裸孔段長度對(duì)型煤致裂形態(tài)的影響規(guī)律研究

譚 輝

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤層氣和頁巖氣儲(chǔ)層普遍具有低滲透的特點(diǎn)，其中煤層開采時(shí)會(huì)面臨煤與礦井瓦斯突出、瓦斯爆炸等災(zāi)害威脅[1-3]。因此需對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行增透處理，既保障生產(chǎn)安全，又提高煤層氣與頁巖氣的抽采效率。

為提高低滲透性煤層頁巖的滲透率，近年來發(fā)展了一種高壓氣體沖擊致裂增透方法。李守國[4]建立高壓氣體沖擊試驗(yàn)裝置，探究高壓氣體沖擊過程裂紋擴(kuò)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裂紋的萌生和發(fā)展優(yōu)先在煤體較弱的單元處開始；曾范永[5]設(shè)計(jì)控制變量試驗(yàn)，探究不同影響因素下的高壓氣體爆破致裂規(guī)律；劉文博等[6]研究認(rèn)為高壓氣體作用過程主要是沖擊波的動(dòng)態(tài)作用和氣體壓裂的準(zhǔn)靜態(tài)過程；王家來[7]分析高壓氣體爆破破煤的力學(xué)機(jī)理，通過改變對(duì)爆破效果影響的2個(gè)因素，即爆破壓力和最小抵抗線，以觀察它們對(duì)爆破效果的影響；徐穎[8]進(jìn)行高壓氣體沖擊試驗(yàn)，研究認(rèn)為高壓氣體沖擊作用產(chǎn)生應(yīng)變波和普通炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變波本質(zhì)相同。

總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn)，在致裂煤巖體實(shí)驗(yàn)研究中，裸孔段對(duì)煤巖體致裂形態(tài)影響的研究較少，但裸孔段是煤巖體增透技術(shù)中重要的影響因素，因此本文開展真三軸環(huán)境下不同裸孔段長度對(duì)型煤致裂形態(tài)的影響規(guī)律研究，為煤巖體增透工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)參考，保障安全生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試塊制作

試樣尺寸為150mm×150mm×150mm的型煤，型煤制作比例根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，將煤粉、水泥、石膏按1.5∶1∶1的質(zhì)量比混合，試塊制作完成后置于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d。制作完成后在試樣中心鉆取直徑為12mm，深度分別為100、105、110、120mm的鉆孔，將直徑為8mm，長度為90mm的壓裂管放置其中，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封孔，如圖1。根據(jù)文獻(xiàn)[10]將三軸應(yīng)力設(shè)置為σV=4.8MPa、σh=2.4MPa、σH=4MPa。

圖1 試塊示意圖

為使高壓氣體沖擊爆破致裂時(shí)的能量不僅能在初始階段致裂鉆孔壁，更能在后期能量衰減后有足夠能量繼續(xù)擴(kuò)展裂紋，因此本實(shí)驗(yàn)選用高壓氣體壓力為10MPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括真三軸加載裝置、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置和高壓氣體致裂裝置，結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

真三軸加載裝置，控制的3個(gè)液壓泵沿X、Y和Z方向可獨(dú)立施加三軸應(yīng)力，通過每個(gè)方向的加載板施加在試樣上。加載板上設(shè)有安置聲發(fā)射探頭的鉆孔，前、后、左、右4塊加載板分別安置成45°斜角的聲發(fā)射探頭，每塊加載板上布置2個(gè)探頭，共計(jì)8個(gè)，如圖2。

聲發(fā)射信號(hào)由聲發(fā)射裝置采集，它能夠在采集聲發(fā)射信號(hào)波形的同時(shí)，采集煤巖加載和破裂過程中的聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量、振幅等信息。聲發(fā)射裝置的前置放大器為40dB。

高壓氣體致裂裝置由增壓泵、容量5L的無縫不銹鋼儲(chǔ)罐等組成。利用最大壓力為30MPa的增壓泵將空氣壓入無縫不銹鋼儲(chǔ)罐中，通過閥門控制高壓氣體的瞬間釋放。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為探究裸孔段長度對(duì)型煤致裂形態(tài)的影響，設(shè)置相應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行研究。三軸應(yīng)力設(shè)置為σV=4.8MPa、σh=2.4MPa、σH=4MPa，高壓氣體沖擊壓力為10MPa。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2 結(jié)果

2.1 裂縫形態(tài)特征

在高壓氣體的沖擊作用下，以鉆孔為中心，裂紋向四周擴(kuò)展，各面的裂紋形態(tài)、特征，如圖3。隨著裸孔段長度的改變，裂紋擴(kuò)展路徑也在發(fā)生變化。

圖3 不同長度裸孔段試樣致裂后的表面

當(dāng)裸孔段距離為10mm時(shí)，試樣出現(xiàn)2條主裂紋分別位于鉆孔兩端，與最大水平應(yīng)力方向平行，在試樣上表面隨著主裂紋的產(chǎn)生伴有次生裂紋，試樣的前后左右4個(gè)面分別有裂紋產(chǎn)生，且4個(gè)面的裂紋都約位于距上表面3cm處。被破壞的部分約占整個(gè)試樣的1/5。

當(dāng)裸孔段距離為15mm時(shí)，試樣上表面出現(xiàn)2條主裂紋和一條次生裂紋，鉆孔一端的主裂紋與最大水平應(yīng)力平行，另一端的主裂紋與最大水平應(yīng)力成45度角，次生裂紋開始垂直于最大水平應(yīng)力方向擴(kuò)展，擴(kuò)展到2cm處發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)與最大水平應(yīng)力平行，整個(gè)次生裂紋呈半U(xiǎn)形。前后左右4個(gè)面都有衍生裂紋的產(chǎn)生，衍生裂紋約10條，其中一個(gè)面出現(xiàn)一條長裂紋，從試樣上表面延伸至試樣下表面。整個(gè)試樣都有不同程度的破壞，且產(chǎn)生的裂紋條數(shù)和種類都相較于10mm裸孔段的試樣多。

當(dāng)裸孔段距離為20mm時(shí)，試樣產(chǎn)生2條主裂紋，位于鉆孔兩側(cè)，與最大水平主應(yīng)力平行，近乎成一條直線。試樣的前面和后面有貫穿裂紋產(chǎn)生，使得整個(gè)試樣以主裂紋為界限被分成2塊，試樣的其他面也有衍生裂紋和其他裂紋產(chǎn)生，總計(jì)2條。對(duì)比15mm裸孔段的實(shí)驗(yàn)，20mm裸孔段的沖擊實(shí)驗(yàn)有貫穿裂紋的產(chǎn)生，衍生裂紋和其他裂紋相對(duì)較少。

當(dāng)裸孔段距離為30mm時(shí)，試樣上表面產(chǎn)生2條主裂紋，位于鉆孔兩側(cè)，與最大水平主應(yīng)力平行，成一條直線。前后2面裂紋呈1/4圓弧形，左面在距上表面1/2處形成一條平行于試樣上表面的裂紋。被破壞部分約占整個(gè)試樣的1/4。在鉆孔內(nèi)部有一條與最大水平應(yīng)力方向平行的裂紋，一直延伸至鉆孔底部，裂紋并未貫穿到試樣表面。

不同長度裸孔段對(duì)裂紋的產(chǎn)生有不同影響，當(dāng)裸孔段長度為10～20mm時(shí)，裸孔段長度越長，越易形成貫穿裂紋，被破壞部分所占比例越大；當(dāng)裸孔段長度為30mm時(shí)，試樣在高壓氣體沖擊下致裂的效果較差，裂紋種類較少，且形成貫穿裂紋。因此從致裂后的幾何形態(tài)可以看出，裸孔段長度為15～20mm時(shí)致裂效果最佳。

2.2 RA-AF分析

聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法是找到聲發(fā)射特性和內(nèi)在規(guī)律的有利方法。聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)包括振鈴計(jì)數(shù)、幅值、能率、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、峰值頻率等[11]。其中，聲發(fā)射波形特征通常被認(rèn)為是反映斷裂破壞模式的有效途徑。RA值為上升時(shí)間與幅值的比值；AF值為振鈴計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間的比值，稱為平均頻率。據(jù)研究表明[12]，RA值和AF值均是分析裂紋破壞類型的關(guān)鍵特征，相關(guān)學(xué)者對(duì)煤體的RA-AF特征進(jìn)行深入研究[13-15]，提出RA-AF表征煤體裂紋擴(kuò)展方式的研究方法，將圖4中分割線斜率定義為k，當(dāng)AF/RA>k時(shí)，裂紋呈現(xiàn)張拉破壞，當(dāng)AF/RA

圖4 RA-AF值與裂紋破壞的關(guān)系

繪制聲發(fā)射RA-AF的信號(hào)點(diǎn)分布密度云圖，如圖5。黑色區(qū)域?yàn)槊芏群诵膮^(qū)域，白色區(qū)域?yàn)闊o數(shù)據(jù)分布區(qū)域，密度為0，由黑色過渡到白色區(qū)域代表有一定量的數(shù)據(jù)。通過對(duì)不同裸孔段的RA-AF密度云圖分析可知：裸孔段長度為10mm時(shí)，信號(hào)點(diǎn)及核心密度區(qū)多分布在RA軸與AF軸兩軸起始端，表明當(dāng)裸孔段為10mm時(shí)，剪切破壞與張拉破壞相結(jié)合的復(fù)合破壞；裸孔段長度為15mm時(shí)，核心密度區(qū)不明顯，信號(hào)點(diǎn)密集分布于AF值為100與RA值為4的區(qū)域，相比于10mm裸孔段的實(shí)驗(yàn)，裸孔段長度為15mm的破壞模式更為復(fù)雜；裸孔段為20mm時(shí)，核心密度區(qū)更靠近AF軸，AF/RA>k占據(jù)主導(dǎo)地位，說明裸孔段為20mm時(shí)產(chǎn)生的裂紋大都為單一的張拉裂紋，這更有利于形成貫穿裂紋，達(dá)到破壞整個(gè)試樣的效果；裸孔段為30mm時(shí)，信號(hào)點(diǎn)稀疏，核心密度并不明顯，不利于形成貫穿裂紋的。

圖5 不同長度裸孔段試樣的RA-AF密度云圖

2.3 聲發(fā)射能量分析

對(duì)高壓氣體致裂過程分析可知，高壓氣體沖擊致裂過程中的能量來自于動(dòng)態(tài)氣射流和準(zhǔn)靜態(tài)膨脹2個(gè)過程；在致裂過程中所能達(dá)到的最大能量便是使試塊發(fā)生致裂的能量，這個(gè)能量對(duì)于評(píng)價(jià)高壓氣體沖擊致裂效果有著至關(guān)重要的作用。

從聲發(fā)射峰值能量的角度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)(如圖6)，裸孔段為10～30mm的峰值能量值分別為1 408、2 034.8、2 744.7、2 524.6V·ms。當(dāng)裸孔段為10～20mm時(shí)，其峰值能量在不斷上升，在裸孔段為20mm時(shí)峰值能量值達(dá)到最大；當(dāng)裸孔段大于20mm時(shí)，聲發(fā)射峰值能量值開始下降。因此，在高壓氣體沖擊實(shí)驗(yàn)中，預(yù)留裸孔段長度為20mm時(shí)，致裂效果最佳。

圖6 不同長度裸孔段試樣的峰值能量對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文通過開展不同裸孔段的高壓氣體沖擊致裂實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)裸孔段長度為15～20mm時(shí)，裸孔段長度越長，試樣被破壞的部分所占比例越大。

(2)裸孔段長度為20mm時(shí)，易形成單一的張拉裂紋，裂紋擴(kuò)展的深度也越深，形成貫穿裂紋的概率也更大。

(3)從聲發(fā)射峰值能量角度研究發(fā)現(xiàn)，裸孔段長度為20mm時(shí)峰值能量最大，表明致裂效果最佳。