循環沖擊層理煤巖動力學行為及破壞規律研究*

羅 寧，索云琛，張浩浩，柴亞博，翟 成，屈 喆，白桂智

（1.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；3.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116）

煤層氣資源能源是世界范圍內儲量巨大的重要非常規能源之一，煤-氣共采技術不僅可以預防煤礦瓦斯災害，還可以增加可利用瓦斯資源，提高煤礦經濟開采。目前，使用最有效的地表鉆孔開采技術機理是排出煤層承壓水，降低煤儲層壓力，促進吸附甲烷解吸成大量游離甲烷，在地層壓力和井筒壓差的作用下向井口運移[1-6]。而水力壓裂作為目前的主要手段，因向井中傾倒大量的水、沙子和化學物質，涉及污染環境并引發地震等相關問題，已經被越來越多的國家禁止。由于資源開發的迫切需求，越來越多的學者開始關注爆燃壓裂方法[7-8]。然而，動態壓裂技術相對較新，其機理較少受到重視，隨著煤炭資源開采深度的增加，爆燃壓裂法在煤層氣開采中面臨的挑戰也越來越大。首先，煤在深部環境中受到地應力，這導致了動態特性的顯著變化；其次，無論是鉆孔爆破法還是爆燃壓裂法，單次沖擊并不一定能使煤層破碎或達到預期效果。在實際應用中，它經常受到多次加載，循環效應下的動態力學特性表現出明顯的變化[9-11]；最后，煤巖作為典型的沉積巖，其內部存在許多薄弱結構面，如微裂縫和層理，導致其力學性能復雜[12-14]。隨著開采深度的不斷深入，深部煤巖地層情況愈加復雜，相關資源的開采難度也與之俱增。因此，研究含層理角度煤巖的動態力學響應成為當前煤層氣高效開采的關鍵科學問題之一。

眾多學者已對煤巖的力學性質進行了大量的研究。如Zhao 等[15]、Kong 等[16]、Hao 等[17]和Liu 等[18]研究了煤巖的靜態和動態力學行為，雖然前者已對煤巖的靜、動態力學的做了大量的研究工作，然而對含層理煤巖的研究仍比較少，已逐漸成為相關領域的難點和熱點問題之一。Chen 等[19]研究了不同層理對煤巖的力學性質和滲透性的影響，發現隨著層理角度的增大，通道數量隨著初始滲透率的增加而增加，抗壓強度呈現先降低后升高的趨勢。Zhao 等[20]利用分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）實驗系統研究了不同層理角度對煤巖斷裂韌性的影響，發現層理引起的各向異性對煤巖的動態啟動斷裂韌性起著重要作用。Wang 等[21]采用SHPB 實驗系統和高速攝影技術發現層理影響裂紋的起裂方向，裂紋擴展路徑由最大主應力方向和層理共同決定；當層理角度方向垂直于沖擊方向時，動態斷裂韌性較大；隨著層理角度的增大，試件的損傷逐漸由拉伸損傷向拉剪耦合損傷轉變。Fan 等[22]利用SHPB 實驗系統和3D 輪廓掃描儀研究了不同層理角度和溫度對頁巖的動態影響，發現不同層理角度的頁巖臨界溫度不同；動態抗壓強度隨層理角度的增大呈現先降低后升高的趨勢，其趨勢與斷面粗糙度呈正相關。王衛華等[23]研究了應力波在等效節理處的傳播規律，并建立了層理非線性位移不連續模型，研究了層理初始剛度、層理合合度對層理透射反射系數的影響。李業學等[24]引入分形損傷理論研究應力波穿透節理時的透、反射效應，建立了分形損傷本構模型。

綜上所述，相關研究均對含特征層理巖石的靜、動態力學特性方面取得了一定的研究成果，其中一方面，上述研究僅聚焦單軸壓縮或劈裂實驗；另一方面，當煤層被鉆爆法、燃爆法致裂時，單次沖擊并未能使煤層破裂充分或達到預期效果。然而實際煤層氣資源開發中煤巖在深部地層條件下會受到多次燃爆沖擊，形成成熟、貫通的裂縫網絡，從而最大效率地實現單井煤層氣開采，因此僅在單軸沖擊條件下研究不同層理角度煤巖的動態力學性能并不能完全揭示真實的破壞特征規律。故此本文研究了動態三軸壓縮作用下含特征層理煤巖在循環沖擊下斷裂的動態力學行為及損傷破壞演化特征，深入研究了層理角度對煤巖力學特性和能量演變的影響規律，以期待高效壓裂深部含特征層理煤巖提供關鍵力學基礎科學數據支撐。

1 動態沖擊實驗

1.1 試樣加工過程

煤巖均產自陜西省賦谷縣張明溝煤礦，為避免煤巖強度離散性對實驗結果的影響，選取同一煤巖加工含不同層理 （0°、30°、45°、60°、90°）的標準煤巖試樣，如圖1 所示。

圖1 加工前后的層理煤巖Fig.1 Bedding coal rocks before and after processing

所有試樣層理角度清晰可見，加工精度滿足GB/T 50 266—2013《工程巖體試驗方法標準》的要求。將用于SHPB (split Hopkinson pressure bar) 實驗的煤巖全部加工成直徑50 mm、高25 mm 的標準圓柱體試樣，并對煤巖試樣進行拋光處理，保證2 個加載面的表面光潔度和平整度均小于0.02 mm，并在沖擊測試前用保鮮膜包裹保護，以防止碰撞損壞和空氣濕度影響。采用分辨率為0.5～10 μm 的NanoVoxel3502E CT 裝置對沖擊前具有代表性的0°層理煤巖進行掃描分析，如圖2 所示，CT 掃描煤巖具有明顯的貫通層理面，且分布均勻。

圖2 0°層理煤巖的CT 圖Fig.2 CT image of 0° bedding coal rock

1.2 SHPB 實驗系統及理論基礎

實驗在 ? 50 mm SHPB 系統上完成，系統裝置如圖3 所示，整個實驗系統包括發射操作裝置、沖擊桿、入射桿、透射桿、緩沖桿、圍壓加載設備、軸向加載設備、激光測速儀和動態實驗分析器。沖擊桿、入射桿、透射桿和緩沖桿的長度分別為500、3 000、3 000 和1 200 mm。桿件材料采用硅錳彈簧鋼，具有高強度、彈性和穩定性等特點，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.29，縱波波速為5 188 m/s，密度為7 800 kg/m3。

圖3 動態三軸SHPB 測試系統Fig.3 Dynamic triaxial SHPB test system

在入射桿撞擊煤巖時，入射波會產生反射波和透射波，由于桿件與煤巖的波阻抗失配，應力波在煤巖中來回反、透射，最終實現應力平衡。為了驗證煤巖試件的應力均勻性假設，采用下式計算試件兩端的受力：

式中：F1為煤巖試樣靠近入射桿的界面所受的力；F2為煤巖試樣靠近透射桿的界面所受的力；εi、εr和εt分別為入射應變脈沖、反射應變脈沖和透射應變脈沖；Ab和As為桿件和煤巖試樣的橫截面積；Eb為桿件彈性模量。實驗結果如圖4所示，煤巖加載面兩端應力曲線基本重合，即p1=p2，說明在整個動態實驗過程中，試件內部各部位的應力應變幾乎都處于均勻狀態，即εi+εr=εt[25-26]。因此，可以用二波法代替三波法，即用下式：

圖4 煤巖時間應力均勻的試驗驗證Fig.4 Experimental verification of coal rock stress uniformity

1.3 SHPB 壓桿的能量分析

含特征層理煤巖的動態測試過程分為單軸壓縮沖擊實驗和動態三軸循環沖擊實驗，在單軸壓縮沖擊實驗采用0.3 MPa 沖擊壓力單次沖擊煤巖，并以單軸破壞結果數據為基礎研究圍壓效應對煤巖的影響，在動態三軸循環沖擊實驗中使用1.0 MPa 沖擊壓力進行循環三次沖擊，研究動態三軸壓縮下層理效應對煤巖的影響。如圖5 所示，動態三軸循環沖擊實驗過程中，子彈速度均可控制在(13.216±0.025) m/s。然而，在計算入射能量時發現，設備在沖擊實驗過程中或多或少存儲或消耗了一些能量，導致入射能量略有偏差。為避免實驗裝置的影響，采用反射能、透射能和吸收能占入射能的百分比，來研究能量分配的變化：

圖5 含不同特征層理煤巖動態測試中的子彈速度和入射能量Fig.5 Velocity and incident energy of the bullets in dynamical tests on coal rock samples with different bedding angles

式中：x=i, r, t；Wi、Wr和Wt分別為入射、反射和透射應力波的能量；σi、σr和σt分別為入射、反射和透射應力波；Wa為吸收應力波能量；y=r, t, a；λr、λt和 λa分別為反射能、透射能和吸收能與入射能的比。

2 應力-應變曲線的變化特征

選取不同圍壓下45°層理煤巖的應力-應變曲線進行分析，發現含層理煤巖對有無圍壓的敏感性顯著。如圖6 所示，45°層理煤巖的應力-應變曲線在圍壓狀態下均出現彈性后效現象，圍壓促使煤巖的力學性質從脆性向延性轉變。單軸沖擊壓縮下，煤巖的動態抗壓強度和失效應變分別為19.9 MPa 和0.022；當施加圍壓后，層理煤巖的動態抗壓強度和失效應變明顯增大，分別增大3.9～4.2 和2.59～3.05 倍。圍壓的施加增強了煤巖內質點的內聚力，使晶格不易破壞，增大了煤巖的極限強度和韌性[29-30]。

圖6 不同圍壓下45°層理煤巖的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of 45° bedding coal rock under different confining pressures

3 煤巖動態力學特性的層理效應

3.1 動態抗壓強度的變化特征

單軸壓縮沖擊和動態三軸壓縮沖擊狀態下，煤巖的動態力學性能差異明顯。在研究圍壓效應時，基于單軸沖擊壓縮破壞數據，如圖7 所示，將實驗所得數據采用樣條曲線擬合連接（以下數據結果若無明確標注則均為此方式連接），發現單軸壓縮沖擊下的動態抗壓強度隨層理角的增大呈U 形分布，其中0°和90°層理煤巖的強度最高。

圖7 無圍壓條件下含不同特征層理煤巖試樣的動態抗壓強度Fig.7 Dynamic compressive strengths of coal rock samples with different bedding angles without confining pressure

如圖8(a) 所示，不同層理角度煤巖的動態抗壓強度并沒有隨圍壓的增大而呈現單一的增大或減小的變化趨勢。圖8(b)顯示，煤巖的動態抗壓強度則隨層理角度的增大呈現明顯的U 形變化趨勢，90°層理煤巖的抗壓強度最高，0°層理煤巖的抗壓強度次之，45°層理煤巖的動態抗壓強度最低。因為90°層理方向與圍壓作用方向垂直，能較好地壓密煤巖內部的孔隙和裂隙，對其動態抗壓強度的提高最顯著。當層理方向與圍壓方向存在夾角（如30°、45°、60°）時，層理面之間會發生摩擦或滑移，對其抗壓強度有增強效果，但明顯低于90°層理煤巖。

圖8 抗壓強度隨圍壓和層理角度的變化Fig.8 Variation of compressive strength with confining pressure and bedding angle

3.2 動態彈性模量的變化特征

彈性模量是物體抵抗彈性變形能力的量度。采用峰值應力的0.4 倍和0.6 倍的應力差與應變差之比計算煤巖的動態彈性模量：

式中：ε1和σ1分別為0.4 倍峰值應力時的應變和應力，ε2和σ2分別為0.6 倍峰值應力時的應變和應力。

如圖9 所示，彈性模量隨層理角度的增大呈現先減小后增大的趨勢。在90°層理時最大，45°層理時最小。因為45°層理煤巖的抗壓強度最低，更易發生破壞變形，細裂紋的發展降低了煤結構傳遞荷載的能力和比例，降低了材料性能，導致彈性模量降低，此規律與抗壓強度相似，因此認為含層理煤巖的動態力學參數的變化并不是孤立存在，而是相互影響。

圖9 不同圍壓下煤巖彈性模量隨層理角度的變化Fig.9 Variation of elastic modulus of coal rock with bedding angle at different confining pressures

4 煤巖能量演變的層理效應

4.1 能量分配率的變化特征

如圖10 所示，入射縱波以α1的角度通過層理面時，透射與反射效應同時發生，產生反射橫波、反射縱波、透射橫波、透射縱波[23-24]。不同層理面的α1不同，能量的透射和反射也會有很大的不同，因此，研究不同層理煤巖的能量變化率有非常重要的理論意義。

圖10 P 波在等效層理面上的反射和透射Fig.10 Reflection and transmission of P-waves at the equivalent bedding plane

如圖11(a) 所示，當研究煤巖的能量反射率時，發現2.5 和5.0 MPa 圍壓下能量反射率隨層理角度呈現下降趨勢，90°層理煤巖的能量反射率最小，0°層理煤巖的反射率最大，7.5 和11.0 MPa 圍壓下的能量反射率呈現先增大后減小的趨勢，在30°層理角度處達到最大。因為過高的圍壓施加在煤巖上，層理因為圍壓的施加而進一步發育，導致層理角度有所改變，能量的演化受圍壓和層理共同影響。

圖11 不同圍壓下煤巖能量分配率隨層理角度的變化Fig.11 Variation of energy distribution ratio of coal rock with bedding angle at different confining pressures

如圖11(b)所示，能量透射率與層理角度呈現U 形趨勢，這一趨勢與抗壓強度的趨勢相似，抗壓強度越高，能量透射程度越高，其中90°層理煤巖的透射率最高，其次是0°層理煤巖，0°和90°層理煤巖能更好地保證能量的穿透和傳遞，45°層理煤巖的透射率最低，說明角度層理（30°，45°，60°）煤巖更能降低能量的透射。

如圖11(c)所示，能量吸收率與層理角度呈現先增后減的∩形趨勢，與抗壓強度和彈性模量呈負相關，與峰值應變呈正相關，45°層理煤巖的能量吸收率最大，0°層理煤巖吸收率最低。因為在應力波作用0°和90°層理面時，應力波以反射和透射效應為主，當作用45°層理面時，更多的應力波能量被用于破壞斷裂層理面，能量吸收率達到最大。

4.2 損傷變量的變化特征

謝和平等[31]指出巖石失穩和破壞損傷的本質是能量釋放和耗散的演化過程。煤巖作為典型沉積巖，采用基于能量耗散理論的損傷變量可以更好地揭示其內部損傷的本質變化，因此按照耗散結構理論，將損傷變量定義為吸收能∫量密度與本構能的比值。如圖12所示，本構能Up由煤巖應力（σ）-應變（ε）曲線進行積分得到，即Up=σdε，表示單元發生損傷和塑性變形時所消耗的能量；Ue為單元內存儲的可釋放應變能，為巖石單元卸載后釋放的彈性應變能。此外，引入吸收能量密度Uc=Wc/Vc（Wc為煤巖的吸收能，Vc為煤巖的體積），表示煤巖單位體積吸收能量[32-33]；將D=Uc/Up定義為損傷變量[34]。

圖12 體積能量耗散和可釋放應變能Fig.12 Energy dissipation and releasable strain energy per unit volume

當D=0 時，煤巖單元體無損傷，無能量耗散；當D=1 時，煤巖單元體能夠承受所有的能量耗散，煤巖被完全破壞。如圖13 所示，D與層理角度呈N 形分布，層理角度為45°或90°時，D達到最大值。煤巖吸收能量用于裂紋的發育、擴展或貫通：在45°層理煤巖中，裂紋容易形成宏觀裂縫，發生斷裂；而90°層理煤巖更易吸收能量，形成未貫通的大量細觀裂紋。基于能量法的D有效地反映了煤巖體破壞的真實情況和本質變化。

圖13 損傷變量隨層理角度的變化Fig.13 Variation of damage variable with bedding angle

5 層理煤巖表觀破壞形態及致裂機理

5.1 層理煤巖斷面粗糙度的變化特征

巖石斷裂面的形態對揭示巖石動態斷裂機制有重大意義，斷裂面的粗糙度也常被用于分析巖石裂縫中的剪切和流動行為。為此，選取3D 輪廓掃描儀（KEYENCE VR-5 000），測量層理煤巖的斷裂表面形態特征，以分析動態三軸循環壓縮沖擊下層理效應對煤巖斷裂特性的影響。并結合粗糙度分析模塊，采用下式計算三維表面粗糙度Sa，定量分析層理煤巖斷裂面粗糙度的變化特征[22]：

式中：Z為煤巖表面輪廓點到基準平面的距離，N和M分別為測量區域中相互垂直的2 個方向上的采集點數。

如圖14～17 所示，具有代表性的煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖被分析展示，通過式(7)量化斷裂表面得到斷面粗糙度Sa。

圖14 在2.5 MPa 圍壓下不同層理角度煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖Fig.14 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 2.5 MPa

圖15 在5.0 MPa 圍壓下不同層理角度煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖Fig.15 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 5.0 MPa

圖16 在7.5 MPa 圍壓下不同層理角度煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖Fig.16 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 7.5 MPa

圖17 在10.0 MPa 圍壓下不同層理角度煤巖斷裂面的初始照片和三維掃描圖Fig.17 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 10.0 MPa

如圖18(a)所示，Sa與層理角度呈∩形分布，在0°和90°最小，在45°層理角度達到最大。因為煤巖是由大量微米～厘米級晶粒組成的多晶體脆性材料，煤巖易沿著脆性層理面發生沿晶或穿晶斷裂，較0°和90°，45°層理面接觸薄弱，更易發生沿晶斷裂，破壞形式表現為壓剪層裂破壞。內部晶粒在動載荷作用下會承受正應力和切應力而在層理斷裂面產生沖蝕坑和劃痕，0°層理方向與沖擊方向垂直，層理表面切削作用最小，正向的沖擊作用導致晶粒產生的沖蝕坑最深；90°層理方向與沖擊方向平行，更易發生穿晶斷裂[35]；45°層理面上的晶粒更易因沖擊而反彈，沖蝕坑加深并在層理斷裂面產生切削劃痕，使斷面粗糙度最高。如圖18(b)所示，斷面粗糙度與抗壓強度展現良好的負相關，即抗壓強度越高，斷面粗糙度越低。

5.2 煤巖表觀破壞形態

如圖19 所示，0°層理煤巖在循環沖擊后表面出現剝落現象，在10 MPa 圍壓時出現張拉破壞。當圍壓為2.5 MPa 時，90°層理煤巖表現出劈裂損傷，但隨著圍壓的增大，煤巖表面則并無明顯裂紋，因為2.5 MPa 圍壓不足以壓實90°層理煤巖的內部裂隙結構，導致損傷較嚴重，然而對于90°層理煤巖，圍壓作用方向垂直于層理角度，圍壓能更好地保證煤巖內部孔隙的閉合，因此當圍壓升高時，損傷開始減小，導致90°層理角度煤巖抗壓強度最高，破壞程度最低。層理角度為30°、45°、60°的煤巖均沿層理角的角度方向發生壓剪破壞，其中，45°層理煤巖破壞形式最嚴重，出現層裂現象，30°和60°層理煤巖分別在10.0 和7.5 MPa 圍壓情況下也有層裂現象出現，煤巖損傷對層理角的響應更敏感，損傷形式主要為沿脆性節理面斷裂[36]。

圖19 煤巖在不同圍壓和層理角度作用下的破壞模式Fig.19 Failure modes of coal rocks with different bedding angles at different confining pressures

5.3 致裂機理分析

如圖20 所示，沿不同層理角度的各種損傷形式可歸納為3 種，分別為垂直于沖擊方向的拉伸損傷、與沖擊方向呈夾角的壓剪損傷、平行于沖擊方向的劈裂損傷。對于0°層理煤巖，圖20(a)所示的破壞形式傾向于在高圍壓狀況下發生，這是由于圍壓足夠大的時候，煤巖表面會產生環形裂紋，在圍壓作用下的彎曲應力導致脆性表面拉伸形成損傷；圖20(b)所示的破壞形式最易發生，因為主層理角度極易改變煤巖內部的應力狀態，導致破裂面上的摩擦承載能力下降，裂紋擴展并發生擴張和位移，對巖石造成剪切破壞，45°層理煤巖以壓剪層裂的破壞形式為主，30°和60°層理煤巖在7.5 和10.0 MPa 圍壓下，層裂現象也會出現；對于90°層理煤巖，圖20(c)所示的破壞形式傾向于在低圍壓下發生，這是由于煤巖在低圍壓下發生軸壓變形和側向膨脹變形，脆性層理面在拉伸作用下被激活開裂，最終沿著沖擊方向形成劈裂損傷。因此，煤巖的損傷破壞特征隨層理角度的變化可總結為張拉破壞(0°)-剪切破壞（30°、45°、60°）-劈裂破壞（90°）的演變過程。

圖20 煤巖在不同層理角度下的損傷形式Fig.20 Damage modes of coal rocks with different bedding angles

6 結 論

采用 ? 50 mm SHPB 測試系統，對含特征層理（0°、30°、45°、60°、90°）的煤巖進行了動態三軸循環沖擊實驗，探討了層理效應對煤巖動態力學參數和能量演化的影響，并結合3D 輪廓掃描儀測量斷裂表面以分析層理效應對煤巖斷裂特性的影響，獲得的主要結論如下。

(1) 圍壓的施加促使了煤巖由脆性向延性的轉變，應力-應變曲線出現彈性后效現象，抗壓強度和失效應變較無圍壓狀態增大3.9～4.2 和2.59～3.05 倍。施加圍壓后，煤巖對層理角度的響應更明顯，呈現一致的變化趨勢。45°層理煤巖的動態抗壓強度和彈性模量最低，90°層理煤巖的動態抗壓強度和彈性模量最高，0°層理煤巖的動態抗壓強度和彈性模量次之

(2) 45°層理能有效地抑制能量的透射，并加速能量的吸收用于裂隙發育，直至發生斷裂，導致該煤巖破壞最嚴重；90°層理更利于能量的透射，并抑制能量的反射。在5 MPa 圍壓之前，0°層理煤巖能量的反射率最高；之后，30°層理煤巖能量的反射率最高。這說明，層理煤巖的能量分配受圍壓和層理的相互影響，但層理作用仍占主導地位。

(3) 采用3D 輪廓掃描儀，對動態三軸循環沖擊煤的巖層理面特性進行了表征量化。含特征層理煤巖的斷面粗糙度與層理角度呈現∩形分布，在45°層理角度，斷面粗糙度達到最大；且斷面粗糙度與抗壓強度展現良好的負相關，即抗壓強度越高，斷面粗糙度越低。

(4) 0°層理煤巖在10 MPa 圍壓時出現張拉破壞，90°層理煤巖在2.5 MPa 圍壓時出現劈裂損傷。層理角度為30°、45°、60°的煤巖均沿脆性節理面發生壓剪破壞，破壞傾角主要受層理角度的影響，其中45°層理煤巖的破壞最嚴重，出現壓剪層裂破壞。