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        液氮冷加載對不同節(jié)理煤樣結(jié)構(gòu)損傷的影響

        2020-12-17 02:02:34李和萬王來貴左建平
        煤炭學(xué)報(bào) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)

        李和萬,劉 戩,王來貴,左建平

        (1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083)

        我國煤儲層的地質(zhì)條件復(fù)雜,由于受到地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用,使煤層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,造成煤層的原生裂隙變窄或不通。大多數(shù)受影響的煤層具有3個(gè)特征:低壓(壓力系數(shù)<0.8),低飽和度(<70%)和低滲透率(<0.1×10-15m2)[1]。由于煤層的低滲透率特性,極大的阻礙了煤層氣的開采。為了提高煤層氣的開采效率,可以通過改變煤層的層節(jié)理結(jié)構(gòu)來改善煤層的滲透率,較常用的方法有:高壓水射流[2]、水力壓裂[3]、深孔爆破預(yù)裂[4]、水力割縫[6]、水力沖孔[7]等,這些方法雖然可以提高煤層氣的開采效率,但水力壓裂活動(dòng)中使用的壓裂液容易造成地下水污染;水力割縫利用高壓水射流切割下來的煤渣帶出孔外,容易發(fā)生煤渣堵孔事故;深孔爆破預(yù)裂技術(shù)容易使煤基質(zhì)松垮[8],不利于煤層氣開采后,對煤田的二次采煤。

        近年來,國內(nèi)外的研究者利用循環(huán)荷載[9],預(yù)制裂紋[10],固體介質(zhì)的熱脹冷縮特性使研究對象發(fā)生損傷破壞,從而達(dá)到改性的目的。液氮作為低溫試劑,經(jīng)常被用于凍融巖石、混凝土和煤體的實(shí)驗(yàn)[11-15],發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增加,巖石、混凝土和煤體的孔隙度也會隨之增大。煤體自身存在層理、節(jié)理、孔洞等結(jié)構(gòu),在接觸性凍融實(shí)驗(yàn)過程中,液氮作為冷加載試劑容易進(jìn)入煤體的層理、節(jié)理、孔洞結(jié)構(gòu)中,有針對性地對煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷,而不會造成煤基質(zhì)整體破壞,對于煤體損傷增透具有較好效果。煤體節(jié)理種類多樣,可以根據(jù)節(jié)理在煤樣中的貫穿程度分為貫穿型、半貫穿型(節(jié)理長度是是煤樣寬度的1/3~2/3)和未貫穿型,同時(shí)3種類型節(jié)理與層理之間又存在多種角度,研究這些影響因素對于液氮冷加載煤體結(jié)構(gòu)改性增透具有重要的意義,因此還需通過實(shí)驗(yàn)揭示液氮冷加載對不同節(jié)理煤樣結(jié)構(gòu)的損傷規(guī)律和作用機(jī)理,將為煤層氣開采和沖擊地壓防治提供理論參考和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 煤樣制備

        實(shí)驗(yàn)采用遼寧省阜新盆地長焰煤作為實(shí)驗(yàn)材料,將原煤切割成50 mm×50 mm×50 mm的正方體煤樣試件。在試件表面符合實(shí)驗(yàn)要求的節(jié)理位置畫出直徑為5 mm的觀測區(qū)域,標(biāo)出觀測方向。

        對不同種類的節(jié)理煤樣進(jìn)行標(biāo)注,其中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ分別對應(yīng)貫穿型,半貫穿型,未貫穿型3種節(jié)理;pb15°,am45°,al60°分別代表與層理之間的夾角為15°±5°,45°±5°,60°±5°三種角度的節(jié)理,標(biāo)注見表1。

        表1 不同節(jié)理煤樣Table 1 Coal samples with different joints

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        將煤樣放入液氮中,浸泡4 h,室溫條件下放置20 h,作為一個(gè)周期(T),多周期冷加載直至煤樣破裂。利用激光共聚焦顯微鏡觀測實(shí)驗(yàn)前后表面節(jié)理寬度,計(jì)算節(jié)理寬度的增長量,使用 NM-4B 非金屬超聲檢測儀測定煤樣液氮冷加載前后的聲波傳播速度,計(jì)算聲波衰減率以及煤樣的孔隙量。運(yùn)用 MH-25實(shí)驗(yàn)機(jī)對液氮冷加載后未破碎煤樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)[16],通過分析煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律揭示煤樣結(jié)構(gòu)的損傷程度。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

        圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experiment process

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        2.1 煤樣表面節(jié)理形貌

        貫穿型節(jié)理煤樣(Ⅰpb15°,Ⅰam45°和Ⅰal60°)分別在8T,6T和7T發(fā)生破碎,破碎后煤樣節(jié)理寬度不可測量,煤樣表面節(jié)理形貌如圖2所示。半貫穿型節(jié)理煤樣(Ⅱpb15°,Ⅱam45°和Ⅱal60°)和未貫穿型節(jié)理煤樣(Ⅲpb15°,Ⅲam45°和Ⅲal60°)分別在8T,6T和7T冷加載后未發(fā)生破碎,煤樣表面節(jié)理形貌如圖3,4所示,放大倍數(shù)為200倍,表面節(jié)理擴(kuò)展量見表2。

        圖2 貫穿型節(jié)理煤樣表面節(jié)理形貌Fig.2 Surface joint morphology of penetration joint coal sample

        圖3 半貫穿型節(jié)理煤樣表面節(jié)理形貌Fig.3 Surface joint topography of semi-permeable joint coal samples

        圖4 未貫穿型節(jié)理煤樣表面節(jié)理形貌Fig.4 Surface joint topography of unpermeable joint coal samples

        表2 冷加載前后煤樣表面裂隙擴(kuò)展量Table 2 Surface crack growth of coal-like surface before and after cold loading μm

        在液氮冷加載過程中,煤樣節(jié)理擴(kuò)展量與冷加載周期存在著一定的函數(shù)關(guān)系,將不同種類節(jié)理擴(kuò)展量與周期進(jìn)行擬合,如圖5所示。由圖5可知,隨著液氮冷加載周期的增加,煤樣節(jié)理均有相應(yīng)的發(fā)育,半貫穿型節(jié)理比未貫穿型節(jié)理擴(kuò)展速率快。

        圖5 冷加載煤樣半貫穿型及未貫穿型節(jié)理擴(kuò)展量與周期關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between crack expansion and confining pressure of cold loaded coal samples

        2.2 煤樣整體結(jié)構(gòu)損傷程度測定

        聲波傳播速度因介質(zhì)的不同而不同,當(dāng)聲波通過同一介質(zhì)時(shí),如果速度變慢,說明在聲波傳播路徑上有空氣介質(zhì)產(chǎn)生。根據(jù)這個(gè)原理可以通過測定波速的方法表征煤樣整體孔洞、節(jié)理結(jié)構(gòu)的變化情況。并通過計(jì)算波速衰減率測定煤樣整體結(jié)構(gòu)損傷程度:

        (1)

        式中,η為冷加載前后聲波通過煤樣的波速衰減率;vn為不同周期周期液氮冷加載后聲波在煤巖試樣中的波速,m/s;v0為液氮冷加載前聲波在煤巖試樣中的傳播速度,m/s。

        對煤樣x軸,y軸,z軸的3部分試驗(yàn)前后的聲波速度進(jìn)行測定、記錄。計(jì)算出其對應(yīng)3個(gè)方向上的波速衰減率Δηx,Δηy,Δηz(表3)。分別繪制不同類別節(jié)理煤樣的角度與波速衰減率曲線圖,如圖6所示。

        表3 縱波傳播速度衰減率Table 3 Attenuation rate of the acoustic wave velocity

        圖6 不同節(jié)理煤樣波速衰減率曲線Fig.6 Curves diagram of wave velocity attenuation rate of coal samples with different joints

        由圖6可見,45°角的煤樣垂直層理方向波速衰減率最大,半貫穿型煤樣垂直層理方向波速衰減率大于未貫穿型煤樣。根據(jù)WYLLIE[17]的時(shí)間平均方程解釋了聲波在煤樣中傳播速度v與孔隙量φ之間的關(guān)系

        (2)

        式中,vmt為聲波在純水中的傳播速度,m/s;vma為聲波在煤體骨架結(jié)構(gòu)中的傳播速度,m/s。

        當(dāng)選擇同批煤樣作為研究對象時(shí),vmt與vma為定值,則波速衰減率與孔隙量關(guān)系為

        (3)

        式中,A,B為定值,波速衰減率成為影響孔隙量的惟一變量,當(dāng)波速衰減率越大,則煤樣的孔隙量就越大。如果vmt取1 497 m/s,vma取2 169.12 m/s,v取實(shí)驗(yàn)測量值1 782.93 m/s,Ⅱpb15°煤樣、Ⅱam45°煤樣、Ⅱal60°煤樣的孔隙量分別為1.97,2.39和1.38;Ⅲpb15°煤樣、Ⅲam45°煤樣和Ⅲal60°煤樣的孔隙量分別為1.83,2.16和1.19,可見煤樣整體結(jié)構(gòu)損傷程度隨節(jié)理貫穿程度的增加而增大,與層理呈45°的節(jié)理、孔洞擴(kuò)展損傷最明顯。

        2.3 液氮冷加載后煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度

        液氮冷加載后,對于未破碎的煤樣通過萬能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對不同節(jié)理煤樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn),速率為0.1 mm/min,繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。

        圖7 不同節(jié)理煤樣液氮冷加載后單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress and strain curves of the uniaxial compression test after immersion of liquid nitrogen in different kinds of fractured coal samples

        從圖7可見,Ⅱpb15°煤樣、Ⅱam45°煤樣和Ⅱal60°煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度分別19.8,18.3和 21.2 MPa;Ⅲpb15°煤樣、Ⅲam45°煤樣和Ⅲal60°煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度分別為22.3,16.1和 26.2 MPa。根據(jù)圖7中半貫穿型節(jié)理與未貫穿型節(jié)理煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖來繪制單軸抗壓強(qiáng)度與不同節(jié)理煤樣的關(guān)系曲線,如圖8所示。

        圖8 不同節(jié)理煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度Fig.8 Uniaxial compressive strength of coal samples with different joints

        未貫穿型煤樣抗壓強(qiáng)度比貫穿型煤樣更大,節(jié)理角度為45°±5°煤樣抗壓強(qiáng)度最差,其次為15°±5°煤樣,60°±5°的抗壓強(qiáng)度最大,說明節(jié)理角度為45°±5°煤樣最容易發(fā)生損傷。格里菲斯理論[18]認(rèn)為,巖體強(qiáng)度是由巖體節(jié)理、孔洞結(jié)構(gòu)決定的。當(dāng)煤基質(zhì)骨架部分因新增節(jié)理、孔洞結(jié)構(gòu)而造成損傷時(shí),煤樣的強(qiáng)度就會降低。

        3 機(jī) 理

        3.1 溫度對煤樣結(jié)構(gòu)損傷的影響

        煤體作為成分組成復(fù)雜的固體介質(zhì),當(dāng)溫度驟降時(shí),煤基質(zhì)會發(fā)生冷縮效應(yīng),由于煤樣各組分收縮率不同,當(dāng)煤樣冷縮引起的最大線應(yīng)變達(dá)到煤樣的線應(yīng)變極限時(shí),就會造成對節(jié)理的拉破壞。

        式中,E為煤樣的變形模量,GPa;ν為泊松比;σx,σy,σz分別為x,y,z軸方向的溫度應(yīng)力,MPa。

        同時(shí)煤基質(zhì)在溫度變化條件下,產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力σt,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,液氮的氣化溫度為-195.8 ℃,當(dāng)煤樣置于液氮的低溫環(huán)境下時(shí),溫度將驟然降低,Δt取值216 ℃,當(dāng)E取值3.2 GPa,α取值6.435×10-6℃-1,煤樣內(nèi)部將產(chǎn)生溫度應(yīng)力σT為4.45 MPa,該應(yīng)力大于煤樣基質(zhì)的抗拉強(qiáng)度0.52 MPa,使煤樣節(jié)理結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷,甚至破碎,從而增大了煤樣節(jié)理結(jié)構(gòu)的尺寸。

        3.2 節(jié)理角度對煤樣結(jié)構(gòu)損傷的影響

        不同節(jié)理煤樣在浸泡液氮后,煤樣內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將引起節(jié)理的發(fā)育,造成煤樣的節(jié)理結(jié)構(gòu)損傷,可以通過摩爾庫倫強(qiáng)度理論[19]進(jìn)行分析:

        (5)

        式中,θ為層節(jié)理夾角,(°);τl為剪切強(qiáng)度極限,MPa;c0為黏聚力,MPa;Pp為孔隙流體壓力,MPa;σtn為液氮冷加載后產(chǎn)生的最大溫度應(yīng)力,MPa;σt0為初始?xì)堄鄳?yīng)力,MPa。

        將式(5)簡化為二維應(yīng)力解得的表達(dá)式為

        (6)

        當(dāng)θ=45°時(shí),式(6)為

        τmax=(σtn-σt0)/2

        (7)

        τ>τ1

        (8)

        當(dāng)滿足式(7)時(shí),當(dāng)滿足式(7)時(shí),煤樣節(jié)理結(jié)構(gòu)將沿層理方向發(fā)生剪切破壞。從而解釋了煤樣節(jié)理沿著層理方向發(fā)生損傷,以及3個(gè)方向的孔隙量是不同的。當(dāng)θ=45°時(shí),τ值達(dá)到極大值,冷加載產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對節(jié)理結(jié)構(gòu)影響最大,節(jié)理擴(kuò)展速率最迅速。

        4 力學(xué)模型

        煤體本身存在節(jié)理等初始缺陷,在液氮冷加載作用下,這些初始節(jié)理會受到破壞和擴(kuò)展,相互連接,發(fā)展為宏觀裂紋,最終導(dǎo)致煤體的破壞。煤樣的節(jié)理結(jié)構(gòu)和斷裂結(jié)構(gòu)在冷加載作用下受到破壞和擴(kuò)展,這是煤樣節(jié)理尺寸由細(xì)觀向宏觀演化的過程??紤]到液氮冷加載時(shí)環(huán)境與煤樣不同節(jié)理因素的耦合作用,認(rèn)為煤樣破壞是由液氮低溫引起的溫度應(yīng)力,利用有限元分析軟件建立煤樣節(jié)理擴(kuò)展的力學(xué)模型。模型單元體尺寸規(guī)定為50 mm×50 mm×50 mm,液氮冷加載引起的溫度應(yīng)力σT取值4.45 MPa,溫度應(yīng)力σT方向設(shè)為與節(jié)理方向垂直。半貫穿型和未貫穿型煤樣節(jié)理結(jié)構(gòu)擴(kuò)展損傷數(shù)值模擬如圖9,10所示。

        圖9 有限元建立半貫穿型節(jié)理煤樣力學(xué)模型及其擴(kuò)展曲線Fig.9 Schematic diagram and extension curve of a semi-penetration type joint coal-like mechanical model by using the finite element method

        圖10 有限元建立未貫穿型節(jié)理煤樣力學(xué)模型及其擴(kuò)展曲線Fig.10 Schematic diagram and expansion curve of mechanical model of unpenetrated joint coal sample established by finite element method

        圖9,10中,直線為節(jié)理擴(kuò)展量的理論模擬數(shù)值,實(shí)驗(yàn)數(shù)值與理論模擬數(shù)值基本一致,通過對比圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)值擬合直線后發(fā)現(xiàn),直線斜率基本相同,說明液氮冷加載不同節(jié)理煤樣損傷的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究鍥合度較高,可以作為液氮冷加載煤層氣開采應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。

        5 結(jié) 論

        (1)煤樣隨著冷加載周期增加,煤樣的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)損傷加劇,煤樣的抗壓強(qiáng)度降低,力學(xué)性能變差,彈性變形階段越短。

        (2)煤樣冷加載后,貫穿型裂隙擴(kuò)展較半貫穿型裂隙擴(kuò)展速率快,未貫穿型裂隙擴(kuò)展速率最慢,煤樣裂隙貫穿程度越大,裂隙擴(kuò)展越明顯。

        (3)煤樣冷加載后,與節(jié)理呈45°±5°的方向的裂隙擴(kuò)展最為迅速,其次為15°±5°的裂隙,最為緩慢的是大于60°±5°的裂隙。所以冷加載的施載周期及節(jié)理角度都是煤樣結(jié)構(gòu)損傷的重要因素,這對巖石力學(xué)研究具有借鑒意義。

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