲煤樣的氣測滲透率。然而，對于超聲作用過程中裂紋一裂隙是如何形成和貫通的具體演化情況無法從此實驗中獲得，則需要通過相關的數值試驗手段進行深入的研究。

3  超聲致裂煤巖過程幾何模型建立及力學參數選擇

  假設超聲波作用的煤巖體為理想介質，可用體彈性系數及切變彈性系數來表征煤巖體的彈性，聲波作用于這樣的彈性體會產生稀疏與稠密的交替過程。此時，聲波傳遞主要以縱波、橫波形式傳播，而在各自的傳遞方向上，橫波與縱波傳遞的過程特性均只需要一個能反映聲波強弱的聲壓參數來描述，該參數單位為Pa。

3.1  超聲機械作用有效聲壓的計算方法

    本文在聲場中取出一塊足夠小的煤巖體體積元，體積為V，壓強為P，密度為p，當體積元的壓強從P增加到P+ p時，此時體積元具有的能量為：

    由聲學理論可知，聲強是指通過垂直于聲傳播方向的單位面積上的平均聲能量流，單位為W／m²；該參數還可以用單位時間內、單位面積的聲波向前進方向毗鄰煤質所做的功來表示，所以當煤巖體高度為c₀時：

為超聲波發生器工作電壓與工作電流，p _e為有效聲壓。

3.2  數值試驗模型及方案

    為了深入分析物理實驗中超聲波對煤巖固體介質的致裂作用，在此采用RFPA2D - Dynamic數值試驗重現煤巖裂紋形成及演化過程的方法，擬從煤巖微破裂聲發射能量、有效聲壓變化和超聲波傳播規律等方面對煤巖固體介質中裂紋擴展機理進行深入研究。數值試驗

模型采用平面模型，尺寸與實測試樣尺寸的直徑和高度一致同為50 mm x100 mm，幾何模型劃分為20 000個單元，如圖3所示?？紤]到數值試驗中未涉及氣體的原因，所以，在此不考慮軸壓和圍壓。軟件數值模型假定離散細化后的細觀基元的力學性質服從某種統計分布

規律，采用韋布爾( Weibull)分布來表示試樣的非均勻性，由此建立細觀與宏觀力學性質的聯系，當單元應力達到破壞的準則發生破壞，采用修正的Coulomb準則，并對破壞單元進行剛度退化處理，所以可以用連續介質力學方法處理物理非連續介質問題。

    超聲波對煤巖固體介質的致裂作用通過有效聲壓進行施加，采用應力波方式加載，波形選為正弦波。表3給出了不同聲壓影響的數值試驗方案。

3.3相關力學參數及控制條件

    為較好地反映試驗結果，數值試驗參數與物理實驗形成對應，具體力學參數及相關控制條件如表4所示。

4  超聲致裂煤巖數值試驗及結果分析

4.1  有效聲壓對煤巖體裂紋擴展規律的影響

    首先，對有效聲壓對煤巖體裂紋擴展規律進行分析，有效聲壓是超聲動力激勵的重要激勵指標，在此進行了有效聲壓變化對煤巖體裂紋擴展的規律研究。選取有效聲壓為2. 64、4.39和6.44 M Pa的模擬結果進行深入分析，不同有效聲壓的最大主應力漸變圖和最大主應力曲線如圖4~6所示。

    由圖4可知，隨著有效聲壓的增加，煤巖固體介質中萌生裂紋形成提前，貫穿裂紋增多；對應圖5知，最大主應力隨有效聲壓的增大而增加，最大主應力導致的應力變化率波動突變提前；應力變化率突變所對應的煤巖微破裂聲發射現象也相應提前，因此可由煤巖聲發射變化規律來深入分析超聲致裂煤巖時煤中原生裂紋和萌生裂紋的相互作用；圖6中，X向位移直觀地反映出了裂紋、裂隙的寬度變化規律，隨著有效聲壓的增加，X向位移曲線由線性增長方式轉向非線性增長，有效聲壓越大，位移變化率增加越快，裂紋-裂隙擴展越快，此結果與CT觀測實驗數據基本上吻合。圖4~6說明當超聲波發生器頻率一定，通過增加超聲波功率來實現有效聲壓的增加，促使裂紋擴展，進而提高煤層氣儲層的滲透性能是有效可行的。

4.2  煤巖體破裂聲發射和裂紋擴展規律分析

    圖7是不同聲壓作用下的聲發射次數和Y向應力曲線，結果顯示，在加載步數的初始階段聲發射頻率很低，并且Y向應力由于煤巖體本身的粘滯作用出現衰減，在此階段原生裂紋-裂隙的閉合與新生成以及聲發射的產生需要吸收能量，聲發射頻率不高，當超聲作用致使能量累積及應力集中到達某一閾值時，聲發射就會隨之產生，裂紋-裂隙亦開始擴展。隨著聲發射次數逐漸增加，能量逐漸釋放，Y向應力值又會由衰減下降逐漸又上升，并在超聲動載作用下，聲發射次數與Y向應力基本上相互對應，可以看出，當應力的變化率加快時，聲發射次數明顯增加，而應力變化率減緩時，聲發射次數則趨于平緩。應力變化率的增大、減小交替變化以及聲發射所釋放出的能量特別是峰值前后的應力變化率急劇變化促使裂紋-裂隙區域逐漸匯聚，從而導致了裂紋-裂隙的擴展與貫通。

4.3  超聲波傳播與煤巖體裂紋擴展規律分析

    超聲激勵過程使煤層氣滲透率增加的主要原因是機械振動作用打開了抑制煤層氣運移的通道。但是，打開通道的過程并不是簡單的應力增加致煤巖破裂過程，而是一個較復雜的動力學問題，需要對裂紋裂隙形成、貫穿機理進行較為深入的探討。圖8為超聲作用下應力波在煤巖體內部傳遞的平面簡圖。

    超聲波作用于煤巖體時，會產生表面波即瑞利波，橫向波以及與之垂直作用的縱向波。如圖8所示，因為煤巖體在構成上由組織結構及物理力學性質均不相同的強弱基質組成，且在其內部存在著大量的結構面和孔隙、裂隙。在表面波與橫向波的作用下，煤巖體產生橫向的拉應力，并且在裂紋尖端形成逐漸集中的趨勢，從而形成原生裂紋的初始擴展，同時，其內部的弱質煤基質隨張拉應力增加比強質煤基質先達到斷裂韌度，導致裂紋的不穩定擴展，生成張開型裂紋。

    在縱向波作用過程中，煤質基粒的運動方向與縱波傳遞方向一致，對內部強弱煤基質產生壓縮效應，而在壓縮效應下，強弱煤基質間會產生相對的滑移，形成滑移裂紋；在縱波與之垂直的橫波之間相互作用會對內部基質產生一定的剪切作用，形成一定的剪切裂紋；相對

滑移及剪切作用都對裂紋萌生、形成和貫穿有著重要的促進作用。

    此外，超聲波在煤巖體中的傳遞、衰減及子波與橫波、縱波間相互作用的過程促使煤巖體骨架及煤質基粒發生振動而產生裂紋，進而形成滲透性較好的裂紋網，有利于煤層氣的運移及抽采，這是超聲機械效應能夠使煤層氣增滲的根本性原因。

5  結論

    1)超聲波作用下，煤體中產生新的裂縫網，使煤的裂隙和孔隙增多，有利于氣體的滲流。從CT觀測實驗及滲透率變化率可以證明超聲機械效應能夠有效提高低滲煤巖體試樣的氣測滲透率。

    2)煤巖體微破裂的聲發射現象與超聲波傳播產生的波動應力之間有著密切的聯系，應力變化率和煤巖聲發射現象具有一致性，應力變化率交替變化促使波動應力增加并向裂紋尖端匯聚，促進了煤體裂紋萌生、擴展和貫通。

    3)數值試驗較好地重現了超聲機械效應致裂煤巖過程，數值試驗結果證明了超聲有效聲壓與滲透率有著密切的關系，有效聲壓增大有利于裂紋、裂隙的盡快盡早萌生、擴展和貫穿。

    4)超聲波傳播時引起的橫波、縱波及表面波在各自的方向上對煤巖體內的原生及新生的裂紋-裂隙產生了各不相同的擾動致裂效果，開啟了煤體中抑制氣體運移的通道，使煤巖體內部原本互不相通的裂紋裂隙形成了相互貫通的網絡，能夠讓氣體更好地在其中流動，從宏觀上反映為煤巖體裂隙網格發育，煤層氣儲層的滲透性能大大提高。