高壓氣體沖擊作用下煤體內部應力波傳播和衰減規律試驗研究

褚懷保，任志強，閆松，朱思源，陳真，葉紅宇，嚴少洋

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

0 引 言

近年來，隨著煤礦開采深度不斷增加，含瓦斯煤層的微孔隙、低滲透和高吸附性等賦存特征愈發明顯。無論將抽采瓦斯作為清潔能源使用，還是預防瓦斯災害發生，通過致裂增透技術提高煤層的滲透系數都是解決問題的關鍵［1-3］。目前，煤層增透技術主要有水力化和無水化兩種措施。水力化措施耗水量大，壓裂液還會污染地下水源；常規無水化措施具有鉆孔量大、增透范圍小等缺點。高壓氣體增透技術通過增壓裝置對氣體加壓，待壓力達到預定壓力時瞬間釋放，達到致裂增透的目的。

目前，不少學者對高壓氣體致裂增透機理進行了研究。如ZHU W C等［4］將高壓空氣爆破引起的加載分為應力波引起的動加載和準靜態空氣壓力引起的準靜態加載2個連續過程，并分析了產生徑向裂紋和破碎帶的主要原因；李守國［5］建立了高壓氣體沖擊試驗裝置，探討了高壓氣體沖擊過程裂紋擴展規律，發現裂紋的萌生和發展優先在煤體較弱的單元處開始；曾范永［6-7］設計控制變量試驗，探究了不同影響因素下高壓氣體爆破致裂規律；劉文博等［8］研究認為，高壓氣體作用過程主要是沖擊波的動態作用和氣體壓裂的準靜態過程；徐穎［9］進行高壓氣體沖擊試驗，結果認為，高壓氣體沖擊作用產生的應變波和普通炸藥爆炸時產生的應變波本質相同；王家來［10］通過機械方法對氣體進行壓縮，進行高壓氣體單獨作用下的破巖試驗，結果表明，高壓氣體作用下，巖體介質內力可按照準靜態進行計算，巖石的破壞形式為拉斷裂。目前學者們初步研究了高壓氣體沖擊致裂機理，但對高壓氣體沖擊作用下煤體內部應力波傳播和衰減規律未進行深入研究，而衰減規律是研究動態應力場、損傷場和致裂范圍的重要參數。因此，本文開展高壓氣體沖擊作用下煤體致裂試驗，以期為高壓氣體沖擊煤體致裂范圍的研究提供基礎數據。

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孔壁造成沖擊荷載的過程屬于降壓膨脹過程。高壓氣體釋放后，短時間內鉆孔內部壓強達到很高，可以把高壓氣體釋放的過程簡化為絕熱膨脹過程。氣體膨脹過程所做的功［11］為

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

表1 常見氣體的絕熱指數Tab.1 Adiabatic indices of common gases

高壓氣體沖擊作用產生的能量換算為TNT當量，轉換公式為

式中：WTNT為TNT當量，kg；QTNT為1 kg TNT爆炸時產生的能量，取4 250 k J。

在能量相等情況下，由式（1）和（2）可知，當容器內氣體的絕對壓強為10 MPa時，高壓氣體膨脹做功換算成TNT當量約為0.006 kg TNT炸藥爆炸產生的能量，爆炸時產生的爆生氣體體積（換算成標準大氣壓）為4.14 L。若容器體積為1 L，高壓氣體壓強為10 MPa，換算成標準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生的高壓氣體量遠大于TNT炸藥爆破產生的爆生氣體量。

1.2 煤體內部應力波作用機理

當高壓氣體作用在孔壁上時，煤體內產生沖擊波或壓應力波，沖擊波的壓力荷載遠大于煤體的動態抗壓強度，煤體被壓碎破壞，此階段可以用煤體動態抗壓強度作為破壞準則；沖擊波向介質內部傳播并迅速衰減為應力波，此階段應力峰值小于煤體的動態抗壓強度，不能使煤體發生壓碎破壞，但應力波產生的切向拉應力大于煤體的動態抗拉強度，使煤體產生拉伸破壞，此階段用煤體的動態抗拉強度作為破壞準則；隨之應力波在煤體內進一步傳播并衰減，應力波作用不再使煤體發生破壞。

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

式中：（σr）max為徑向應力峰值，MPa；P0為高壓氣體沖擊作用在孔壁上的初始壓力，MPa為比距離，即計算點到致裂孔中心的距離與鉆孔半徑的比值；α為應力波衰減系數；μ為動態泊松比。

應力波衰減系數α可由經驗公式［12］計算，即

2 試 驗

2.1 試驗系統研發

為開展高壓氣體沖擊致裂試驗，自主研制高壓氣體沖擊致裂試驗系統，系統主要包括壓力源、氣體增壓系統、高壓氣管、氣體儲存裝置、壓力控制裝置、模擬煤體試件和圍壓裝置。試驗采用空氣作為氣體介質，壓力源為空氣壓縮機，氣體增壓系統增壓比為1∶100，最高可增壓至80 MPa，氣體儲存裝置為容量1 L的壓力釜，壓力控制裝置包括數字壓力表和耐高壓電磁閥。試驗時，通過數字壓力表設置氣體壓力，待氣體增壓系統將氣體增壓至設置壓力時，耐高壓電磁閥的閥門打開，實現高壓氣體的釋放。高壓氣體沖擊致裂試驗系統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系統Fig.1 High-pressure gas impact cracking test system

2.2 試件制作和試驗方案

本次試驗采用模擬煤體試件進行高壓氣體沖擊致裂試驗。試件配比［13］和力學性能參數如表2所示，其中材料配比為質量比，分別為水泥、砂子、石膏、水、珍珠巖、發泡劑和云母碎。采用應變磚和BX120-3BA型應變片測量應變，可同時測得徑向和切向應變，應變磚材料配比與試件一致，從而保證兩者波阻抗一致。數據采集裝置為采樣頻率200 kHz的DH5922N動態信號采集系統。

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

在動態應變測量過程中，信號傳輸和采集容易受到干擾，特別是干擾頻率在動態信號測試頻率范圍內時，很難經過濾波消除干擾，從而影響測試結果。為了減弱干擾，盡量縮短連接導線長度且進行接地處理，并對動態信號采集系統進行適當濾波設置。

模擬煤體試件尺寸為500 mm×500 mm×500 mm，試件中間預留直徑20 mm，深300 mm的致裂孔。應變磚布置在250 mm高度處試件平面對角線上，距中心位置分別為5，15，25，30 cm，應變測點分布如圖2所示，試件制作照片見圖3。

圖2 應變測點分布示意Fig.2 Arrangement schematic of strain measuring points

圖3 試件制作照片Fig.3 Production process diagram of test block

試驗共有20個模擬煤體試件，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 結果與分析

3.1 試驗結果

試驗中20個試件共布置80個測點，由于應變磚埋設和受載過程造成應變片損壞，試件因沖擊荷載產生的裂隙也會引起應變片破壞。試驗只采集到45個有效波形，部分應變波形如圖4所示。

圖4 試驗測得的部分應變波形Fig.4 Partial strain waveforms measured in experiments

為保證數據可靠性，各測點的徑向應力峰值取同組試件對應測點測試結果的平均值。5組試件各測點的徑向應力峰值如表3所示。

表3 各測點徑向應力峰值Tab.3 Peak values of radial strain waves at each measuring point MPa

3.2 結果分析

3.2.1 應變波波形分析

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

炸藥爆破可使孔壁上壓力瞬間上升到幾千甚至幾萬MPa，進而造成粉碎區。高壓氣體沖擊作用在孔壁上壓力僅為幾十到幾百MPa，沒有爆炸作用強烈，不產生或產生的粉碎區范圍小，如圖5所示。

圖5 粉碎區示意圖Fig.5 Schematic diagram of crushing area

高壓氣體沖擊與炸藥爆破相比，沖擊動作用較弱。在能量相等的情況下，由式（1）～（2）可得，當容器內壓強為10 MPa時，換算成TNT當量約為0.006 kg，0.006 kg當量的TNT炸藥爆炸產生的爆生氣體量為4.14 L（換算成標準大氣壓下）。本次試驗采用的壓力釜容積為1 L，當內部壓力為10 MPa時，換算成標準大氣壓下氣體體積為100 L，遠大于0.006 kg當量的TNT炸藥爆炸產生的氣體量。因此，與炸藥爆破作用相比，高壓氣體準靜態作用強。由此可見，能量相等的情況下，與炸藥爆破作用相比，很少產生粉碎區，能量利用率高，在裂縫擴展過程中以高壓氣體準靜態作用為主，更有利于隙裂產生。試件在高壓氣體沖擊作用下產生的裂隙如圖6所示。

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

3.2.2 應力波的傳播和衰減規律分析

利用表3做散點圖，如圖7所示。采用origin軟件進行非線性擬合，并采用y＝a xb擬合，徑向應力峰值衰減擬合曲線如圖8所示。由擬合結果可知，衰減指數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）計算可知，煤體內部應力波衰減系數α為1.571～1.837。5組試件衰減系數取平均值，為1.592，與式（5）計算結果基本相符。

圖7 徑向應力峰值散點圖Fig.7 Scatter plot of radial stress peak

圖8 徑向應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，煤體中應力波比常規巖石衰減快。應力波在傳播過程中遇到不同波阻抗的分界面（如層理、節理、結構面或斷層等）會發生透射和反射，應力波能量被分為反射能量和入射能量，進而使應力波發生衰減。煤體是含有大量初始損傷的多孔介質，所以應力波比常規巖石衰減得快。當高壓氣體作用在孔壁時，煤體內產生沖擊波或壓應力波，煤體被壓碎破壞，隨后沖擊波迅速衰減為應力波；在應力波作用下煤體主要發生拉伸破壞，產生徑向和環向（切向）裂隙，隨著應力波傳播距離增大，能量不斷衰減，只能對煤體產生彈性擾動；隨后高壓氣體楔入裂隙，在高壓氣體準靜態應力場和裂紋尖端應力集中作用下促使裂紋進一步擴展。

煤體屬于典型的脆性介質，在沖擊波作用下致裂孔壁周邊煤體發生粉碎破壞，從而消耗大部分能量，使應力波能量降低，不利于新裂紋產生，進而影響高壓氣體的楔入作用和裂隙擴展。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生的粉碎區范圍小，更有利于應力波產生新裂紋和高壓氣體楔入促進裂縫擴展。

4 結 論

（1）自主研發高壓氣體沖擊致裂試驗系統，該系統能夠產生不同沖擊壓力（0～80 MPa），可對煤體進行高壓氣體沖擊致裂試驗。

（2）高壓氣體沖擊作用下，應變波形由壓縮相和拉伸相組成，作用時間較爆炸應力波長。能量相等條件下，轉換成標準大氣壓，高壓氣體沖擊作用釋放的氣體較炸藥爆炸產生的爆生氣體體積大，但沖擊壓力遠小于炸藥爆破產生的作用力。煤體在高壓氣體沖擊作用下，以高壓氣體準靜態作用為主，更利于致裂，進而提高能量利用率。

（3）試驗中高壓氣體沖擊產生的徑向應力峰值呈指數衰減，衰減系數α約為1.592，基本符合α＝2-μ／（1-μ）計算結果。