裸孔段长度对型煤致裂形态的影响规律研究

谭 辉

(安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤层气和页岩气储层普遍具有低渗透的特点，其中煤层开采时会面临煤与矿井瓦斯突出、瓦斯爆炸等灾害威胁[1-3]。因此需对储层进行增透处理，既保障生产安全，又提高煤层气与页岩气的抽采效率。

为提高低渗透性煤层页岩的渗透率，近年来发展了一种高压气体冲击致裂增透方法。李守国[4]建立高压气体冲击试验装置，探究高压气体冲击过程裂纹扩展规律，发现裂纹的萌生和发展优先在煤体较弱的单元处开始；曾范永[5]设计控制变量试验，探究不同影响因素下的高压气体爆破致裂规律；刘文博等[6]研究认为高压气体作用过程主要是冲击波的动态作用和气体压裂的准静态过程；王家来[7]分析高压气体爆破破煤的力学机理，通过改变对爆破效果影响的2个因素，即爆破压力和最小抵抗线，以观察它们对爆破效果的影响；徐颖[8]进行高压气体冲击试验，研究认为高压气体冲击作用产生应变波和普通炸药爆炸时产生应变波本质相同。

总结前人研究发现，在致裂煤岩体实验研究中，裸孔段对煤岩体致裂形态影响的研究较少，但裸孔段是煤岩体增透技术中重要的影响因素，因此本文开展真三轴环境下不同裸孔段长度对型煤致裂形态的影响规律研究，为煤岩体增透工程应用提供基础参考，保障安全生产。

1 实验方法

1.1 试块制作

试样尺寸为150mm×150mm×150mm的型煤，型煤制作比例根据文献[9]可知，将煤粉、水泥、石膏按1.5∶1∶1的质量比混合，试块制作完成后置于养护箱内养护28d。制作完成后在试样中心钻取直径为12mm，深度分别为100、105、110、120mm的钻孔，将直径为8mm，长度为90mm的压裂管放置其中，用环氧树脂进行封孔，如图1。根据文献[10]将三轴应力设置为σV=4.8MPa、σh=2.4MPa、σH=4MPa。

图1 试块示意图

为使高压气体冲击爆破致裂时的能量不仅能在初始阶段致裂钻孔壁，更能在后期能量衰减后有足够能量继续扩展裂纹，因此本实验选用高压气体压力为10MPa。

1.2 实验系统

实验系统包括真三轴加载装置、声发射监测装置和高压气体致裂装置，结构示意图，如图2。

图2 实验系统图

真三轴加载装置，控制的3个液压泵沿X、Y和Z方向可独立施加三轴应力，通过每个方向的加载板施加在试样上。加载板上设有安置声发射探头的钻孔，前、后、左、右4块加载板分别安置成45°斜角的声发射探头，每块加载板上布置2个探头，共计8个，如图2。

声发射信号由声发射装置采集，它能够在采集声发射信号波形的同时，采集煤岩加载和破裂过程中的声发射计数、能量、振幅等信息。声发射装置的前置放大器为40dB。

高压气体致裂装置由增压泵、容量5L的无缝不锈钢储罐等组成。利用最大压力为30MPa的增压泵将空气压入无缝不锈钢储罐中，通过阀门控制高压气体的瞬间释放。

1.3 实验方案

为探究裸孔段长度对型煤致裂形态的影响，设置相应实验方案进行研究。三轴应力设置为σV=4.8MPa、σh=2.4MPa、σH=4MPa，高压气体冲击压力为10MPa。具体实验参数，见表1。

表1 实验参数表

2 结果

2.1 裂缝形态特征

在高压气体的冲击作用下，以钻孔为中心，裂纹向四周扩展，各面的裂纹形态、特征，如图3。随着裸孔段长度的改变，裂纹扩展路径也在发生变化。

图3 不同长度裸孔段试样致裂后的表面

当裸孔段距离为10mm时，试样出现2条主裂纹分别位于钻孔两端，与最大水平应力方向平行，在试样上表面随着主裂纹的产生伴有次生裂纹，试样的前后左右4个面分别有裂纹产生，且4个面的裂纹都约位于距上表面3cm处。被破坏的部分约占整个试样的1/5。

当裸孔段距离为15mm时，试样上表面出现2条主裂纹和一条次生裂纹，钻孔一端的主裂纹与最大水平应力平行，另一端的主裂纹与最大水平应力成45度角，次生裂纹开始垂直于最大水平应力方向扩展，扩展到2cm处发生90°偏转与最大水平应力平行，整个次生裂纹呈半U形。前后左右4个面都有衍生裂纹的产生，衍生裂纹约10条，其中一个面出现一条长裂纹，从试样上表面延伸至试样下表面。整个试样都有不同程度的破坏，且产生的裂纹条数和种类都相较于10mm裸孔段的试样多。

当裸孔段距离为20mm时，试样产生2条主裂纹，位于钻孔两侧，与最大水平主应力平行，近乎成一条直线。试样的前面和后面有贯穿裂纹产生，使得整个试样以主裂纹为界限被分成2块，试样的其他面也有衍生裂纹和其他裂纹产生，总计2条。对比15mm裸孔段的实验，20mm裸孔段的冲击实验有贯穿裂纹的产生，衍生裂纹和其他裂纹相对较少。

当裸孔段距离为30mm时，试样上表面产生2条主裂纹，位于钻孔两侧，与最大水平主应力平行，成一条直线。前后2面裂纹呈1/4圆弧形，左面在距上表面1/2处形成一条平行于试样上表面的裂纹。被破坏部分约占整个试样的1/4。在钻孔内部有一条与最大水平应力方向平行的裂纹，一直延伸至钻孔底部，裂纹并未贯穿到试样表面。

不同长度裸孔段对裂纹的产生有不同影响，当裸孔段长度为10～20mm时，裸孔段长度越长，越易形成贯穿裂纹，被破坏部分所占比例越大；当裸孔段长度为30mm时，试样在高压气体冲击下致裂的效果较差，裂纹种类较少，且形成贯穿裂纹。因此从致裂后的几何形态可以看出，裸孔段长度为15～20mm时致裂效果最佳。

2.2 RA-AF分析

声发射特征参数分析方法是找到声发射特性和内在规律的有利方法。声发射信号特征参数包括振铃计数、幅值、能率、持续时间、上升时间、峰值频率等[11]。其中，声发射波形特征通常被认为是反映断裂破坏模式的有效途径。RA值为上升时间与幅值的比值；AF值为振铃计数与持续时间的比值，称为平均频率。据研究表明[12]，RA值和AF值均是分析裂纹破坏类型的关键特征，相关学者对煤体的RA-AF特征进行深入研究[13-15]，提出RA-AF表征煤体裂纹扩展方式的研究方法，将图4中分割线斜率定义为k，当AF/RA>k时，裂纹呈现张拉破坏，当AF/RA

图4 RA-AF值与裂纹破坏的关系

绘制声发射RA-AF的信号点分布密度云图，如图5。黑色区域为密度核心区域，白色区域为无数据分布区域，密度为0，由黑色过渡到白色区域代表有一定量的数据。通过对不同裸孔段的RA-AF密度云图分析可知：裸孔段长度为10mm时，信号点及核心密度区多分布在RA轴与AF轴两轴起始端，表明当裸孔段为10mm时，剪切破坏与张拉破坏相结合的复合破坏；裸孔段长度为15mm时，核心密度区不明显，信号点密集分布于AF值为100与RA值为4的区域，相比于10mm裸孔段的实验，裸孔段长度为15mm的破坏模式更为复杂；裸孔段为20mm时，核心密度区更靠近AF轴，AF/RA>k占据主导地位，说明裸孔段为20mm时产生的裂纹大都为单一的张拉裂纹，这更有利于形成贯穿裂纹，达到破坏整个试样的效果；裸孔段为30mm时，信号点稀疏，核心密度并不明显，不利于形成贯穿裂纹的。

图5 不同长度裸孔段试样的RA-AF密度云图

2.3 声发射能量分析

对高压气体致裂过程分析可知，高压气体冲击致裂过程中的能量来自于动态气射流和准静态膨胀2个过程；在致裂过程中所能达到的最大能量便是使试块发生致裂的能量，这个能量对于评价高压气体冲击致裂效果有着至关重要的作用。

从声发射峰值能量的角度进行研究发现(如图6)，裸孔段为10～30mm的峰值能量值分别为1 408、2 034.8、2 744.7、2 524.6V·ms。当裸孔段为10～20mm时，其峰值能量在不断上升，在裸孔段为20mm时峰值能量值达到最大；当裸孔段大于20mm时，声发射峰值能量值开始下降。因此，在高压气体冲击实验中，预留裸孔段长度为20mm时，致裂效果最佳。

图6 不同长度裸孔段试样的峰值能量对比图

3 结论

本文通过开展不同裸孔段的高压气体冲击致裂实验，得出以下结论：

(1)当裸孔段长度为15～20mm时，裸孔段长度越长，试样被破坏的部分所占比例越大。

(2)裸孔段长度为20mm时，易形成单一的张拉裂纹，裂纹扩展的深度也越深，形成贯穿裂纹的概率也更大。

(3)从声发射峰值能量角度研究发现，裸孔段长度为20mm时峰值能量最大，表明致裂效果最佳。