液氮冷加載對不同節理煤樣結構損傷的影響

李和萬，劉 戩，王來貴，左建平

(1.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000; 2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

我國煤儲層的地質條件復雜，由于受到地質構造應力的作用，使煤層結構發生改變，造成煤層的原生裂隙變窄或不通。大多數受影響的煤層具有3個特征:低壓(壓力系數<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理結構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，容易發生煤渣堵孔事故;深孔爆破預裂技術容易使煤基質松垮[8]，不利于煤層氣開采后，對煤田的二次采煤。

近年來，國內外的研究者利用循環荷載[9],預制裂紋[10]，固體介質的熱脹冷縮特性使研究對象發生損傷破壞，從而達到改性的目的。液氮作為低溫試劑，經常被用于凍融巖石、混凝土和煤體的實驗[11-15]，發現隨著凍融次數的增加，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、節理、孔洞等結構，在接觸性凍融實驗過程中，液氮作為冷加載試劑容易進入煤體的層理、節理、孔洞結構中，有針對性地對煤體結構進行損傷，而不會造成煤基質整體破壞，對于煤體損傷增透具有較好效果。煤體節理種類多樣，可以根據節理在煤樣中的貫穿程度分為貫穿型、半貫穿型(節理長度是是煤樣寬度的1/3～2/3)和未貫穿型，同時3種類型節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構改性增透具有重要的意義，因此還需通過實驗揭示液氮冷加載對不同節理煤樣結構的損傷規律和作用機理，將為煤層氣開采和沖擊地壓防治提供理論參考和實驗基礎。

1 實 驗

1.1 煤樣制備

實驗采用遼寧省阜新盆地長焰煤作為實驗材料，將原煤切割成50 mm×50 mm×50 mm的正方體煤樣試件。在試件表面符合實驗要求的節理位置畫出直徑為5 mm的觀測區域，標出觀測方向。

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

表1 不同節理煤樣Table 1 Coal samples with different joints

1.2 實驗方法

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驗前后表面節理寬度，計算節理寬度的增長量，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，計算聲波衰減率以及煤樣的孔隙量。運用 MH-25實驗機對液氮冷加載后未破碎煤樣進行單軸壓縮實驗[16]，通過分析煤樣的單軸抗壓強度的變化規律揭示煤樣結構的損傷程度。實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程Fig.1 Experiment process

2 實驗結果

2.1 煤樣表面節理形貌

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

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

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

圖4 未貫穿型節理煤樣表面節理形貌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，煤樣節理擴展量與冷加載周期存在著一定的函數關系，將不同種類節理擴展量與周期進行擬合，如圖5所示。由圖5可知，隨著液氮冷加載周期的增加，煤樣節理均有相應的發育，半貫穿型節理比未貫穿型節理擴展速率快。

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

2.2 煤樣整體結構損傷程度測定

聲波傳播速度因介質的不同而不同，當聲波通過同一介質時，如果速度變慢，說明在聲波傳播路徑上有空氣介質產生。根據這個原理可以通過測定波速的方法表征煤樣整體孔洞、節理結構的變化情況。并通過計算波速衰減率測定煤樣整體結構損傷程度：

(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部分試驗前后的聲波速度進行測定、記錄。計算出其對應3個方向上的波速衰減率Δηx，Δηy，Δηz(表3)。分別繪制不同類別節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WYLLIE[17]的時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構中的傳播速度，m/s。

當選擇同批煤樣作為研究對象時，vmt與vma為定值，則波速衰減率與孔隙量關系為

(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取實驗測量值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，可見煤樣整體結構損傷程度隨節理貫穿程度的增加而增大，與層理呈45°的節理、孔洞擴展損傷最明顯。

2.3 液氮冷加載后煤樣的單軸抗壓強度

液氮冷加載后，對于未破碎的煤樣通過萬能拉伸實驗機對不同節理煤樣進行單軸壓縮實驗，速率為0.1 mm/min，繪制應力-應變曲線如圖7所示。

圖7 不同節理煤樣液氮冷加載后單軸壓縮的應力-應變曲線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°煤樣的單軸抗壓強度分別為22.3,16.1和 26.2 MPa。根據圖7中半貫穿型節理與未貫穿型節理煤樣的應力應變曲線圖來繪制單軸抗壓強度與不同節理煤樣的關系曲線，如圖8所示。

圖8 不同節理煤樣的單軸抗壓強度Fig.8 Uniaxial compressive strength of coal samples with different joints

未貫穿型煤樣抗壓強度比貫穿型煤樣更大，節理角度為45°±5°煤樣抗壓強度最差，其次為15°±5°煤樣，60°±5°的抗壓強度最大，說明節理角度為45°±5°煤樣最容易發生損傷。格里菲斯理論[18]認為，巖體強度是由巖體節理、孔洞結構決定的。當煤基質骨架部分因新增節理、孔洞結構而造成損傷時，煤樣的強度就會降低。

3 機 理

3.1 溫度對煤樣結構損傷的影響

煤體作為成分組成復雜的固體介質，當溫度驟降時，煤基質會發生冷縮效應，由于煤樣各組分收縮率不同，當煤樣冷縮引起的最大線應變達到煤樣的線應變極限時，就會造成對節理的拉破壞。

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軸方向的溫度應力，MPa。

同時煤基質在溫度變化條件下，產生較大的溫度應力σt，在標準大氣壓下，液氮的氣化溫度為-195.8 ℃，當煤樣置于液氮的低溫環境下時，溫度將驟然降低，Δt取值216 ℃，當E取值3.2 GPa，α取值6.435×10-6℃-1，煤樣內部將產生溫度應力σT為4.45 MPa，該應力大于煤樣基質的抗拉強度0.52 MPa，使煤樣節理結構發生損傷，甚至破碎，從而增大了煤樣節理結構的尺寸。

3.2 節理角度對煤樣結構損傷的影響

不同節理煤樣在浸泡液氮后，煤樣內部產生的溫度應力將引起節理的發育，造成煤樣的節理結構損傷，可以通過摩爾庫倫強度理論[19]進行分析:

(5)

式中，θ為層節理夾角，(°);τl為剪切強度極限，MPa;c0為黏聚力，MPa;Pp為孔隙流體壓力，MPa;σtn為液氮冷加載后產生的最大溫度應力，MPa;σt0為初始殘余應力，MPa。

將式(5)簡化為二維應力解得的表達式為

(6)

當θ=45°時，式(6)為

τmax=(σtn-σt0)/2

(7)

τ>τ1

(8)

當滿足式(7)時，當滿足式(7)時，煤樣節理結構將沿層理方向發生剪切破壞。從而解釋了煤樣節理沿著層理方向發生損傷，以及3個方向的孔隙量是不同的。當θ=45°時，τ值達到極大值，冷加載產生的溫度應力對節理結構影響最大，節理擴展速率最迅速。

4 力學模型

煤體本身存在節理等初始缺陷，在液氮冷加載作用下，這些初始節理會受到破壞和擴展，相互連接，發展為宏觀裂紋，最終導致煤體的破壞。煤樣的節理結構和斷裂結構在冷加載作用下受到破壞和擴展，這是煤樣節理尺寸由細觀向宏觀演化的過程。考慮到液氮冷加載時環境與煤樣不同節理因素的耦合作用，認為煤樣破壞是由液氮低溫引起的溫度應力，利用有限元分析軟件建立煤樣節理擴展的力學模型。模型單元體尺寸規定為50 mm×50 mm×50 mm，液氮冷加載引起的溫度應力σT取值4.45 MPa，溫度應力σT方向設為與節理方向垂直。半貫穿型和未貫穿型煤樣節理結構擴展損傷數值模擬如圖9,10所示。

圖9 有限元建立半貫穿型節理煤樣力學模型及其擴展曲線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理煤樣力學模型及其擴展曲線Fig.10 Schematic diagram and expansion curve of mechanical model of unpenetrated joint coal sample established by finite element method

圖9，10中，直線為節理擴展量的理論模擬數值，實驗數值與理論模擬數值基本一致，通過對比圖5中的實驗數值擬合直線后發現，直線斜率基本相同，說明液氮冷加載不同節理煤樣損傷的理論分析與實驗研究鍥合度較高，可以作為液氮冷加載煤層氣開采應用研究的基礎。

5 結 論

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

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

(3)煤樣冷加載后，與節理呈45°±5°的方向的裂隙擴展最為迅速，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理角度都是煤樣結構損傷的重要因素，這對巖石力學研究具有借鑒意義。