高壓氣體致裂煤巖孔壁應變響應特征研究

關鍵詞：氣體致裂；孔壁應變；沖擊角度；裂縫形態；氣壓響應

中圖分類號：TD712.7 文獻標志碼：A

0引言

中國煤層氣資源賦存條件復雜，低透氣性煤層氣資源占比高[1]，針對低透氣性煤層增透技術，國內外學者研發了水力壓裂、水力沖孔、水力壓穿等技術[2-5]，極大促進了煤層氣的開采，然而這些方法存在部分技術條件限制和工藝不完善的問題。高壓氣體致裂技術通過高壓氣體瞬間爆破產生的高壓氣體和沖擊波沖擊煤體，使原煤產生裂隙，以達到增透效果[6-7]。高壓氣體致裂的介質主要有CO₂ 、氮氣、空氣等，由于其經濟成本低、增透效果顯著，逐漸成為熱門研究課題[8-10]。

目前，部分學者對高壓氣體沖擊對煤巖體裂紋擴展的影響規律展開研究。李寧等[11]利用數值模擬對爆生氣體壓力驅動下巖石裂縫擴展進行跟蹤模擬，得出致裂過程中氣體隨裂縫擴展的動態變化規律。李守國等[12-13]利用自主設計的高壓氣體沖擊試驗裝置進行試驗，發現高壓氣體沖擊煤體時，裂紋萌生和發展優先在煤體較弱處開始。曾范永[14]研發了煤體高壓氣體爆破的實驗裝置，探究了不同起爆壓力與起爆深度下的高壓氣體爆破致裂規律。嚴少洋等[15]、褚懷保等[16]利用高壓空氣爆破試驗裝置開展氣體爆破模擬試驗，分析了高壓空氣爆破作用下模擬煤體試件裂紋擴展規律和質點振動效應。劉勇等[17-18]通過高壓氣體沖擊煤體，發現高壓氣體致裂引起的力學響應可分為動態加載階段和準靜態加載階段2個連續階段。Shang Zheng等[19]開展了超臨界CO2 沖擊煤巖體試驗，探究了致裂過程中試件表面的應變變化。Cai Can等[20-21]通過對標準有機玻璃與煤體試件開展超臨界CO₂ 射流實驗，證明了應變監測數據能夠有效反映射流距離、射流壓力與三相應力對試件的破壞。

現有研究大多對致裂后試件形態圖及致裂過程中氣壓響應進行研究，缺乏對空氣致裂全過程進行精準監測和評價的手段。應變監測能夠實時記錄裂紋萌生和擴展的過程，通過研究高壓氣體沖擊全過程中孔壁應變響應，可明確致裂過程裂紋與應變響應之間的關系，獲得最優致裂角度。本文利用高壓空氣沖擊致裂煤巖真三軸實驗平臺，開展了基于孔壁應變監測的高壓氣體致裂煤巖實驗，利用超動態應變儀監測了致裂過程中射流孔處孔壁的應變響應，研究不同沖擊角度下高壓氣體致裂規律。

1高壓氣體致裂煤巖實驗裝置與方案

1.1試件制備

煤體作為一種沉積巖，由于在形成過程中的條件不一樣，受到多方面因素影響，各向異性明顯。為消除各向異性的影響，采用相似材料制作的混凝土試件開展實驗。將水泥、河砂、水按1.03∶5∶1的質量比混合制成尺寸為150mm×150mm×150mm 的試件。制作試件時， 預制了直徑為16mm、長度為110mm 的致裂孔，如圖1 所示。試件制作完成后，在養護池中養護28 d，測得試件抗壓強度為18.5MPa。

致裂管主體部分尺寸為?8 mm×100 mm，距致裂管底部5 mm 處兩側對稱設置一對射流孔，孔徑為3 mm。待試件養護完畢，在試件表面按順時針方向標記出射流方向與最大水平主應力的夾角，將致裂管的射流孔對準標記出的射流方向垂直放入致裂孔，并用環氧樹脂進行封孔處理。共設計5 組沖擊實驗，沖擊角度（射流孔方向與最大水平主應力方向夾角）分別為0，30，45，60，90°。

1.2實驗系統

實驗系統包括真三軸加載裝置、數據采集系統和高壓氣體致裂裝置3 個部分，如圖2 所示。真三軸加載裝置包括加載泵組、加載泵數控單元、三軸腔體，可獨立施加X，Y，Z 方向的應力。數據采集系統包括超動態應變數據采集儀、氣壓數據采集儀。高壓氣體致裂裝置包括四級壓縮機、5 L高壓氣體儲罐、致裂管及觸控電磁閥等。

實驗過程中，利用NI PXIe?4331 超動態應變數據采集儀實時采集應變數據，監測試件在高壓氣體沖擊下產生的應變。使用氣體壓縮機將高壓空氣壓入高壓氣體儲罐中，通過觸控電磁閥使高壓氣體瞬間釋放。氣壓傳感器用于監測氣體瞬間釋放過程中的氣壓變化。

1.3實驗方案

將25 個模擬煤巖體試件分5 組進行實驗，每組5 個試件。試件三軸應力如圖3 所示，設置水平應力σ_h=4.8 MPa， 最大主應力σ_H=6.4 MPa， 軸向應力σ_v=8.0 MPa。根據前期高壓氣體沖擊預實驗結果，設置釋放壓力為16 MPa。

1） 用毛刷將試件致裂孔內壁清理干凈，將應變片粘貼在絕緣膠布上并在應變片背部涂上速干膠水，將應變片送入致裂孔預定位置；使用圓木棒反復碾壓應變片，靜置3 min 待膠水凝固。

2） 將致裂管放入致裂孔中，并用環氧膠水進行封孔處理，靜置24 h 待環氧樹脂凝固。

3） 將試件放入真三軸腔體內部，將應變片與超動態應變數據采集儀連接并測試；打開真三軸加載泵數控單元，設置三軸應力，在三軸加載階段關閉應變數據采集儀，防止動壓對應變數據的干擾；打開氣體壓縮機，向儲氣瓶中充入16 MPa 氣體；連接氣壓數據采集儀，打開應變數據采集儀并調試，打開數控電磁閥開始實驗。

本實驗的目的是通過對高壓氣體沖擊過程中的孔壁應變與氣壓數據進行監測，得到高壓氣體沖擊試件破壞過程的裂紋擴展與動態應變響應之間的關系。為得到精準的動態應變數據，分別在封孔段、射流孔上端與射流孔處粘貼3 枚徑向應變片，如圖4所示。

2高壓氣體致裂煤巖實驗結果與討論

2.1破壞形態特征

選取1組實驗數據及試件破壞形態圖進行分析。沖擊角度對試件最終致裂形態的影響如圖5 所示。① 沖擊角度為0 時，試件呈現劈裂破壞，只有1 條主裂紋，未出現次生裂紋。 ② 沖擊角度為30°時，試件呈現交叉型破壞，主裂紋開始出現分支，沿著30°方向擴展，延伸至距致裂孔18 mm 處時，由于沖擊角度改變，在應力場與沖擊波的共同作用下主裂紋發生偏轉，偏轉角度為10°，試件的裂縫網復雜程度較沖擊角度為0 時有所上升。③沖擊角度為45°時，試件呈現交叉型破壞，主裂紋發育更為明顯，在沖擊區域出現分支，2條分支均擴展至試件表面，試件裂縫網絡進一步發育，試件上表面及四周均出現貫通裂紋。④ 沖擊角度為60°時，試件呈現交叉型破壞，主裂紋沿最大水平主應力方向在試件表面延伸，出現多處分支，并貫通至試件表面，試件內部出現較為復雜的裂紋網絡。⑤ 沖擊角度為90°時，試件呈現劈裂破壞，主裂紋基本沿垂直于最大水平主應力方向延伸，在三軸應力作用下，試件上端面發生拉伸破壞，并與主裂紋聯通。

通過對試件破壞形態的分析可得出，隨著沖擊角度增大，主裂紋方向逐漸發生偏轉，且試件的破壞類型呈現從劈裂破壞到交叉型破壞再到劈裂破壞的過程，其中45°破壞形態最為復雜。

高壓氣體致裂煤巖實驗結果見表1。隨著沖擊角度增加，起裂壓力呈先減小后增大的趨勢，裂縫長度、裂縫最大寬度呈先增大后減小的趨勢。當沖擊角度為0～45°時，隨著沖擊角度增大，高壓氣體對孔壁沖擊使得試件失穩并產生裂紋所需的壓力逐漸變小， 且裂縫網絡逐漸趨于復雜化； 當沖擊角度為45～90°時，隨著沖擊角度增大，孔壁起裂壓力逐漸增大，裂縫網絡趨于單一化。

2.2沖擊氣壓響應規律

不同沖擊角度下的氣壓曲線如圖6 所示，根據氣壓曲線變化特征可將致裂過程劃分為4 個階段。

Ⅰ階段為氣壓上升階段，當瞬間釋放高壓氣體時，致裂孔內氣體存儲空間會短暫容納氣體，此時氣壓曲線迅速上升至峰值。

Ⅱ階段為氣壓陡降階段，當空腔內壓力達到極值的瞬間在孔壁內產生沖擊波，沖擊波的壓力遠大于試件的動態抗壓強度，孔壁內部開始產生裂紋，主裂紋產生的氣體通道導致氣壓陡然降低。

Ⅲ階段為壓力聚集階段，此時氣體壓力不足以繼續擴展裂縫，氣體在已產生的裂縫內聚集，氣壓曲線短暫上升，隨后在聚集氣體與沖擊波的共同作用下，孔壁內產生的裂紋向試件內部及表面延伸，氣壓曲線持續下降，此過程中應力向試件內部傳播并迅速衰減。

Ⅳ階段為壓力穩定釋放階段，此階段應力峰值小于煤體的動態抗壓強度，難以使試件發生破壞，但在三軸應力、應力波與沖擊氣體的共同作用下，裂紋擴展并延伸至試件表面，腔體與試件內剩余氣體完全釋放。

2.3孔壁應變響應規律

2.3.1孔壁應變過程特征

不同沖擊角度下的孔壁應變曲線如圖7 所示，應變是一個無量綱值，本文中“+”表示壓應變，“?”表示拉應變。

沖擊角度為0 時，氣壓曲線在0.25 s 到達峰值并在瞬間下降，隨后應變曲線迅速到達壓應變峰值+0.001 68， 并在0.1 s 內迅速下降至拉應變峰值?0.002 52，孔壁受到高壓空氣沖擊后在沖擊區域出現主裂紋。0.3 s 時氣壓小幅回升，但不足以使裂紋繼續擴展， 應變曲線從拉應變峰值陡然上升至+0.009 7。由于氣體在裂紋尖端處聚集，試圖打開新的氣體逃逸通道，導致應變劇烈波動，隨著氣體逃逸通道的打開，氣壓均勻釋放，孔壁拉伸應變隨之穩定。

沖擊角度為30°時，應變以拉應變為主，應變曲線出現數個上下閾值， 且出現2 次較為明顯的峰值。第1 次峰值出現在氣壓曲線到達峰值后下降的瞬間，由于孔壁受到氣壓的沖擊，孔壁應變在拉應變和壓應變之間波動，此時孔壁出現主裂紋。0.5 s 時氣壓釋放速率減緩，隨后應變曲線開始劇烈波動，強烈的拉應變說明此時主裂紋尖端不斷出現拉伸損傷，并逐漸發展為新裂縫。

沖擊角度為45°時，拉應變遠大于壓應變，且應變曲線出現較多上下閾值，說明試件內部裂縫起裂和擴展較為明顯。0.15～0.25 s 氣壓曲線在到達峰值后陡然下降，應變在拉應變和壓應變之間波動，在高壓氣體沖擊作用下孔壁裂紋開始發育。0.25～0.85 s氣壓曲線下降暫緩，0.5～1.4 s 應變曲線出現劇烈波動，此時試件內部主裂紋與衍生裂紋逐漸發育成型。

沖擊角度為60°時，氣壓上升至峰值14.2 MPa 后，在0.1 s 內迅速下降至13 MPa，受到氣壓沖擊后孔壁應變迅速上升至壓應變峰值，并在0.1 s 內劇烈波動，此時主裂紋出現，對應氣壓曲線有一定回升后再次下降。1 s 時氣壓曲線出現斷崖式下降，同時應變曲線開始劇烈波動，直到1.5 s 后拉應變趨于穩定，此時試件內主裂紋產生分支并向外延伸擴展。

沖擊角度為90°時，應變曲線基本沒有明顯波動，0.15～0.4 s 內隨著氣壓沖擊，孔壁拉應變在瞬間累積并伴隨主裂紋出現，隨后氣壓釋放速率趨于穩定，應變也無波動情況。

在高壓氣體沖擊作用下，氣壓曲線與應變曲線具有極強的相關性。當氣壓上升到峰值后，由于高壓氣體對孔壁的沖擊，應變曲線迅速上升至峰值。當氣壓曲線出現小幅攀升時通常伴隨著應變曲線的攀升，這一現象對應著試件內部出現新裂紋。孔壁應變數據主要由拉應變組成，且在沖擊角度為30，45，60°時孔壁應變曲線有2 個明顯峰值。第1 個峰值在氣壓曲線達到峰值后0.1 s 左右出現，出現第2 個峰值時通常伴隨著主裂紋的衍生與擴展及次生裂紋的出現。當沖擊角度為0 和90°時應變曲線未出現第2 個峰值。

高壓氣體致裂時改變沖擊角度，試件主裂紋方向會發生不同程度的偏轉，試件裂紋的萌生與擴展也與應變響應息息相關。對比不同沖擊角度下的應變與氣壓曲線可發現一個共同規律：當氣壓快速上升并急劇下降時，應變迅速上升至最大值并伴隨著主裂紋的產生；氣壓曲線在短時間內變化時應變曲線存在多個上下極值，在壓裂過程中氣壓變化與裂縫的起裂與擴展有關，這也意味著可根據應變波動識別裂縫的起裂與擴展，且相較于氣壓曲線，應變曲線的變化規律更易識別。

2.3.2沖擊角度對孔壁應變的影響規律

不同沖擊角度下的應變響應如圖8所示，高壓氣體致裂過程可劃分成4個階段。

Ⅰ階段為裂紋萌生階段，由于孔壁受到氣體瞬間沖擊，應變曲線在短時間內從壓應變向拉應變轉換，說明氣體對孔壁的沖擊使得孔壁產生拉應力作用，氣壓曲線迅速上升到峰值，氣壓從0 上升到峰值壓力13.65 MPa 的時間僅為71.2 ms，此時氣體在致裂管內部與致裂孔內聚集并不斷侵蝕孔壁表面，試圖打開氣體逃逸通道。

Ⅱ階段為主裂紋擴展階段，氣壓出現小幅下降，同時應變迅速達到峰值，由于高壓氣體對孔壁的持續沖擊，孔壁內沿著射流孔方向開始起裂，主裂紋形成的瞬間氣體涌入通道內部，隨后應變曲線在0.25 s內波動，應變波動存在多個拉應變與壓應變的閾值，說明裂紋有延伸擴張趨勢，因為此時氣體沖擊波的壓力大于試件的動態抗壓強度，高壓氣體深入主裂紋內部將主裂紋進一步延伸，這一過程隨著氣壓降低而逐漸停止。

Ⅲ階段為裂紋延伸擴展階段，Ⅱ階段在裂紋內聚集的氣體持續對裂紋沖擊，使主裂紋持續擴展延伸，試件內部出現復雜的裂紋網絡，氣壓出現大幅下降。由應變曲線可看出，此階段因為主裂紋擴展，應變出現第2 個峰值，隨著試件內部出現復雜裂紋網絡，應變曲線出現小范圍波動。

Ⅳ階段為裂紋穩定階段，試件內部形成復雜裂紋網絡，主裂紋及其他裂紋的分支延伸至試件表面，剩余沖擊氣體通過已經打開的逃逸通道逐漸釋放。

2.4討論

將應變持續時間與拉應變峰值作為致裂效果的主要評價標準。持續時間指當高壓氣體對試件作用產生主裂紋后應變達到峰值到逐漸穩定所需時間（持續時間1），以及聚集在主裂紋尖端的氣體使主裂紋衍生擴展時的應變響應時間（持續時間2）。持續時間越長，表明高壓氣體對試件內部的破壞時間越長，更容易使試件裂紋網絡趨于復雜。拉應變峰值大小表明高壓氣體對試件作用瞬間試件的破壞程度。

從應變響應曲線中提取出應變出現峰值后的應變持續時間與拉應變峰值，如圖9 所示。可看出穩定持續時間與拉應變峰值的變化規律均是隨著沖擊角度的增加呈先增加后減少的趨勢，二者均在沖擊角度為45°時達到峰值，表明當沖擊角度為45°時，高壓氣體對試件內部造成的破壞程度與裂縫網絡的復雜程度達到極致，試件破壞類型為交叉破壞，試件內部容易萌生復雜裂紋網絡，致裂效果最佳。

3結論

1） 隨著沖擊角度的增加，主裂紋方向逐漸發生偏轉，且試件的破壞類型呈現從劈裂破壞到交叉型破壞再到劈裂破壞的過程。

2） 沖擊過程中氣壓曲線主要分為4 個階段：氣壓上升階段、氣壓陡降階段、壓力聚集階段、壓力穩定釋放階段。氣壓陡降階段和壓力聚集階段對應沖擊過程中主裂紋出現和試件內部裂縫網絡擴展。

3） 在高壓氣體沖擊作用下，孔壁應變數據主要由拉應變組成，出現2 個明顯的峰值。第1 個峰值在氣壓曲線達到峰值0.1 s 后出現并伴隨主裂紋產生，第2 個峰值常伴隨著主裂紋的衍生與擴展。

4） 相較于氣壓監測數據，通過應變信號變化規律更易識別試件內部的裂隙發育情況。5 種沖擊角度的孔壁應變實驗結果表明：0～45°時，隨著沖擊角度增大，應變的最小值與峰值逐漸減小，持續時間逐漸變長，試件更容易出現貫通裂紋，裂隙趨于復雜化；45～90°時，隨著沖擊角度增大，應變的最小值與峰值逐漸升高，持續時間縮短，主裂紋更容易發生偏轉，裂隙趨于單一化。