水力压裂模拟用煤岩体相似材料基础力学特性实验研究

翟 成，郑仰峰，余 旭，徐吉钊，孙 勇，丛钰洲，唐 伟，李宇杰，朱薪宇，陈爱坤

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

煤层气又称瓦斯，其主要成分是甲烷，既是矿井瓦斯灾害的源头，又是一种高效的清洁能源。中国煤层气资源丰富，已经探明埋深2 000 m 以浅煤层气储量大约为30.05 万亿m3，仅次于俄罗斯和加拿大，位居世界第三位[1-3]。但是，由于复杂的地质构造以及采掘深度的增加，中国70%的煤层气储层具有低透气性、微孔隙(小于10 nm，占65%)、高吸附和高地应力的特征[4]。因此，中国煤层气开发利用困难，直接打钻孔或水平井抽采煤层气效果不佳。煤层气的抽采效果取决于煤层透气性的优劣，透气性好的煤层内部裂隙发育程度高，贯通的裂隙网络能够促进游离煤层气的运移和吸附煤层气的解吸[5-8]。为了实现矿井瓦斯高效抽采，需要对低透气性煤层进行人为致裂增透。水力压裂措施是应用最广泛也是最有效的煤层致裂增透措施[9-10]。为了探究煤矿井下水力压裂煤层致裂增透、弱化机理，需要开展煤层水力压裂相关实验。

实施煤矿井下煤层水力压裂工程技术措施之前需要开展相关的先导性实验研究，研究方法主要包括物理模拟实验、数值模拟和现场测试。物理模拟实验与数值模拟和现场测试相比在参数控制、实验现象捕集以及可重复性方面具有明显的优势[11]。通过在实验室制作大尺寸物理模型模拟煤层执行水力压裂措施，可以更加直观地理解水力压裂作用机理和破裂行为。然而，煤矿井下大尺寸煤岩体原位保真取样技术不成熟，已有大尺寸煤样块多取自卸压区，其在运输和制备(钻、切和磨)过程中会发生二次破坏(风化、破裂等)，导致实验结果失真[12-14]。为解决上述问题，众多专家学者选择使用煤岩体相似材料替代原煤进行煤层水力压裂模拟实验，并取得一系列研究成果。

煤体的力学特性是影响水力压裂效果的最重要因素，使用煤岩体相似材料试样模拟原煤进行水力压裂模拟实验需要选择合适的相似材料，确定合适的配比并充分了解试样的力学特性。针对上述科学问题，国内外专家进行了研究，翟成[15]、李贤忠[16]等使用水泥、碳酸钙和煤粉(35∶35∶1)制作大尺寸(1 m×1 m×1 m)煤岩体相似材料试样，测定其应力应变曲线、拉压比使之与现场煤岩体相似，并用其进行了煤层脉动水力压裂卸压增透机理实验研究。黄炳香[17]以煤粉、水泥、石膏为相似材料，制作不同配比的煤岩体相似材料试样进行力学性能探究，得出通过调整材料配比，可以使试样与煤岩体力学性能相似，并用其进行水力致裂弱化增透模拟实验。Hu Qianting 等[18]使用水泥、砂子、水、活性炭和碎煤为相似材料，制作不同配比的煤岩体相似材料并研究其力学性质。Wang Gang等[19]在文献[18]的基础上进一步优化煤岩体相似材料的配比，使煤岩体相似材料在变形和渗透率特性上与原煤相似度进一步提高。秦雷[20]通过对多种配比煤岩体相似材料试样进行力学性能测定，得出相似材料煤粉∶石膏∶水泥∶黄沙=4∶1∶3∶2 时，试样与所研究的原煤力学性能相近，并使用该试样代替原煤进行了大尺寸的压裂实验。Li Quangui[21]、陆沛青[22]使用水泥∶煤粉∶砂子∶石膏∶水=4∶1∶4∶1∶2.3制作煤岩体相似材料试样代替原煤进了脉动水力压裂增透机理的研究。李树刚等[23]以河砂为骨料，普通水泥和淀粉为胶结材料制作煤岩体相似材料试样，用于非突出煤岩的“固−气”耦合物理相似模拟实验。Chen Jiangzhan 等[11]基于低阶煤流固耦合特性，使用煤粉、水泥、石膏和砂子制作不同配比煤岩体相似材料试样，研究了其力学性能，得出水泥和石膏分别是控制煤岩体相似材料强度和变形的主要因素。Zheng Yangfeng等[24]在煤岩体相似材料与原煤力学性能相似的基础上，研究了煤粉颗粒粒径对煤岩体相似材料力学性能的影响，得出煤颗粒粒径在0～3 mm 范围内，当煤颗粒粒径为1～2 mm 时，试样超声波波速、强度和弹性模量最大。

综上所述，前人采用不同种相似材料制作不同配比煤岩体相似材料试样研究了基础力学特性，并执行了一系列水力压裂实验取得了丰硕的成果。但是，煤岩体相似材料试样制作使用的相似材料没有统一标准；各相似材料对于试样影响的力学响应规律认识不足，没有建立力学参数的耦合模型；没有给出煤岩体相似材料强度的预测公式，已有各种配比普适性不足。因此，笔者设计制作不同配比的煤岩体相似材料试样，研究其基础物理力学特性。实验结果可为煤层水力压裂模拟用煤岩体相似材料配比设计及力学特征相似提供基础理论支撑。

1 材料选取

进行物理模拟实验需要选取合适的相似材料，根据前人的研究，相似材料的选取应该满足以下原则[23,25]：(1)材料的力学性质(强度、变形等)与煤岩体类似；(2)煤岩体相似材料试样在力学加载中的应力应变曲线与原煤相一致；(3)通过改变配比可以大范围地调整试样的力学特性；(4)试样性能稳定，受环境(温度、湿度等)影响较小。

煤岩体相似材料试样必须具备一定的抗压强度，普通硅酸盐水泥是一种广泛用来调整试样强度的胶结剂，且其强度变化范围广，制作工艺简单。前人研究结果表明：煤岩体相似材料的单轴抗压强度主要由水泥含量的多少来决定[11,18]。石膏具有明显的脆性特征，在已进行的模拟实验中，石膏作为胶结物制作的试样与煤岩性质接近，其弹性模量与抗压强度的调节范围也比较大[26]。而且石膏试样以脆性变形为主，石膏含量很大程度上决定了试样的变形特征[11]。砂子是最常用的骨料填充物，来源广泛。值得注意的是颗粒粒径会影响试样的强度，因此本次实验均使用过80～40目(180～425 μm)的砂子。煤粉作为原煤的粉末状颗粒物会保持煤岩体的部分性质，使做出来的煤岩体相似材料与原煤的相似度更高，因此选择过160～120 目(100～125 μm)筛子的煤粉(取自陕西榆林三道沟乡张明沟矿褐煤)作为煤岩体相似材料的添加物。但是，前人研究结果表明煤粉对煤岩体相似材料物理力学性能影响重要度不及水泥、石膏和砂子，因此本研究不考虑煤粉含量对煤岩体相似材料力学性能的影响。

本文选择普通硅酸盐水泥(强度32.5)、石膏、砂子(80～40 目)和煤粉(160～120 目)作为相似材料，保持水灰比一致制作煤岩体相似材料试样。

2 实验设计

2.1 试样制作

根据表1 的配比(质量之比)设计制作煤岩体相似材料试样(图1)，使用电子天平精确称量各相似材料，然后使用水泥振动棒将各类原料均匀搅拌成浆液，将均匀的浆液倒入长×宽×高为300 mm×300 mm×300 mm模具中，利用振动台振动消除内部气泡。将模具放入恒温恒湿养护箱中静置2 d，待试样固定成型后拆除模具，然后继续放入恒温恒湿养护箱中养护28 d。最后，按照国际岩石力学学会(ISRM)《岩石力学试验建议方法》(1982)推荐制样要求[27]，使用钻−切−磨一体机将正方体试样加工成两种标准圆柱试样(ø50 mm×100 mm 进行单轴压缩试验；ø50 mm×25 mm 进行巴西劈裂实验)。

图1 试样制作流程Fig.1 Flow chart of specimen preparation

表1 煤岩体相似材料配比设计Table 1 Proportion scheme for different samples preparation

2.2 实验系统

本文实验系统(图2)包括三个子系统，分别为超声波测试系统、单轴压缩测试系统和应变数据采集系统。设备的具体参数如下所述：

图2 实验系统Fig.2 Test system

(1)超声波测试系统：非金属超声检测分析仪(NM-4A)可以检测试样两种波形(P 波和S 波)，其最大发射电压为1 000 V，采样周期为0.4 μs，超声波测量误差小于2%。

(2)单轴压缩测试系统：MTS 液压伺服万能压力机(C64.605)最大压力为600 kN，控制精度为0.5%，分为位移加载、力控加载和应变加载三种模式，位移分辨率小于0.2 μm，数据采样频率最高1 000 Hz，工作温度为5～40℃。

(3)应变数据采集系统：静态应变采集仪(DH3818-1)应变测量范围为±19 999 με，最高分辨率可达1 με，工作温度为0～40℃，实验采用半桥式接法。

2.3 实验流程

(1)首先使用数显式游标卡尺和电子天平测量试样的直径、高度和质量，然后将试样放入真空饱水机中，在−0.1 MPa 下饱水24 h，然后使用核磁共振分析仪无损测定其孔隙率，之后将试样放入干燥箱中，在40℃下干燥48 h。

(2)将超声波测试系统连接好，根据试样高度设定好测量参数，在试样两端涂抹凡士林耦合剂，然后将超声波P 波探头夹紧试样，调整波形找到首波，自动计算出P 波波速。然后替换声发射探头为S 波探头，测定S 波波速，直到所有试样全部测定完毕。

(3)使用胶水在ø50 mm×100 mm 试样表面布置应变片(如图2 所示)，粘贴应变片过程中要确保应变片的线路不被扯断损坏，一旦损坏应立即更换新的应变片。

(4)为避免端面效应，在ø50 mm×100 mm 试样两端涂抹凡士林耦合剂，然后放置在MTS 压力台上，使用半桥法连接静态应变采集仪，并测试电信号完好。设置加载速率为0.1 kN/s，进行试样的单轴压缩实验，同时采集应变数据，直到所有试样全部完成。

(5)设置加载速率为0.1 kN/s，使用巴西劈裂夹持器(图3)对ø50 mm×25 mm 的圆盘试样进行巴西劈裂实验，测定试样的单轴抗拉强度。

图3 巴西劈裂实验装置Fig.3 Brazilian splitting experiments equipment

3 实验结果和讨论

3.1 试样超声波波速、密度和孔隙率变化

超声波波速测定是一种无损探测技术，被广泛应用于采矿、土木、煤层气开发等领域[28-29]。前人对超声波波速与岩石工程特性(单轴抗压强度、孔隙率、泊松比、试样长度等)的关系研究得出，超声波波速与岩石特性密切相关[30-32]。超声波波速可以用于岩石材料强度和变形的估算[33]，反映材料内部裂隙状况[34]，评估岩石材料的物理力学性能。按照SY/T 6351−2012《岩样声波特性的实验室测量规范》要求[35]，对试样的P 波和S 波进行测定，此外还测定了试样的孔隙率和密度，结果见表2。

表2 超声波波速、密度和孔隙率测试结果Table 2 Ultrasonic wave velocity,density,and porosity test results

根据表2 测定结果，绘制图4 和图5。可以看出，试样P 波和S 波波速的变化趋势一致，其中试样CL4 的P 波和S 波波速最大，分别为1.932 km/s 和1.552 km/s，试样CL1 的P 波和S 波波速最小，分别为1.218 km/s和0.529 km/s。试样CL4 的P 波和S 波波速分别是试样CL1 的1.59 倍和2.93 倍。7 种试样超声波波速大小排序为：CL4 >CL5 >CL3 >CL6 >CL7 >CL2 >CL1。而且同种试样S 波波速的增长幅度要大于P 波。试样超声波波速变化趋势与密度变化趋势相一致，与试样孔隙率变化趋势相反。CL4 试样密度最大为1.732 g/cm3，而其孔隙率最小为14.14%；CL1 试样密度最小为1.276 g/cm3，其孔隙率最大为17.03%。试样CL4 的密度是CL1 的135.74%，而试样CL1 的孔隙率是CL4 的120.44%。7 种试样的密度大小顺序与超声波波速一致，与孔隙率大小顺序正好相反，说明超声波P 波和S 波波速随着密度的增大而增大，随着孔隙率的增大而减小。

图4 超声波P 波和S 波波速变化趋势Fig.4 The variation trend of ultrasonic wave velocity

图5 孔隙率和密度变化趋势Fig.5 The variation trend of porosity and density

产生上述现象的原因是超声波P 波在不同介质中的传播速度是不同的，其传播速度固体>液体>气体，而S 波只在固体中传播。因此密度大、孔隙率小的试样固体占比多，超声波传播速度快，可以通过超声波测定反映试样的密度和孔隙率大小。而究其根本原因，试样的不同配比引起了这一系列的变化。

3.2 试样基础力学特征

3.2.1 单轴抗压、抗拉强度

不同配比煤岩体相似材料试样具有不同的物理力学性质，研究材料配比对试样物理力学性质的影响规律，对煤岩体相似材料模拟原煤进行水力压裂模拟实验具有显著意义。因此，对7 种试样进行单轴压缩、巴西劈裂和应变采集实验，测定试样的单轴抗压、抗拉强度和变形特征。由于岩石类试样的脆性较高，直接拉伸法不适合，因此选用巴西劈裂法间接测定抗拉强度[36]，其测量原理[37-38]如下式所示：

式中：σt为单轴抗拉强度，MPa；F为作用在圆盘上的力，N；D为圆盘的直径，mm；L为圆盘的高度，mm。测定结果见表3。

表3 力学参数测定结果Table 3 Measurement results of mechanical parameters

根据图6 可以看出，试样的单轴抗压和抗拉强度变化趋势相一致，其中，试样CL4 的抗压和抗拉强度最大，分别为7.16 MPa 和0.414 MPa，而试样CL1 的抗压和抗拉强度最小，分别为2.84 MPa 和0.231 MPa。CL4 的抗压强度和抗拉强度分别是CL1 的2.52 倍和1.79 倍。7 种试样抗压和抗拉强度从大到小的顺序为CL4 >CL5 >CL3 >CL6 >CL7 >CL2 >CL1。分析7种试样的抗拉抗压强度比，发现其值处于[0.058,0.081]，这与岩体抗拉强度是抗压强度的1/25～1/4([0.04,0.25])相吻合[39]。因此，煤岩体相似材料试样的单轴抗压和抗拉强度符合煤岩力学特征。

图6 试样抗压和抗拉强度变化趋势Fig.6 Variation trend of compressive and tensile strength

3.2.2 弹性模量

弹性模量是煤岩体相似材料的一项重要物理指标。从图7 可知试样CL4 的弹性模量最大为0.515 GPa，试样CL7 的弹性模量最小为0.142 GPa，CL4 的弹性模量是CL7 的3.63 倍。7 种试样的弹性模量从大到小为CL4 >CL3 >CL5 >CL2 >CL1 >CL6 >CL7。弹性模量的大小顺序与单轴抗压强度的顺序不一样，这与文献[18]的研究结果不一致，主要是由于相似材料的配比不同。

图7 弹性模量的变化趋势Fig.7 Variation trend of elastic modulus

为了进一步研究弹性模量与单轴抗压强度的关系，将试样分为水泥∶石膏(CL1、CL2、CL3 和CL4)组和水泥∶砂子(CL4、CL5、CL6 和CL7)组，分别对这两组的弹性模量和单轴抗压强度 σc进行拟合分析，结果如图8 所示。试样在石膏或砂子含量一定时，弹性模量和单轴抗压强度呈一次线性拟合关系。弹性模量均随着单轴抗压强度的增大而增大，这与前人研究岩石特性结论相一致[40]。因此，石膏和砂子这两种相似材料对试样弹性模量性质的改变是不同的。交叉对比试样的弹性模量，发现当水泥含量不变，含石膏多的试样的弹性模量大于含砂子多的试样。说明对于弹性模量的增长，相似材料中水泥>石膏>砂子。

图8 弹性模量与单轴抗压强度关系Fig.8 Relationship of elastic modulus with uniaxial compressive strength

3.2.3 变形特征

试样在峰值应力下对应的轴向应变为峰值应变，峰值应变可以反映试样的轴向变形程度，对于研究试样的变形特征具有重要意义。如图9 所示，试样CL5的峰值应变最大，达到4.51 %，CL1 的峰值应变最小，为2.15 %，最大值是最小值的2.10 倍，峰值应变的量程为[2.15 %,4.51 %]。7 组试样峰值应变从大到小依次是CL5 >CL6 >CL7 >CL4 >CL3 >CL2 >CL1，对比水泥、石膏和砂子3 个变量，在砂子含量保持不变的情况下，峰值应变随着水泥∶石膏比例的增大而增大，试样塑形增强，脆性减弱；在石膏含量保持不变的情况下，峰值应变随着水泥∶砂子比例的增大，没有明显的规律性，但是增加砂子含量试样的峰值应变明显大于增加石膏含量试样。对试样峰值应变与水泥∶石膏比值进行拟合分析，结果如图10 所示。

图9 峰值应变变化趋势Fig.9 Variation trend of peak strain

图10 峰值应变与水泥:石膏比值的关系Fig.10 Relationship of peak strain with different ratio of cement and gypsum

峰值应变随着水泥∶石膏比值的增大呈二次多项式正相关拟合关系，随着石膏含量的减少，水泥含量的增加，试样的峰值应变逐渐增大。因为石膏是脆性材料，增加石膏含量会提升试样的脆性，减小其变形量。此外，在石膏含量一定的情况下，适当增加砂子的含量，可以大幅度提升试样峰值应变的大小。

3.3 讨 论

3.3.1 相似材料配比对试样性能的影响

为进一步探究相似材料配比对煤岩体相似材料试样性能的影响规律，根据设计的试样配比，CL1、CL2、CL3 和CL4 四个试样配比中煤粉、砂子和水占比保持一致，其变量为水泥与石膏的比例，而CL4、CL5、CL6 和CL7 四个试样中煤粉、石膏和水占比保持一致，其变量为水泥与砂子的比例。因此，将这7 种试样的超声波波速(P 波和S 波)、密度、孔隙率和强度(抗压和抗拉强度)与试样配比(水泥∶石膏和水泥∶砂子)进行拟合分析(图11)。

图11 中横坐标x1和x2的变化范围均为[1/3,3]。由图11 可以得到：试样超声波波速(P 波和S 波)、孔隙率与试样中水泥∶石膏比值(x2)和水泥∶砂子(x1)均呈线性拟合关系。超声波波速(P 波和S 波)均随着水泥∶石膏或水泥∶砂子比值的增大而增大。水泥与石膏的比值增大8 倍，试样超声波P 波和S 波波速分别增大1.59 倍和2.93 倍；水泥∶砂子比值增大8 倍，试样超声波P 波和S 波波速分别增大1.35 倍和1.65 倍。说明水泥对试样波速的影响大于石膏和砂子。将试样进行交叉对比(CL1 和CL7，CL2 和CL6，CL3和CL5)，发现当试样中煤粉、水泥、水配比相同时，砂子∶石膏越高，超声波波速越大，说明砂子含量对超声波波速的影响大于石膏。综上所述，对于超声波波速的影响水泥>砂子>石膏，但是对比相同配比下波速的变化幅值，石膏对于超声波波速可调动范围比砂子更大。此外，相同横坐标x1或x2下，S 波波速拟合公式斜率均大于P 波波速拟合公式，说明随着水泥∶石膏或水泥∶砂子比值的增大，S 波波速增幅大于P 波。

图11 超声波波速、密度、孔隙率和强度与材料配比关系Fig.11 Relationship of ultrasonic wave velocity,density,porosity and strength with materials ratio

孔隙率与水泥∶石膏或水泥∶砂子呈一次负相关关系，随着水泥∶石膏或水泥:砂子的增大而减小。当水泥∶石膏和水泥∶砂子比值增大8 倍时，对应的孔隙率分别降低16.97%和12.28%。在水泥、石膏和砂子3 种相似材料中水泥占比的增大会减小试样孔隙率。同样进行交叉对比，得出石膏含量越高孔隙率越大。综上可以得出对于增大试样孔隙率的能力，石膏>砂子>水泥。试样的密度随着材料配比的增大呈指数关系增长，水泥占比越大，密度越大。其中，当水泥∶石膏或水泥∶砂子的比值增大8 倍，试样的密度分别增大1.36 倍和1.26 倍。对比两条拟合曲线发现在相同比例的情况下，试样中砂子含量越高试样的密度越大，因此，在水泥、石膏和砂子3 种相似材料中，对于增大试样密度的能力，水泥>砂子>石膏。

试样的单轴抗压和抗拉强度与水泥∶石膏或水泥∶砂子均呈二次多项式正相关拟合关系。试样的单轴抗压或抗拉强度均随着水泥∶石膏或水泥∶砂子比值的增大而增大，试样中水泥占比越高，试样的强度越大。将试样进行交叉对比，在水泥占比不变的情况下，石膏和砂子占比相同的两种试样中，含砂子多的试样抗压和抗拉强度均大于含石膏多的试样。经过两组对比得出：试样增大强度能力的影响，水泥>砂子>石膏。水泥的含量在很大程度上决定了试样的强度。

3.3.2 试样超声波波速与密度、孔隙率、强度的关系

不考虑材料的配比，将试样孔隙率和密度按照从小到大的顺序排列，并将其与对应的超声波P 波和S波波速进行拟合分析，结果如图12 所示。超声波P 波和S 波波速与密度呈三次多项式拟合关系，拟合度分别为0.989 4 和0.995 3，且试样超声波波速随着密度的增大而增大，试样超声波波速与密度正相关。试样超声波P 波和S 波波速与孔隙率也呈三次多项式拟合关系，拟合度分别为0.986 7 和0.984 1，拟合公式见图12。超声波波速随着试样孔隙率的增大而减小，超声波波速与试样孔隙率呈负相关关系，这与S.Kahraman[41]、C.Kurtulus[42]、A.Azimian[43]等研究成果一致。

图12 超声波波速与孔隙率、密度拟合曲线Fig.12 The fitting curve of ultrasonic wave velocity,porosity and density

将试样超声波P 波波速与单轴抗压和抗拉强度进行拟合，发现超声波P 波波速与抗压、抗拉强度呈二次多项式正相关拟合关系，超声波P 波波速越大，试样的单轴抗压和抗拉强度越大，这与文献[44]的研究结果相一致。根据3.3.1 节研究结果，超声波P 波波速越大表明试样中的水泥和砂子含量越高。此外，水泥含量越多，试样的强度越大。因此，在试样进行强度测试之前，基于图13 中拟合的公式可以通过测定超声波P波波速来预测试样强度的大小。

图13 超声波P 波波速与抗压和抗拉强度关系Fig.13 Relationship of compressive and tensile strength with ultrasonic P-wave velocity

本文7 种煤岩体相似材料试样的P 波波速、S 波波速、抗压强度、抗拉强度、弹性模量和峰值应变的变化范围分别为1.218～1.932 km/s，0.529～1.552 km/s，2.84～7.16 MPa，0.231～0.414 MPa，0.142～0.515 GPa 和2.15%～4.51%。笔者测试了陕西榆林三道沟乡张明沟矿褐煤的力学特性并从公开文献中总结了内蒙古胜利煤田褐煤[45]以及陕西恒益煤矿烟煤[46]的力学特性数据(表4)。经过对比发现，张明沟矿褐煤力学参数均在上述试样参数变化范围之内；而胜利煤田褐煤和恒益煤矿烟煤超声波波速和峰值应变也与本文煤岩体相似材料变化范围相符。胜利煤田褐煤的抗压强度和弹性模量以及恒益煤矿烟煤的抗压、抗拉强度与弹性模量与本文煤岩体相似材料数据存在小幅偏差，这是由于煤体变质程度、加载方式及处理方式(干燥、饱水等)综合作用的结果。

表4 原煤力学特性数据Table 4 Mechanical properties data of raw coals

综上所述，本文煤岩体相似材料试样与原煤符合程度较好，其力学特征满足模拟原煤的需求。根据图11 所得拟合公式通过改变材料配比(水泥∶砂子或水泥∶石膏)可以得到所需要的煤岩体相似材料力学特征。通过改变水泥和石膏的含量可以大范围改变试样的强度和变形特征。超声波具有无损、快速、准确探测的优点，因此，本文引入超声波波速这一参量，通过与煤岩体相似材料试样基础参量(密度、孔隙率和力学强度)建立耦合数学模型，基于该模型可以通过测定未知参量试样的超声波波速来评估其基础力学特性，可节省基础力学特性的测量时间。在水力压裂模拟实验中，煤岩体相似材料试样与原煤相比具有以下三点优势：(1)更容易制作大尺寸试样进行水力压裂实验研究。(2)在制备试样过程中可以插入结构面(木板、铁板等)，待试样未完全凝固时将结构面抽出制作各种参数(数量、角度、长度等)的层理弱面结构。(3)在试样制备过程中可以将压裂管路进行预埋。必须指出本文着重考虑试样的基础力学特性，对于试样的孔渗结构特征考虑较少，这也是后期工作的重点。本文试样的孔隙率较大更适合低阶煤(褐煤等)的模拟。充分认识煤岩体相似材料试样的基础力学特征，可以为水力压裂模拟实验提供基础理论支撑，还可以更好地解释实验结果。

4 结 论

a.7 种煤岩体相似材料试样超声波P 波波速、S波波速、密度和孔隙率的变化范围分别为1.218～1.932 km/s，0.529～1.552 km/s，1.276～1.732 g/cm3和14.14%～17.03%。试样超声波波速随着密度的增大而增大，随着孔隙率的增大而减小。超声波波速与材料配比(水泥∶石膏或水泥∶砂子)之间满足线性拟合关系，对于超声波波速的影响，水泥>砂子>石膏。

b.试样孔隙率与材料配比呈线性负相关关系，随着配比的增大而减小；密度与材料配比呈指数函数关系，随着配比的增大呈指数式增大。在不考虑材料配比的情况下，超声波波速与密度和孔隙率均呈三次多项式拟合关系。

c.7 种试样的平均抗压强度、抗拉强度、弹性模量和峰值应变的变化范围分别为2.84～7.16 MPa，0.231～0.414 MPa，0.142～0.515 GPa 和2.15%～4.51%。试样单轴抗压和抗拉强度与材料配比及超声波P 波波速均呈二次多项式拟合关系；在石膏或砂子含量一定时，弹性模量与单轴抗压强度呈线性拟合关系；峰值应变与水泥∶石膏比值呈二次多项式拟合关系。试样的强度和峰值应变分别由水泥和石膏含量的多少决定，通过超声波P 波波速的测定可以提前预测试样的强度。

d.煤岩体相似材料具有以下优点：试样各性质的可调范围较大；可以通过改变相似材料配比获得不同性质(超声波、密度、孔隙率、强度、变形等)的试样；试样制作方法比较简单。此研究为使用煤岩体相似材料试样进行水力压裂模拟实验提供设计依据，有利于深入解读水力压裂实验现象，促进矿井瓦斯防治技术的发展，具有广泛的应用价值。然而，本文较少考虑试样的孔渗特性，研究范围内的煤岩体相似材料试样更适合低阶煤的模拟。下一步的工作重点是在力学特性相似的基础上，研究试样的孔渗结构特征。