摘 要：應(yīng)用三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)及煤巖氣壓致裂設(shè)備分析了原煤試件的水壓致裂與氣壓致裂過程。在此基礎(chǔ)上對裂縫的形成、擴(kuò)展與壓力的關(guān)系進(jìn)行了分析，應(yīng)用彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論對煤體裂紋形成和擴(kuò)展過程進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：煤樣在水壓和氣壓作用下首先達(dá)到拉應(yīng)力強(qiáng)度極限破壞，隨后在壓力的作用下形成I型裂紋沿著裂紋面擴(kuò)展，出現(xiàn)貫通裂紋。煤體的水壓致裂和氣壓致裂的破壞形式以對徑張拉破壞為主。

關(guān)鍵詞：原煤；水壓致裂；氣壓致裂；聲發(fā)射

1 緒論

中國是一個(gè)缺乏石油，天然氣和煤炭的國家。中國的“中長期發(fā)展能源發(fā)展規(guī)劃（2004.2020年）”已經(jīng)確定，中國將會(huì)“堅(jiān)持以煤為主體，全面開展油氣和新能源開發(fā)”的能源戰(zhàn)略。影響天然氣生產(chǎn)的自然因素是天然氣資源量，天然氣資源豐度，儲(chǔ)層壓力，煤體滲透率。[1]隨著采礦規(guī)模和采礦深度的變化，中國大部分煤礦將變?yōu)榈屯笟飧咄咚归_采條件，必須利用煤層開發(fā)利用煤炭。[2]煤層水力壓裂軟化技術(shù)是解決高堅(jiān)硬厚煤層綜放開采頂煤軟化的關(guān)鍵技術(shù)。[3]氣動(dòng)裂縫與水力壓裂原理相似，壓縮氣體形成高壓氣體，裂縫煤巖層。因此，在沒有水資源的情況下，有可能實(shí)現(xiàn)煤層防滲透和瓦斯抽采。研究瓦斯抽放水壓力的壓裂機(jī)理具有重要意義。許多學(xué)者對水壓氣壓致裂進(jìn)行了研究。為了從機(jī)理上了解煤體內(nèi)壓力作用下的裂隙擴(kuò)展，膨脹行為和破壞形態(tài)，本文采用原煤進(jìn)行了鉆孔水壓氣壓裂縫擴(kuò)展行為規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行了理論分析。

2 煤體裂縫形成過程分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)煤樣的形狀，樣品被簡化為一個(gè)圓柱體。采用庫侖準(zhǔn)則判斷煤樣破裂失效，并用庫倫準(zhǔn)則求剪切破斷面的傾角。本文對上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，分布采用兩個(gè)破壞準(zhǔn)則進(jìn)行判定。

（1）最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則。該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到材料的拉伸極限時(shí)，即導(dǎo)致材料破裂的一個(gè)點(diǎn)

F=σ-T0（k）=0

式中，T0是反映材料受拉條件下的抗拉強(qiáng)度。

（2）庫倫準(zhǔn)則。該規(guī)范的主要觀點(diǎn)是煤巖的破壞是剪切破壞。取上述圓筒模型的橫截面，取一個(gè)微元體?？芍?，平面中的剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則為：

{τ-fσ}max=12（σ1-σ3）f2+1-12f（σ1+σ3）

式中，f=tanφ。根據(jù)方程如果方程式小于c，破壞不會(huì)發(fā)生；如果它等于（或大于）c，則發(fā)生破壞。庫侖準(zhǔn)則在坐標(biāo)系中的完整強(qiáng)度曲線為：

σc=2c[f2+1+f]

根據(jù)煤樣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，煤樣并未達(dá)到庫倫準(zhǔn)則的剪切破壞，而是直接達(dá)到最大拉壓力強(qiáng)度破壞。然而在實(shí)驗(yàn)中，煤樣的破壞形成為對徑張拉破壞，為兩條傾角很小的豎直線。因此，圓柱形煤樣受到水壓氣壓之后，內(nèi)壁邊界拉應(yīng)力最大，由于煤的非均質(zhì)性，首先在在結(jié)構(gòu)弱處進(jìn)行張裂。

煤體并非各向同性的材料，它是一個(gè)各向異性的復(fù)雜組合體，在形成的過程中，存在著許多缺陷，這些裂紋會(huì)改變煤體的力學(xué)性質(zhì)。裝置主體將被破壞，形成徑向裂紋。

3 煤體裂縫擴(kuò)展過程分析

煤樣達(dá)到拉應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生破壞，出現(xiàn)裂紋，下一步我們對裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行研究?？妆谥械囊簤毫鸭y是拉伸裂紋。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，煤體產(chǎn)生裂紋后的擴(kuò)展行為可采用I型裂紋斷裂模型來進(jìn)行力學(xué)分析。

該模型被簡化為內(nèi)部壓力缸長度為a的裂紋。圓筒的內(nèi)半徑為R1，外半徑為R2，內(nèi)壁上裂紋的深度為a，筒內(nèi)壓力為p。

檢查“應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊”，當(dāng)裂紋很淺的時(shí)候（a→0），lima→0KI=1.12σπa。

裂縫擴(kuò)展初始狀態(tài)的判據(jù)為：

KI=Fσπa=2FpR22πaR22-R21KId

式中，KId為初始煤巖的動(dòng)態(tài)斷裂韌性，KId越大表明煤巖材料抵抗斷裂的能力越大，它是材料的一種固有屬性，其值可以通過實(shí)驗(yàn)測試出來。

整理得：

pKId（R22-R21）2FR22πa

從上式不難發(fā)現(xiàn)，假設(shè)煤巖的保持不變，那么隨著裂縫a開裂長度不斷的增大，所需的驅(qū)動(dòng)壓力越來越小，并且隨著氣體的不斷涌入，裂紋將呈指數(shù)級(jí)增長。這和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也是一致的，裂紋出現(xiàn)后，裂紋的擴(kuò)展在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)生對徑張拉裂紋。隨后由于水壓氣壓的卸載，裂紋停止擴(kuò)展。

取壓力分別為0.4MPa，0.8MPa，1.2MPa，下圖為不同壓力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂縫長度的關(guān)系。從下圖可以看出，在給定的地應(yīng)力條件下，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋長度的增加而增加。

4 結(jié)論

采用彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論對實(shí)驗(yàn)煤樣的破壞過程進(jìn)行了分析。煤樣裂隙的發(fā)育分三個(gè)階段，水壓氣壓增大體積變化不明顯的初始階段，壓力達(dá)到破壞強(qiáng)度后體積劇烈膨脹的擴(kuò)展階段，壓力卸載體積變化較小甚至減小的裂隙閉合階段。聲發(fā)射信號(hào)可以很好的對應(yīng)這三個(gè)階段。同時(shí)，煤樣裂紋的對徑張拉破壞形式也驗(yàn)證了理論分析中的初始破壞及裂紋擴(kuò)展方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2010[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2011.

[2]鄧廣哲.封閉型煤層裂隙地應(yīng)力場控制水壓致裂特性[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（5）：478.482.

[3]徐芝綸.彈性力學(xué)：上冊[M].北京：高等教育出版社，2006：63.65.

作者簡介：郝芹（1975.），女，河南鄭州人，碩士，講師，主要從事工程結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)研究。