曹有勛工程師 楊 濤工程師 陳德任工程師 譚 輝 趙敖寒

(1.鄂托克前旗長(zhǎng)城六號(hào)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200；2.山東華坤地質(zhì)工程有限公司，山東 泰安 271413；3.安徽理工大學(xué) 煤礦深井開(kāi)采災(zāi)害防治技術(shù)科技研發(fā)平臺(tái)，安徽 淮南 232001)

0 引言

深部煤層滲透率低、瓦斯含量高，且開(kāi)采過(guò)程中極易發(fā)生煤與瓦斯突出之類的煤巖動(dòng)力災(zāi)害[1-3]。尋找高效、經(jīng)濟(jì)、適用范圍廣的新型致裂方法是防治災(zāi)害的關(guān)鍵。近年來(lái)，研究出一種高壓氣體沖擊致裂增透技術(shù)[4-5]，高壓氣體沖擊致裂是采用高壓空氣的瞬間膨脹能量沖擊鉆孔孔壁致裂巖石，該技術(shù)成本低、效率高[6]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在氣體致裂方面，樓曉明等[7]采用理論研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究孔底空氣不耦合裝藥時(shí)，空氣柱長(zhǎng)度對(duì)孔壁沖擊壓力的變化規(guī)律，得到孔底部空氣間隔不耦合裝藥條件下軸向不耦合系數(shù)與孔壁沖擊壓力隨時(shí)間的變化曲線；俞海玲[8]通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)4種研究方法相結(jié)合的方式，系統(tǒng)探討基于高壓氣體預(yù)裂爆轟作用對(duì)煤巖致裂弱化的理論和技術(shù)，這對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義；趙旭[9]以高壓氮?dú)鉀_擊過(guò)程及高壓氮?dú)獾臏?zhǔn)靜態(tài)膨脹作用為基礎(chǔ)，分析致裂過(guò)程中能量的變化，并以之作為理論指導(dǎo)開(kāi)展高壓氮?dú)鉀_擊致裂實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，獲得不同工況下高壓氮?dú)鉀_擊致裂的相關(guān)規(guī)律；Xia等[10]采用壓汞孔隙度測(cè)試、氣體排放指數(shù)實(shí)驗(yàn)、氣體滲透率和分形理論等方法對(duì)CO2射流壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：與原煤相比，處理煤的平均孔徑大大增大，總孔隙體積從15.75%增加到41.31%。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，以往對(duì)氣體致裂煤巖方面的研究普遍采用單軸或假三軸應(yīng)力環(huán)境，對(duì)于真三軸條件下沖擊氣壓對(duì)煤巖動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程信息、致裂形態(tài)的影響規(guī)律研究較少，同時(shí)，沖擊氣壓是高壓氣體沖擊致裂增透技術(shù)的影響因素。因此開(kāi)展在真三軸環(huán)境下5種沖擊氣壓對(duì)巖石動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程致裂形態(tài)的影響規(guī)律研究，為高壓氣體沖擊致裂煤巖參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試塊制作

將水泥∶河砂∶水按1.03∶5∶1的質(zhì)量混合，然后均勻攪拌，裝入150mm×150mm×150mm的模具中，使用混凝土振動(dòng)臺(tái)震動(dòng)10～20min，確保試塊的均質(zhì)性。在制作試樣時(shí)，預(yù)制直徑為12mm，長(zhǎng)為9mm的致裂鉆孔，試塊制作完成后置于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d[11]。制作完成后將直徑8mm，長(zhǎng)為90mm的致裂管置于預(yù)制孔中，利用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封孔，如圖1。

圖1 試塊實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括真三軸加載單元和高壓空氣致裂單元，加載泵與三軸加載板構(gòu)成真三軸加載單元，電磁閥、高壓氣體儲(chǔ)罐、四級(jí)壓縮機(jī)構(gòu)成高壓空氣致裂單元，如圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

真三軸加載單元中加載泵沿X、Y和Z方向可獨(dú)立施加三軸應(yīng)力，通過(guò)每個(gè)方向的加載板施加在試塊上。

高壓空氣致裂單元由增壓泵、容量5L的無(wú)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(wú)縫不銹鋼儲(chǔ)罐中，通過(guò)電磁閥實(shí)現(xiàn)高壓空氣的瞬間釋放。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)文獻(xiàn)[12]將三軸應(yīng)力設(shè)置為σz=8MPa(Z方向)、σx=4.8MPa(X方向)、σy=6.4MPa(Y方向)。為探索高壓空氣沖擊煤巖動(dòng)態(tài)破壞特征與破裂形態(tài)的影響規(guī)律，設(shè)置相應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行研究。高壓空氣沖擊壓力分別設(shè)置為6、8、10、12、14、16MPa。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如下：

(1)將制備完畢的試塊放置于真三軸腔體內(nèi)。

(2)通過(guò)真三軸應(yīng)力加載單元，對(duì)試塊施加應(yīng)力，作用在試塊上的應(yīng)力在笛卡爾坐標(biāo)中沿X、Y和Z方向獨(dú)立施加，Z方向?yàn)榇怪狈较?，真三軸應(yīng)力值分別為σz=8MPa、σx=4.8MPa、σy=6.4MPa。

(3)試塊三軸應(yīng)力加載完畢后，打開(kāi)四級(jí)壓縮機(jī)向儲(chǔ)罐分別注入相應(yīng)壓力的高壓空氣，充氣完畢后打開(kāi)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，記錄數(shù)據(jù)，打開(kāi)高壓儲(chǔ)氣罐連接的電磁閥，開(kāi)始試驗(yàn)。

(4)試驗(yàn)結(jié)束后退壓，保存相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 氣壓曲線特征

分析沖擊致裂過(guò)程中的壓力變化，對(duì)于致裂效果研究有重要意義。致裂過(guò)程中的氣壓曲線變化，如圖3。

由于氣壓為6MPa的試塊未致裂成功，因此無(wú)氣壓曲線。根據(jù)趙旭[9]的研究可知，在高壓空氣沖擊致裂煤巖過(guò)程中，當(dāng)氣壓到達(dá)峰值后，在0.1s內(nèi)氣壓會(huì)發(fā)生驟降。從圖3可知，當(dāng)氣體壓力為8MPa時(shí)，在到達(dá)峰值后氣壓下降速度較慢，在0.1s內(nèi)相比初始?xì)鈮合陆盗?.8%，下降速度為10.3MPa/s，而在初始?xì)怏w壓力為10～16MPa的氣壓曲線中發(fā)現(xiàn)，在到達(dá)峰值后的0.1s內(nèi)壓力快速下降，下降的數(shù)值分別占初始?xì)鈮旱?8.3%、34.7%、29.8%、51.8%，下降速度分別為28.3、41.6、41.8、82.9MPa/s，說(shuō)明在高壓空氣的初始沖擊致裂過(guò)程中，初始?xì)鈮簽?0～16MPa的試塊裂縫擴(kuò)展速度快。

圖3 致裂過(guò)程氣壓變化曲線圖

2.2 致裂形態(tài)特征

致裂形態(tài)可反映試塊在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生破裂的情況，用于評(píng)價(jià)致裂效果，因此對(duì)試塊進(jìn)行致裂形態(tài)分析，如圖4。

圖4 各氣沖擊壓下的致裂形態(tài)

從致裂形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始?xì)怏w壓力為6MPa時(shí)，試塊未見(jiàn)任何裂縫和破裂情況，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)儀發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)，說(shuō)明在致裂過(guò)程中試塊幾乎未發(fā)生破裂，因此氣體壓力為6MPa情況下，試塊無(wú)法被致裂；當(dāng)初始?xì)怏w壓力為8MPa時(shí)，裂縫明顯寬度較小，鉆孔一側(cè)主裂縫與最大水平主應(yīng)力平行，另一側(cè)與最大水平主應(yīng)力成45°的夾角擴(kuò)展，擴(kuò)展至2/3處時(shí)偏轉(zhuǎn)至最大水平主應(yīng)力方向；當(dāng)初始?xì)怏w壓力為10MPa時(shí)，鉆孔一側(cè)主裂縫與最大水平主應(yīng)力成30°的夾角擴(kuò)展，另一側(cè)主裂縫與最大水平主應(yīng)力成45°的夾角擴(kuò)展；當(dāng)初始?xì)怏w壓力為12MPa時(shí)，鉆孔兩側(cè)主裂縫呈“W”形；當(dāng)初始?xì)怏w壓力為14MPa時(shí)，出現(xiàn)3條主裂縫，呈“T”形分布，且沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展的主裂縫，一側(cè)平行于主裂縫，一條與最大水平主應(yīng)力成一定夾角；當(dāng)初始?xì)怏w壓力為16MPa時(shí)，2條主裂縫幾乎都平行于最大水平主應(yīng)力。

從上述形態(tài)分析可得，當(dāng)初始?xì)怏w壓力為16MPa時(shí)，其裂縫沿著最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，且沖擊方向也是平行于最大水平主應(yīng)力，說(shuō)明在此沖擊壓力下，致裂效果佳，裂縫擴(kuò)展導(dǎo)向性強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)開(kāi)展各高壓空氣沖擊致裂實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)各高壓空氣壓力下混凝土試塊的氣壓曲線及致裂形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，隨著初始?xì)鈮旱脑龃螅溥_(dá)到峰值壓力后的壓降速度在隨著增加，沖擊氣壓為16MPa時(shí)的壓降速度最大，達(dá)到82.9MPa/s。

(2)在致裂形態(tài)中可以看出，當(dāng)初始?xì)怏w壓力為16MPa時(shí)，其裂縫擴(kuò)展導(dǎo)向性更強(qiáng)。

(3)綜合分析，得到最優(yōu)的高壓空氣沖擊氣壓為16MPa。