煤巖水壓氣壓裂縫擴展行為特性研究

摘 要：應用三軸巖石力學測試系統及煤巖氣壓致裂設備分析了原煤試件的水壓致裂與氣壓致裂過程。在此基礎上對裂縫的形成、擴展與壓力的關系進行了分析，應用彈性力學和斷裂力學理論對煤體裂紋形成和擴展過程進行分析。結果顯示：煤樣在水壓和氣壓作用下首先達到拉應力強度極限破壞，隨后在壓力的作用下形成I型裂紋沿著裂紋面擴展，出現貫通裂紋。煤體的水壓致裂和氣壓致裂的破壞形式以對徑張拉破壞為主。

關鍵詞：原煤；水壓致裂；氣壓致裂；聲發射

1 緒論

中國是一個缺乏石油，天然氣和煤炭的國家。中國的“中長期發展能源發展規劃（2004.2020年）”已經確定，中國將會“堅持以煤為主體，全面開展油氣和新能源開發”的能源戰略。影響天然氣生產的自然因素是天然氣資源量，天然氣資源豐度，儲層壓力，煤體滲透率。[1]隨著采礦規模和采礦深度的變化，中國大部分煤礦將變為低透氣高瓦斯開采條件，必須利用煤層開發利用煤炭。[2]煤層水力壓裂軟化技術是解決高堅硬厚煤層綜放開采頂煤軟化的關鍵技術。[3]氣動裂縫與水力壓裂原理相似，壓縮氣體形成高壓氣體，裂縫煤巖層。因此，在沒有水資源的情況下，有可能實現煤層防滲透和瓦斯抽采。研究瓦斯抽放水壓力的壓裂機理具有重要意義。許多學者對水壓氣壓致裂進行了研究。為了從機理上了解煤體內壓力作用下的裂隙擴展，膨脹行為和破壞形態，本文采用原煤進行了鉆孔水壓氣壓裂縫擴展行為規律的實驗研究，并進行了理論分析。

2 煤體裂縫形成過程分析

根據實驗煤樣的形狀，樣品被簡化為一個圓柱體。采用庫侖準則判斷煤樣破裂失效，并用庫倫準則求剪切破斷面的傾角。本文對上述結論進行驗證，分布采用兩個破壞準則進行判定。

（1）最大拉應力破壞準則。該標準認為，當最大拉應力達到材料的拉伸極限時，即導致材料破裂的一個點

F=σ-T0（k）=0

式中，T0是反映材料受拉條件下的抗拉強度。

（2）庫倫準則。該規范的主要觀點是煤巖的破壞是剪切破壞。取上述圓筒模型的橫截面，取一個微元體。可知，平面中的剪切強度準則為：

{τ-fσ}max=12（σ1-σ3）f2+1-12f（σ1+σ3）

式中，f=tanφ。根據方程如果方程式小于c，破壞不會發生；如果它等于（或大于）c，則發生破壞。庫侖準則在坐標系中的完整強度曲線為：

σc=2c[f2+1+f]

根據煤樣參數進行計算，煤樣并未達到庫倫準則的剪切破壞，而是直接達到最大拉壓力強度破壞。然而在實驗中，煤樣的破壞形成為對徑張拉破壞，為兩條傾角很小的豎直線。因此，圓柱形煤樣受到水壓氣壓之后，內壁邊界拉應力最大，由于煤的非均質性，首先在在結構弱處進行張裂。

煤體并非各向同性的材料，它是一個各向異性的復雜組合體，在形成的過程中，存在著許多缺陷，這些裂紋會改變煤體的力學性質。裝置主體將被破壞，形成徑向裂紋。

3 煤體裂縫擴展過程分析

煤樣達到拉應力強度發生破壞，出現裂紋，下一步我們對裂紋的擴展進行研究。孔壁中的液壓裂紋是拉伸裂紋。根據斷裂力學理論，煤體產生裂紋后的擴展行為可采用I型裂紋斷裂模型來進行力學分析。

該模型被簡化為內部壓力缸長度為a的裂紋。圓筒的內半徑為R1，外半徑為R2，內壁上裂紋的深度為a，筒內壓力為p。

檢查“應力強度因子手冊”，當裂紋很淺的時候（a→0），lima→0KI=1.12σπa。

裂縫擴展初始狀態的判據為：

KI=Fσπa=2FpR22πaR22-R21KId

式中，KId為初始煤巖的動態斷裂韌性，KId越大表明煤巖材料抵抗斷裂的能力越大，它是材料的一種固有屬性，其值可以通過實驗測試出來。

整理得：

pKId（R22-R21）2FR22πa

從上式不難發現，假設煤巖的保持不變，那么隨著裂縫a開裂長度不斷的增大，所需的驅動壓力越來越小，并且隨著氣體的不斷涌入，裂紋將呈指數級增長。這和實驗現象也是一致的，裂紋出現后，裂紋的擴展在很短的時間內進行，產生對徑張拉裂紋。隨后由于水壓氣壓的卸載，裂紋停止擴展。

取壓力分別為0.4MPa，0.8MPa，1.2MPa，下圖為不同壓力作用下的應力強度因子與裂縫長度的關系。從下圖可以看出，在給定的地應力條件下，裂紋尖端的應力強度因子隨著裂紋長度的增加而增加。

4 結論

采用彈性力學和斷裂力學理論對實驗煤樣的破壞過程進行了分析。煤樣裂隙的發育分三個階段，水壓氣壓增大體積變化不明顯的初始階段，壓力達到破壞強度后體積劇烈膨脹的擴展階段，壓力卸載體積變化較小甚至減小的裂隙閉合階段。聲發射信號可以很好的對應這三個階段。同時，煤樣裂紋的對徑張拉破壞形式也驗證了理論分析中的初始破壞及裂紋擴展方式。

參考文獻：

[1]國家統計局能源統計司.中國能源統計年鑒2010[M].北京：中國統計出版社，2011.

[2]鄧廣哲.封閉型煤層裂隙地應力場控制水壓致裂特性[J].煤炭學報，2001，26（5）：478.482.

[3]徐芝綸.彈性力學：上冊[M].北京：高等教育出版社，2006：63.65.

作者簡介：郝芹（1975.），女，河南鄭州人，碩士，講師，主要從事工程結構的非線性動力學研究。