褐煤斷裂特征半圓彎曲試驗(yàn)研究
——以內(nèi)蒙古勝利煤田為例

陳立超 ，王生維 ，張典坤

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 晉城 048204；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院, 湖北 武漢 430074）

0 引 言

煤巖斷裂力學(xué)性質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層壓裂裂縫延展具有重要控制效應(yīng)，褐煤變質(zhì)程度低，宏觀煤巖界面、天然裂隙系統(tǒng)等形成大量組構(gòu)，這些組構(gòu)導(dǎo)致煤巖力學(xué)性質(zhì)存在強(qiáng)烈的各向異性，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)層壓裂裂縫起裂規(guī)律、裂縫曲折度及縫網(wǎng)復(fù)雜程度存在顯著差異。內(nèi)蒙古東部中新生代聚煤盆地褐煤及低階煤層氣資源豐富，但由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)、含氣量低，采用大規(guī)模水力壓裂形成人造裂縫網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)煤層氣資源高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵[1-2]。國(guó)內(nèi)外非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂經(jīng)驗(yàn)表明，儲(chǔ)層壓裂裂縫轉(zhuǎn)向及復(fù)雜縫網(wǎng)的制約因素較為復(fù)雜，其中不同方位的儲(chǔ)層巖石斷裂力學(xué)性質(zhì)各向異性對(duì)于壓裂裂縫曲折度及斷裂能耗散的影響尤為關(guān)鍵[3-4]，因此查明不同層面方向褐煤斷裂力學(xué)性質(zhì)各向異性及其對(duì)巖石斷裂路徑、斷裂能的影響規(guī)律，可為內(nèi)蒙古褐煤儲(chǔ)層壓裂改造方案優(yōu)化及裂縫延展機(jī)制分析提供試驗(yàn)尺度的依據(jù)。

目前在室內(nèi)試驗(yàn)尺度上針對(duì)巖石斷裂力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試方法和相關(guān)計(jì)算理論研究較為成熟。針對(duì)巖石類材料斷裂韌度測(cè)試分析方法主要包括：?jiǎn)芜吳锌诹?、半圓彎曲測(cè)試、短柱切口試樣測(cè)試、巴西圓盤(pán)帶切口試樣等方法，其中半圓彎曲測(cè)試方法由于試樣制備相對(duì)簡(jiǎn)單、計(jì)算方法簡(jiǎn)便正越來(lái)越受到巖石力學(xué)、材料力學(xué)領(lǐng)域研究者的青睞。在KURUPPU和CHONG[5]較為系統(tǒng)性地提出半圓彎曲測(cè)試方法的基本計(jì)算方法理論、尺寸效應(yīng)及在包括測(cè)試受腐蝕的巖石、如高溫、圍壓和孔隙水壓力等現(xiàn)場(chǎng)條件中的適應(yīng)性基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)花崗巖[6]、砂巖和頁(yè)巖[7-8]巖石斷裂韌度開(kāi)展了試驗(yàn)研究，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)分析了巖石斷裂韌度的各向異性規(guī)律。尤其值得指出的是，圍繞層狀巖石斷裂力學(xué)特征各向異性問(wèn)題，JIN 等[9]利用單軸壓縮、直接拉伸、巴西劈裂試驗(yàn)研究了加載方向與巖石層理間夾角對(duì)頁(yè)巖靜態(tài)力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖斷裂力學(xué)性質(zhì)存在較顯著的各向異性規(guī)律；DUTLER 等[10]、HUANG等[11]利用三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)研究了砂巖、花崗巖斷裂韌度各向異性，利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)表征了試樣全場(chǎng)形變，從而精確識(shí)別斷裂過(guò)程區(qū)；利用“V”型切口巴西圓盤(pán)試樣，獲得了加載方向與巖石層面夾角為0°，30°，45°和90°條件下的巖石斷裂韌度；利用三點(diǎn)彎曲加載研究了加載方向與巖石層面空間關(guān)系對(duì)砂巖SCB 試樣斷裂韌度、斷裂形式的影響；SUO等[12]、YU 等[13]利用“V”型切口巴西圓盤(pán)試樣、預(yù)制裂縫巴西圓盤(pán)試驗(yàn)，分析了預(yù)制裂縫與加載方向夾角、預(yù)制裂縫充填性等對(duì)材料斷裂韌度的影響；WANG 等[14]同時(shí)利用半圓彎曲三點(diǎn)彎加載和巴西圓盤(pán)試樣加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖斷裂韌度與層面及加載方向間夾角敏感性很強(qiáng)。針對(duì)煤巖斷裂力學(xué)測(cè)試問(wèn)題，目前有學(xué)者采用三點(diǎn)彎曲加載結(jié)合霍普金森壓桿沖擊試驗(yàn)，對(duì)中煤階煙煤SCB 試樣開(kāi)展了斷裂力學(xué)測(cè)試，分析了試樣切口深度與層面角度對(duì)煤樣斷裂峰值載荷、斷裂韌度及裂紋擴(kuò)展路徑的影響規(guī)律以及沖擊速率、加載率等因素對(duì)煤巖動(dòng)態(tài)斷裂韌度的影響[15-17]。近年來(lái)由于煤儲(chǔ)層壓裂領(lǐng)域研究的需求，有學(xué)者還利用壓痕試驗(yàn)對(duì)煤巖斷裂力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行微觀表征，進(jìn)而對(duì)煤巖脆性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[18]。

綜上不難看出，目前關(guān)于層狀巖石斷裂力學(xué)各向異性研究的試驗(yàn)方法和研究理論成果較為豐富，然而針對(duì)低階褐煤煤巖斷裂力學(xué)性質(zhì)研究甚少，尤其是開(kāi)展褐煤斷裂特性與體積壓裂改造裂縫曲折度關(guān)系方面的研究尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。筆者以內(nèi)蒙古勝利煤田6 煤組褐煤為研究對(duì)象，利用三點(diǎn)彎曲加載對(duì)褐煤半圓彎曲試樣斷裂力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，獲取煤巖斷裂載荷Pmax與Ⅰ型斷裂韌度KIC值，查明加載方位與層面夾角θ呈30°、45°、60°、90°及divider 褐煤半圓試樣在三點(diǎn)彎作用下斷裂裂縫延展路徑與破壞模式，利用加載位移-載荷曲線積分法計(jì)算獲得了不同層面角θ褐煤試樣的斷裂能參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，筆者提出了考慮煤巖斷裂特性的煤儲(chǔ)層體積壓裂改造模式，以期為本區(qū)低階煤層氣資源規(guī)?；_(kāi)發(fā)中儲(chǔ)層高效改造提供科學(xué)參考。

1 試樣與試驗(yàn)

1.1 煤巖特征

由圖1a 可知，內(nèi)蒙古勝利煤田6 煤組褐煤（Ro,max＜0.45%）厚度較大，煤層層面結(jié)構(gòu)清晰，宏觀煤巖條帶交互展布。垂直煤層層面方向發(fā)育大量高角度構(gòu)造裂縫，且內(nèi)生裂隙系統(tǒng)極為發(fā)育，裂縫線密度在8～10 條/5 cm，內(nèi)生裂隙縫面延展平直與層面呈垂直空間關(guān)系（圖1b）。

圖1 勝利煤田褐煤煤層剖面、試樣制備及三點(diǎn)彎曲加載系統(tǒng)Fig.1 Lignite formation profile, sample preparation and three-point loading system in Shengli Coalfield

1.2 試樣制備

樣品取自勝利煤田6 煤組褐煤頂部分層，該分層煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，便于樣品運(yùn)輸和制樣。褐煤SCB 試樣后期室內(nèi)制備程序?yàn)椋孩儆每趶?4 mm取心鉆機(jī)沿垂直層面方向和平行層面方向鉆取巖心；②按厚度20 mm 以上間距切割成若干圓盤(pán)狀試樣，操作中由于褐煤軟分層切割過(guò)程中選擇性磨損，試樣在厚度尺寸上允許有一定偏差；③其中沿平行層面方向鉆取的巖心切割圓盤(pán)狀試樣，再按照層面方向與切割半圓盤(pán)直徑方向分別呈30°、45°、60°及90°沿圓盤(pán)直徑方向切割成半圓盤(pán)（圖1c）；沿垂直褐煤層面方向鉆取的巖心切割圓盤(pán)狀試樣，再沿圓盤(pán)直徑方向切割成divider 半圓盤(pán)（圖1c）；④上述半圓盤(pán)按垂直于半圓盤(pán)底邊切口，切口形式為直切口。此次筆者共制備褐煤SCB 試樣50 余個(gè)，從中優(yōu)選無(wú)宏觀裂縫、結(jié)構(gòu)致密無(wú)損傷試樣后期進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載。

1.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心試驗(yàn)機(jī)（圖1d）完成，試驗(yàn)中下部支撐滾軸跨度S設(shè)置為30 mm（圖1e），為防止加載過(guò)快對(duì)脆性煤巖試樣的慣性影響，位移移動(dòng)速率設(shè)為0.02 mm/min，如圖1f、圖1g 試樣加載位移-荷載關(guān)系曲線所示，三點(diǎn)加載試驗(yàn)過(guò)程中，隨著加載位移的增大，載荷P以恒定加載速率隨之增加直至達(dá)到極限荷載Pmax試樣發(fā)生斷裂，利用極限荷載Pmax可計(jì)算試樣材料的Ⅰ型斷裂韌度(KIC)[19]:

其中：R、B分別為試樣的半徑和厚度，a為試樣切口長(zhǎng)度，2S代表下部支撐滾軸的軸距。其中β=a/R,Y′為用有限元法導(dǎo)出了臨界無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF）[19]。

共對(duì)加載方位與層面方向夾角θ為90°、60°、45°、30°及divider（切分）5 組23 個(gè)SCB 試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，獲取各試樣加載位移-載荷關(guān)系、斷裂荷載、及斷裂特征等，并計(jì)算試樣Ⅰ型斷裂韌度(KIC)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 層面方向?qū)置涸嚇蛹虞d位移-載荷關(guān)系影響

不同層面方向褐煤SCB 試樣加載位移-載荷關(guān)系特征如圖2 所示。整體上，三點(diǎn)彎曲下褐煤試樣加載位移-載荷關(guān)系可分4 個(gè)階段：①加載初期，褐煤試樣與壓頭接觸后擠壓變形，試樣內(nèi)部的天然缺陷如孔隙、天然裂隙等壓縮閉合，該階段隨著加載位移的增大軸向載荷上升速率較慢，該階段屬于孔裂隙體積壓縮階段；②加載中期，由于前期試樣被壓實(shí)，因此壓頭載荷主要作用于煤巖基質(zhì)，隨著加載位移增大軸向載荷快速升高，二者基本為線性正相關(guān)關(guān)系。加載位移-荷載關(guān)系曲線斜率較大，該階段屬于彈性變形階段；③當(dāng)軸向荷載P增大至斷裂載荷Pmax后迅速卸載，此時(shí)試樣瞬時(shí)發(fā)生破壞，為斷裂階段；④試樣斷裂后在壓頭作用下裂縫持續(xù)延展，載荷降低整個(gè)加載過(guò)程結(jié)束。從圖2 看出不同層面方向褐煤試樣后期載荷下降速度均較快，說(shuō)明巖石斷裂速度快以及脆性斷裂屬性顯著，表明研究區(qū)褐煤脆性較強(qiáng)。據(jù)相關(guān)理論可知，煤巖脆性強(qiáng)有利于實(shí)現(xiàn)煤巖體積破碎，提高儲(chǔ)層體積壓裂改造效率[18]。

圖2 不同層面方位褐煤SCB 試樣加載位移-載荷關(guān)系特征Fig.2 Loading displacement-load curves of lignite SCB samples with different bedding orientations

不同層面方向勝利煤田褐煤SCB 試樣斷裂載荷特征如圖3 藍(lán)色曲線所示，圖中顯示不同層面方向的褐煤SCB 試樣斷裂載荷Pmax差異很大。其中切口平行層面的4 組試樣隨層面角θ增加斷裂載荷Pmax增大，而divider (切分)褐煤試樣斷裂載荷Pmax平均為0.39 kN，顯著高于切口平行層面型褐煤試樣。這一結(jié)果與前人一致，亦表明層面方向?qū)置簲嗔蚜W(xué)性質(zhì)有明顯的制約[15-16,19]。一般而言，試樣的斷裂載荷Pmax與斷裂極限位移二者間有一定同步性。然而，研究發(fā)現(xiàn)試樣HM-17（Pmax=0.34 kN）斷裂極限位移反而大于Pmax為0.39 kN 的試樣HM-3（圖3），筆者認(rèn)為原因可能是SCB 試樣切口寬度不同導(dǎo)致壓縮作用下在切口端部形成的應(yīng)力強(qiáng)度因子不同，因而出現(xiàn)試樣斷裂的滯后性。

圖3 不同層面方位褐煤SCB 試樣斷裂載荷及斷裂韌度特征Fig.3 Fracture load and fracture toughness of lignite SCB samples with different bedding orientations

2.2 層面方向?qū)置篠CB 試樣斷裂韌度的影響

圖3 中紅色曲線所示為不同層面方向褐煤SCB試樣斷裂韌度。試驗(yàn)得出內(nèi)蒙古勝利煤田6 煤組褐煤Ⅰ型斷裂韌度KIC在0.038～0.166 MPa·m0.5，其中divider (切分)褐煤SCB 試樣斷裂韌度KIC值達(dá)0.098 MPa·m0.5。而加載方位與層面方向夾角θ為90°、60°、45°、30°褐煤試樣隨著夾角θ減小，斷裂韌度KIC由0.045 增至0.084 MPa·m0.5。整體上切口垂直層面試樣斷裂韌度顯著高于切口平行層面試樣。由于煤巖斷裂力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的強(qiáng)烈各向異性，將導(dǎo)致不同層面方向煤巖斷裂過(guò)程裂縫延展難易程度與能量耗散、裂縫起裂延展壓力等方面參數(shù)的變化，從而約束儲(chǔ)層壓裂裂縫的曲折度和縫網(wǎng)復(fù)雜度。

相對(duì)筆者前期利用壓痕法試驗(yàn)獲得的煤巖斷裂韌度值，本次SCB 試驗(yàn)獲取的褐煤斷裂韌度值相對(duì)較低。以下兩點(diǎn)可能是三點(diǎn)彎試驗(yàn)煤巖斷裂韌度值低于壓痕法的原因：①試樣尺寸效應(yīng)。壓痕法測(cè)試試樣尺寸為cm 級(jí)，壓頭主要作用于致密煤巖基質(zhì)部位，因而試驗(yàn)獲得煤巖斷裂韌度值較大；而SCB 試樣尺寸較大，試樣受壓過(guò)程中易受材料內(nèi)部天然缺陷干擾因而測(cè)得的斷裂韌度值偏低；②加載慣性效應(yīng)。壓痕法加載中壓頭與煤巖試樣接觸速率較快，在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)材料的壓縮加載作用，因此受壓材料會(huì)產(chǎn)生加載慣性，導(dǎo)致試驗(yàn)獲得的力學(xué)參數(shù)值較大；而本次三點(diǎn)彎曲加載加載速率較慢，不易產(chǎn)生載荷回彈效應(yīng)。

2.3 層面方向?qū)置簲嗔崖窂脚c破壞模式的影響

不同層面方向褐煤SCB 試樣的斷裂路徑與破壞模式如圖4 所示。按照巖石斷裂力學(xué)機(jī)制與斷裂方式主要可劃分為拉張斷裂和拉張剪切斷裂兩類，按裂縫曲折度可劃分為平直型裂縫與曲折性裂縫，整體上層面方位對(duì)試樣的斷裂形式、斷裂裂縫曲折度及裂縫整體復(fù)雜程度具有較強(qiáng)的影響作用，多組試樣出現(xiàn)剪切裂縫和拉張性裂縫共存的情況。且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)層面方向相同條件下，褐煤試樣斷裂特征有共性規(guī)律，而非隨機(jī)性斷裂，褐煤外載下其斷裂方式具有顯著的制約因素和受控性。

圖4 不同層面方位褐煤SCB 試樣斷裂特征與破壞模式Fig.4 Fracture characteristics and failure modes of lignite SCB samples with different bedding orientations

1）θ為90°褐煤試樣斷裂特征。該層面方向褐煤試樣斷裂形式主要為簡(jiǎn)單裂縫形式：試樣沿切口方向斷裂形成簡(jiǎn)單裂縫（圖4a，圖4b 中試樣HM-1、試樣HM-11）。整體上，試樣斷裂裂縫沿平行加載方位和層面方向延展路徑較長(zhǎng)，斷裂路徑上的煤巖斷裂韌度較低，裂縫延展阻力較小。由于該試樣層面方位（或最大水平主應(yīng)力方向）與加載方向平行，斷裂路徑取向受控于加載方位或煤巖層面方向尚無(wú)法確定。該角度褐煤試樣斷裂裂縫曲折度較低，裂縫僅在局部發(fā)生較弱的偏轉(zhuǎn)后期回歸于平行加載方向延展，因此儲(chǔ)層壓裂中應(yīng)分析最大主應(yīng)力與儲(chǔ)層層的空間關(guān)系，避免在二者平行條件下形成簡(jiǎn)單型裂縫。

2）θ為60°褐煤試樣斷裂特征。該層面方向褐煤試樣破壞形式主要為復(fù)雜-中等復(fù)雜形勢(shì)裂縫：試樣初期由切口處沿層面方向開(kāi)裂，后期裂縫穩(wěn)定地沿層面方向延展，中后期裂縫略有轉(zhuǎn)向平行加載方位形成剪切裂縫，最終形成中等復(fù)雜程度裂縫網(wǎng)（圖4c 試樣HM-2）。沿層面方位路徑上試樣材料斷裂韌度低，試樣斷裂裂縫延展阻力小延展速率快，試樣斷裂耗時(shí)較短。相對(duì)而言，試樣裂縫后期沿著切割褐煤基質(zhì)部位斷裂，該破壞形式相對(duì)耗能較高，斷裂耗時(shí)較長(zhǎng)?？傮w上，當(dāng)θ為60°時(shí)褐煤斷裂裂縫的曲折度顯著提升，但試樣破壞過(guò)程能量消耗及斷裂時(shí)間同樣明顯增大。

3）θ為45°褐煤試樣斷裂特征。該層面方向褐煤試樣破壞形式包括3 種：①簡(jiǎn)單裂縫。試樣斷裂初期裂縫方向受褐煤斷裂力學(xué)各向異性影響略偏向斷裂韌度較低方位，中后期裂縫受軸向載荷控制偏轉(zhuǎn)平行于加載方位（圖4d 試樣HM-6）；②中等復(fù)雜裂縫。試樣初期由切口處沿層面方向開(kāi)裂形成剪切裂縫，中期裂縫轉(zhuǎn)向形成拉張型裂縫，后期裂縫穩(wěn)定地沿加載方向延展直至試樣完全斷開(kāi)，形成中等復(fù)雜程度裂縫網(wǎng)（圖4e, 圖4f 試樣HM-23、HM-24）。③復(fù)雜裂縫。試樣斷裂初期裂縫沿層面方向發(fā)展形成剪切裂縫，中后期裂縫轉(zhuǎn)向沿垂直層面方向延展，后期裂縫又轉(zhuǎn)向沿煤巖層面方向延展形成交叉裂縫（圖4g 試樣HM-20）。

4）θ為30°褐煤試樣斷裂特征。該層面方向褐煤試樣破壞形式主要為復(fù)雜裂縫形式。試樣初期沿褐煤層面開(kāi)裂發(fā)展，形成剪切裂縫，中后期裂縫轉(zhuǎn)向沿加載方位發(fā)展形成拉張性裂縫，后期裂縫再次巖煤巖層面發(fā)展最終形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)（圖4h 試樣HM-17）。整體上夾角越小裂縫轉(zhuǎn)向時(shí)間越晚，且裂縫的形態(tài)越復(fù)雜、曲折度越高。

5）divider 褐煤試樣斷裂特征。divider (切分)褐煤試樣斷裂模式為：①簡(jiǎn)單裂縫。試樣斷裂路徑方向與加載方位基本一致，形成簡(jiǎn)單張性斷裂裂縫（圖4i, 圖4j, 圖4k 中試樣HM-19、HM-18、HM-3），裂縫曲折度與縫網(wǎng)復(fù)雜程度低；②中等曲折裂縫。裂縫基本沿平行加載方向延展，裂縫曲折度高于前種（圖4l 試樣HM-21）。

2.4 層面方向?qū)置篠CB 試樣斷裂能的影響

如圖5a 所示，據(jù)相關(guān)理論[19-20]，三點(diǎn)彎曲加載全程加載位移-載荷曲線在橫軸上的積分定義為整個(gè)加載過(guò)程作用于試樣的斷裂功E，按照斷裂功在試樣的作用階段分為破裂前彈性儲(chǔ)備能Eel和破裂后裂縫延展能Efr，三者滿足E=Eel+Efr的數(shù)學(xué)關(guān)系。斷裂功E、彈性儲(chǔ)備能Eel、裂縫延展能Efr與褐煤試樣斷裂裂縫表面積2 倍的比值即為總斷裂能、彈性斷裂能和延展斷裂能。利用上述方法，筆者對(duì)各層面方向的褐煤試樣的總斷裂能、彈性斷裂能及延展斷裂能進(jìn)行計(jì)算。由圖5b—圖5e 可知，層面角θ為90°、60°、45°、30°褐煤試樣總斷裂能分別為64.38、80.49、112.50、146.66 J/m2，隨著層面角的減小褐煤試樣斷裂耗能增高；圖5f 顯示切口切分層面試樣HM-3 的總斷裂能為355.00 J/m2，表明垂直層面方向破巖能耗最大，而沿平行或斜交層面面方向時(shí)斷裂能較低。值得指出的是，對(duì)于脆性巖石而言，由于試樣斷裂后載荷迅速下降因此裂縫延展能Efr部分幾乎為零，而對(duì)于塑性材料裂縫延展能Efr的比例卻很高，因此依據(jù)裂縫延展能與彈性儲(chǔ)備能的比值可對(duì)試樣材料的脆性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。由圖5b—圖5f 可知內(nèi)蒙古勝利煤田6 煤組褐煤試樣加載全程能量消耗主要為斷裂前的彈性變形儲(chǔ)能階段，Efr與Eel的比值接近為0，反映研究區(qū)褐煤的脆性非常顯著。

圖5 不同層面方向褐煤SCB 試樣斷裂能計(jì)算原理及結(jié)果Fig.5 Calculation principle and result of fracture energy of lignite SCB samples with different bedding directions

3 討 論

3.1 褐煤斷裂力學(xué)各向異性對(duì)裂縫曲折度的約束

研究發(fā)現(xiàn)，SCB 試樣切口（等同于壓裂中儲(chǔ)層天然裂縫）與煤巖層面的空間關(guān)系對(duì)斷裂路徑及后期裂縫的復(fù)雜性和曲折度影響深刻，而裂縫復(fù)雜性和曲折度對(duì)煤儲(chǔ)層大規(guī)模改造中煤巖的整體破碎效率及解吸面積提升具有重要意義。試驗(yàn)表明：整體上divider (切分)褐煤試樣斷裂裂縫形態(tài)較簡(jiǎn)單，無(wú)明顯的裂縫轉(zhuǎn)向或裂縫轉(zhuǎn)向幅度較小、裂縫曲折度較低；而切口與層面平行或斜交時(shí)褐煤試樣裂縫形態(tài)較為復(fù)雜，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)層面角θ越大的試樣三點(diǎn)彎加載下斷裂裂縫轉(zhuǎn)向越晚，其中當(dāng)層面角θ為45°時(shí)褐煤試樣裂縫轉(zhuǎn)向最頻繁，據(jù)有關(guān)理論[20]，該條件下褐煤試樣在三點(diǎn)彎曲作用下易發(fā)生沿層面的“滑移”效應(yīng)，導(dǎo)致裂縫的頻繁轉(zhuǎn)向。同時(shí)本次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)次級(jí)天然裂縫對(duì)褐煤試樣斷裂裂縫延展的影響較為微弱，裂縫延展主要受控于外載方向（等同于壓裂中的最大主應(yīng)力）和煤巖層面、試樣切口（等同于壓裂中儲(chǔ)層天然裂縫）的空間關(guān)系。在褐煤煤儲(chǔ)層壓裂改造中可通過(guò)優(yōu)化壓裂裂縫壁面與最大主應(yīng)力、煤巖層面三者間的空間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)壓裂裂縫系統(tǒng)的復(fù)雜性和曲折度的提升。

3.2 基于褐煤斷裂特性的煤儲(chǔ)層壓裂模式的提出

基于褐煤斷裂力學(xué)分析，提出內(nèi)蒙古勝利煤田褐煤煤儲(chǔ)層壓裂裂縫延展特征及改造模式（圖6）。圖6a 為淺部煤層壓裂時(shí)由于垂向應(yīng)力為最小應(yīng)力方向，因此形成水平裂縫形態(tài)，此時(shí)壓裂裂縫延展抵抗的是切口平行層面且層面角為90°方向上的褐煤斷裂韌度，該層面方向褐煤斷裂韌度最低，因此前部褐煤儲(chǔ)層營(yíng)造水平縫過(guò)程中能量消耗最低，在同等外界功輸入前提下造縫規(guī)模最大。當(dāng)煤層深度較大此時(shí)最小水平主應(yīng)力為最小應(yīng)力方向，如圖6b所示，直井開(kāi)發(fā)形式時(shí)壓裂裂縫沿最大垂直應(yīng)力方位延展形成單一垂直裂縫，裂縫與煤層面為divider(切分)關(guān)系，裂縫端部抵抗切分褐煤煤巖層面方向的斷裂韌度KoIC，壓裂裂縫延展斷裂能高、延展難度大，壓裂裂縫造縫規(guī)模受限。圖6b，圖6c 所示分別為平行、垂直最大水平主應(yīng)力（σH）方向順層井開(kāi)發(fā)形式，該情況下壓裂裂縫端部抵抗的切口平行層面且層面角為0°方向上的斷裂韌度，該方向褐煤斷裂韌度適中，裂縫延展過(guò)程斷裂能耗相對(duì)較低、裂縫延展難度中等。從斷裂能量耗散角度分析，勝利煤田深部褐煤煤儲(chǔ)層壓裂改造中采取順層井更適宜。對(duì)于上述平行和垂直最大水平主應(yīng)力σH方向2 種順層井而言，平行σH方向順層井壓裂過(guò)程攜砂與裂縫充填效果更好，可以避免砂堵。

圖6 基于斷裂力學(xué)特性的褐煤儲(chǔ)層壓裂改造模式Fig.6 Fracturing modes of coal reservoir considering lignite fracture characteristics

4 結(jié) 論

1）加載方位與層面方向夾角θ為90°、60°、45°、30°內(nèi)蒙古勝利煤田6 煤組褐煤試樣斷裂韌度分別為0.045、0.058、0.073、0.084 MPa·m0.5，divider (切分)褐煤試樣斷裂韌度0.096 MPa·m0.5，整體上切口切分層面型試樣斷裂韌度高于切口平行層面型試樣，層面方向?qū)置簲嗔蚜W(xué)特性影響顯著。

2）三點(diǎn)彎加載下勝利煤田褐煤試樣斷裂經(jīng)歷孔裂隙缺陷壓縮、彈性變形、斷裂破壞及裂縫延展4 個(gè)階段，不同層面方位褐煤試樣斷裂后載荷迅速下降表明本區(qū)褐煤斷裂速率快、脆性強(qiáng)適于開(kāi)展體積壓裂。

3）利用加載位移-荷載曲線積分法得出勝利煤田層面角θ為90°、60°、45°、30°及divider (切分)褐煤試樣斷裂能分別為64.38、80.49、112.50、146.66、355.00 J/m2，垂直褐煤層面方向斷裂能耗最大，而沿平行或斜交層面方向斷裂能較低。

4）勝利煤田褐煤SCB 試樣三點(diǎn)彎加載下斷裂裂縫延展方位主要受控于外載方向和層面（或主干天然裂縫）的夾角，受次級(jí)裂縫影響微弱。煤儲(chǔ)層壓裂中可通過(guò)優(yōu)化壓裂裂縫與最大主應(yīng)力、煤巖層面的空間關(guān)系，提升壓裂裂縫曲折度。

5）勝利煤田淺部褐煤儲(chǔ)層壓裂中裂縫延展方向上煤巖斷裂韌度最低。深部褐煤儲(chǔ)層直井壓裂造縫方向上煤巖斷裂韌度要大于順層井形式，本區(qū)建議采取順層井壓裂造縫。同時(shí)從流體和顆粒慣性分析，平行最大水平主應(yīng)力方向的順層井壓裂中能夠避免砂堵，因而壓裂流體攜砂及裂縫充填效果更好。