基于煤层破裂模拟的饱水煤样单轴力学实验研究

基金项目:国家自然科学基金项目(编号:41030422；40972131);国家重点基础研究发展计划(973)项目(编号:2009 b 219601)；国家科技重大专项(2009 zx 05039-003)；中国科学院战略先导科技专项(xda 05030100)；河北工程大学博士基金资助的课题。

作者简介:闫志峰，出生于1969，男，河北邯郸博士后，长期从事能源地质和构造地质工作。邮箱:yanzf@gucas.ac.cn .

(1.中国科学院研究生院地球科学学院，北京1000492。中国地质大学能源学院，北京100083)。

摘要:为了模拟煤储层水力压裂的效果，对煤样进行了饱和条件下的常规单轴压缩试验和声发射试验。结果分析表明，在常规单轴压缩条件下，煤的力学性质在平行面上存在方向性差异，平行面解理方向的单轴极限抗压强度远大于垂直面解理方向的单轴极限抗压强度，其弹性模量也大得多。煤样垂直解理方向的弹性模量e随着单轴极限抗压强度σc的增大而增大，且相关性较高。平行解理方向的弹性模量e随着抗压强度的增加而增加，但不连续。在单轴压缩下，煤样的全应力-应变曲线可归纳为三种类型。

关键词:单轴压缩试验力学性能各向异性饱和水分劈裂

水饱和煤样的单轴力学试验，以模拟煤层破裂

闫志峰1居亦文1 HOU全林1唐书恒2

(1.中国科学院研究生院地球科学学院，北京100049 2。中国地质大学(北京)能源学院，北京100083

文摘:为了模拟煤储层水力压裂的效果，对饱水煤样进行了常规单轴压缩试验和声发射试验。结果表明，平行于煤平面的力学性质具有方向性差异。在常规单轴压缩条件下。平行面割理方向的单轴极限抗压强度远大于垂直方向的单轴极限抗压强度，弹性模量也是如此。煤的弹性模量随着抗压强度的增加而增加，但在垂直割理方向相关性较高，而在平行方向离散性较大。单轴压缩下煤样变形所表现出的完整应力-应变曲线形态大致可归纳为3种类型。

关键词:单轴压缩试验；机械性能；各向异性；饱和含水量；楔子

1前言

煤层气是储存在煤层中的非常规天然气，其中CH4含量大多大于90%，是一种优质清洁的天然气能源(单，2005)。中国煤层气资源丰富。根据新一轮全国煤层气资源评价结果，中国19个主要含煤盆地的煤层气远景资源量预计为36.8万亿m3，适宜于300～2000m m埋深范围内的煤层气勘探..煤层气主要以吸附态存在于煤层中，少量以游离态存在于孔隙和裂缝中(Smith D M，1984)。就孔隙结构而言，煤的孔隙结构可分为裂隙孔隙和基岩孔隙。人们也习惯把煤岩解理中的内生裂隙系统称为裂隙系统。其中，平面割理连续性好，是煤中的主要裂隙，末端割理是一条基本垂直于平面割理的裂隙，仅发育在两个平面割理之间，将基岩分割成若干长斜方形岩块(李，2004)。

高渗透性煤层的产气量往往较高，而低渗透性煤层的产气量较低。水力压裂改造措施是国内外煤层气井增产的主要手段。然而，我国煤层气储层总体上属于低渗透煤储层。研究表明，我国煤层渗透率大多小于50×10-3μm2(张群，2001)。因此，目前国内煤层气井应用最广泛的完井方式是压裂完井。煤层和砂岩的岩性特征差异很大，煤层中的裂纹扩展规律也不同于砂岩。为了了解煤层的压裂特征和压裂效果，有必要对煤层的压裂进行模拟，并对煤岩的力学性质进行研究。

通过对煤岩力学性质的试验研究，发现煤岩具有尺寸效应，即煤岩的尺寸对试验结果有影响。Daniel和Moor在1907 (Daniels J，1907)中指出，小立方体的屈服强度高于大立方体，当底面积保持不变时，其屈服强度随试块高度的增加而降低。Bunting(Bunting d . 1911)也研究过煤岩的尺寸效应。Hirt和Shakoor (Hirt A M，1992)，Med-Hurst和Brown (Med Hurst T P，Brown E T A，1998)，(1997)，刘·(1998)，金·。

由于单轴力学性质的试验结果受到尺寸、形状等因素的制约，在进行岩石单轴压缩试验时，对试样的加工有一定的要求。通常将试件制成圆柱体，一般要求直径为48~54mm，高径比为2.0~2.5，试件端面光滑平整，两端平行并垂直于轴线。

2测试方法的描述

在单轴压应力作用下，煤块会发生纵向压缩和横向膨胀。当应力达到一定量级时，岩块的体积会开始膨胀，产生初始裂纹，然后裂纹继续发展，最终导致破坏(严立红，2001)。为了避免其他因素的影响，采用同一试样，粘贴应变片，在强度试验时用电阻应变片测量变形值。

2.1煤样制备和试验方法

实验煤样取自沁水盆地南部晋煤集团寺河煤矿3号煤层。煤样的制备和试验方法参照中华人民* *和国家行业标准《水利水电工程岩石试验规范(SL264-2001)》(中华人民* *和水利部。2001)，以及国际岩石力学学会实验室及现场试验标准化委员会提供的《岩石力学试验建议方法》(郑雨天，65438)。在大煤块上沿层理面钻取直径为50mm、高度为100mm的圆柱形样品，煤样轴向平行于煤岩层理面。为了研究煤岩在平行面解理和垂直面解理方向上力学性质的差异，制备了两组煤样。一组煤样平行于割理方向，有10个样品，编号为DP 1-DP 10；另一组煤样为垂直解理方向，有10个样品，编号为DC1-DC10。在测试之前，用饱和水处理煤样(超过48小时)。单轴实验设备为WEP-600微机控制筛网万能试验机。记录设备为30吨压力传感器和7V14程控记录仪。数据处理设备是联想田阳E4800计算机及相应的绘图仪和打印机。在试验工作之前，对煤样的物理性质进行了测试，并用水对样品进行了饱和处理。煤样单轴压缩试验条件见表1。

表1煤样条件

2.2计算公式

单轴抗压强度计算公式

中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。

其中:σc为煤岩单轴抗压强度，MPaPmax是煤岩试样的最大破坏荷载，n；a是样品的压缩面积，mm2。

弹性模量e和泊松比μ的计算公式:

中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。

式中:e为试件的弹性模量，GPaσc(50)为试件单轴抗压强度的50%，MPaεh(50)为σc(50)处对应的轴向压应变；εd(50)为σc(50)处对应的径向拉伸应变；μ是泊松比。

3测试结果和分析

3.1加载轴方向对煤块抗压强度σc和弹性模量有显著影响。

测试结果数据见表2。从表中可以看出，平行面解理方向的单轴极限抗压强度远大于垂直面解理方向的单轴极限抗压强度，其弹性模量也大得多。平均拉伸强度高2/3，弹性模量高一倍。这说明即使在平行煤的层面上，其力学性质也是有方向性的，在不同的方向上其数值有显著的差异。

表2煤样单轴抗压强度试验结果

注:DP9沿断裂面断裂，不参与力学性能分析。

煤是一种沉积岩，同一煤层的形成环境和时代在小范围内是相同的。可以认为，煤的成分和质量在平行煤的小尺度平面上是均匀的，变化很小，所以沿平面的力学性质差异与煤的质量和成分关系不大。推测其原因是构造应力具有方向性，不同方向的大小不同，使得不同方向的煤所受地应力大小不同，导致不同方向的煤结构不同，从而在不同方向表现出不同的力学性质，在应力较大的方向可能表现出较大的强度。在构造力的作用下，裂缝最容易沿最大主应力方向发展，发展程度应该较好，但沿最小主应力方向发展程度较差。发育良好的裂缝往往形成表面解理，因此平行表面解理方向的抗压强度和弹性模量都较高，而垂直表面解理方向的抗压强度和弹性模量相对较小。

3.2煤岩单轴极限抗压强度与其他性质的关系

表2表明煤样的抗压强度是离散的，影响因素有哪些？煤的密度和含水量对单轴抗压强度有什么影响？分析如下:

图1-a给出了极限抗压强度σc与饱和密度ρ w的关系，从图中可以看出，无论是C组、P组还是所有样品，煤块的极限抗压强度都有随饱和密度增大而增大的趋势，说明抗压强度有随饱和密度增大而增大的趋势。

图1 σc和其他属性

图1-b显示了极限抗压强度σc与饱和吸水率ω s的关系，从图中可以看出，C组试样的抗压强度随着饱和吸水率的增加而有降低的趋势，而P组试样的单轴抗压强度与饱和吸水率的相关性很低， 因此可以认为饱和吸水率对p组试样没有影响。可以看出，饱和吸水率的增加降低了垂直方向的抗压强度，但对平行方向的单轴极限抗压强度影响不大。

图1-c给出了单轴极限抗压强度σc与弹性模量e的关系，从图中可以看出，C组的单轴极限抗压强度σc与弹性模量e之间存在明显的正相关关系，即垂直于表面解理方向的单轴极限抗压强度随着弹性模量的增大而增大，而P组的试样则存在明显的线性正相关关系，即， 平行于表面解理方向的单轴极限抗压强度σc随着弹性模量e的增大而增大，但离散性较大。

图1-d显示了单轴极限抗压强度σc与泊松比μ的关系。从图中可以看出，C组试样的单轴抗压强度与泊松比之间存在明显的负相关关系，也就是说，垂直于平面解理的单轴抗压强度随着泊松比的增大而减小；而P组样品的相关性很低，即平行于平面解理方向的单轴极限抗压强度σc与泊松比的变化无关。

3.3弹性模量与其他性能的关系

图2-a显示了弹性模量e和泊松比μ之间的关系。从图中可以看出，C组样本、P组样本和所有样本的相关性并不明显。结果表明，弹性模量和泊松比的变化互不影响。

图2弹性模量E与其他性能的关系

图2-b显示了弹性模量e与饱和密度ρ w的关系，从图中可以看出，无论是C组还是P组，样品的弹性模量与饱和密度的相关性都很弱，可以认为是不相关的。可以看出，弹性模量不受饱和密度变化的影响。

图2-c为弹性模量e与饱和吸水率ω s的关系，从图中可以看出，C组样品的弹性模量与饱和吸水率的相关性较高，呈明显的负相关；而P组样本的相关性很低，几乎不相关。由于C组试样以垂直和轴向裂隙为主，煤样受压变形等于煤岩本身的变形加上水的变形，水是液体，受压容易变形。在压力不变的情况下，变形量随着含水量的增加而增加，产生较大的轴向变形，导致C组煤样的弹性模量随着含水量的增加而降低。然而，P组中的裂纹主要平行于轴向。虽然在含水饱和的情况下，裂隙完全被水充满，但由于含水量很小，承受压力的主要是煤岩本身，变形也是由煤岩本身决定的，所以它与含水量的关系并不明显。

3.4泊松比与其他性质的关系

从图3-a可以看出，C组样本、P组样本和所有样本的泊松比与饱和密度之间的散点图都是相对离散的，相关性很低，也就是说，不相关。

从图3-b可以看出，C组样品、P组样品和所有样品的泊松比与饱和吸水率的相关性较低，可以认为是不相关的。

3.5单轴压缩下煤岩应力-应变全曲线类型

岩石试件从开始受压到其强度完全丧失的全应力应变曲线称为岩石全应力应变曲线(重庆建筑工程学院，1979)。大量的岩石单轴压缩实验表明，岩石破坏前的应力应变曲线形状大体相似，一般可分为压实、弹性变形、向塑性过渡直至破坏三个阶段。

煤是一种固体可燃有机岩石。由于成煤物质的不同和聚煤环境的多样性，煤的岩石组成和结构特征更加复杂。因此，在单轴压缩条件下，煤样的变形破坏机理和全应力-应变曲线的形式是多种多样的，大致可以归纳为三种类型。

3.5.1突发类型

应力应变曲线的压实阶段不明显，加速非弹性变形阶段很短。曲线在明显的线弹性变形阶段主要呈现一条直线，直至被破坏，如图4-A所示..具有爆裂型全应力-应变曲线特征的煤样通常均匀、坚固、易碎，其抗压强度通常较高。在整个压缩变形过程中，煤样积累了大量的弹性应变能，而塑性变形耗散的永久变形能相对较少。因此，当外应力接近其极限强度并将被破坏时，煤岩中积累的大量弹性应变能将被突然猛烈地释放出来并发出巨响，形成声发射高峰。

图3泊松比μ与饱和吸水率ωs的关系

图4煤岩试样应力-应变关系曲线

破裂类型

当应力较低时，有一个曲折的压实阶段，当应力增加到一定值时，应力-应变曲线逐渐过渡到明显的线弹性变形阶段；最后，它变成一个加速的非弹性变形阶段，直到破坏发生，如图4-B所示..随着载荷的增加，煤样的应力结构逐渐发生变化，同时发生局部拉伸破坏，但整体保持完整，变形过程中积累了一定的弹性应变能。当外应力接近其抗压强度时，即发生煤岩加速变形时，煤岩中积累的弹性应变能突然释放，产生很高的声发射值，破坏时声发射强度变得很低。

稳定型

应力-应变曲线的压实阶段不明显，表观线弹性变形阶段是一条略凸的直线，加速非弹性变形阶段较长，如图4-c所示..随着载荷的增加，煤样的应力结构逐渐发生变化，同时发生局部拉伸破坏，变形过程中积累的弹性应变能得到释放，形成一个振铃计数率峰，随后迅速下降，在加速非弹性变形阶段开始出现一个新的振铃计数率峰，接近破坏时出现另一个振铃计数率峰。破坏时声发射的强度变得很低。

4结论

通过沁水盆地寺河煤矿3号煤的力学试验，可以得出以下结论:

(1)煤岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学性质在平行于煤层的平面上具有方向性差异。平行解理方向的单轴极限抗压强度比垂直解理方向的大得多，其弹性模量也大得多。

(2)煤的极限抗压强度σc随着饱和密度ρw的增加而增加；极限抗压强度σc随着垂直于解理面方向的饱和吸水率ωs的增加而降低，而与平行于解理面方向的饱和吸水率无关；单轴极限抗压强度σc随着弹性模量E的增大而增大，在垂直解理方向上具有高度的相关性，在平行解理方向上具有较大的分散性。单轴极限抗压强度σc随着垂直割线方向泊松比μ的增大而减小，而与平行割线方向泊松比无关。

(3)弹性模量E的变化不受泊松比变化的影响，也不受饱和密度的影响；垂直解理方向的弹性模量随着饱和吸水率ωs的增大而减小，而平行解理方向的弹性模量与饱和吸水率无关。

(4)泊松比μ的变化不受饱和密度变化的影响，也不受饱和吸水率ω s变化的影响..

(5)单轴压缩下，煤样的全应力-应变曲线可归纳为三种类型:(1)爆裂型；(2)破裂型；(3)稳定型。

参考

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