循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究*

罗 宁，索云琛，张浩浩，柴亚博，翟 成，屈 喆，白桂智

（1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；3.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；4.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116）

煤层气资源能源是世界范围内储量巨大的重要非常规能源之一，煤-气共采技术不仅可以预防煤矿瓦斯灾害，还可以增加可利用瓦斯资源，提高煤矿经济开采。目前，使用最有效的地表钻孔开采技术机理是排出煤层承压水，降低煤储层压力，促进吸附甲烷解吸成大量游离甲烷，在地层压力和井筒压差的作用下向井口运移[1-6]。而水力压裂作为目前的主要手段，因向井中倾倒大量的水、沙子和化学物质，涉及污染环境并引发地震等相关问题，已经被越来越多的国家禁止。由于资源开发的迫切需求，越来越多的学者开始关注爆燃压裂方法[7-8]。然而，动态压裂技术相对较新，其机理较少受到重视，随着煤炭资源开采深度的增加，爆燃压裂法在煤层气开采中面临的挑战也越来越大。首先，煤在深部环境中受到地应力，这导致了动态特性的显著变化；其次，无论是钻孔爆破法还是爆燃压裂法，单次冲击并不一定能使煤层破碎或达到预期效果。在实际应用中，它经常受到多次加载，循环效应下的动态力学特性表现出明显的变化[9-11]；最后，煤岩作为典型的沉积岩，其内部存在许多薄弱结构面，如微裂缝和层理，导致其力学性能复杂[12-14]。随着开采深度的不断深入，深部煤岩地层情况愈加复杂，相关资源的开采难度也与之俱增。因此，研究含层理角度煤岩的动态力学响应成为当前煤层气高效开采的关键科学问题之一。

众多学者已对煤岩的力学性质进行了大量的研究。如Zhao 等[15]、Kong 等[16]、Hao 等[17]和Liu 等[18]研究了煤岩的静态和动态力学行为，虽然前者已对煤岩的静、动态力学的做了大量的研究工作，然而对含层理煤岩的研究仍比较少，已逐渐成为相关领域的难点和热点问题之一。Chen 等[19]研究了不同层理对煤岩的力学性质和渗透性的影响，发现随着层理角度的增大，通道数量随着初始渗透率的增加而增加，抗压强度呈现先降低后升高的趋势。Zhao 等[20]利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验系统研究了不同层理角度对煤岩断裂韧性的影响，发现层理引起的各向异性对煤岩的动态启动断裂韧性起着重要作用。Wang 等[21]采用SHPB 实验系统和高速摄影技术发现层理影响裂纹的起裂方向，裂纹扩展路径由最大主应力方向和层理共同决定；当层理角度方向垂直于冲击方向时，动态断裂韧性较大；随着层理角度的增大，试件的损伤逐渐由拉伸损伤向拉剪耦合损伤转变。Fan 等[22]利用SHPB 实验系统和3D 轮廓扫描仪研究了不同层理角度和温度对页岩的动态影响，发现不同层理角度的页岩临界温度不同；动态抗压强度随层理角度的增大呈现先降低后升高的趋势，其趋势与断面粗糙度呈正相关。王卫华等[23]研究了应力波在等效节理处的传播规律，并建立了层理非线性位移不连续模型，研究了层理初始刚度、层理合合度对层理透射反射系数的影响。李业学等[24]引入分形损伤理论研究应力波穿透节理时的透、反射效应，建立了分形损伤本构模型。

综上所述，相关研究均对含特征层理岩石的静、动态力学特性方面取得了一定的研究成果，其中一方面，上述研究仅聚焦单轴压缩或劈裂实验；另一方面，当煤层被钻爆法、燃爆法致裂时，单次冲击并未能使煤层破裂充分或达到预期效果。然而实际煤层气资源开发中煤岩在深部地层条件下会受到多次燃爆冲击，形成成熟、贯通的裂缝网络，从而最大效率地实现单井煤层气开采，因此仅在单轴冲击条件下研究不同层理角度煤岩的动态力学性能并不能完全揭示真实的破坏特征规律。故此本文研究了动态三轴压缩作用下含特征层理煤岩在循环冲击下断裂的动态力学行为及损伤破坏演化特征，深入研究了层理角度对煤岩力学特性和能量演变的影响规律，以期待高效压裂深部含特征层理煤岩提供关键力学基础科学数据支撑。

1 动态冲击实验

1.1 试样加工过程

煤岩均产自陕西省赋谷县张明沟煤矿，为避免煤岩强度离散性对实验结果的影响，选取同一煤岩加工含不同层理 （0°、30°、45°、60°、90°）的标准煤岩试样，如图1 所示。

图1 加工前后的层理煤岩Fig.1 Bedding coal rocks before and after processing

所有试样层理角度清晰可见，加工精度满足GB/T 50 266—2013《工程岩体试验方法标准》的要求。将用于SHPB (split Hopkinson pressure bar) 实验的煤岩全部加工成直径50 mm、高25 mm 的标准圆柱体试样，并对煤岩试样进行抛光处理，保证2 个加载面的表面光洁度和平整度均小于0.02 mm，并在冲击测试前用保鲜膜包裹保护，以防止碰撞损坏和空气湿度影响。采用分辨率为0.5～10 µm 的NanoVoxel3502E CT 装置对冲击前具有代表性的0°层理煤岩进行扫描分析，如图2 所示，CT 扫描煤岩具有明显的贯通层理面，且分布均匀。

图2 0°层理煤岩的CT 图Fig.2 CT image of 0° bedding coal rock

1.2 SHPB 实验系统及理论基础

实验在 ∅ 50 mm SHPB 系统上完成，系统装置如图3 所示，整个实验系统包括发射操作装置、冲击杆、入射杆、透射杆、缓冲杆、围压加载设备、轴向加载设备、激光测速仪和动态实验分析器。冲击杆、入射杆、透射杆和缓冲杆的长度分别为500、3 000、3 000 和1 200 mm。杆件材料采用硅锰弹簧钢，具有高强度、弹性和稳定性等特点，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.29，纵波波速为5 188 m/s，密度为7 800 kg/m3。

图3 动态三轴SHPB 测试系统Fig.3 Dynamic triaxial SHPB test system

在入射杆撞击煤岩时，入射波会产生反射波和透射波，由于杆件与煤岩的波阻抗失配，应力波在煤岩中来回反、透射，最终实现应力平衡。为了验证煤岩试件的应力均匀性假设，采用下式计算试件两端的受力：

式中：F1为煤岩试样靠近入射杆的界面所受的力；F2为煤岩试样靠近透射杆的界面所受的力；εi、εr和εt分别为入射应变脉冲、反射应变脉冲和透射应变脉冲；Ab和As为杆件和煤岩试样的横截面积；Eb为杆件弹性模量。实验结果如图4所示，煤岩加载面两端应力曲线基本重合，即p1=p2，说明在整个动态实验过程中，试件内部各部位的应力应变几乎都处于均匀状态，即εi+εr=εt[25-26]。因此，可以用二波法代替三波法，即用下式：

图4 煤岩时间应力均匀的试验验证Fig.4 Experimental verification of coal rock stress uniformity

1.3 SHPB 压杆的能量分析

含特征层理煤岩的动态测试过程分为单轴压缩冲击实验和动态三轴循环冲击实验，在单轴压缩冲击实验采用0.3 MPa 冲击压力单次冲击煤岩，并以单轴破坏结果数据为基础研究围压效应对煤岩的影响，在动态三轴循环冲击实验中使用1.0 MPa 冲击压力进行循环三次冲击，研究动态三轴压缩下层理效应对煤岩的影响。如图5 所示，动态三轴循环冲击实验过程中，子弹速度均可控制在(13.216±0.025) m/s。然而，在计算入射能量时发现，设备在冲击实验过程中或多或少存储或消耗了一些能量，导致入射能量略有偏差。为避免实验装置的影响，采用反射能、透射能和吸收能占入射能的百分比，来研究能量分配的变化：

图5 含不同特征层理煤岩动态测试中的子弹速度和入射能量Fig.5 Velocity and incident energy of the bullets in dynamical tests on coal rock samples with different bedding angles

式中：x=i, r, t；Wi、Wr和Wt分别为入射、反射和透射应力波的能量；σi、σr和σt分别为入射、反射和透射应力波；Wa为吸收应力波能量；y=r, t, a；λr、λt和 λa分别为反射能、透射能和吸收能与入射能的比。

2 应力-应变曲线的变化特征

选取不同围压下45°层理煤岩的应力-应变曲线进行分析，发现含层理煤岩对有无围压的敏感性显著。如图6 所示，45°层理煤岩的应力-应变曲线在围压状态下均出现弹性后效现象，围压促使煤岩的力学性质从脆性向延性转变。单轴冲击压缩下，煤岩的动态抗压强度和失效应变分别为19.9 MPa 和0.022；当施加围压后，层理煤岩的动态抗压强度和失效应变明显增大，分别增大3.9～4.2 和2.59～3.05 倍。围压的施加增强了煤岩内质点的内聚力，使晶格不易破坏，增大了煤岩的极限强度和韧性[29-30]。

图6 不同围压下45°层理煤岩的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of 45° bedding coal rock under different confining pressures

3 煤岩动态力学特性的层理效应

3.1 动态抗压强度的变化特征

单轴压缩冲击和动态三轴压缩冲击状态下，煤岩的动态力学性能差异明显。在研究围压效应时，基于单轴冲击压缩破坏数据，如图7 所示，将实验所得数据采用样条曲线拟合连接（以下数据结果若无明确标注则均为此方式连接），发现单轴压缩冲击下的动态抗压强度随层理角的增大呈U 形分布，其中0°和90°层理煤岩的强度最高。

图7 无围压条件下含不同特征层理煤岩试样的动态抗压强度Fig.7 Dynamic compressive strengths of coal rock samples with different bedding angles without confining pressure

如图8(a) 所示，不同层理角度煤岩的动态抗压强度并没有随围压的增大而呈现单一的增大或减小的变化趋势。图8(b)显示，煤岩的动态抗压强度则随层理角度的增大呈现明显的U 形变化趋势，90°层理煤岩的抗压强度最高，0°层理煤岩的抗压强度次之，45°层理煤岩的动态抗压强度最低。因为90°层理方向与围压作用方向垂直，能较好地压密煤岩内部的孔隙和裂隙，对其动态抗压强度的提高最显著。当层理方向与围压方向存在夹角（如30°、45°、60°）时，层理面之间会发生摩擦或滑移，对其抗压强度有增强效果，但明显低于90°层理煤岩。

图8 抗压强度随围压和层理角度的变化Fig.8 Variation of compressive strength with confining pressure and bedding angle

3.2 动态弹性模量的变化特征

弹性模量是物体抵抗弹性变形能力的量度。采用峰值应力的0.4 倍和0.6 倍的应力差与应变差之比计算煤岩的动态弹性模量：

式中：ε1和σ1分别为0.4 倍峰值应力时的应变和应力，ε2和σ2分别为0.6 倍峰值应力时的应变和应力。

如图9 所示，弹性模量随层理角度的增大呈现先减小后增大的趋势。在90°层理时最大，45°层理时最小。因为45°层理煤岩的抗压强度最低，更易发生破坏变形，细裂纹的发展降低了煤结构传递荷载的能力和比例，降低了材料性能，导致弹性模量降低，此规律与抗压强度相似，因此认为含层理煤岩的动态力学参数的变化并不是孤立存在，而是相互影响。

图9 不同围压下煤岩弹性模量随层理角度的变化Fig.9 Variation of elastic modulus of coal rock with bedding angle at different confining pressures

4 煤岩能量演变的层理效应

4.1 能量分配率的变化特征

如图10 所示，入射纵波以α1的角度通过层理面时，透射与反射效应同时发生，产生反射横波、反射纵波、透射横波、透射纵波[23-24]。不同层理面的α1不同，能量的透射和反射也会有很大的不同，因此，研究不同层理煤岩的能量变化率有非常重要的理论意义。

图10 P 波在等效层理面上的反射和透射Fig.10 Reflection and transmission of P-waves at the equivalent bedding plane

如图11(a) 所示，当研究煤岩的能量反射率时，发现2.5 和5.0 MPa 围压下能量反射率随层理角度呈现下降趋势，90°层理煤岩的能量反射率最小，0°层理煤岩的反射率最大，7.5 和11.0 MPa 围压下的能量反射率呈现先增大后减小的趋势，在30°层理角度处达到最大。因为过高的围压施加在煤岩上，层理因为围压的施加而进一步发育，导致层理角度有所改变，能量的演化受围压和层理共同影响。

图11 不同围压下煤岩能量分配率随层理角度的变化Fig.11 Variation of energy distribution ratio of coal rock with bedding angle at different confining pressures

如图11(b)所示，能量透射率与层理角度呈现U 形趋势，这一趋势与抗压强度的趋势相似，抗压强度越高，能量透射程度越高，其中90°层理煤岩的透射率最高，其次是0°层理煤岩，0°和90°层理煤岩能更好地保证能量的穿透和传递，45°层理煤岩的透射率最低，说明角度层理（30°，45°，60°）煤岩更能降低能量的透射。

如图11(c)所示，能量吸收率与层理角度呈现先增后减的∩形趋势，与抗压强度和弹性模量呈负相关，与峰值应变呈正相关，45°层理煤岩的能量吸收率最大，0°层理煤岩吸收率最低。因为在应力波作用0°和90°层理面时，应力波以反射和透射效应为主，当作用45°层理面时，更多的应力波能量被用于破坏断裂层理面，能量吸收率达到最大。

4.2 损伤变量的变化特征

谢和平等[31]指出岩石失稳和破坏损伤的本质是能量释放和耗散的演化过程。煤岩作为典型沉积岩，采用基于能量耗散理论的损伤变量可以更好地揭示其内部损伤的本质变化，因此按照耗散结构理论，将损伤变量定义为吸收能∫量密度与本构能的比值。如图12所示，本构能Up由煤岩应力（σ）-应变（ε）曲线进行积分得到，即Up=σdε，表示单元发生损伤和塑性变形时所消耗的能量；Ue为单元内存储的可释放应变能，为岩石单元卸载后释放的弹性应变能。此外，引入吸收能量密度Uc=Wc/Vc（Wc为煤岩的吸收能，Vc为煤岩的体积），表示煤岩单位体积吸收能量[32-33]；将D=Uc/Up定义为损伤变量[34]。

图12 体积能量耗散和可释放应变能Fig.12 Energy dissipation and releasable strain energy per unit volume

当D=0 时，煤岩单元体无损伤，无能量耗散；当D=1 时，煤岩单元体能够承受所有的能量耗散，煤岩被完全破坏。如图13 所示，D与层理角度呈N 形分布，层理角度为45°或90°时，D达到最大值。煤岩吸收能量用于裂纹的发育、扩展或贯通：在45°层理煤岩中，裂纹容易形成宏观裂缝，发生断裂；而90°层理煤岩更易吸收能量，形成未贯通的大量细观裂纹。基于能量法的D有效地反映了煤岩体破坏的真实情况和本质变化。

图13 损伤变量随层理角度的变化Fig.13 Variation of damage variable with bedding angle

5 层理煤岩表观破坏形态及致裂机理

5.1 层理煤岩断面粗糙度的变化特征

岩石断裂面的形态对揭示岩石动态断裂机制有重大意义，断裂面的粗糙度也常被用于分析岩石裂缝中的剪切和流动行为。为此，选取3D 轮廓扫描仪（KEYENCE VR-5 000），测量层理煤岩的断裂表面形态特征，以分析动态三轴循环压缩冲击下层理效应对煤岩断裂特性的影响。并结合粗糙度分析模块，采用下式计算三维表面粗糙度Sa，定量分析层理煤岩断裂面粗糙度的变化特征[22]：

式中：Z为煤岩表面轮廓点到基准平面的距离，N和M分别为测量区域中相互垂直的2 个方向上的采集点数。

如图14～17 所示，具有代表性的煤岩断裂面的初始照片和三维扫描图被分析展示，通过式(7)量化断裂表面得到断面粗糙度Sa。

图14 在2.5 MPa 围压下不同层理角度煤岩断裂面的初始照片和三维扫描图Fig.14 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 2.5 MPa

图15 在5.0 MPa 围压下不同层理角度煤岩断裂面的初始照片和三维扫描图Fig.15 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 5.0 MPa

图16 在7.5 MPa 围压下不同层理角度煤岩断裂面的初始照片和三维扫描图Fig.16 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 7.5 MPa

图17 在10.0 MPa 围压下不同层理角度煤岩断裂面的初始照片和三维扫描图Fig.17 Original photographs and 3-D scans of fracture interfaces of coal rocks with bedding angles at the confining pressure of 10.0 MPa

如图18(a)所示，Sa与层理角度呈∩形分布，在0°和90°最小，在45°层理角度达到最大。因为煤岩是由大量微米～厘米级晶粒组成的多晶体脆性材料，煤岩易沿着脆性层理面发生沿晶或穿晶断裂，较0°和90°，45°层理面接触薄弱，更易发生沿晶断裂，破坏形式表现为压剪层裂破坏。内部晶粒在动载荷作用下会承受正应力和切应力而在层理断裂面产生冲蚀坑和划痕，0°层理方向与冲击方向垂直，层理表面切削作用最小，正向的冲击作用导致晶粒产生的冲蚀坑最深；90°层理方向与冲击方向平行，更易发生穿晶断裂[35]；45°层理面上的晶粒更易因冲击而反弹，冲蚀坑加深并在层理断裂面产生切削划痕，使断面粗糙度最高。如图18(b)所示，断面粗糙度与抗压强度展现良好的负相关，即抗压强度越高，断面粗糙度越低。

5.2 煤岩表观破坏形态

如图19 所示，0°层理煤岩在循环冲击后表面出现剥落现象，在10 MPa 围压时出现张拉破坏。当围压为2.5 MPa 时，90°层理煤岩表现出劈裂损伤，但随着围压的增大，煤岩表面则并无明显裂纹，因为2.5 MPa 围压不足以压实90°层理煤岩的内部裂隙结构，导致损伤较严重，然而对于90°层理煤岩，围压作用方向垂直于层理角度，围压能更好地保证煤岩内部孔隙的闭合，因此当围压升高时，损伤开始减小，导致90°层理角度煤岩抗压强度最高，破坏程度最低。层理角度为30°、45°、60°的煤岩均沿层理角的角度方向发生压剪破坏，其中，45°层理煤岩破坏形式最严重，出现层裂现象，30°和60°层理煤岩分别在10.0 和7.5 MPa 围压情况下也有层裂现象出现，煤岩损伤对层理角的响应更敏感，损伤形式主要为沿脆性节理面断裂[36]。

图19 煤岩在不同围压和层理角度作用下的破坏模式Fig.19 Failure modes of coal rocks with different bedding angles at different confining pressures

5.3 致裂机理分析

如图20 所示，沿不同层理角度的各种损伤形式可归纳为3 种，分别为垂直于冲击方向的拉伸损伤、与冲击方向呈夹角的压剪损伤、平行于冲击方向的劈裂损伤。对于0°层理煤岩，图20(a)所示的破坏形式倾向于在高围压状况下发生，这是由于围压足够大的时候，煤岩表面会产生环形裂纹，在围压作用下的弯曲应力导致脆性表面拉伸形成损伤；图20(b)所示的破坏形式最易发生，因为主层理角度极易改变煤岩内部的应力状态，导致破裂面上的摩擦承载能力下降，裂纹扩展并发生扩张和位移，对岩石造成剪切破坏，45°层理煤岩以压剪层裂的破坏形式为主，30°和60°层理煤岩在7.5 和10.0 MPa 围压下，层裂现象也会出现；对于90°层理煤岩，图20(c)所示的破坏形式倾向于在低围压下发生，这是由于煤岩在低围压下发生轴压变形和侧向膨胀变形，脆性层理面在拉伸作用下被激活开裂，最终沿着冲击方向形成劈裂损伤。因此，煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可总结为张拉破坏(0°)-剪切破坏（30°、45°、60°）-劈裂破坏（90°）的演变过程。

图20 煤岩在不同层理角度下的损伤形式Fig.20 Damage modes of coal rocks with different bedding angles

6 结 论

采用 ∅ 50 mm SHPB 测试系统，对含特征层理（0°、30°、45°、60°、90°）的煤岩进行了动态三轴循环冲击实验，探讨了层理效应对煤岩动态力学参数和能量演化的影响，并结合3D 轮廓扫描仪测量断裂表面以分析层理效应对煤岩断裂特性的影响，获得的主要结论如下。

(1) 围压的施加促使了煤岩由脆性向延性的转变，应力-应变曲线出现弹性后效现象，抗压强度和失效应变较无围压状态增大3.9～4.2 和2.59～3.05 倍。施加围压后，煤岩对层理角度的响应更明显，呈现一致的变化趋势。45°层理煤岩的动态抗压强度和弹性模量最低，90°层理煤岩的动态抗压强度和弹性模量最高，0°层理煤岩的动态抗压强度和弹性模量次之

(2) 45°层理能有效地抑制能量的透射，并加速能量的吸收用于裂隙发育，直至发生断裂，导致该煤岩破坏最严重；90°层理更利于能量的透射，并抑制能量的反射。在5 MPa 围压之前，0°层理煤岩能量的反射率最高；之后，30°层理煤岩能量的反射率最高。这说明，层理煤岩的能量分配受围压和层理的相互影响，但层理作用仍占主导地位。

(3) 采用3D 轮廓扫描仪，对动态三轴循环冲击煤的岩层理面特性进行了表征量化。含特征层理煤岩的断面粗糙度与层理角度呈现∩形分布，在45°层理角度，断面粗糙度达到最大；且断面粗糙度与抗压强度展现良好的负相关，即抗压强度越高，断面粗糙度越低。

(4) 0°层理煤岩在10 MPa 围压时出现张拉破坏，90°层理煤岩在2.5 MPa 围压时出现劈裂损伤。层理角度为30°、45°、60°的煤岩均沿脆性节理面发生压剪破坏，破坏倾角主要受层理角度的影响，其中45°层理煤岩的破坏最严重，出现压剪层裂破坏。