软煤样断裂韧性加载速率效应实验研究*

侯连浪，刘向君，梁利喜，张 平，谢 斌，张 旭

(1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中联煤层气有限责任公司，北京 100015)

0 引言

煤岩的岩石力学性质是煤岩体的基本属性[1]，反映煤岩体的物理状态和承受外界作用的能力[2]，准确认识煤岩岩石力学特性对防治煤炭开采过程中可能发生的煤与瓦斯突出事故及煤层气井钻井过程中可能发生的井壁坍塌事件至关重要[3]。加载速率是影响岩石力学性质的主要因素之一[4-5]。国内外学者开展大量相关研究，宫能平等[6]分析加载速率对花岗岩动态断裂韧度影响；吴绵拔[7]分析加载速率对花岗岩单轴抗压和抗拉特性的影响；Sang等[8]对Inada花岗岩开展动态拉伸实验，研究岩石动态拉伸强度与应变率的关系；李永盛[9]定量分析应变速率对红砂岩单轴抗压强度与峰值强度对应的应变、破坏后变形模量，以及破裂形式等物理力学性态的影响。以上研究对象均为硬脆岩石，部分学者开展软岩岩石力学特性加载速率效应研究。纪文栋等[10]分析应变加载速率对盐岩三轴强度、轴向应变及侧向应变以及破裂形式等物理力学性质的影响；李海波等[11]分析加载速率对软岩(砂浆模拟材料)的强度参数、弹性参数的影响；廖红建等[12]对硅藻质软岩试样进行不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴实验；梁卫国等[13]以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象，开展不同加载速率的单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。现有关于软岩的加载速率效应研究补充了软岩相关研究的缺失，表明不同类别软岩的加载速率效应差异明显，意义重大，但缺乏对松软煤岩加载速率效应的相关研究。以取自云南老厂地区软煤样为研究对象，开展不同位移加载速率条件下的断裂韧性实验，分析软煤样的断裂韧性加载速率效应，本文研究可加强对于煤岩力学特性的认识，拓宽现有软岩加载速率效应研究范围，对松软煤层气井井壁稳定性及矿井巷道稳定性具有指导意义，进而降低安全事故风险。

1 实验分析方法、样品与实验方案

1.1 实验分析方法

1.1.1 断裂韧性测试方法

学者们在测试岩石断裂性韧性的过程中常采用三点弯曲法、圆盘法、水压致裂法等。国际岩石力学协会于2014年推荐了中心切槽半圆盘三点弯曲试样法[14]。半圆盘三点弯曲法(Semi-Circular Bend，SCB)是当前测试岩石断裂韧性的理想方法之一。SCB试样加载示意如图1所示，其中，S为支撑点间距，a为切槽长度，P为载荷，α为割理角度。

图1 SCB试样加载示意Fig.1 Schematic diagram for loading of SCB sample

获取实验数据后，岩样的断裂韧性值如式(1)～(3)所示[14]：

(1)

(2)

β=a/R

(3)

式中：S为支撑点的间距，mm；R为试样半径，mm；β为切槽长度与试样半径的比值；B为试样厚度，mm；Y′为无量纲应力强度因子；KIC为试样的断裂韧性值，MPa·mm0.5。

1.1.2 压入硬度测试分析方法

本文采用压入硬度法分析煤样硬度，实验装置中压头采用直径为3.06 mm的合金压头。分析载荷-位移曲线获取载荷最大值，可计算得到煤样压入硬度值。

1.2 实验方案

1.2.1 断裂韧性实验方案

为分析割理角度(本文所述割理角度为煤样割理面与岩样下边沿的夹角，图1中角α)对煤岩断裂韧性的影响，使用实验机分别开展面割理与试样底边直径夹角为0°，30°，60°，90°条件下的断裂韧性实验。为分析煤岩断裂韧性的加载速率效应，将每组岩样分为4小组，每小组实验过程中的加载速率分别为0.2，0.5，0.8，1.1 mm/min。实验过程中2支撑点间距设置为40 mm。

1.2.2 压入硬度实验方案

为从硬度角度对实验煤样进行分级，从钻取断裂韧性试样的同一煤块上制取压入硬度实验样品。

1.3 试样制备

1.3.1 断裂韧性实验样品制备

实验所用煤岩为云南老厂地区矿井内煤块，煤阶为无烟煤，体积密度平均值为1 450 kg/m3。对煤样割理发育程度进行统计，其面割理密度为180～300条/m，端割理密度为180～380条/m。平行于面割理从煤块钻取直径为50 mm的圆柱，将圆柱切割成厚度为20 mm的圆盘试样，测量完整圆盘试样的直径、厚度。设置面割理与圆盘直径的夹角分别为0°，30°，60°，90°，沿中轴线划线做标记，由于切割刀具具有一定厚度，为保证所切半圆盘为标准半圆，每块完整圆盘沿着中轴标记线只切割成一块标准的半圆盘。在半圆盘上按图1所示进行割缝，缝长12.5 mm，缝宽0.5 mm。要求最终选用的半圆盘试样尺寸满足S/2R≈0.8，a/R≈0.5，满足国际岩石力学对于SCB试样的几何尺寸要求，断裂韧性实验试样LC-1，LC-9，LC-17，LC-25照片如图2所示，4块岩心割理角度分别为0°，30°，60°，90°。

图2 断裂韧性实验试样Fig.2 Samples of fracture toughness tests

1.3.2 压入硬度实验样品制备

从制取断裂韧性试样煤块上钻取直径25 mm，长度约为20 mm的煤样，制样完成后重新测试其长度、直径以及质量。压入硬度实验样品照片如图3所示。

图3 压入硬度实验样品Fig.3 Samples of indentation hardness tests

2 实验结果

2.1 压入硬度实验结果

压入硬度实验结果如图4所示，由图4可知，实验岩样硬度分布在51.84～125.03 MPa之间，平均值为80.75 MPa，按照当前常用的岩石硬度分级标准，实验煤岩的硬度级别为1级或2级，属软岩类别。另外，据文献[1]，老厂煤岩，其单轴抗压强度平均值约为14 MPa，普氏系数约1.4，属于较软岩石，其弹性模量约为8 000 MPa，其泊松比约为0.4，塑性较强。

图4 试样压入硬度统计Fig.4 Statistics on indentation hardness of samples

2.2 断裂韧性测试结果

煤岩Ⅰ型断裂韧性分布如图5所示，图5中所标角度为煤样割理角度。由图5可知，实验岩样Ⅰ型断裂韧性分布在0.009 9～0.208 2 MPa·mm0.5之间，平均值为0.096 5 MPa·mm0.5。

图5 煤岩Ⅰ型断裂韧性Fig.5 ModeⅠfracture toughness of coal rock

3 分析与讨论

3.1 加载速率对软煤岩Ⅰ型断裂韧性的影响

煤样Ⅰ型断裂韧性与加载速率的关系如图6所示，由图6可知，当面割理角度为0°时，不同加载速率所对应的Ⅰ型断裂韧性平均值分别为0.14，0.18，0.12，0.11 MPa·mm0.5，当面割理角度为30°时，煤样Ⅰ型断裂韧性平均值分别为0.04，0.09，0.14，0.05 MPa·mm0.5，当面割理角度为60°时，煤样的Ⅰ型断裂韧性平均值分别为0.10，0.12，0.13，0.09 MPa·mm0.5，当面割理角度为90°时，煤样的Ⅰ型断裂韧性平均值分别为0.06，0.10，0.04，0.02 MPa·mm0.5。整体上，在本文加载速率范围内，实验软煤岩Ⅰ型断裂韧性随着加载速率的增大呈现先增大后降低的趋势。

图6 煤样Ⅰ型断裂韧性与加载速率的关系Fig.6 Relationship between modeⅠfracture toughness of coal samples and loading rate

3.2 割理角度对软煤岩Ⅰ型断裂韧性的影响

Ⅰ型断裂韧性随着割理角度的关系如图7所示，由图7(b)可知，整体上，随着割理角度逐渐增大，岩样Ⅰ型断裂韧性值逐渐降低，割理角度对软煤岩Ⅰ型断裂韧性有较大影响。为定量描述割理角度对煤岩Ⅰ型断裂韧性的影响，计算每个割理角度下Ⅰ型断裂韧性的平均值，而后对Ⅰ型断裂韧性与割理角度进行拟合，割理角度与Ⅰ型断裂韧性有较好的线性相关性，并获得Ⅰ型断裂韧性与割理角度的关系，如式(4)所示：

图7 Ⅰ型断裂韧性与割理角度的关系Fig.7 Relationship between modeⅠfracture toughness and cleat angle

KIC=-0.000 7α+0.128 5

(4)

式中：α为面割理角度，°。

3.3 加载速率对软煤样断裂类型的影响

由图6可知，当面割理与半圆盘底边夹角为30°时，Ⅰ型断裂韧性随加载速率先增大后减小的规律最明显，以夹角为30°岩样为例。割理角度30°的岩样载荷位移曲线如图8所示，割理角度为30°岩样破坏后照片如图9所示。由图8可知，岩样LC-10在加载初期，载荷变化平缓，表明微裂纹等正在张开，岩样破坏前，载荷上升缓慢，破坏后载荷下降亦较为缓慢。由图9(a)可知，岩样LC-10断面不能完全吻合，断口不锋利，综合分析认为岩样LC-10的破坏形式为韧性破坏。由图8可知，岩样LC-12的载荷-位移曲线特征与岩样LC-10相近，由图9(b)可知，岩样LC-12断面仍有微弱变形，断口不锋利，综合分析为韧性断裂，断面或沿着割理扩展，或切穿基质，断面较岩样LC-10弯曲，需要更多能量才能使得岩样破坏，因此，岩样LC-12的断裂韧性值高于岩样LC-10。由图8可知，岩样LC-13较其他3块岩样破坏时对应的位移量最大，表明该岩样在破坏前发生了较大变形，为韧性破坏特征，但其破坏后载荷曲线迅速下降，为脆性破坏特征。由图9(c)可知，岩样LC-13断面一部分沿着割理的部分，一部分切割基质，但是断口锋利，断面未见变形，因此，对比岩样LC-10，LC-12，岩样LC-13的破坏形式有从韧性破坏向脆性破坏的趋势。由图8可知，岩样LC-15破坏后载荷下降较快，由图9(d)可知，岩样LC-15断口锋利，2断面中间出现碎渣，综合分析认为岩样LC-15的破坏类型为脆性破坏。综合岩样LC-10，LC-12，LC-13，LC-15可知，随着加载速率增大，实验煤岩样破坏形式从韧性破坏逐渐过渡到脆性破坏。正是这种破坏形式的转变导致实验煤样出现Ⅰ型断裂韧性随着加载速率增大先增大后降低的现象，这种现象与Gillespie等[15]，李玉龙等[16]对碳纤维/环氧树脂以及碳纤维/PEEK复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性率相关性实验研究结果一致。

图8 割理角度为30°岩样载荷-位移曲线Fig.8 Load-displacement curves of coal samples with cleat angle of 30 °

图9 割理角度为30°岩样破坏后照片Fig.9 Photos of coal samples after failure with cleat angle of 30°

由图9可知，部分岩样在受力破坏时并不是在预制缝尖端开始起裂，而是从割理等弱面处开始，裂隙在延伸过程中亦存在直接切割基质的现象。在软煤层开展工程作业过程中，受割理等弱面的影响，裂纹尖端逐渐扩展时，如果破坏煤岩基质层所需能量低于沿着割理面所需能量，裂隙将直接切穿基质，这将有利于形成复杂裂缝网，但不利于煤层稳定性，降低了煤炭及煤层气资源开发的安全性。

4 结论

1)实验煤样压入硬度分布在51.84～125.03 MPa之间，其普氏系数约为1.4，实验煤样按压入硬度划分属于软岩类别，按普氏系数划分属于较软岩石。实验岩样Ⅰ型断裂韧性分布在0.009 9～0.208 2 MPa·mm0.5之间，平均值为0.096 5 MPa·mm0.5。

2)在0.2～1.1 mm/min范围内，实验软煤岩断裂韧性随着加载速率的增大呈现出先增大后降低的规律。割理角度对软煤岩断裂韧性有较大影响，Ⅰ型断裂韧性与割理角度的关系呈现负线性相关性。

3)在0.2～1.1 mm/min范围内，低加载速率条件下，软煤岩断裂面不能完全吻合，软煤岩表现为韧性断裂，高加载速率条件下，2断面较锋利，能较好吻合，软煤岩表现为脆性断裂，加载速率的变化导致软煤岩断裂类型的变化。

4)在软煤层开展工程作业过程中，受割理等弱面的影响，裂纹尖端逐渐扩展时，如果破坏煤岩基质层所需能量低于沿着割理面所需能量，裂隙将直接切穿基质，这将有利于形成复杂裂缝网，但不利于煤层稳定性，降低了煤炭及煤层气资源开发的安全性。