高壓水力割縫松軟煤體的實驗研究

尹 杰，郭 君

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2.唐山學院土木工程學院，河北 唐山 063000)

高壓水射流水力割縫是利用輔助系統產生高壓水射流對煤巖進行水力沖孔而形成縫槽的一種有效方法，其目的為了達到對周圍煤體的卸壓增透效果，同時有助于煤巖中瓦斯抽采[1]。白新華[2]對低滲富瓦斯煤層高壓水射流輔助壓裂增透機理的研究，揭示壓裂過程煤巖體應力分布及演化規律。通過對此領域以縱向-時間、橫向-技術理論等方面進行梳理，目前仍有一些問題亟待解決：例如因實驗室所搭建的實驗平臺受尺寸影響，其應力分布與自然賦存的煤體有偏差，很難獲得準確解[3-9]。

筆者采用相似模擬實驗，研究高壓水射流水力割縫對不同煤樣的沖擊破壞，分析高壓水射流對松軟煤體的損傷破壞規律。

1 試樣制備

1.1 實驗裝置

實驗裝置分為水力割縫配套高壓力產生系統和實驗參數測定系統。水力割縫配套高壓水產生系統，由電機、水泵、鉆桿和水力割縫噴頭組成；實驗參數測定系統由工業內窺鏡和爆破測振儀構成。

預制水箱中的水經水泵后通過鉆桿與噴頭形成高壓水射流以沖擊試件，進而模擬不同參數下的水力割縫作業過程。除此之外，高壓水產生系統還通過鉆桿形成高壓水射流沖入噴頭位置進行旋轉割縫，因此根據預制的試件尺寸定制了合適長度的鉆桿與噴頭，其鉆桿長度為1 500 mm，噴頭連接于鉆桿兩端，并設置安裝呈180°的2個割縫噴嘴。

使用參數測定系統前，首先保障振動傳感器緊貼于試件表面，當水力割縫過程中，自動采集所產生的振動信號；爆破測振儀收集數據，進行數據讀取、儲存及分析處理，最終輸出到裝有專用軟件的計算機中。

1.2 試樣力學參數

為了確保試樣與所研究的松軟煤體的主要力學性能相似，制作試件前，首先采集了某礦具有代表性的較大塊煤體。為防止運輸途中發生損傷破碎改變其力學參數，選用軟墊層包裝運至實驗室進行切割和打磨制作成標準煤樣(見圖1)，利用液壓萬能實驗系統進行單軸壓裂試樣，其破壞形態如圖2所示，其力學測試參數如表1所示。

圖1 采集煤體和標準煤樣Fig.1 Coal and standard coal samples

圖2 標準煤樣破壞形態Fig.2 Standard coal sample failure pattern

表1 標準煤樣力學測試參數

制作了15個不同質量配比(按水泥、石膏、砂土、水順序)的標準尺寸試樣，通過強度試驗以測試其力學參數，原料配比及其標準尺寸模擬試樣力學參數抗壓測試結果如表2所示。

表2 標準尺寸模擬試樣抗壓測試參數

由表2知，1#試件接近標準煤樣力學參數特性。另外再選取10#試件和15#試件分別作為高強度和低強度試件，根據其原料配比進行大尺寸(40 cm×40 cm×40 cm)相似試件制備。其制備完成的大尺寸試樣如圖3所示。

圖3 大尺寸試樣 Fig.3 Large size samples

2 試樣損傷外觀實驗

2.1 試樣破壞樣貌采集

在經過高壓水射流沖擊后，利用內窺鏡對試件損傷破壞中標示較明顯的沖蝕點進行拍照采集，未進行水力割縫破壞的試件原貌如圖4所示。

圖4 試樣原始樣貌Fig.4 Appearance of original sample

分別對高、中、低3種強度試件加載15、10、6 MPa水壓進行9組正交實驗，并對明顯損傷破壞區域利用計算機輔助定量標定，高壓水沖擊試件后樣貌及損傷破壞范圍如圖5所示。由圖5可知，對高、中、低3種不同強度煤體試樣分別加載15、10、6 MPa高壓水射流進行沖擊割縫時，所有試樣相比原貌均隨試樣強度、水壓大小出現損傷或沖擊區域部分不同程度破壞，低強度試樣加載15 MPa高壓水沖擊下，試樣破壞尤為顯著，損傷破壞面積最大，高強度的試樣在加載6 MPa高壓水沖擊下破壞不明顯，但有片落現象。

圖5 沖擊后樣貌及損傷范圍Fig.5 Appearance after impact and damage area

2.2 量化分析

損傷破壞圖像范圍經AutoCAD對圖5原290個計算輔助單元進行明顯損傷范圍和破壞形成縫槽區域的量化分析統計，其分析統計結果如表3所示。

表3 沖擊損傷面積

由表3可知，高強度試樣分別加載6 MPa和15 MPa高壓水射流進行沖擊時，其面積單元由8.5單元增大至64.30單元，面積占比由2.93%擴大至22.17%；中強度和低強度試樣分別加載6 MPa和15 MPa高壓水射流進行沖擊時，其面積單元分別由74.04單元增大至93.16單元，95.75單元增大至170.66單元，面積占比由25.53%擴大至32.33%，33.02%擴大至58.85%。不同試樣在不同沖擊水壓下其面積變化和區域占比變化分別如圖6、圖7所示。

圖6 損傷面積變化Fig.6 Change of damage area

圖7 損傷面積占比變化Fig.7 Change of damage area proportion

2.3 試樣沖擊深度

由圖5中可知，不同強度的試樣和不同水壓進行交叉實驗所破壞的效果各不相同，由于篇幅有限從高強度試件說明。高強度試樣在15 MPa水壓下，由于原料配比的關系，高強度試樣中水泥含量較大，因此其具有較強的抗沖擊力，在高壓水沖擊作用下，試樣內壁表面出現了連接在一起的沖蝕坑，平均沖蝕坑深度為5 mm，另外形成層狀的剝離現象，使得試樣出現層狀脫落，由于水射流沖擊方向在不停的變化，因此導致試樣脫落形狀呈現不規律特征；高強度試件在10 MPa水壓下，因為水壓的降低，導致連接在一起的沖蝕坑分散分布，層狀剝離現象較弱，可見隨著水壓的降低，對試樣內壁的沖擊力降低，顯著影響沖擊深度，其平均深度為15 mm；高強度試樣在6 MPa水壓下，因為水壓的繼續降低，導致試樣內壁沖蝕坑不太明顯，無層狀剝離現象。說明隨著水壓的降低，對試樣內壁的沖擊力降低，顯著影響沖擊效果，形成40 mm左右的較淺割縫槽。

3 振速分析

3.1 振速信號特征

高壓水射流沖擊破壞實驗時，在不同配比參數的試樣上配置爆破測振儀和振動傳感器采集沖擊實驗過程中的振動信號，x軸表示時間(ms)，y軸表示振動速度(cm/s)。考慮振動波傳播時間極短，將采集時間限定于3 s之內，為便于數據處理及準確反映實驗前后瞬時振速的變化特征，將沖擊起始時刻向前增加0.1 s，即100 ms時刻為采集高壓水射流對試件沖擊的起始點。經反復實驗，0～300 ms確定為沖擊的瞬時波形時段，300～3 000 ms為沖擊的穩定波形時段，分別對9組試樣進行振動信號采集，以高強度試樣在15 MPa水壓下的波形特性(見圖8)研究振速隨時間的波形變化特征。

圖8 高強度試樣在15 MPa水壓下的振動波曲形Fig.8 Vibration wave form of high-strength sample under 15 MPa water pressure

從試件破壞實驗瞬時峰值振動速度和穩定振速數據分析來看，強度不同的試樣，其沖擊損傷破壞特性也不同；強度恒定而沖擊水壓不同時，各試樣的沖擊特性也不同。但是都遵循如下規律：試樣強度變低后，振動速度變大；水壓增加后，振動速度變大。在0～300 ms段，試樣表面出現瞬時峰值振動速度，300～2 000 ms時段煤巖試樣表面振速趨于穩定，當水壓為15 MPa時，3種試樣表面瞬時峰值振動速度分別為0.28、0.30、0.40 cm/s，穩定振動速度分別為0.08、0.13、0.22 cm/s；當水壓為10 MPa時，瞬時峰值振動速度分別為0.26、0.27、0.34 cm/s，穩定振速分別為0.07、0.13、0.21 cm/s；當水壓為6 MPa時，瞬時峰值振動速度分別為0.07、0.15、0.30 cm/s，穩定振速分別為0.04、0.12、0.19 cm/s。

3.2 振速信號分析

當高壓水射流割縫水壓為15 MPa時，高強度試樣瞬時峰值振速由0.28 cm/s增至低強度試樣瞬時峰值振速0.40 cm/s，其峰值增加了43.0%；穩定區域振速由低強度振速0.22 cm/s增至高強度試樣穩定區域振速0.08 cm/s，相比低強度試件增加了175%；當割縫水壓為10 MPa時，低強度試樣比高強度試樣瞬時峰值振速增加了30.77%，比穩定振速增加了200.0%；當割縫水壓降至6 MPa時，其低強度試樣相比高強度試樣二者瞬時峰值、穩定值分別增加了329%和375%。

根據振速的峰值與穩定值，將9種煤樣加載破壞進行綜合排序，破壞程度由高到低分別為：低強度試樣在15 MPa水壓>低強度試樣在10 MPa水壓>低強度試樣在6 MPa水壓>中強度試樣在15 MPa水壓>中強度試樣在10 MPa水壓>中強度試樣在6 MPa水壓>高強度試樣在15 MPa水壓>高強度試樣在10 MPa水壓>高強度試樣在6 MPa水壓。

3.3 實驗結果討論

1)試樣沖擊坑深度分析。在高壓水射流沖擊割縫破壞煤體外觀實驗中，即便低硬度試樣在15 MPa水壓下也只形成40 mm左右較淺的割縫槽，其他硬度試樣進行水力割縫的縫槽更淺。高強度試樣在15 MPa水壓下形成的深度僅為4～6 mm。當水壓降低為6 MPa時，幾乎未見割縫槽。在實際生產中，割縫槽比實驗深度均要大得多。主要有二個方面原因：①煤體試樣與地下礦層中賦存煤體之間結構體不同。煤體中除了賦存一些矸石以外還會存在大小不均勻的空隙存在，這種非均勻介質會大幅度降低煤體的抗沖擊力，在高壓水力割縫時容易出現較深的縫槽。而在實驗室制備大尺寸試件時，剔除了雜質，形成較為均勻的結構，增加了抗沖擊力，導致割縫效果變差；②實驗試樣無法達到類似原煤層煤體的受力狀態，原煤體受地應力作用處于應力平衡狀態，當高壓水射流沖擊煤體，形成縫槽，其周圍煤體失去應力平衡，損傷區域深部松軟煤體向縫槽方向移動，致使損傷破壞進一步擴大，更容易形成縫槽，割縫效果明顯加強。

2)振動波傳播影響分析。從9組實驗數據可知，在沖擊瞬間100 ms左右，分布于試樣表面的參考點振動幅度突然達到最大，其低強度試樣在15 MPa水壓下瞬時振速最大為0.40 cm/s，高強度試樣在6 MPa水壓下瞬時振速最小，最小值為0.18 cm/s。300～2 000 ms時段煤巖試樣表面振速趨于穩定，其低強度試樣在15 MPa下是最大穩定振速組合，穩定值為0.28 cm/s，高強度試樣在6 MPa水壓穩定速度最小，最小值為0.05 cm/s。振動波的振動速度大小與試樣強度、高壓水射流壓力有關，隨高壓水射流的增大和試樣強度的降低而增大。此外，振動速度還與試樣的密度有關：本試驗選擇的試件結構是均勻的，因此振動波衰減較小，振動速度較大。但是自然煤體內密度分布不均勻，特別是存在裂隙情況下，振動波會嚴重衰減，振動速度會大幅減小。

4 結論

1)通過對高壓水射流沖擊實驗分析，當提高水壓和降低試樣強度時，沖蝕坑的深度增加，剝離作用也較顯著。表明高壓水射流對松軟煤層割縫效果是試樣強度、水壓大小對煤體試樣的破壞效果起主導作用。因此，高壓水射流沖擊煤體作用等同于鉆頭機械剝離煤壁，是一種有效的割縫方法。

2)煤樣強度不變情況下，振動速度隨著水壓的提高也相應提高，表明高壓水力割縫過程可根據煤體實際強度調節水壓，進而控制割縫效果。對于密度較為均勻并試樣密度越大，振動波傳播越遠。

3)將9種煤樣加載破壞分析：試樣強度越低水壓強度越高的效果好于試樣強度越高水壓強度越低的效果。采用水力割縫方法切割松軟煤體，割縫效果更好，經濟性和安全性較好。