解北京，丁 浩，陳冬新，楊 宇

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京100083）

中國90%以上的礦井屬于低透氣性高瓦斯礦井，煤層透氣性系數(shù)0.004～0.049 m2/（MPa2·d），瓦斯抽采難度大，嚴重制約了礦井安全高效生產(chǎn)[1]。煤層的透氣性強弱是衡量煤層氣抽采容易程度的重要參數(shù)之一，也是判斷煤層內(nèi)煤層氣流動難易程度的重要標志。合理有度地對煤層透氣性能進行調(diào)整，對指導(dǎo)煤層氣開采、煤與瓦斯突出防治均具有重要意義[2]。目前，為了增加瓦斯抽采效果，除增加鉆孔密度、延長抽放時間外，還采取多種增透技術(shù)，增大煤體裂隙密度和范圍，以增加煤層透氣性等[3-4]。經(jīng)常采用的措施有水力壓裂、水力割縫、松動爆破、深孔預(yù)裂爆破等[5-13]，但部分技術(shù)措施的條件和工藝不完善,煤層的增透效果并不理想。近年來，隨著爆破技術(shù)的不斷改進，CO2相變爆破增透技術(shù)不斷應(yīng)用至煤礦掘進、放頂和煤層增透等技術(shù)領(lǐng)域。它是通過液態(tài)CO2在瞬間受熱發(fā)生相變，氣體體積膨脹產(chǎn)生的高壓并產(chǎn)生應(yīng)力波向周圍傳播，應(yīng)力波和高壓氣體共同作用于爆破鉆孔附近的煤體域，使煤體在原生裂紋基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的裂隙，另一方面促使原生裂隙擴展、發(fā)育，進而達到煤層致裂增透的效果，增大煤層透氣性的同時提高煤層內(nèi)瓦斯抽采效率[14-16]。液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)作為物理爆破方法克服了傳統(tǒng)炸藥爆炸易產(chǎn)生火花，高壓起爆，破壞性大，危險性高等缺點[17-20]。因此，通過搭建激波動壓沖擊作用下煤樣損傷破壞特征實驗系統(tǒng)，開展不同壓力下對有無層理結(jié)構(gòu)、不同層理結(jié)構(gòu)煤樣的沖擊損傷破壞特征分析，對指導(dǎo)不同層理結(jié)構(gòu)的致裂增透和煤巖動力災(zāi)害防治提供參考依據(jù)。

1 激波沖擊實驗測試系統(tǒng)

1.1 臺式激波管實驗系統(tǒng)

實驗采用的臺式標定激波管裝置由膜片分為高壓段（0.5 m）與低壓段（1.5 m），膜片選擇不同厚度鋁箔片起到阻隔作用。增加的激波管后接裝置由不銹鋼管制成的煤樣筒和保護罩構(gòu)成，用于放置待測煤樣，整體改造后的激波動壓沖擊煤損傷破壞特征測試實驗系統(tǒng)裝置實物如圖1。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置實物Fig.1 Experimental system device photo

1.2 實驗測試系統(tǒng)

1）數(shù)據(jù)采集裝置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為HIOKI MR6000存儲記錄儀。實驗中使用高速電壓采集模塊U8976中的2個通道，采樣頻率最大可達200 MS/s，測試中設(shè)置1 MS/s同時進行采樣存儲。

2）激波壓力速度測試裝置。裝置由激波管低壓段尾端側(cè)壁上方2個壓力傳感器和YE5853電荷放大器組成。用于計算激波傳播速度。

3）超聲波測試裝置。采用ZBL-U510非金屬超聲波檢測儀在實驗開展前后超聲波衰減數(shù)值比例表征煤樣內(nèi)部損傷破壞特征指標，統(tǒng)計待測煤樣在沖擊破壞前后的超聲波測速波速大小。

1.3 煤體試樣

制備型煤試樣來代替無層理結(jié)構(gòu)的煤樣，對應(yīng)構(gòu)造煤煤樣，型煤煤塊取自河南永城車集煤礦，該煤層為瓦斯突出煤層。制備過程如下：①將煤塊用重錘砸碎后，放入球磨機粉碎，篩選粒徑為0.25 mm以下粒度的煤粉；②將質(zhì)量為1 000 g煤粉和200 g煤焦油混合均勻，置于型煤模具中；③在伺服壓力機上以250 kN壓力壓制；④干燥成型，對標準煤樣分別切割成厚度為20 mm的圓盤煤樣。分別制作加工了10個原煤煤樣和型煤煤樣。

層理煤樣取自山西沂州煤礦，對煤塊進行平行層理、垂直層理方向的原煤取心操作，切割加工成厚度為20 mm，直徑為50 mm的原煤圓盤煤樣。分別制成6個平行層理和垂直層理原煤試樣，對比原生煤樣不同層理結(jié)構(gòu)對于激波沖擊破壞煤樣的影響。

2 激波沖擊作用下煤樣損傷破壞實驗

利用空氣、CO2作為驅(qū)動氣體，選用0.03、0.05、0.1、0.15、0.20 mm 5種不同厚度的鋁膜片分別產(chǎn)生峰值壓力約為0.5、0.8、1.2、1.4、1.6 MPa 5種不同入射沖擊壓力，對厚度為20 mm的煤樣進行單次沖擊實驗，并對不同氣體、不同沖擊壓力、不同層理結(jié)構(gòu)煤樣等因素變化對于激波動壓沖擊煤樣損傷破壞情況進行分析。不同氣體及有無層理實驗方案見表1，不同層理實驗方案見表2。

表1 不同氣體及有無層理實驗方案Table 1 Experimental protocol combination

表2 不同層理實驗方案Table 2 Experimental protocol combination

實驗步驟為：①將激波管實驗系統(tǒng)與氣瓶連接，調(diào)試采集設(shè)備；②放入煤樣，插入鋁膜片，氣瓶開關(guān)，調(diào)整減壓閥，等待鋁膜片破膜，完成實驗；③保存采集到的數(shù)據(jù)波形，對煤樣進行超聲波測試，觀察煤樣卸壓端一側(cè)損傷破壞及裂紋發(fā)育情況；④通過記錄的波形圖，讀取2個相隔間距L為20 cm的速度傳感器響應(yīng)的時間間隔，通過公式獲得該區(qū)間激波的平均速度。

3 激波沖擊作用下煤樣損傷破壞特征

3.1 不同驅(qū)動氣體對于沖擊損傷破壞的影響

選用0.03 mm的鋁膜片產(chǎn)生約為0.5 MPa的入射壓力對型煤進行沖擊實驗，選用空氣、CO2作為驅(qū)動氣體。不同驅(qū)動氣體作用下激波單次沖擊型煤煤樣實驗見表3。

表3 不同驅(qū)動氣體作用下激波單次沖擊型煤煤樣實驗Table 3 Experimental data of coal samples under different driving gases

由表3可知，空氣為驅(qū)動氣體，在0.5 MPa沖擊下，型煤波速由1.250 km/s下降至0.735 km/s，下降百分比為41.2%。CO2為驅(qū)動氣體在同樣情況下型煤的波速由1.163 km/s下降至0.725 km/s，波速下降百分比為37.7%。2種氣體在0.5 MPa沖擊下對型煤均造成嚴重的損傷，超聲波測速顯著下降，煤樣內(nèi)部損傷效果明顯，煤樣內(nèi)部致密結(jié)構(gòu)受到一定程度破壞，產(chǎn)生孔隙裂隙，使得波速下降。進而分析得到空氣和CO2在相同壓力情況下，對于煤樣沖擊損傷破壞的程度不會產(chǎn)生明顯差異性。

3.2 不同驅(qū)動壓力對于沖擊損傷破壞的影響

選用0.03、0.05、0.1、0.15 mm 4種厚度的鋁膜片產(chǎn)生峰值壓力約0.5、0.8、1.2、1.4 MPa的4種壓力，對型煤進行沖擊破壞，利用超聲波測速儀對沖擊破壞前后的型煤損傷破壞程度進行分析，不同沖擊壓力后的煤樣損傷破壞圖如圖2。不同驅(qū)動壓力型煤超聲波測速變化及波速下降百分比曲線如圖3。

圖2 不同沖擊壓力后的煤樣損傷破壞圖Fig.2 Damage photos of coal sample after different impact pressure

圖3 不同驅(qū)動壓力型煤超聲波測速變化及波速下降百分比曲線Fig.5 Ultrasonic velocity change and wave velocity decrease percentage curves of coal under different driving pressures

沖擊前波速取平均值1.250 km/s，不同驅(qū)動壓力沖擊作用下，由對型煤沖擊前后超聲波測試結(jié)果結(jié)合在受沖擊后卸壓端一側(cè)形變情況可知：在0.5 MPa壓力沖擊下，煤樣超聲波測試波速由1.25 km/s下降為0.735 km/s，下降百分比為41.2%，下降明顯，表明型煤煤樣內(nèi)部受到嚴重損傷破壞，但其煤樣尾端一側(cè)未出現(xiàn)裂紋，說明其損傷集中在沖擊前端，未波及至尾端一側(cè)。在0.8 MPa壓力沖擊后其尾端出現(xiàn)裂紋且有形變凸出，波速下降百分比為45.8%，相比0.5 MPa，差距不大，可能是煤樣仍處于可承載抗壓強度內(nèi)，煤樣內(nèi)部自身孔隙結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊，孔隙發(fā)育蔓延對于激波沖擊起到一定程度的卸壓作用。在1.2 MPa沖擊后，波速下降為0.491 km/s，下降百分比為58.7%，煤樣尾端一側(cè)大量裂紋裂隙貫通發(fā)育，整體已受到破壞（圖2（c）），在更高壓力的激波沖擊作用下，內(nèi)部致密結(jié)構(gòu)受到更為劇烈破壞，孔隙裂隙得到二次發(fā)育蔓延，損傷破壞加劇，波速下降程度明顯。在1.4 MPa沖擊作用下，型煤卸壓段一側(cè)出現(xiàn)明顯形變且出現(xiàn)劇烈破損，煤樣抗壓能力失效，變形致裂嚴重（圖2（d））。根據(jù)圖3可知，隨著入射壓力的增加，波速下降百分比呈上升趨勢。

3.3 有無層理結(jié)構(gòu)煤樣對于沖擊損傷破壞的影響

在0.5、0.8、1.2、1.4 MPa 4種不同驅(qū)動壓力作用下分別對有任意層理結(jié)構(gòu)原煤煤樣、無層理結(jié)構(gòu)型煤煤樣進行高壓激波沖擊破壞實驗。利用超聲波測速儀對沖擊破壞前后的煤樣損傷破壞程度進行分析。不同驅(qū)動壓力下任意層理原煤/無層理煤煤樣超聲波測速變化如圖4。

圖4 不同驅(qū)動壓力下任意層理原煤/無層理煤樣超聲波測速變化Fig.4 Ultrasonic velocity measurement of raw coal samples under different driving pressures

對比2個煤樣受激波沖擊后超聲波測速變化可知：有任意層理結(jié)構(gòu)煤樣受到由小到大4種驅(qū)動壓力沖擊作用下，煤樣超聲波測速由原始狀態(tài)的0.847 km/s左右依次降為0.794、0.781、0.769 km/s，最終降為0.746 km/s，呈微小下降趨勢。由于有任意層理結(jié)構(gòu)煤樣自身高強度、致密程度較高、復(fù)雜的層理結(jié)構(gòu)使得其在承受激波高壓沖擊后，未產(chǎn)生宏觀損傷破壞，呈現(xiàn)較好完整性。無層理結(jié)構(gòu)的型煤煤樣受到相同沖擊作用后，型煤煤樣超聲波測速由原始狀態(tài)的1.163 km/s左右依次降為0.725、0.685、0.525 km/s，最終降為0.439 km/s，型煤卸壓端一側(cè)出現(xiàn)明顯宏觀變形，超聲波波速數(shù)值呈下降明顯，且下降程度遠大于原煤煤樣。

3.4 不同層理結(jié)構(gòu)煤樣對于沖擊損傷破壞的影響

在0.5、0.8、1.2、1.4、1.6 MPa 5種不同入射壓力作用下分別對平行層理和垂直層理原煤煤樣進行高壓激波沖擊破壞實驗。利用超聲波測速儀對沖擊破壞前后的煤樣損傷破壞程度進行分析。不同入射壓力沖擊平行層理原煤煤樣前后對比如圖5。

圖5 不同入射壓力沖擊平行層理原煤煤樣前后對比Fig.5 Comparison diagram of parallel layer raw coal sample before and after different incident pressures impact

由圖5可知，沖擊前波速取平均值1.042 km/s，在0.5 MPa沖擊作用下煤樣出現(xiàn)明顯損傷，波速降低百分比為18.5%，波速呈現(xiàn)顯著下降。隨著入射壓力的增加，平行層理煤樣受到更強烈沖擊，波速下降至最低值0.704 km/s，波速下降百分比為32.4%，煤樣內(nèi)部損傷破壞程度逐漸增大，超聲波波速結(jié)果呈逐漸下降趨勢。說明當(dāng)入射壓力的增大，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，因煤樣抗壓強度較大，雖其卸壓段一側(cè)未出現(xiàn)明顯裂紋破損，但根據(jù)超聲波波速測試表明煤樣內(nèi)部已出現(xiàn)損傷破壞，且其內(nèi)部層理結(jié)構(gòu)受到破壞貫通，裂紋裂隙逐漸擴展發(fā)育，煤樣強度逐漸減弱。

同樣，對垂直層理煤樣進行激波沖擊破壞，選擇相同5種壓力作用下，對沖擊前后垂直層理煤樣進行超聲波損傷測試。不同入射壓力沖擊垂直層理原煤煤樣前后對比如圖6。

由圖6可知，沖擊前波速取平均值0.997 km/s，不同入射壓力沖擊垂直層理煤樣超聲波測速變化趨勢與平行層理煤樣一致，垂直層理煤樣在0.5 MPa壓力沖擊作用下出現(xiàn)明顯波速下降，波速下降百分比為13.2%，伴隨入射壓力的增大，波速繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢，但是下降程度有所減緩，超聲波波速下降百分比較為恒定。垂直層理原煤煤樣被沖擊后其卸壓端一側(cè)均未出現(xiàn)明顯破損，但超聲波測速下降說明其內(nèi)部已出現(xiàn)裂隙的貫通發(fā)育，造成損傷破壞。不同入射壓力沖擊垂直/平行層理原煤煤樣超聲波測速變化如圖7。

圖6 不同入射壓力沖擊垂直層理原煤煤樣前后對比Fig.6 Comparison diagram of vertical layer raw coal sample before and after different incident pressures impact

圖7 不同入射壓力沖擊垂直/平行層理原煤煤樣超聲波測速變化Fig.7 Ultrasonic velocity measurement of vertical coalbed coal samples under different incident pressures

由圖7對比可知，受到不同大小壓力的沖擊后，其損傷破壞情況及趨勢變化呈良好一致性。平行層理較垂直層理煤樣在0.4～0.8 MPa壓力沖擊階段，其超聲波波速呈現(xiàn)更大程度的下降。在0.8～1.6 MPa壓力沖擊階段，隨著入射壓力的增加其損傷破壞波速測試變化趨勢與垂直層理相近，分析原因可能是由于層理結(jié)構(gòu)的不同，平行層理煤樣因?qū)永淼奶厥饨Y(jié)構(gòu)特征，承受抗壓能力較垂直層理更弱，受到?jīng)_擊時其結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性更易導(dǎo)致?lián)p傷破壞及裂隙的發(fā)育貫通。

4結(jié)論

1）實驗可知，對比空氣與CO22種不同氣體沖擊情況下，損傷破壞程度相近，未產(chǎn)生明顯差異性。在不同入射壓力下型煤損傷破壞程度隨著入射壓力的增大而增大，型煤超聲波測速結(jié)果呈明顯下降趨勢，波速下降百分比呈上升趨勢，通過線性擬合曲線。說明隨著沖擊壓力增大，煤樣內(nèi)部損傷破壞程度劇烈，孔隙裂隙向泄壓端一側(cè)發(fā)育蔓延，被沖擊后的煤樣尾側(cè)產(chǎn)生明顯形變凸出且有新裂紋產(chǎn)生。

2）有任意層理結(jié)構(gòu)與無層理結(jié)構(gòu)煤樣在受到低壓力沖擊作用下即產(chǎn)生明顯損傷，損傷破壞程度呈明顯差異性，無層理結(jié)構(gòu)受沖擊后強度及煤樣內(nèi)部致密結(jié)構(gòu)受破壞程度變化劇烈，任意層理破壞程度變化較小。結(jié)果推斷出原生煤相比構(gòu)造煤更能承受高壓激波的沖擊。

3）不同層理原煤煤樣，其損傷破壞情況及趨勢變化呈現(xiàn)良好的一致性。低壓力沖擊階段，平行層理超聲波波速呈現(xiàn)更大程度的下降。在中等以及更大壓力沖擊階段，兩者損傷破壞波速測試變化趨勢相近。在井下實際應(yīng)用中，對于垂直方向?qū)永斫Y(jié)構(gòu)的原煤煤樣的沖擊破壞應(yīng)選擇更高馬赫數(shù)激波對其進行沖擊以獲得更好的煤層增透致裂效果。