基于CT 扫描的受载破裂煤样注浆封堵效应量化研究

李雁，李兵，姚帅，姚邦华

（1.徐州工程学院 土木工程学院，江苏 徐州 221000；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000）

0 引言

煤炭长期在我国能源结构中占主导地位[1]。随着我国浅部煤炭资源日益枯竭，煤炭开采逐步向深部延伸，煤与瓦斯突出等灾害防控形势严峻。矿井瓦斯抽采是预防煤与瓦斯突出的重要技术手段，但是我国煤矿井下瓦斯抽采长期存在封孔质量低下的难题，造成钻孔漏气失效问题严重，抽采效率普遍较低[2]。

瓦斯抽采钻孔漏气失效是巷道内的空气沿着钻孔围岩裂隙通道进入钻孔的现象[3]。提高注浆封孔质量是改善瓦斯抽采钻孔围岩力学性质、减少钻孔漏气的主要方法。国内外学者针对注浆浆液扩散规律、注浆浆液堵漏降渗机制等开展了大量研究并取得了丰硕成果[4-9]，对于揭示煤岩体的注浆堵漏降渗效应具有重要意义。近年来，煤岩体介质结构观测CT 扫描技术的快速发展及其量化分析的技术优势，使其在煤岩体裂隙结构分析方面逐步得到应用。郭东明等[10]借助CT 扫描系统，研究了裂隙煤体注浆后浆液对煤体裂隙的充填效果。魏建平等[11]结合工业 CT 及数值模拟开展了注浆下裂隙煤体的堵漏降渗特性研究。杨仁树等[12]在实验室条件下利用 CT扫描技术对泥岩试件注浆前后的裂隙变化情况进行了分析，并评价了裂隙封堵效果。但注浆煤体裂隙的CT 扫描和分析研究尚处于起步阶段，对瓦斯抽采钻孔注浆封孔漏气研究多停留在定性分析阶段，对于不同破坏形式煤体注浆封堵效应的定量研究还较少，这限制了瓦斯抽采钻孔注浆封孔效果的定量分析和漏气机制的科学揭示。为此，本文利用自主搭建的受载煤岩体注浆试验系统开展了不同受载破裂煤样（单轴和劈裂）的注浆试验，采用工业CT 扫描设备对破裂煤样注浆前后的裂隙结构进行CT 扫描，应用图像分析软件VG Studio MAX 对CT 扫描数据重建模型所得到的数字煤样进行裂隙精准提取，对受载破裂煤样注浆前后三维裂隙形态和结构进行了数字化定量分析。研究成果对于评价裂隙煤体注浆效果、优化瓦斯抽采钻孔注浆封孔参数具有重要的理论意义。

1 试验设备

1.1 煤样制备

试验所用的煤样取自河南省焦作市某矿。该矿煤层为无烟煤，煤样工业分析参数见表1。

表1 试验煤样工业分析参数Table 1 Industrial analysis parameters of test coal samples %

将井下采集的大块原煤煤样在实验室钻取并打磨成φ50 mm×100 mm 的圆柱状，给煤样编号并放入密封袋中，以备后续试验使用。

1.2 试验系统

受载煤岩体注浆试验系统主要包括煤样加载系统、CT 扫描试验系统及自主搭建的注浆系统。煤样加载系统主要用于加载煤样，使其产生预制裂隙，为后续注浆和扫描奠定基础。CT 扫描试验系统（图1）主要用于扫描煤样的三维细观结构，并在不破坏煤样状态（孔隙、缺陷、裂隙分布和密度变化等）的情况下完成煤样内部结构的描述。注浆系统主要由压力泵、注浆气室、轴压控制仪和围压控制仪组成，如图2 所示。图2 中V1-V6 为阀门；Q 为读数表，用于读取轴压、围压数据。

图1 CT 扫描试验系统Fig.1 CT scanning test system

图2 煤样注浆系统Fig.2 Coal sample grouting system

为了研究煤样在受载条件下三维裂隙的分布及注浆后对煤样裂隙的封堵情况，对φ50 mm×100 mm的煤样进行受载状态下的 CT 实时扫描，得到煤样内部裂隙图像，同时对注浆后的煤样进行CT 实时扫描，对比分析注浆前后煤样内部结构变化。

2 受载破裂煤样裂隙结构特征

为研究不同受载破裂煤样裂隙结构，采用单轴和劈裂2 种方式对煤样进行破坏，并采用CT 扫描对其裂隙结构进行分析。本文试验所用煤样表面包裹一层薄胶套，可在不影响煤样力学参数测试及CT 扫描结果的基础上保证破裂煤样的整体性。应用煤样加载系统对煤样开展单轴加载试验，轴向应力采用位移控制法，预顶力为 800 N，加载速率为0.1 mm/min，直至煤样受载破坏。利用煤样加载系统对煤样进行劈裂，加载速率为 0.1 mm/min。煤样劈裂过程与巴西劈裂类似，通过在圆柱体煤样的直径方向上放入上下2 根垫条，施加相对的线性载荷，使之沿煤样轴向破坏。采用CT 扫描对煤样裂隙结构进行扫描，试样扫描切片达1 000 余张，等间距选取若干切片进行重构和分析。

2.1 单轴加载破裂煤样裂隙结构特征

单轴加载破裂煤样裂隙网络在三维空间中的内部切片形态及煤样内部的三维裂隙量化数据如图3所示。从图3 可看出：单轴加载破裂煤样主裂隙由顶部两侧贯穿至煤样底部并汇聚，裂隙宽度基本保持不变；单轴加载煤样主要在剪切应力作用下破裂，整体破碎程度较大，主裂隙网络伴生较多的小裂隙。根据扫描结果分析和由VG Studio MAX 软件计算结果可知，煤样内部裂隙数量为97 条，体积为0.42～12 000 mm3。

图3 单轴加载破裂煤样裂隙结构Fig.3 Fracture structure of fractured coal samples under uniaxial loading

2.2 劈裂破坏煤样裂隙结构特征

劈裂破坏煤样裂隙网络在三维空间中的内部切片形态及煤样内部的三维裂隙网络经过VG Studio MAX 软件得到的量化结果如图4 所示。从图4 可看出：劈裂破坏煤样主裂隙由煤样顶部沿竖直方向向下延伸至煤样中下部，裂隙宽度较大，然后向一方倾斜45°继续延伸，裂隙宽度逐渐变小。根据扫描结果分析和由VG Studio MAX 软件计算结果可知，煤样内部裂隙体积为0.4～3 430 mm3。

图4 劈裂破坏煤样裂隙结构Fig.4 Fracture structure of splitting failure coal samples

3 受载破裂煤样注浆后裂隙结构特征

3.1 单轴加载破裂煤样注浆后裂隙结构特征

单轴加载破裂煤样注浆后CT 重构如图5 所示。由于注浆材料的密度比煤的密度小，X 射线穿过煤样和注浆材料的透射程度不同，所以会显示出不同的CT 值，在重构过程中显示出不同的灰度值，在CT 扫描切片中注浆材料会显示出较浅的颜色，但其密度远大于裂隙密度，因此在重构图中可以清楚地识别出煤体、裂隙和注浆材料。

图5 单轴加载破裂煤样注浆后裂隙结构Fig.5 Fracture structure of fractured coal samples under uniaxial loading after grouting

从图5 可看出，注浆材料沿裂隙通道向上迁移和扩散。由三维立体图可以看出浆液扩散至煤样下部1/3 处，其间煤样的较宽裂隙全部被注浆材料充填。利用VG Studio MAX 软件对煤样注浆后裂隙体积进行统计可知，其最大裂隙体积为5 700 mm3，与注浆前相比缩小了52.5%。

3.2 劈裂破坏煤样注浆后裂隙结构特征

劈裂破坏煤样注浆后CT 重构如图6 所示。对比图4 可知，浆液从顶部贯穿裂隙，沿裂隙通道向下扩散，劈裂破坏煤样中的主裂隙几乎全部被注浆材料充填。利用VG Studio MAX 软件对煤样注浆后裂隙体积进行统计可知，其最大裂隙体积为312 mm3，与注浆前相比缩小了90.9%，注浆后煤样的裂隙封堵效果明显。

图6 劈裂破坏煤样注浆后裂隙结构Fig.6 Fracture structure of splitting failure coal samples after grouting

4 受载破裂煤样注浆封堵裂隙量化分析

4.1 注浆前后煤样裂隙分布规律量化分析

为了定量分析注浆对受载破裂煤样内部裂隙的影响，通过CT 扫描数据统计绘制了煤样裂隙数量及体积变化图。

4.1.1 单轴加载破裂煤样裂隙分布量化分析

单轴加载破裂煤样注浆前后裂隙数量统计对比如图7 所示。从图7 可看出：注浆后煤样裂隙数量从97 条增加到了298 条，其中50 mm 以上裂隙由1 条转为0，其他区段数量都有所增加，但是主要集中在2～5 mm 裂隙段，占比超过60% ；在裂隙数量占比方面较接近，仅在2～5 mm 及＜2 mm 裂隙段数量占比变化较大，5 mm 以下裂隙的整体占比并无显著变化。

造成裂隙数量变化的原因主要有两方面：一是注浆浆液对原有较大裂隙的封堵作用，有效地减小了主裂隙的长度，并将剩余原连通裂隙部分分割成多个裂隙段，在部分裂隙网络中也出现了相似的情况，因此形成了更多的较小裂隙段；二是由于轴压和浆液压力的共同作用，致使已破坏煤样中形成了新的微小裂隙。

单轴加载破裂煤样注浆前后裂隙体积统计对比如图8 所示。从图8 可看出：注浆后煤样裂隙总体积由注浆前的1.206×104mm3减小到了3.9×103mm3，其中30 mm 以上裂隙体积占比由注浆前的99.69%降为59.38%。从裂隙整体体积的变化角度看，注浆后煤样裂隙体积仅为注浆前的约1/3，说明注浆效果显著。

图8 单轴破裂煤样注浆前后裂隙体积占比Fig.8 Fracture volume ratio of fractured coal samples under uniaxial loading before and after grouting

4.1.2 劈裂破坏煤样裂隙分布量化分析

劈裂破坏煤样注浆前后裂隙数量统计对比如图9 所示。从图9 可看出：煤样在完成注浆试验后，裂隙总数增多，约是注浆前煤样裂隙的2 倍，但裂隙的增长主要为5 mm 以下的微小裂隙，约占裂隙总数的92%，10 mm 以上较大裂隙数量则显著减少，仅占裂隙总数的1.3%，特别是50 mm 以上裂隙数量由注浆前的2 条变为0。造成这一现象的原因：一是注浆作用下大裂隙被浆液有效封堵，使大裂隙数量显著减少；二是由于注浆浆液压力在裂隙中的应力作用，使煤样中形成新的微小裂隙；三是在浆液渗流过程中，由于裂隙条件不同，造成部分裂隙未能实现完全渗入封堵，使部分较大裂隙碎裂化，转为更多微小裂隙。

图9 劈裂破坏煤样注浆前后裂隙数量占比Fig.9 Fracture number ratio of splitting failure coal samples before and after grouting

劈裂破坏煤样注浆前后裂隙体积统计对比如图10 所示。根据CT 扫描结果的统计可知，注浆后煤样裂隙总体积由注浆前的4 593.9 mm3减小到861.6 mm3，其中30 mm 以上较大裂隙体积占比由注浆前的96.7%降为62.11%。从裂隙体积的变化角度看，煤样裂隙体积仅为注浆前的约1/5，表明注浆效果显著。

图10 劈裂破坏煤样注浆前后裂隙体积占比Fig.10 Fracture volume ratio of splitting failure coal samples before and after grouting

4.2 注浆前后煤样渗透率变化

煤体渗透性是评价注浆效果的重要参数之一。利用渗透性测定设备分别对单轴和劈裂破坏煤样进行破裂前、注浆前及注浆后3 个阶段渗透率测定，同时测定注浆前后煤样的质量，结果见表2。

表2 煤样注浆前后基本数据对比Table 2 Comparison of coal sample basic data before and after grouting

从表2 可看出:注浆后单轴加载破裂煤样的渗透率由注浆前受载破裂的57×10-14m2下降到1.2×10-14m2，下降了97.9%；注浆后劈裂破坏煤样的渗透率由注浆前受载破裂的75×10-14m2下降到1.3×10-14m2，下降了98.3%。测定结果显示注浆对不同破坏形式煤样均具有显著的堵漏降渗效果，表明注浆是封堵煤体裂隙的有效手段。

5 工程借鉴

（1）煤样破裂后，由于内部裂隙结构充分发育，渗透率会出现显著增大，表明钻孔卸压带裂隙区是抽采钻孔漏气的主要区域，需要采取注浆封孔措施。

（2）从煤样注浆前后煤样结构CT 扫描图可以看出，虽然单轴受载破裂煤样注浆浆液大多仅渗入到煤样距下端面约1/3 处，且裂隙体积仅下降了52.5%，但是已渗入部分均实现了有效封堵，注浆后渗透率大幅下降，表明工程实践中只要注浆浆液能够在瓦斯抽采漏气通道中任意位置形成阻隔断面，打破漏气通道的连通性，即可有效封堵裂隙并取得良好的注浆封孔效果。

6 结论

（1）单轴加载破裂煤样主裂隙由煤样顶部两侧贯穿至煤样底部并汇聚，裂隙宽度基本保持不变，煤样主要在剪切应力作用下破裂，整体破碎程度较大，主裂隙网络伴生较多的小裂隙；注浆前后50 mm 以上裂隙由1 条转为0，总裂隙体积由12 000 mm3减小为5 700 mm3，降幅为52.5%，表明单轴破裂煤样裂隙结构相对不利于浆液扩散流动。劈裂破坏煤样主裂隙由顶部沿竖直方向向下延伸至煤样中下部，裂隙宽度较大，然后向一方倾斜45°继续延伸，裂隙宽度逐渐变小；注浆前后50 mm 以上裂隙由2 条转为0，总裂隙体积由3 430 mm3减小为312 mm3，降幅为90.9%，表明劈裂破坏煤样裂隙结构有利于浆液的流动和充填。

（2）注浆后单轴加载破裂煤样的渗透率由注浆前受载破裂的57×10-14m2下降到1.2×10-14m2，下降了97.9%；注浆后劈裂破坏煤样的渗透率由注浆前受载破裂 的75×10-14m2下降到1.3×10-14m2，下降了98.3%，表明注浆对不同破坏形式煤样均具有显著的堵漏降渗效果。

（3）单轴加载破裂煤样注浆浆液仅充填了部分裂隙，但渗透率与原始煤样差别很小，表明通过阻隔漏气通道的连通性，即可有效封堵裂隙并取得良好的注浆封孔效果。研究成果对于评价裂隙煤体注浆效果、优化瓦斯抽采钻孔注浆封孔参数具有重要的理论意义。