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冷加載循環(huán)作用下煤樣強(qiáng)度特性研究

2016-06-06 11:04:04 安裝信息網(wǎng)

李和萬(wàn)，王來(lái)貴，張春會(huì)，李鵬飛，吳晗，陳治宗，陳光華

（1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000；

2．遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新123000；

3．河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊050018）

摘要：為研究煤樣強(qiáng)度與冷加載周期、表面裂隙寬度和裂隙體積變化量之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)采用液氮作為制冷劑，對(duì)水飽和煤樣進(jìn)行1~5周期循環(huán)浸泡冷加載，使煤樣原生裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，通過(guò)擬合多項(xiàng)式揭示周期、表面裂隙寬度和裂隙體積變化量作為損傷因子對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)的損傷規(guī)律，構(gòu)建損傷判據(jù)。結(jié)果表明：煤樣隨著循環(huán)冷加載周期的增加，表面裂隙寬度由微觀向細(xì)觀和宏觀演化；循環(huán)冷加載4個(gè)周期為煤樣凍裂和抗壓的強(qiáng)度極限，2個(gè)周期為煤樣裂隙飽和水吸附能力極限；冷加載對(duì)煤樣的原生裂隙結(jié)構(gòu)作用顯著，使裂隙在膨脹拉應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展，同時(shí)水結(jié)冰體積膨脹，對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生了重要作用。

關(guān)鍵詞：液氮；裂隙結(jié)構(gòu)；增透；損傷因子；強(qiáng)度

0 引言

煤層滲透性差是煤層氣開(kāi)采率低的主要原因，在煤層氣開(kāi)采方面，中國(guó)與俄羅斯、美國(guó)、加拿大等國(guó)家相比差距較大。制造新裂隙或原生裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展是增透的主要方法，普遍采用的技術(shù)有水力割縫、深孔爆破預(yù)裂、水力沖孔和水力壓裂等，但都有一定的局限性。

水對(duì)不同變質(zhì)程度煤粒瓦斯擴(kuò)散有影響，劉彥偉等發(fā)現(xiàn)水分的增加，導(dǎo)致瓦斯擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間衰減程度變小。近年來(lái)，有學(xué)者采用凍融作用對(duì)巖石等材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如Nichloson等通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了原生裂隙對(duì)巖石損傷的影響；Grundmann等利用液氮凍脹低滲透泥盆紀(jì)頁(yè)巖，與傳統(tǒng)的方法相比，其產(chǎn)氣效率提高了8%。任韶然等研究液氮對(duì)煤樣的冷沖擊作用機(jī)制及試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液氮的超低溫作用能使煤樣基質(zhì)收縮，產(chǎn)生熱應(yīng)力裂縫，同時(shí)煤樣天然裂縫中的水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)煤樣的強(qiáng)度，可在煤樣內(nèi)產(chǎn)生局部裂紋。張春會(huì)等研究了液氮作用下煤致裂增透的數(shù)值計(jì)算方法，并開(kāi)展了液氮溶浸煤試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)液氮作用引起煤內(nèi)溫度拉應(yīng)力和應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)煤原生裂隙的斷裂韌度時(shí)，煤樣原生微裂隙發(fā)生擴(kuò)展。

煤樣裂隙擴(kuò)展與某些影響因素密切相關(guān)，李廣生等引入地質(zhì)強(qiáng)度因子(GSI)，發(fā)現(xiàn)以往劃分的原生結(jié)構(gòu)煤一碎裂煤一碎粒煤一糜棱煤之間很難有明顯的界限，煤體變形是一個(gè)漸變過(guò)程，采用CSI可定量表達(dá)這一漸變過(guò)程。趙建斌等引入了煤巖體綜合強(qiáng)度因子TCE，通過(guò)計(jì)算煤巖體綜合強(qiáng)度因子控制壓裂規(guī)模是控制煤層產(chǎn)水的有效方法。來(lái)興平等推導(dǎo)了爆炸作用下裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式，給出了裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的判斷準(zhǔn)則和裂隙區(qū)、壓碎區(qū)的判定準(zhǔn)則，運(yùn)用理論分析和數(shù)值計(jì)算手段揭示了爆破致裂特性。

在煤樣上采用循環(huán)冷加載，構(gòu)建強(qiáng)度與循環(huán)周期、表面裂隙寬度，強(qiáng)度與循環(huán)周期、裂隙體積變化量之間函數(shù)關(guān)系的研究相對(duì)較少，通過(guò)建立以循環(huán)周期、表面裂隙寬度和裂隙體積變化量為變量的損傷因子，具有變量容易測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于定義煤樣循環(huán)冷加載的強(qiáng)度條件和后續(xù)煤的實(shí)驗(yàn)具有借鑒意義。

1 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

將原煤利用巖石切割機(jī)制成50 mm×50 mm×50mm表面平整的正方體煤樣。利用微型氣泵和真空不銹鋼罐進(jìn)行飽和化處理，每0.5 h進(jìn)行稱(chēng)重，多次稱(chēng)重直至煤樣質(zhì)量不再增加為止，即為水飽和煤樣，將煤樣按浸泡周期進(jìn)行分組，A、B、C、D、E和F組分別為0、1、2、3、4和5周期煤樣，各組煤樣浸泡液氮后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

利用OLS4000激光共聚焦顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)前后煤樣表面裂隙形貌，測(cè)量裂隙寬度。通過(guò)MH - 25實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)定煤樣不同循環(huán)周期作用后的抗壓強(qiáng)度。采用Ocs天平電子秤稱(chēng)量每次飽和后煤樣質(zhì)量，根據(jù)公式(1)換算煤樣內(nèi)部裂隙體積變化量：

式中：k為煤樣內(nèi)部裂隙體積變化量，m3；M，+．為水飽和后煤樣的質(zhì)量，g；M，為煤樣前一次飽和質(zhì)量，g；p。為水的密度，g/m3；r取0~5的整數(shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用液氮作為冷加載試劑，將煤樣放入2.5 L鋼膽保溫桶進(jìn)行液氮浸泡，浸泡4h，室溫放置20 h，作為一個(gè)冷加載周期。根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，煤樣經(jīng)過(guò)5周期冷加載后，徹底破碎，因此該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5周期冷加載。每個(gè)周期冷加載后，都需要對(duì)煤樣重新進(jìn)行水飽和處理，使新產(chǎn)生的裂隙充滿(mǎn)水。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 循環(huán)冷加載煤樣表面裂隙擴(kuò)展情況

采用鏡像觀測(cè)煤樣經(jīng)過(guò)5周期冷加載，表面裂隙擴(kuò)展演化過(guò)程如圖1，對(duì)裂隙指定區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，具體寬度見(jiàn)表1。

圖1中(a)和(b)為煤樣表面200倍放大鏡像，經(jīng)過(guò)1周期冷加載，測(cè)量裂隙擴(kuò)展了17.41 ht,m，擴(kuò)展率為17. 68%（圖1）。(c)~(f)為煤樣2—5周期冷加載后裂隙由微觀向細(xì)觀和宏觀演化，在觀測(cè)區(qū)內(nèi)裂隙寬度擴(kuò)展的演化過(guò)程可以直接觀察到，直至徹底破碎。煤樣延伸率達(dá)到-1.97%。煤作為一個(gè)連續(xù)的整體，在溫度變化過(guò)程中符合熱脹冷縮特性。當(dāng)煤樣與液氮接觸時(shí)，溫度急劇下降，由于煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，造成煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)形變不均勻。因此，煤樣內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生束縛煤樣隨溫度變化自由收縮的應(yīng)力，這種應(yīng)力即為冷沖擊應(yīng)力。同時(shí)煤樣裂隙中的飽和水結(jié)冰膨脹，對(duì)煤樣產(chǎn)生兩方面的影響：一是裂隙中的水結(jié)冰膨脹使煤樣的原生裂縫寬度增大，冰融化后并不能復(fù)原到原始的狀態(tài)，多周期后裂隙寬度發(fā)生累積，從而導(dǎo)致裂隙的滲透率增加；二是煤樣裂隙飽和水結(jié)冰產(chǎn)生膨脹力對(duì)煤基質(zhì)造成擠壓作用，當(dāng)膨脹力超過(guò)煤巖的強(qiáng)度極限，導(dǎo)致煤樣裂隙結(jié)構(gòu)累積損傷，并發(fā)生破壞。對(duì)于表面沒(méi)有原生裂隙部位，則較難產(chǎn)生新裂隙。

2.2循環(huán)冷加載煤樣內(nèi)部裂隙擴(kuò)展情況

表2為循環(huán)冷加載煤樣裂隙體積變化量。

3個(gè)周期循環(huán)冷加載后，裂隙體積增長(zhǎng)量出現(xiàn)了負(fù)值，是因?yàn)槊恐芷诶浼虞d后，煤樣表面有組織脫落，或者裂隙擴(kuò)展尺寸過(guò)大，不能使水吸附在裂隙里，所以在換算過(guò)程中裂隙體積變化量變小。

2.3 循環(huán)冷加載煤樣承載能力

煤樣在進(jìn)行第5周期冷加載后徹底碎裂，沒(méi)有承載能力。將0~4周期冷加載煤樣通過(guò)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。在常溫條件下，加載速率為0.1 mm/min，不同周期冷加載煤樣應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖2。

由圖2可見(jiàn)，隨著冷加載周期的增加，煤樣的抗壓強(qiáng)度降低。由公式(2)最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論可知，各周期冷加載致煤樣裂隙結(jié)構(gòu)型變的累積超過(guò)煤樣的強(qiáng)度極限，則發(fā)生疲勞破壞，即裂隙擴(kuò)展。當(dāng)損傷超過(guò)定值，則使煤樣失去承載能力。