褚懷保，任志強(qiáng)，閆松，朱思源，陳真，葉紅宇，嚴(yán)少洋

（1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 基建處，河南 焦作 454000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采深度不斷增加，含瓦斯煤層的微孔隙、低滲透和高吸附性等賦存特征愈發(fā)明顯。無(wú)論將抽采瓦斯作為清潔能源使用，還是預(yù)防瓦斯災(zāi)害發(fā)生，通過(guò)致裂增透技術(shù)提高煤層的滲透系數(shù)都是解決問(wèn)題的關(guān)鍵［1-3］。目前，煤層增透技術(shù)主要有水力化和無(wú)水化兩種措施。水力化措施耗水量大，壓裂液還會(huì)污染地下水源；常規(guī)無(wú)水化措施具有鉆孔量大、增透范圍小等缺點(diǎn)。高壓氣體增透技術(shù)通過(guò)增壓裝置對(duì)氣體加壓，待壓力達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)瞬間釋放，達(dá)到致裂增透的目的。

目前，不少學(xué)者對(duì)高壓氣體致裂增透機(jī)理進(jìn)行了研究。如ZHU W C等［4］將高壓空氣爆破引起的加載分為應(yīng)力波引起的動(dòng)加載和準(zhǔn)靜態(tài)空氣壓力引起的準(zhǔn)靜態(tài)加載2個(gè)連續(xù)過(guò)程，并分析了產(chǎn)生徑向裂紋和破碎帶的主要原因；李守國(guó)［5］建立了高壓氣體沖擊試驗(yàn)裝置，探討了高壓氣體沖擊過(guò)程裂紋擴(kuò)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裂紋的萌生和發(fā)展優(yōu)先在煤體較弱的單元處開(kāi)始；曾范永［6-7］設(shè)計(jì)控制變量試驗(yàn)，探究了不同影響因素下高壓氣體爆破致裂規(guī)律；劉文博等［8］研究認(rèn)為，高壓氣體作用過(guò)程主要是沖擊波的動(dòng)態(tài)作用和氣體壓裂的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程；徐穎［9］進(jìn)行高壓氣體沖擊試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)為，高壓氣體沖擊作用產(chǎn)生的應(yīng)變波和普通炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變波本質(zhì)相同；王家來(lái)［10］通過(guò)機(jī)械方法對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，進(jìn)行高壓氣體單獨(dú)作用下的破巖試驗(yàn)，結(jié)果表明，高壓氣體作用下，巖體介質(zhì)內(nèi)力可按照準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)行計(jì)算，巖石的破壞形式為拉斷裂。目前學(xué)者們初步研究了高壓氣體沖擊致裂機(jī)理，但對(duì)高壓氣體沖擊作用下煤體內(nèi)部應(yīng)力波傳播和衰減規(guī)律未進(jìn)行深入研究，而衰減規(guī)律是研究動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)、損傷場(chǎng)和致裂范圍的重要參數(shù)。因此，本文開(kāi)展高壓氣體沖擊作用下煤體致裂試驗(yàn)，以期為高壓氣體沖擊煤體致裂范圍的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 理論分析

1.1 高壓氣體沖擊致裂能量分析

高壓氣體沖擊作用對(duì)孔壁造成沖擊荷載的過(guò)程屬于降壓膨脹過(guò)程。高壓氣體釋放后，短時(shí)間內(nèi)鉆孔內(nèi)部壓強(qiáng)達(dá)到很高，可以把高壓氣體釋放的過(guò)程簡(jiǎn)化為絕熱膨脹過(guò)程。氣體膨脹過(guò)程所做的功［11］為

式中：Ug為高壓氣體膨脹做的功，J；P為容器內(nèi)部氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，MPa；V為容器和管路體積之和，m3；γ為氣體的絕熱指數(shù)，常見(jiàn)氣體的絕熱指數(shù)如表1所示。

表1 常見(jiàn)氣體的絕熱指數(shù)Tab.1 Adiabatic indices of common gases

高壓氣體沖擊作用產(chǎn)生的能量換算為T(mén)NT當(dāng)量，轉(zhuǎn)換公式為

式中：WTNT為T(mén)NT當(dāng)量，kg；QTNT為1 kg TNT爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量，取4 250 k J。

在能量相等情況下，由式（1）和（2）可知，當(dāng)容器內(nèi)氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)為10 MPa時(shí)，高壓氣體膨脹做功換算成TNT當(dāng)量約為0.006 kg TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，爆炸時(shí)產(chǎn)生的爆生氣體體積（換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）為4.14 L。若容器體積為1 L，高壓氣體壓強(qiáng)為10 MPa，換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體體積約為100 L，所以在能量相等的情況下，高壓氣體沖擊作用產(chǎn)生的高壓氣體量遠(yuǎn)大于TNT炸藥爆破產(chǎn)生的爆生氣體量。

1.2 煤體內(nèi)部應(yīng)力波作用機(jī)理

當(dāng)高壓氣體作用在孔壁上時(shí)，煤體內(nèi)產(chǎn)生沖擊波或壓應(yīng)力波，沖擊波的壓力荷載遠(yuǎn)大于煤體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，煤體被壓碎破壞，此階段可以用煤體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度作為破壞準(zhǔn)則；沖擊波向介質(zhì)內(nèi)部傳播并迅速衰減為應(yīng)力波，此階段應(yīng)力峰值小于煤體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，不能使煤體發(fā)生壓碎破壞，但應(yīng)力波產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力大于煤體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，使煤體產(chǎn)生拉伸破壞，此階段用煤體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度作為破壞準(zhǔn)則；隨之應(yīng)力波在煤體內(nèi)進(jìn)一步傳播并衰減，應(yīng)力波作用不再使煤體發(fā)生破壞。

高壓氣體以射流形式?jīng)_擊孔壁產(chǎn)生沖擊波，但很快衰減成應(yīng)力波。徑向應(yīng)力波應(yīng)力峰值滿足式（3），切向拉應(yīng)力峰值和徑向壓應(yīng)力峰值的關(guān)系如式（4）所示。

式中：（σr）max為徑向應(yīng)力峰值，MPa；P0為高壓氣體沖擊作用在孔壁上的初始?jí)毫?，MPa為比距離，即計(jì)算點(diǎn)到致裂孔中心的距離與鉆孔半徑的比值；α為應(yīng)力波衰減系數(shù)；μ為動(dòng)態(tài)泊松比。

應(yīng)力波衰減系數(shù)α可由經(jīng)驗(yàn)公式［12］計(jì)算，即

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

為開(kāi)展高壓氣體沖擊致裂試驗(yàn)，自主研制高壓氣體沖擊致裂試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括壓力源、氣體增壓系統(tǒng)、高壓氣管、氣體儲(chǔ)存裝置、壓力控制裝置、模擬煤體試件和圍壓裝置。試驗(yàn)采用空氣作為氣體介質(zhì)，壓力源為空氣壓縮機(jī)，氣體增壓系統(tǒng)增壓比為1∶100，最高可增壓至80 MPa，氣體儲(chǔ)存裝置為容量1 L的壓力釜，壓力控制裝置包括數(shù)字壓力表和耐高壓電磁閥。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)數(shù)字壓力表設(shè)置氣體壓力，待氣體增壓系統(tǒng)將氣體增壓至設(shè)置壓力時(shí)，耐高壓電磁閥的閥門(mén)打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)高壓氣體的釋放。高壓氣體沖擊致裂試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和組裝完成裝置圖如圖1所示。

圖1 高壓氣體沖擊致裂試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 High-pressure gas impact cracking test system

2.2 試件制作和試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用模擬煤體試件進(jìn)行高壓氣體沖擊致裂試驗(yàn)。試件配比［13］和力學(xué)性能參數(shù)如表2所示，其中材料配比為質(zhì)量比，分別為水泥、砂子、石膏、水、珍珠巖、發(fā)泡劑和云母碎。采用應(yīng)變磚和BX120-3BA型應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，可同時(shí)測(cè)得徑向和切向應(yīng)變，應(yīng)變磚材料配比與試件一致，從而保證兩者波阻抗一致。數(shù)據(jù)采集裝置為采樣頻率200 kHz的DH5922N動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)。

表2 模擬煤體試件配比和力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Matching and mechanical properties of simulation coal test blocks

在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中，信號(hào)傳輸和采集容易受到干擾，特別是干擾頻率在動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試頻率范圍內(nèi)時(shí)，很難經(jīng)過(guò)濾波消除干擾，從而影響測(cè)試結(jié)果。為了減弱干擾，盡量縮短連接導(dǎo)線長(zhǎng)度且進(jìn)行接地處理，并對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)濾波設(shè)置。

模擬煤體試件尺寸為500 mm×500 mm×500 mm，試件中間預(yù)留直徑20 mm，深300 mm的致裂孔。應(yīng)變磚布置在250 mm高度處試件平面對(duì)角線上，距中心位置分別為5，15，25，30 cm，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，試件制作照片見(jiàn)圖3。

圖2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布示意Fig.2 Arrangement schematic of strain measuring points

圖3 試件制作照片F(xiàn)ig.3 Production process diagram of test block

試驗(yàn)共有20個(gè)模擬煤體試件，分5組。第Ⅰ組試件沖擊壓力為5 MPa，第Ⅱ組試件沖擊壓力為10 MPa，第Ⅲ組試件沖擊壓力為15 MPa，第Ⅳ組試件沖擊壓力為20 MPa，第Ⅴ組試件沖擊壓力為30 MPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中20個(gè)試件共布置80個(gè)測(cè)點(diǎn)，由于應(yīng)變磚埋設(shè)和受載過(guò)程造成應(yīng)變片損壞，試件因沖擊荷載產(chǎn)生的裂隙也會(huì)引起應(yīng)變片破壞。試驗(yàn)只采集到45個(gè)有效波形，部分應(yīng)變波形如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)測(cè)得的部分應(yīng)變波形Fig.4 Partial strain waveforms measured in experiments

為保證數(shù)據(jù)可靠性，各測(cè)點(diǎn)的徑向應(yīng)力峰值取同組試件對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果的平均值。5組試件各測(cè)點(diǎn)的徑向應(yīng)力峰值如表3所示。

表3 各測(cè)點(diǎn)徑向應(yīng)力峰值Tab.3 Peak values of radial strain waves at each measuring point MPa

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)變波波形分析

由圖4可知，在高壓氣體沖擊作用下，煤體中產(chǎn)生的應(yīng)變波由壓縮相和拉伸相組成。介質(zhì)壓縮作用時(shí)間為1.8～2.2 ms，拉伸作用時(shí)間為2.6～3.1 ms，炸藥爆炸應(yīng)力波壓縮相作用時(shí)間為40～50μs，拉伸作用時(shí)間在100μs以上［14］，顯然，高壓氣體沖擊作用下產(chǎn)生的應(yīng)力波作用時(shí)間較爆炸應(yīng)力波作用的時(shí)間長(zhǎng)。

炸藥爆破可使孔壁上壓力瞬間上升到幾千甚至幾萬(wàn)MPa，進(jìn)而造成粉碎區(qū)。高壓氣體沖擊作用在孔壁上壓力僅為幾十到幾百M(fèi)Pa，沒(méi)有爆炸作用強(qiáng)烈，不產(chǎn)生或產(chǎn)生的粉碎區(qū)范圍小，如圖5所示。

圖5 粉碎區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of crushing area

高壓氣體沖擊與炸藥爆破相比，沖擊動(dòng)作用較弱。在能量相等的情況下，由式（1）～（2）可得，當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)為10 MPa時(shí)，換算成TNT當(dāng)量約為0.006 kg，0.006 kg當(dāng)量的TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生氣體量為4.14 L（換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）。本次試驗(yàn)采用的壓力釜容積為1 L，當(dāng)內(nèi)部壓力為10 MPa時(shí)，換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體體積為100 L，遠(yuǎn)大于0.006 kg當(dāng)量的TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的氣體量。因此，與炸藥爆破作用相比，高壓氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用強(qiáng)。由此可見(jiàn)，能量相等的情況下，與炸藥爆破作用相比，很少產(chǎn)生粉碎區(qū)，能量利用率高，在裂縫擴(kuò)展過(guò)程中以高壓氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用為主，更有利于隙裂產(chǎn)生。試件在高壓氣體沖擊作用下產(chǎn)生的裂隙如圖6所示。

圖6 試件裂隙圖Fig.6 Fracture diagram of test block

3.2.2 應(yīng)力波的傳播和衰減規(guī)律分析

利用表3做散點(diǎn)圖，如圖7所示。采用origin軟件進(jìn)行非線性擬合，并采用y＝a xb擬合，徑向應(yīng)力峰值衰減擬合曲線如圖8所示。由擬合結(jié)果可知，衰減指數(shù)α分別為1.586（Ⅰ），1.591（Ⅱ），1.639（Ⅲ），1.609（Ⅳ）和1.524（Ⅴ），且R2均在0.998以上。煤體的泊松比一般為0.14～0.30，由式（5）計(jì)算可知，煤體內(nèi)部應(yīng)力波衰減系數(shù)α為1.571～1.837。5組試件衰減系數(shù)取平均值，為1.592，與式（5）計(jì)算結(jié)果基本相符。

圖7 徑向應(yīng)力峰值散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of radial stress peak

圖8 徑向應(yīng)力峰值衰減擬合曲線Fig.8 Peak attenuation fitting curve of radial stress

由以上分析可知，煤體中應(yīng)力波比常規(guī)巖石衰減快。應(yīng)力波在傳播過(guò)程中遇到不同波阻抗的分界面（如層理、節(jié)理、結(jié)構(gòu)面或斷層等）會(huì)發(fā)生透射和反射，應(yīng)力波能量被分為反射能量和入射能量，進(jìn)而使應(yīng)力波發(fā)生衰減。煤體是含有大量初始損傷的多孔介質(zhì)，所以應(yīng)力波比常規(guī)巖石衰減得快。當(dāng)高壓氣體作用在孔壁時(shí)，煤體內(nèi)產(chǎn)生沖擊波或壓應(yīng)力波，煤體被壓碎破壞，隨后沖擊波迅速衰減為應(yīng)力波；在應(yīng)力波作用下煤體主要發(fā)生拉伸破壞，產(chǎn)生徑向和環(huán)向（切向）裂隙，隨著應(yīng)力波傳播距離增大，能量不斷衰減，只能對(duì)煤體產(chǎn)生彈性擾動(dòng)；隨后高壓氣體楔入裂隙，在高壓氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)和裂紋尖端應(yīng)力集中作用下促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

煤體屬于典型的脆性介質(zhì)，在沖擊波作用下致裂孔壁周邊煤體發(fā)生粉碎破壞，從而消耗大部分能量，使應(yīng)力波能量降低，不利于新裂紋產(chǎn)生，進(jìn)而影響高壓氣體的楔入作用和裂隙擴(kuò)展。與爆破作用相比，高壓氣體沖擊作用在孔壁的初始荷載小很多，因而高壓氣體沖擊產(chǎn)生的粉碎區(qū)范圍小，更有利于應(yīng)力波產(chǎn)生新裂紋和高壓氣體楔入促進(jìn)裂縫擴(kuò)展。

4 結(jié) 論

（1）自主研發(fā)高壓氣體沖擊致裂試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生不同沖擊壓力（0～80 MPa），可對(duì)煤體進(jìn)行高壓氣體沖擊致裂試驗(yàn)。

（2）高壓氣體沖擊作用下，應(yīng)變波形由壓縮相和拉伸相組成，作用時(shí)間較爆炸應(yīng)力波長(zhǎng)。能量相等條件下，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，高壓氣體沖擊作用釋放的氣體較炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生氣體體積大，但沖擊壓力遠(yuǎn)小于炸藥爆破產(chǎn)生的作用力。煤體在高壓氣體沖擊作用下，以高壓氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用為主，更利于致裂，進(jìn)而提高能量利用率。

（3）試驗(yàn)中高壓氣體沖擊產(chǎn)生的徑向應(yīng)力峰值呈指數(shù)衰減，衰減系數(shù)α約為1.592，基本符合α＝2-μ／（1-μ）計(jì)算結(jié)果。