軟煤樣斷裂韌性加載速率效應(yīng)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(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100015)

0 引言

煤巖的巖石力學(xué)性質(zhì)是煤巖體的基本屬性[1]，反映煤巖體的物理狀態(tài)和承受外界作用的能力[2]，準(zhǔn)確認(rèn)識煤巖巖石力學(xué)特性對防治煤炭開采過程中可能發(fā)生的煤與瓦斯突出事故及煤層氣井鉆井過程中可能發(fā)生的井壁坍塌事件至關(guān)重要[3]。加載速率是影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素之一[4-5]。國內(nèi)外學(xué)者開展大量相關(guān)研究，宮能平等[6]分析加載速率對花崗巖動態(tài)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(tài)拉伸實驗，研究巖石動態(tài)拉伸強度與應(yīng)變率的關(guān)系；李永盛[9]定量分析應(yīng)變速率對紅砂巖單軸抗壓強度與峰值強度對應(yīng)的應(yīng)變、破壞后變形模量，以及破裂形式等物理力學(xué)性態(tài)的影響。以上研究對象均為硬脆巖石，部分學(xué)者開展軟巖巖石力學(xué)特性加載速率效應(yīng)研究。紀(jì)文棟等[10]分析應(yīng)變加載速率對鹽巖三軸強度、軸向應(yīng)變及側(cè)向應(yīng)變以及破裂形式等物理力學(xué)性質(zhì)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(shù)、彈性參數(shù)的影響；廖紅建等[12]對硅藻質(zhì)軟巖試樣進行不同圍壓和不同加載速率的應(yīng)變和應(yīng)力控制式固結(jié)不排水三軸實驗；梁衛(wèi)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(yīng)變率效應(yīng)研究。現(xiàn)有關(guān)于軟巖的加載速率效應(yīng)研究補充了軟巖相關(guān)研究的缺失，表明不同類別軟巖的加載速率效應(yīng)差異明顯，意義重大，但缺乏對松軟煤巖加載速率效應(yīng)的相關(guān)研究。以取自云南老廠地區(qū)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(yīng)，本文研究可加強對于煤巖力學(xué)特性的認(rèn)識，拓寬現(xiàn)有軟巖加載速率效應(yīng)研究范圍，對松軟煤層氣井井壁穩(wěn)定性及礦井巷道穩(wěn)定性具有指導(dǎo)意義，進而降低安全事故風(fēng)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(xué)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(xué)協(xié)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(dāng)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(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)，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(shè)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(qū)礦井內(nèi)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(fā)育程度進行統(tǒng)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(shè)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(biāo)記，由于切割刀具具有一定厚度，為保證所切半圓盤為標(biāo)準(zhǔn)半圓，每塊完整圓盤沿著中軸標(biāo)記線只切割成一塊標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(zhì)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(jié)果

2.1 壓入硬度實驗結(jié)果

壓入硬度實驗結(jié)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(dāng)前常用的巖石硬度分級標(biāo)準(zhǔn)，實驗煤巖的硬度級別為1級或2級，屬軟巖類別。另外，據(jù)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(shù)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(tǒng)計Fig.4 Statistics on indentation hardness of samples

2.2 斷裂韌性測試結(jié)果

煤巖Ⅰ型斷裂韌性分布如圖5所示，圖5中所標(biāo)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(guān)系如圖6所示，由圖6可知，當(dāng)面割理角度為0°時，不同加載速率所對應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(nèi)，實驗軟煤巖Ⅰ型斷裂韌性隨著加載速率的增大呈現(xiàn)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(guān)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(guān)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(guān)性，并獲得Ⅰ型斷裂韌性與割理角度的關(guān)系，如式(4)所示：

圖7 Ⅰ型斷裂韌性與割理角度的關(guān)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(dāng)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(guī)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(rèn)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(zhì)，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(yīng)的位移量最大，表明該巖樣在破壞前發(fā)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(zhì)，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(xiàn)碎渣，綜合分析認(rèn)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(zhuǎn)變導(dǎo)致實驗煤樣出現(xiàn)Ⅰ型斷裂韌性隨著加載速率增大先增大后降低的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與Gillespie等[15]，李玉龍等[16]對碳纖維/環(huán)氧樹脂以及碳纖維/PEEK復(fù)合材料的Ⅰ型層間斷裂韌性率相關(guān)性實驗研究結(jié)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F(xiàn)ig.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(yù)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(zhì)的現(xiàn)象。在軟煤層開展工程作業(yè)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(zhì)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(zhì)，這將有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)，但不利于煤層穩(wěn)定性，降低了煤炭及煤層氣資源開發(fā)的安全性。

4 結(jié)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(shù)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(shù)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(nèi)，實驗軟煤巖斷裂韌性隨著加載速率的增大呈現(xiàn)出先增大后降低的規(guī)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(guān)系呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān)性。

3)在0.2～1.1 mm/min范圍內(nèi)，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(xiàn)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(xiàn)為脆性斷裂，加載速率的變化導(dǎo)致軟煤巖斷裂類型的變化。

4)在軟煤層開展工程作業(yè)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(zhì)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(zhì)，這將有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)，但不利于煤層穩(wěn)定性，降低了煤炭及煤層氣資源開發(fā)的安全性。