褚懷保， 王 昌， 楊小林， 嚴少洋， 魏海霞， 任志強， 陳 真， 朱思源

(1. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學(xué) 河南省地下工程與災(zāi)變防控重點實驗室，河南 焦作 454003)

煤炭是工業(yè)的“糧食”，是中國能源的基石和能源安全的壓艙石，也是可以高效利用的最經(jīng)濟安全的清潔能源。中國是全球最大的煤炭生產(chǎn)、消費和地下開采占比最高的國家。中國“富煤、貧油、少氣”的能源賦存特點決定了煤炭作為主體能源的地位在相當(dāng)長的時間內(nèi)不會改變[1]。面對“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，煤炭開發(fā)過程必須堅持綠水青山就是金山銀山理念。推動實現(xiàn)開發(fā)過程的近零生態(tài)環(huán)境損傷，不斷提高煤層氣(瓦斯)的資源綜合利用率是亟待解決的難題之一。

煤層氣(瓦斯)是賦存在煤層及煤系地層的烴類氣體。中國煤層氣儲量約為36.8萬億m3(埋深2 000 m以淺煤層氣)，居世界第三，煤層氣可采資源量約10萬億m3。加快煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用，對保障煤礦安全生產(chǎn)、增加清潔能源供應(yīng)、減少溫室氣體排放都具有重要意義。但是，中國煤層氣資源賦存條件復(fù)雜，高應(yīng)力、構(gòu)造煤、低滲透性煤層氣資源占比高，在煤層氣抽采基礎(chǔ)理論和技術(shù)工藝方面尚未取得根本性突破。而且，隨著開采深度的持續(xù)增大，地應(yīng)力、煤層氣含量和壓力增大，煤層微孔隙、低滲透性和高吸附等特征愈發(fā)明顯，煤層氣抽采難度進一步加大，低滲透率已成為制約中國煤層氣抽采效果成敗的關(guān)鍵所在。采取有效方法改善煤儲層裂隙發(fā)育水平，疏通滲流通道，提高煤層透氣性，實現(xiàn)煤層氣高效抽采，完成煤層氣開發(fā)利用的長遠規(guī)劃目標(biāo)，建設(shè)美麗中國，成為目前亟待解決的重大科學(xué)問題。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)外研究人員對低滲透性高瓦斯煤層進行了多種增透技術(shù)的探索性研究，并取得了豐碩的研究成果。對于有保護層開采條件的高瓦斯低透氣性煤層，層間卸壓造縫增透效果較好，技術(shù)成熟[2-3]。對于大多數(shù)沒有保護層開采條件的高瓦斯低透氣性煤層，水力壓裂、水力沖孔、水力割縫等水力化增透技術(shù)是低透氣儲層增產(chǎn)改造的主要措施[4-6]，能夠極大地促進煤層氣的開采。但水力化措施需要消耗大量的水資源，而且水的侵入和滯留會對儲層產(chǎn)生水鎖和水敏性傷害[7-8]。同時，大量的水基壓裂液占據(jù)氣體流動通道，從而降低產(chǎn)氣量。此外，水力壓裂液中一般含有化學(xué)添加劑，開采所產(chǎn)生的大量廢水滲透到地表及地下飲用水層而產(chǎn)生污染[9]。所以，各國研究人員都在積極尋求水力化增透措施的替代方法。深孔預(yù)裂爆破致裂[10-12]、二氧化碳相變致裂[13-15]、高能高壓氣體沖擊[16-17]、可控沖擊波沖擊[18-19]、超聲波震動[20-21]、液氮冷沖擊[22]等無水化增透技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用表明這些技術(shù)都能夠在一定程度上提高低滲透煤層瓦斯抽采效果。

高壓空氣爆破是通過瞬間釋放高壓氣體沖擊煤體達到增加煤體滲透性的一種物理爆破技術(shù)[23]，其實質(zhì)是在高壓空氣爆破應(yīng)力波、高壓氣體、原巖應(yīng)力、瓦斯氣體壓力共同作用下，炮孔近區(qū)初始宏觀裂紋的形成與擴展、中區(qū)初始裂紋穩(wěn)態(tài)擴展和遠區(qū)原生裂紋擾動損傷擴展的過程。但煤體高壓空氣爆破作用機理研究仍停留在初期階段，高壓空氣爆破作用下煤體內(nèi)部應(yīng)力場和損傷演化規(guī)律、裂紋擴展和損傷斷裂機理缺少系統(tǒng)研究，致使高壓空氣爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用和推廣受到限制。

作者團隊自行研制高壓空氣爆破試驗系統(tǒng)，設(shè)計開展模擬煤體高壓空氣爆破試驗，基于試驗結(jié)果和損傷斷裂力學(xué)理論，以期揭示煤體中高壓空氣爆破應(yīng)力波的傳播與衰減規(guī)律和煤體損傷斷裂過程與機理，為高壓空氣爆破增透技術(shù)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 高壓空氣爆破試驗裝置

為開展高壓空氣爆破試驗，自行研制了高壓空氣爆破試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)由氣體加壓系統(tǒng)、高壓氣體釋放控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，高壓空氣爆破試驗系統(tǒng)示意圖和實物圖如圖1所示。試驗過程中，首先，空氣經(jīng)過空氣壓縮機和氣體增壓泵組成的加壓系統(tǒng)(增壓比為1∶100，最高可增壓至80 MPa)兩次加壓達到試驗設(shè)計壓力，隨后，增壓后的氣體輸送到壓力釜(容量為1 L)中進行儲存，以保證高壓空氣爆破所需氣體量。最后，通過高速電磁閥以及數(shù)字壓力表組成的控制系統(tǒng)控制壓力釜中的高壓氣體瞬間釋放至炮孔內(nèi)沖擊試塊，同時由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行動態(tài)應(yīng)變和裂紋擴展速度的采集。

2 高壓空氣爆破試驗

圖2為高壓空氣沖擊作用下試件的裂紋擴展。為了進一步揭示應(yīng)力波的傳播和衰減規(guī)律，以及煤體損傷斷裂的過程和機理，研究了高壓空氣沖擊作用下的峰值應(yīng)變、損傷值和裂紋擴展速度，并與炸藥爆破的結(jié)果進行對比分析。

2.1 試驗方法

根據(jù)文獻[24]試驗結(jié)果，制作模擬煤體試塊5塊，試塊材料配比及基本物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，試塊尺寸為500 mm×500 mm×400 mm，如圖3(a)所示。

表1 試塊材料配比及物理力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 The material mass ratio and physico-mechanical parameters of the sample

試塊中間預(yù)留直徑為20 mm、孔深為300 mm的炮孔，為消除邊界效應(yīng)對應(yīng)變波測試結(jié)果的影響，高壓空氣爆破試驗時在試塊的四周面上涂一層黃油(5 mm厚)，然后用圍壓加載系統(tǒng)的鋼板進行約束，如圖3(b)所示。

根據(jù)應(yīng)力波指數(shù)衰減規(guī)律，在高壓氣體釋放口高度距預(yù)留孔中心距離分別為50 mm，150 mm，250 mm，300 mm的四個位置預(yù)埋應(yīng)變磚(應(yīng)變磚尺寸20 mm×20 mm×20 mm的)，用采樣頻率200 K的DH5922N動態(tài)信號采集系統(tǒng)采集爆炸應(yīng)變波形，如圖4(a)所示，分析煤體中高壓空氣爆破應(yīng)變波傳播與衰減規(guī)律。

為分析煤體高壓空氣爆破損傷規(guī)律，用NM-4A型非金屬超聲波檢測儀在高壓空氣爆破前后分別對試塊進行超聲波波速測試，測點以過試塊中心的水平線和垂直線為基準(zhǔn)線，間隔50 mm進行布置，超聲波測試如圖4(b)所示，根據(jù)測點超聲波測試結(jié)果，利用公式[25]D=1-(v/v0)2(v0和v為試塊高壓空氣爆破前后的超聲波波速)計算各測點的損傷值，最終以布置在高壓氣體釋放口高度處的水平線上的測點損傷值為例進行分析。

同時，分析煤體高壓空氣爆破作用下煤體內(nèi)裂紋擴展過程與規(guī)律，在高壓氣體釋放口高度預(yù)布設(shè)φ0.14 mm 的漆包銅線作為傳感器進行裂紋擴展速度測試，第一條銅線距離炮孔邊緣50 mm，各條銅線間隔20 mm，如圖4(c)所示，測試儀器為BSW-3A型智能五段爆速儀，測試儀器如圖4(d)所示。

2.2 試驗結(jié)果及分析

最終試驗結(jié)果取5塊試塊各項測試結(jié)果的平均值，超聲波測試試驗結(jié)果以布置在高壓氣體釋放口高度的水平線上測點為例，各測點間距為50 mm，取釋放口高度的一排水平測點數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，炸藥爆炸作用和高壓空氣爆破作用下煤體中應(yīng)變峰值、損傷值和裂紋擴展速度，如表2所示。

表2 模擬煤體爆破損傷斷裂試驗結(jié)果Tab.2 The results of coal blasting damage and fracture experiment

2.2.1 高壓空氣爆破作用下煤體中應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律

試驗中5塊試塊共采集到有效波形11個，由于應(yīng)變片防潮處理、應(yīng)變磚埋設(shè)、儀器參數(shù)設(shè)置等原因，其中9個波形為無效波形。為對比分析高壓空氣爆破應(yīng)力波波形和炸藥爆炸作用下煤體內(nèi)應(yīng)力波波形特征及差異，直接用DasView2.0軟件導(dǎo)出實測波形圖，如圖5所示。

為分析高壓空氣爆破作用下煤體內(nèi)應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律，根據(jù)表2數(shù)據(jù)做出高壓空氣爆破和炸藥爆破作用下測點應(yīng)變峰值隨距離的變化曲線，并采用Origin 軟件對曲線進行非線性擬合(y=axb)，如圖6所示。

(1) 從圖5可以看出，高壓空氣爆破作用和炸藥爆破作用下煤體中應(yīng)力波波形相同，均是由壓縮相和拉伸相兩部分組成，但高壓空氣爆破應(yīng)力波脈寬較爆炸應(yīng)力波脈寬長。

炮孔中炸藥爆炸或者是高壓氣體釋放時，炮孔壁承受炸藥爆轟波或高壓氣體沖擊作用，沖擊擾動在試塊中傳播引起第一段由壓縮相和拉伸相組成的完整的平滑應(yīng)力波形，隨后波在傳播過程中受到反射應(yīng)力波、高壓氣體與瓦斯氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場和原巖應(yīng)力場共同作用，致使第二段波形更加復(fù)雜。從測點第一段完整應(yīng)力波波形可以看出，測點首先承受應(yīng)力波的壓應(yīng)力，隨后承受拉應(yīng)力，與文獻[26]測試結(jié)果一致。

(2) 由圖6擬合結(jié)果可知，高壓氣體沖擊作用下煤體中應(yīng)力波衰減指數(shù)α為1.53，符合α=2-μ/(1-μ)(μ為煤體的泊松比，0.14～0.3)，而爆炸應(yīng)力波衰減系數(shù)基本符合α=3-μ/(1-μ)，高壓氣體沖擊作用下應(yīng)力波的衰減較慢。

(3) 從圖5可以看出，高壓空氣爆破作用下煤體所產(chǎn)生的應(yīng)力波脈寬較爆炸應(yīng)力波脈寬長，高壓氣體沖擊作用下應(yīng)力波壓縮作用時間在1.8～2.2 ms左右，拉伸作用時間在2.6～3.1 ms，而炸藥爆炸應(yīng)力波壓縮相作用時間為40～50 μs，拉伸作用時間為100 μs以上[27]，高壓空氣爆破應(yīng)力波脈寬明顯大于爆炸應(yīng)力波脈寬。脈寬越大的應(yīng)力波隨著傳播距離增大而產(chǎn)生的峰值應(yīng)力衰減越小，彌散越小，煤體對高頻波具有較明顯的彌散作用，因而會大幅度削弱短脈寬的高頻波峰值應(yīng)力，所以爆炸應(yīng)力波在煤體內(nèi)的衰減更快。

2.2.2 煤體高壓空氣爆破損傷斷裂過程與規(guī)律

為進一步分析高壓氣體沖擊作用下煤體損傷與斷裂過程和規(guī)律，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，將損傷值計算結(jié)果擴大1 000倍和裂紋擴展速度處在同一個量級范圍內(nèi)，做出煤體高壓氣體沖擊損傷與裂紋擴展速度隨距離的變化曲線，如圖7所示。

(1) 從圖7可以看出，高壓空氣爆破作用下煤體損傷斷裂過程可分為兩個階段，即應(yīng)力波作用下的初始裂紋形成與擴展階段(損傷值和裂紋擴展速度較大)和高壓氣體驅(qū)動裂紋穩(wěn)定擴展階段(損傷值和裂紋擴展速度基本穩(wěn)定)。

(2) 高壓空氣爆破作用下煤體的損傷和裂紋擴展是高壓空氣爆破應(yīng)力波、高壓氣體、瓦斯氣體和原巖應(yīng)力共同作用的結(jié)果。高壓空氣爆破作用下形成的應(yīng)力波峰值小，煤體內(nèi)不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生壓縮粉碎區(qū)，只能在應(yīng)力波拉伸作用下產(chǎn)生初始徑向裂紋，初始徑向裂紋以0.15～0.40倍應(yīng)力波的傳播速度擴展，此階段裂紋擴展速度為486.4 m/s(0.196倍應(yīng)力波波速)，該區(qū)域損傷值為0.429～0.697，而炸藥爆炸初始裂紋擴展速度為591.2 m/s(0.238倍應(yīng)力波波速)，該區(qū)域損傷值為0.401～0.895。因此炮孔近區(qū)裂紋擴展速度和損傷值都比較大，但應(yīng)力波隨著距離的增大按指數(shù)α=2-μ/(1-μ)規(guī)律快速衰減，所以該階段擴展范圍較小。

(3) 隨著距離的增大，應(yīng)力波不能繼續(xù)促進初始徑向裂紋擴展，高壓氣體楔入初始徑向裂紋驅(qū)動裂紋穩(wěn)定擴展，裂紋擴展速度為291.3～352.5 m/s(0.12～0.14倍應(yīng)力波的傳播速度)，此階段高壓空氣爆破裂紋擴展速度和損傷值均大于炸藥爆炸裂紋擴展速度和損傷值，而且裂紋穩(wěn)定擴展時間也較爆破裂紋擴展時間長。

(4) 在能量相等的條件下，高壓空氣爆破釋放的高壓氣體量遠大于炸藥爆炸所產(chǎn)生的爆生氣體量[28]，同時，高壓空氣爆破作用下在煤體內(nèi)形成的應(yīng)力波峰值小、且衰減緩慢、作用時間長，所以應(yīng)力波能量有效利用率高，也更有利于煤體內(nèi)裂紋的形成與擴展。

(5) 所以，高壓空氣爆破作用下裂紋穩(wěn)定擴展范圍較炸藥爆炸作用下的裂紋穩(wěn)定擴展范圍大，穩(wěn)定擴展階段是高壓空氣爆破損傷斷裂的主要階段。

3 煤體高壓空氣爆破損傷斷裂機理

3.1 炮孔近區(qū)煤體高壓空氣爆破損傷斷裂機理

高壓空氣爆破孔壁荷載峰值有限，目前國內(nèi)外高壓空氣爆破孔壁峰值荷載通常在200 MPa以內(nèi)[29-30]，所以高壓空氣爆破作用下煤體內(nèi)部基本不產(chǎn)生壓縮性破壞區(qū)，只在切向拉應(yīng)力大于煤體動態(tài)抗拉強度時，炮孔近區(qū)煤體被拉伸破壞而產(chǎn)生初始裂紋，即

(1)

從式(1)可以看出，在空氣爆破孔壁初始荷載峰值有限的條件下，應(yīng)力波在煤體內(nèi)按指數(shù)規(guī)律快速衰減，所以初始徑向裂紋擴展范圍有限。

3.2 炮孔中區(qū)煤體高壓空氣爆破損傷斷裂機理

該階段，應(yīng)力波產(chǎn)生的初始裂紋在高壓氣體、瓦斯氣體、原巖應(yīng)力共同作用下穩(wěn)態(tài)擴展，高壓氣體沖擊應(yīng)力波形成初始裂紋后因為快速衰減而不能促進裂紋進一步擴展，高壓氣體充滿初始裂紋并與瓦斯氣體壓力和遠場原巖應(yīng)力共同作用驅(qū)動初始裂紋穩(wěn)態(tài)擴展[31]，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強度因子大于煤體動態(tài)斷裂韌性時裂紋擴展，即

(2)

假設(shè)高壓氣體壓力P(r)在裂隙長度方向線性降低，不受裂紋寬度的影響，且高壓氣體瞬間充滿裂隙空間，則有

P(r)=P0·(a-r)/a

(3)

式中：Pg為煤體中瓦斯氣體壓力，MPa；σ0為原巖應(yīng)力，MPa；a為高壓空氣爆破應(yīng)力波作用下形成的初始裂紋長度，m；KIC為煤體動態(tài)斷裂韌性；P(r)為裂紋面上高壓氣體壓力，MPa。

3.3 炮孔遠區(qū)煤體高壓空氣爆破損傷斷裂機理

隨著距離的進一步增加，應(yīng)力波和高壓氣體主導(dǎo)作用下的徑向裂紋不能繼續(xù)擴展，但是遠區(qū)煤體內(nèi)的原生裂紋在彈性應(yīng)力波，原巖應(yīng)力和瓦斯氣體的共同作用以及平行裂紋間的相互影響而擴展。

將煤體內(nèi)的裂紋看作一系列周期性裂紋，在瓦斯壓力和原巖應(yīng)力作用下定裂紋尖端應(yīng)力強度因子為[32]

(4)

式中： 2b為周期性裂紋中心間距離，m； 2a′為煤體內(nèi)部周期性原生裂紋長度，m；β為裂隙與垂直方向的夾角，(°)。

同時，煤體中的彈性應(yīng)力波在原生裂紋處發(fā)生反射和折射，隨即引起裂紋尖端周圍產(chǎn)生高應(yīng)力激增，應(yīng)力波的幅度和頻率決定高應(yīng)力激增的大小，考慮利于裂紋的擴展，以P波入射的Ⅰ型裂紋分析確定裂紋尖端應(yīng)力強度因子為

(5)

σI=(2π/l)η(λ+2μ′)

(6)

式中：Φ1為動靜應(yīng)力強度因子之比；σI為波前法向應(yīng)力，MPa；μ′為煤體的彈性剪切模量；λ為拉梅系數(shù)；l為應(yīng)力波波長；η為裂隙切向踢開黏度， MPa/ms。

從式(4)和式(5)、式(6)可知，當(dāng)裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強度因子增大至裂紋擴展臨界值時，裂紋起裂并緩慢擴展，相互獨立的裂紋擴展貫通，直至與初始徑向裂紋貫通。同時，應(yīng)力強度因子幅度決定了裂紋擴展的速率，該區(qū)域原生裂紋尖端應(yīng)力強度因子幅度較小，所以裂紋擴展速度較低，擴展范圍十分有限。

4 結(jié) 論

(1) 高壓空氣爆破應(yīng)力波波形特征與炸藥爆炸應(yīng)力波波形特征相同，但高壓空氣爆破應(yīng)力波的作用時間和脈寬長，衰減慢，更有利于應(yīng)力波能量的有效利用。

(2) 煤體高壓空氣爆破損傷斷裂是爆破應(yīng)力波、高壓氣體、瓦斯氣體和遠場應(yīng)力共同作用的結(jié)果，煤體首先在高壓空氣爆破應(yīng)力波切向應(yīng)力作用下形成初始徑向裂紋，隨后高壓氣體、瓦斯氣體和原巖應(yīng)力共同驅(qū)動初始徑向裂紋穩(wěn)態(tài)擴展，最后煤體內(nèi)部的周期性原生裂紋在彈性應(yīng)力波，原巖應(yīng)力和瓦斯氣體的共同作用以及裂紋間的相互影響作用下在小范圍內(nèi)緩慢擴展。

(3) 高壓空氣爆破作用下煤體損傷斷裂以高壓氣體、瓦斯氣體和原巖應(yīng)力共同作用下的穩(wěn)態(tài)擴展為主，裂紋以0.12～0.14倍應(yīng)力波的傳播速度擴展。高壓空氣爆破應(yīng)力波僅在炮孔近區(qū)小范圍內(nèi)產(chǎn)生初始徑向裂紋，裂紋以0.15～0.40倍應(yīng)力波的傳播速度快速擴展。

以上研究工作是基于模擬試驗完成的，而模擬試塊是基于煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性能參數(shù)相似原則制作的，試塊是各向同性的，且試塊中瓦斯氣體的賦存狀態(tài)、瓦斯壓力和實際煤體存在一定的出入。研究成果對實際煤體工程應(yīng)用具有一定的參考價值和意義，今后課題組將針對實際煤體開展研究工作。