超声机械效应致裂煤岩增渗规律研究*（安全）

               赵  鑫¹，肖晓春¹，潘一山¹，徐  军²，李  鑫¹

（1．辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新123000；2．东南大学工程力学系，江苏南京210096）

摘  要：超声机械效应致裂煤岩过程中裂纹的萌生、扩展过程及增渗规律仅凭借物理实验无法得到，煤岩破裂能量变化、煤岩应力-应变关系及储层渗透特性变化缺乏深入的研究。结合CT观测及渗透率的气测实验对煤岩破裂声发射、有效声压及声波对煤岩体裂纹扩展规律进行了深入探讨；开展了超声机械效应致裂煤岩的数值试验研究。结果表明：煤岩破裂过程应力变化率和煤岩声发射现象具有一致性；有效声压的增大有利于裂纹扩展和贯穿，使煤岩体内部原本互不相通的裂纹裂隙形成了相互贯通的网络，从而提高了煤岩的渗透率。

关键词：超声机械效应；声发射；有效声压；裂纹；渗透率

中图分类号：X936  doi:  10. 11731/j. issn．1673-193x. 2016. 05. 026

0  引言

    煤岩体的原生结构与煤层的透气性存在着密切的关系，要从根本上提高储层煤层气的抽采效率，就必须致力于打开抑制煤层气运移的通道。功率超声在煤岩体中传播时，其机械效应可以致裂煤岩体，提高储层渗透率，达到增采煤层气的目的，因此，超声物理激励煤层技术是一种具有广阔应用前景的物理增透技术。对于煤层气增采及煤岩吸附和解析规律国内外学者都进行了研究。聂百胜等分析了20 kHz的超声波对煤岩介质孔隙率和渗透率的影响规律及作用机理；易俊、姜永东等研究了在40 kHz，30 W超声波作用下煤中甲烷气的解吸特性和超声波的热效应提高煤层气抽采率的机理；李建楼对20 Hz~ 20 kHz声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征做了研究；肖晓春等通过CT观测实验和渗透率测定实验，对28 kHz超声波作用下煤样不同尺度裂隙发展规律进行了深入分析；吴迪等对超声热效应下型煤的气体解析规律进行研究，超声热效应可以有效的提高型煤的温度，提高了氮气的解析率；肖晓春等对围压作用下的煤岩材料的超声致裂煤岩规律进行了研究，围压降低了煤岩内部裂纹的断裂强度因子；赵丽娟等对超声波改善煤样的储层渗透性进行了实验研究，推算并拟合出不同围压、不同功率的煤样渗透率关系模型。以上文献较全面地研究了煤岩从低频到高频超声波下煤岩的力学性质及解吸规律。但是超声作用煤体后的裂纹萌生及扩展仅凭借物理实验很难观测到，煤岩破裂声发射变化、煤岩应力应变关系及储层渗透特性变化尚未有深入的研究。因

此，本文结合声学基础、岩石力学及断裂力学等理论知识，对超声机械效应致裂机理进行深入探讨；利用数值方法，对不同功率下40 kHz超声波致裂煤岩体过程进行模拟试验研究，通过煤岩破裂过程声发射能量释放及裂纹扩展规律揭示超声机械效应致裂煤岩体增渗规律，为利用超声致裂煤层增采煤层气技术提供理论支持和实验基础。

1  超声机械效应致裂煤岩增透机制

    超声机械效应致裂煤岩增透机制主要包括由超声机械振动导致的多孔介质煤体损伤和应力波传播作用。

1.1  多孔介质煤体的损伤

    声波在传播过程中可以使煤体产生拉伸、压缩、剪切变形，煤体质点产生振动，虽然振动的位移和速度不大，但与超声波振动频度的平方成正比的质点加速却很大，有时超过重力加速度的数万倍，这么大的加速度足以造成对介质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用，使煤体发生损伤破坏；其次在声波持续的辐射下，其能量转化为热能，使煤体温度升高，这样煤体产生热膨胀，使煤的大分子结构产生变化，因为煤的大分子结构决定了煤的渗流特性，从而造成煤体损伤。

1.2  应力波传播作用

    在声波衰减范围内，其纵波的传播方向与质点的振动方向一致，会使煤体弹性介质受到交替变化的拉应力和压应力作用，就相应地产生交替变化的伸长和压缩形变，则煤质点产生疏密相间的纵向振动。其横波的传播方向与质点的振动方向垂直，且具有剪切特性，当煤体受到交变的剪切力作用时，将会相应地发生交变的剪切形变，介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动，这样就会在界面上产生强烈的剪切力和振动。所以在超声波作用下，煤基质中的孔隙和裂隙产生时大时小的变化，煤体易破碎，煤体中产生新的裂缝网，使煤的裂隙和孔隙增多，有利于气体的渗流。

2  超声机械作用的- CT观测实验

    将煤样磨制成直径为5 mm的试样，通过CT观测实验观测超声波作用后煤岩体试样裂纹一裂隙条数、长度、宽度等。所选试样为平顶山十矿戊。- 20180采面的褐煤试样，其物理及力学参数见表1，表2为CT观测的实验方案。

    对煤岩体试样进行CT扫描，Z向投影图均取第280、370、399幅，纵向切割2 000层，X-Y向剖面图取第400、600、800、1 200、1 600层，结果如图1。

    由图1中(a)、(c)可以看出，未经超声作用的煤岩体试样内部裂纹-裂隙为1~2条，相距较远，贯穿性差，并且长度较短较少，根据放大倍数换算后，其单条裂隙长度约为2.5 mm，宽度约0.89~1.3ym；经过超声作用的煤岩体试样内部裂纹一裂隙条数和宽度以及贯穿性均明显增加，同时也出现了明显的微裂纹，裂纹-裂隙条数增到5~10，宽度0. 98~3.57μm，单条裂纹-裂隙长度达到7.5~8.5 mm。其观测结果如图1中(b)和(d)所示。可见功率超声作用于煤岩固体介质后，会促进煤岩体中原生裂纹的扩展，形成良好的裂纹网络，达到增渗煤层气的目的。

    图2是在围压为分别4 M Pa和12 M Pa作用下以超声作用后实验数据为统计对象，选用基于Darcy定律的稳态方法进行煤层气的渗透率测量。然后，对不同孔隙压力下渗透率的实测值进行拟合后得到的实验拟合曲线。由图可知，超声作用后煤岩试样的气测渗透率有了

明显提高，并且随着孔隙压力的增加渗透率的增长率也有比较明显的增加，而微观界面裂纹-裂隙网的形成和贯通是煤样渗透率变化及渗透率增长率变化的主要因素，这说明超声作用有助于提高低渗煤样的气测渗透率。然而，对于超声作用过程中裂纹一裂隙是如何形成和贯通的具体演化情况无法从此实验中获得，则需要通过相关的数值试验手段进行深入的研究。

3  超声致裂煤岩过程几何模型建立及力学参数选择

  假设超声波作用的煤岩体为理想介质，可用体弹性系数及切变弹性系数来表征煤岩体的弹性，声波作用于这样的弹性体会产生稀疏与稠密的交替过程。此时，声波传递主要以纵波、横波形式传播，而在各自的传递方向上，横波与纵波传递的过程特性均只需要一个能反映声波强弱的声压参数来描述，该参数单位为Pa。

3.1  超声机械作用有效声压的计算方法

    本文在声场中取出一块足够小的煤岩体体积元，体积为V，压强为P，密度为p，当体积元的压强从P增加到P+ p时，此时体积元具有的能量为：

    由声学理论可知，声强是指通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流，单位为W／m²；该参数还可以用单位时间内、单位面积的声波向前进方向毗邻煤质所做的功来表示，所以当煤岩体高度为c₀时：

为超声波发生器工作电压与工作电流，p _e为有效声压。

3.2  数值试验模型及方案

    为了深入分析物理实验中超声波对煤岩固体介质的致裂作用，在此采用RFPA2D - Dynamic数值试验重现煤岩裂纹形成及演化过程的方法，拟从煤岩微破裂声发射能量、有效声压变化和超声波传播规律等方面对煤岩固体介质中裂纹扩展机理进行深入研究。数值试验

模型采用平面模型，尺寸与实测试样尺寸的直径和高度一致同为50 mm x100 mm，几何模型划分为20 000个单元，如图3所示。考虑到数值试验中未涉及气体的原因，所以，在此不考虑轴压和围压。软件数值模型假定离散细化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布

规律，采用韦布尔( Weibull)分布来表示试样的非均匀性，由此建立细观与宏观力学性质的联系，当单元应力达到破坏的准则发生破坏，采用修正的Coulomb准则，并对破坏单元进行刚度退化处理，所以可以用连续介质力学方法处理物理非连续介质问题。

    超声波对煤岩固体介质的致裂作用通过有效声压进行施加，采用应力波方式加载，波形选为正弦波。表3给出了不同声压影响的数值试验方案。

3.3相关力学参数及控制条件

    为较好地反映试验结果，数值试验参数与物理实验形成对应，具体力学参数及相关控制条件如表4所示。

4  超声致裂煤岩数值试验及结果分析

4.1  有效声压对煤岩体裂纹扩展规律的影响

    首先，对有效声压对煤岩体裂纹扩展规律进行分析，有效声压是超声动力激励的重要激励指标，在此进行了有效声压变化对煤岩体裂纹扩展的规律研究。选取有效声压为2. 64、4.39和6.44 M Pa的模拟结果进行深入分析，不同有效声压的最大主应力渐变图和最大主应力曲线如图4~6所示。

    由图4可知，随着有效声压的增加，煤岩固体介质中萌生裂纹形成提前，贯穿裂纹增多；对应图5知，最大主应力随有效声压的增大而增加，最大主应力导致的应力变化率波动突变提前；应力变化率突变所对应的煤岩微破裂声发射现象也相应提前，因此可由煤岩声发射变化规律来深入分析超声致裂煤岩时煤中原生裂纹和萌生裂纹的相互作用；图6中，X向位移直观地反映出了裂纹、裂隙的宽度变化规律，随着有效声压的增加，X向位移曲线由线性增长方式转向非线性增长，有效声压越大，位移变化率增加越快，裂纹-裂隙扩展越快，此结果与CT观测实验数据基本上吻合。图4~6说明当超声波发生器频率一定，通过增加超声波功率来实现有效声压的增加，促使裂纹扩展，进而提高煤层气储层的渗透性能是有效可行的。

4.2  煤岩体破裂声发射和裂纹扩展规律分析

    图7是不同声压作用下的声发射次数和Y向应力曲线，结果显示，在加载步数的初始阶段声发射频率很低，并且Y向应力由于煤岩体本身的粘滞作用出现衰减，在此阶段原生裂纹-裂隙的闭合与新生成以及声发射的产生需要吸收能量，声发射频率不高，当超声作用致使能量累积及应力集中到达某一阈值时，声发射就会随之产生，裂纹-裂隙亦开始扩展。随着声发射次数逐渐增加，能量逐渐释放，Y向应力值又会由衰减下降逐渐又上升，并在超声动载作用下，声发射次数与Y向应力基本上相互对应，可以看出，当应力的变化率加快时，声发射次数明显增加，而应力变化率减缓时，声发射次数则趋于平缓。应力变化率的增大、减小交替变化以及声发射所释放出的能量特别是峰值前后的应力变化率急剧变化促使裂纹-裂隙区域逐渐汇聚，从而导致了裂纹-裂隙的扩展与贯通。

4.3  超声波传播与煤岩体裂纹扩展规律分析

    超声激励过程使煤层气渗透率增加的主要原因是机械振动作用打开了抑制煤层气运移的通道。但是，打开通道的过程并不是简单的应力增加致煤岩破裂过程，而是一个较复杂的动力学问题，需要对裂纹裂隙形成、贯穿机理进行较为深入的探讨。图8为超声作用下应力波在煤岩体内部传递的平面简图。

    超声波作用于煤岩体时，会产生表面波即瑞利波，横向波以及与之垂直作用的纵向波。如图8所示，因为煤岩体在构成上由组织结构及物理力学性质均不相同的强弱基质组成，且在其内部存在着大量的结构面和孔隙、裂隙。在表面波与横向波的作用下，煤岩体产生横向的拉应力，并且在裂纹尖端形成逐渐集中的趋势，从而形成原生裂纹的初始扩展，同时，其内部的弱质煤基质随张拉应力增加比强质煤基质先达到断裂韧度，导致裂纹的不稳定扩展，生成张开型裂纹。

    在纵向波作用过程中，煤质基粒的运动方向与纵波传递方向一致，对内部强弱煤基质产生压缩效应，而在压缩效应下，强弱煤基质间会产生相对的滑移，形成滑移裂纹；在纵波与之垂直的横波之间相互作用会对内部基质产生一定的剪切作用，形成一定的剪切裂纹；相对

滑移及剪切作用都对裂纹萌生、形成和贯穿有着重要的促进作用。

    此外，超声波在煤岩体中的传递、衰减及子波与横波、纵波间相互作用的过程促使煤岩体骨架及煤质基粒发生振动而产生裂纹，进而形成渗透性较好的裂纹网，有利于煤层气的运移及抽采，这是超声机械效应能够使煤层气增渗的根本性原因。

5  结论

    1)超声波作用下，煤体中产生新的裂缝网，使煤的裂隙和孔隙增多，有利于气体的渗流。从CT观测实验及渗透率变化率可以证明超声机械效应能够有效提高低渗煤岩体试样的气测渗透率。

    2)煤岩体微破裂的声发射现象与超声波传播产生的波动应力之间有着密切的联系，应力变化率和煤岩声发射现象具有一致性，应力变化率交替变化促使波动应力增加并向裂纹尖端汇聚，促进了煤体裂纹萌生、扩展和贯通。

    3)数值试验较好地重现了超声机械效应致裂煤岩过程，数值试验结果证明了超声有效声压与渗透率有着密切的关系，有效声压增大有利于裂纹、裂隙的尽快尽早萌生、扩展和贯穿。

    4)超声波传播时引起的横波、纵波及表面波在各自的方向上对煤岩体内的原生及新生的裂纹-裂隙产生了各不相同的扰动致裂效果，开启了煤体中抑制气体运移的通道，使煤岩体内部原本互不相通的裂纹裂隙形成了相互贯通的网络，能够让气体更好地在其中流动，从宏观上反映为煤岩体裂隙网格发育，煤层气储层的渗透性能大大提高。