軟煤樣斷裂韌性加載速率效應實驗研究*

侯連浪，劉向君，梁利喜，張 平，謝 斌，張 旭

(1.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100015)

0 引言

煤巖的巖石力學性質是煤巖體的基本屬性[1]，反映煤巖體的物理狀態和承受外界作用的能力[2]，準確認識煤巖巖石力學特性對防治煤炭開采過程中可能發生的煤與瓦斯突出事故及煤層氣井鉆井過程中可能發生的井壁坍塌事件至關重要[3]。加載速率是影響巖石力學性質的主要因素之一[4-5]。國內外學者開展大量相關研究，宮能平等[6]分析加載速率對花崗巖動態斷裂韌度影響；吳綿拔[7]分析加載速率對花崗巖單軸抗壓和抗拉特性的影響；Sang等[8]對Inada花崗巖開展動態拉伸實驗，研究巖石動態拉伸強度與應變率的關系；李永盛[9]定量分析應變速率對紅砂巖單軸抗壓強度與峰值強度對應的應變、破壞后變形模量，以及破裂形式等物理力學性態的影響。以上研究對象均為硬脆巖石，部分學者開展軟巖巖石力學特性加載速率效應研究。紀文棟等[10]分析應變加載速率對鹽巖三軸強度、軸向應變及側向應變以及破裂形式等物理力學性質的影響；李海波等[11]分析加載速率對軟巖(砂漿模擬材料)的強度參數、彈性參數的影響；廖紅建等[12]對硅藻質軟巖試樣進行不同圍壓和不同加載速率的應變和應力控制式固結不排水三軸實驗；梁衛國等[13]以層狀鹽巖體礦床中的NaCl巖鹽與無水芒硝鹽巖為研究對象，開展不同加載速率的單軸壓縮強度與變形特性的應變率效應研究?，F有關于軟巖的加載速率效應研究補充了軟巖相關研究的缺失，表明不同類別軟巖的加載速率效應差異明顯，意義重大，但缺乏對松軟煤巖加載速率效應的相關研究。以取自云南老廠地區軟煤樣為研究對象，開展不同位移加載速率條件下的斷裂韌性實驗，分析軟煤樣的斷裂韌性加載速率效應，本文研究可加強對于煤巖力學特性的認識，拓寬現有軟巖加載速率效應研究范圍，對松軟煤層氣井井壁穩定性及礦井巷道穩定性具有指導意義，進而降低安全事故風險。

1 實驗分析方法、樣品與實驗方案

1.1 實驗分析方法

1.1.1 斷裂韌性測試方法

學者們在測試巖石斷裂性韌性的過程中常采用三點彎曲法、圓盤法、水壓致裂法等。國際巖石力學協會于2014年推薦了中心切槽半圓盤三點彎曲試樣法[14]。半圓盤三點彎曲法(Semi-Circular Bend，SCB)是當前測試巖石斷裂韌性的理想方法之一。SCB試樣加載示意如圖1所示，其中，S為支撐點間距，a為切槽長度，P為載荷，α為割理角度。

圖1 SCB試樣加載示意Fig.1 Schematic diagram for loading of SCB sample

獲取實驗數據后，巖樣的斷裂韌性值如式(1)～(3)所示[14]：

(1)

(2)

β=a/R

(3)

式中：S為支撐點的間距，mm；R為試樣半徑，mm；β為切槽長度與試樣半徑的比值；B為試樣厚度，mm；Y′為無量綱應力強度因子；KIC為試樣的斷裂韌性值，MPa·mm0.5。

1.1.2 壓入硬度測試分析方法

本文采用壓入硬度法分析煤樣硬度，實驗裝置中壓頭采用直徑為3.06 mm的合金壓頭。分析載荷-位移曲線獲取載荷最大值，可計算得到煤樣壓入硬度值。

1.2 實驗方案

1.2.1 斷裂韌性實驗方案

為分析割理角度(本文所述割理角度為煤樣割理面與巖樣下邊沿的夾角，圖1中角α)對煤巖斷裂韌性的影響，使用實驗機分別開展面割理與試樣底邊直徑夾角為0°，30°，60°，90°條件下的斷裂韌性實驗。為分析煤巖斷裂韌性的加載速率效應，將每組巖樣分為4小組，每小組實驗過程中的加載速率分別為0.2，0.5，0.8，1.1 mm/min。實驗過程中2支撐點間距設置為40 mm。

1.2.2 壓入硬度實驗方案

為從硬度角度對實驗煤樣進行分級，從鉆取斷裂韌性試樣的同一煤塊上制取壓入硬度實驗樣品。

1.3 試樣制備

1.3.1 斷裂韌性實驗樣品制備

實驗所用煤巖為云南老廠地區礦井內煤塊，煤階為無煙煤，體積密度平均值為1 450 kg/m3。對煤樣割理發育程度進行統計，其面割理密度為180～300條/m，端割理密度為180～380條/m。平行于面割理從煤塊鉆取直徑為50 mm的圓柱，將圓柱切割成厚度為20 mm的圓盤試樣，測量完整圓盤試樣的直徑、厚度。設置面割理與圓盤直徑的夾角分別為0°，30°，60°，90°，沿中軸線劃線做標記，由于切割刀具具有一定厚度，為保證所切半圓盤為標準半圓，每塊完整圓盤沿著中軸標記線只切割成一塊標準的半圓盤。在半圓盤上按圖1所示進行割縫，縫長12.5 mm，縫寬0.5 mm。要求最終選用的半圓盤試樣尺寸滿足S/2R≈0.8，a/R≈0.5，滿足國際巖石力學對于SCB試樣的幾何尺寸要求，斷裂韌性實驗試樣LC-1，LC-9，LC-17，LC-25照片如圖2所示，4塊巖心割理角度分別為0°，30°，60°，90°。

圖2 斷裂韌性實驗試樣Fig.2 Samples of fracture toughness tests

1.3.2 壓入硬度實驗樣品制備

從制取斷裂韌性試樣煤塊上鉆取直徑25 mm，長度約為20 mm的煤樣，制樣完成后重新測試其長度、直徑以及質量。壓入硬度實驗樣品照片如圖3所示。

圖3 壓入硬度實驗樣品Fig.3 Samples of indentation hardness tests

2 實驗結果

2.1 壓入硬度實驗結果

壓入硬度實驗結果如圖4所示，由圖4可知，實驗巖樣硬度分布在51.84～125.03 MPa之間，平均值為80.75 MPa，按照當前常用的巖石硬度分級標準，實驗煤巖的硬度級別為1級或2級，屬軟巖類別。另外，據文獻[1]，老廠煤巖，其單軸抗壓強度平均值約為14 MPa，普氏系數約1.4，屬于較軟巖石，其彈性模量約為8 000 MPa，其泊松比約為0.4，塑性較強。

圖4 試樣壓入硬度統計Fig.4 Statistics on indentation hardness of samples

2.2 斷裂韌性測試結果

煤巖Ⅰ型斷裂韌性分布如圖5所示，圖5中所標角度為煤樣割理角度。由圖5可知，實驗巖樣Ⅰ型斷裂韌性分布在0.009 9～0.208 2 MPa·mm0.5之間，平均值為0.096 5 MPa·mm0.5。

圖5 煤巖Ⅰ型斷裂韌性Fig.5 ModeⅠfracture toughness of coal rock

3 分析與討論

3.1 加載速率對軟煤巖Ⅰ型斷裂韌性的影響

煤樣Ⅰ型斷裂韌性與加載速率的關系如圖6所示，由圖6可知，當面割理角度為0°時，不同加載速率所對應的Ⅰ型斷裂韌性平均值分別為0.14，0.18，0.12，0.11 MPa·mm0.5，當面割理角度為30°時，煤樣Ⅰ型斷裂韌性平均值分別為0.04，0.09，0.14，0.05 MPa·mm0.5，當面割理角度為60°時，煤樣的Ⅰ型斷裂韌性平均值分別為0.10，0.12，0.13，0.09 MPa·mm0.5，當面割理角度為90°時，煤樣的Ⅰ型斷裂韌性平均值分別為0.06，0.10，0.04，0.02 MPa·mm0.5。整體上，在本文加載速率范圍內，實驗軟煤巖Ⅰ型斷裂韌性隨著加載速率的增大呈現先增大后降低的趨勢。

圖6 煤樣Ⅰ型斷裂韌性與加載速率的關系Fig.6 Relationship between modeⅠfracture toughness of coal samples and loading rate

3.2 割理角度對軟煤巖Ⅰ型斷裂韌性的影響

Ⅰ型斷裂韌性隨著割理角度的關系如圖7所示，由圖7(b)可知，整體上，隨著割理角度逐漸增大，巖樣Ⅰ型斷裂韌性值逐漸降低，割理角度對軟煤巖Ⅰ型斷裂韌性有較大影響。為定量描述割理角度對煤巖Ⅰ型斷裂韌性的影響，計算每個割理角度下Ⅰ型斷裂韌性的平均值，而后對Ⅰ型斷裂韌性與割理角度進行擬合，割理角度與Ⅰ型斷裂韌性有較好的線性相關性，并獲得Ⅰ型斷裂韌性與割理角度的關系，如式(4)所示：

圖7 Ⅰ型斷裂韌性與割理角度的關系Fig.7 Relationship between modeⅠfracture toughness and cleat angle

KIC=-0.000 7α+0.128 5

(4)

式中：α為面割理角度，°。

3.3 加載速率對軟煤樣斷裂類型的影響

由圖6可知，當面割理與半圓盤底邊夾角為30°時，Ⅰ型斷裂韌性隨加載速率先增大后減小的規律最明顯，以夾角為30°巖樣為例。割理角度30°的巖樣載荷位移曲線如圖8所示，割理角度為30°巖樣破壞后照片如圖9所示。由圖8可知，巖樣LC-10在加載初期，載荷變化平緩，表明微裂紋等正在張開，巖樣破壞前，載荷上升緩慢，破壞后載荷下降亦較為緩慢。由圖9(a)可知，巖樣LC-10斷面不能完全吻合，斷口不鋒利，綜合分析認為巖樣LC-10的破壞形式為韌性破壞。由圖8可知，巖樣LC-12的載荷-位移曲線特征與巖樣LC-10相近，由圖9(b)可知，巖樣LC-12斷面仍有微弱變形，斷口不鋒利，綜合分析為韌性斷裂，斷面或沿著割理擴展，或切穿基質，斷面較巖樣LC-10彎曲，需要更多能量才能使得巖樣破壞，因此，巖樣LC-12的斷裂韌性值高于巖樣LC-10。由圖8可知，巖樣LC-13較其他3塊巖樣破壞時對應的位移量最大，表明該巖樣在破壞前發生了較大變形，為韌性破壞特征，但其破壞后載荷曲線迅速下降，為脆性破壞特征。由圖9(c)可知，巖樣LC-13斷面一部分沿著割理的部分，一部分切割基質，但是斷口鋒利，斷面未見變形，因此，對比巖樣LC-10，LC-12，巖樣LC-13的破壞形式有從韌性破壞向脆性破壞的趨勢。由圖8可知，巖樣LC-15破壞后載荷下降較快，由圖9(d)可知，巖樣LC-15斷口鋒利，2斷面中間出現碎渣，綜合分析認為巖樣LC-15的破壞類型為脆性破壞。綜合巖樣LC-10，LC-12，LC-13，LC-15可知，隨著加載速率增大，實驗煤巖樣破壞形式從韌性破壞逐漸過渡到脆性破壞。正是這種破壞形式的轉變導致實驗煤樣出現Ⅰ型斷裂韌性隨著加載速率增大先增大后降低的現象，這種現象與Gillespie等[15]，李玉龍等[16]對碳纖維/環氧樹脂以及碳纖維/PEEK復合材料的Ⅰ型層間斷裂韌性率相關性實驗研究結果一致。

圖8 割理角度為30°巖樣載荷-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of coal samples with cleat angle of 30 °

圖9 割理角度為30°巖樣破壞后照片Fig.9 Photos of coal samples after failure with cleat angle of 30°

由圖9可知，部分巖樣在受力破壞時并不是在預制縫尖端開始起裂，而是從割理等弱面處開始，裂隙在延伸過程中亦存在直接切割基質的現象。在軟煤層開展工程作業過程中，受割理等弱面的影響，裂紋尖端逐漸擴展時，如果破壞煤巖基質層所需能量低于沿著割理面所需能量，裂隙將直接切穿基質，這將有利于形成復雜裂縫網，但不利于煤層穩定性，降低了煤炭及煤層氣資源開發的安全性。

4 結論

1)實驗煤樣壓入硬度分布在51.84～125.03 MPa之間，其普氏系數約為1.4，實驗煤樣按壓入硬度劃分屬于軟巖類別，按普氏系數劃分屬于較軟巖石。實驗巖樣Ⅰ型斷裂韌性分布在0.009 9～0.208 2 MPa·mm0.5之間，平均值為0.096 5 MPa·mm0.5。

2)在0.2～1.1 mm/min范圍內，實驗軟煤巖斷裂韌性隨著加載速率的增大呈現出先增大后降低的規律。割理角度對軟煤巖斷裂韌性有較大影響，Ⅰ型斷裂韌性與割理角度的關系呈現負線性相關性。

3)在0.2～1.1 mm/min范圍內，低加載速率條件下，軟煤巖斷裂面不能完全吻合，軟煤巖表現為韌性斷裂，高加載速率條件下，2斷面較鋒利，能較好吻合，軟煤巖表現為脆性斷裂，加載速率的變化導致軟煤巖斷裂類型的變化。

4)在軟煤層開展工程作業過程中，受割理等弱面的影響，裂紋尖端逐漸擴展時，如果破壞煤巖基質層所需能量低于沿著割理面所需能量，裂隙將直接切穿基質，這將有利于形成復雜裂縫網，但不利于煤層穩定性，降低了煤炭及煤層氣資源開發的安全性。