摘 要：应用三轴岩石力学测试系统及煤岩气压致裂设备分析了原煤试件的水压致裂与气压致裂过程。在此基础上对裂缝的形成、扩展与压力的关系进行了分析，应用弹性力学和断裂力学理论对煤体裂纹形成和扩展过程进行分析。结果显示：煤样在水压和气压作用下首先达到拉应力强度极限破坏，随后在压力的作用下形成I型裂纹沿着裂纹面扩展，出现贯通裂纹。煤体的水压致裂和气压致裂的破坏形式以对径张拉破坏为主。

关键词：原煤；水压致裂；气压致裂；声发射

1 绪论

中国是一个缺乏石油，天然气和煤炭的国家。中国的“中长期发展能源发展规划（2004.2020年）”已经确定，中国将会“坚持以煤为主体，全面开展油气和新能源开发”的能源战略。影响天然气生产的自然因素是天然气资源量，天然气资源丰度，储层压力，煤体渗透率。[1]随着采矿规模和采矿深度的变化，中国大部分煤矿将变为低透气高瓦斯开采条件，必须利用煤层开发利用煤炭。[2]煤层水力压裂软化技术是解决高坚硬厚煤层综放开采顶煤软化的关键技术。[3]气动裂缝与水力压裂原理相似，压缩气体形成高压气体，裂缝煤岩层。因此，在没有水资源的情况下，有可能实现煤层防渗透和瓦斯抽采。研究瓦斯抽放水压力的压裂机理具有重要意义。许多学者对水压气压致裂进行了研究。为了从机理上了解煤体内压力作用下的裂隙扩展，膨胀行为和破坏形态，本文采用原煤进行了钻孔水压气压裂缝扩展行为规律的实验研究，并进行了理论分析。

2 煤体裂缝形成过程分析

根据实验煤样的形状，样品被简化为一个圆柱体。采用库仑准则判斷煤样破裂失效，并用库伦准则求剪切破断面的倾角。本文对上述结论进行验证，分布采用两个破坏准则进行判定。

（1）最大拉应力破坏准则。该标准认为，当最大拉应力达到材料的拉伸极限时，即导致材料破裂的一个点

F=σ-T0（k）=0

式中，T0是反映材料受拉条件下的抗拉强度。

（2）库伦准则。该规范的主要观点是煤岩的破坏是剪切破坏。取上述圆筒模型的横截面，取一个微元体。可知，平面中的剪切强度准则为：

{τ-fσ}max=12（σ1-σ3）f2+1-12f（σ1+σ3）

式中，f=tanφ。根据方程如果方程式小于c，破坏不会发生；如果它等于（或大于）c，则发生破坏。库仑准则在坐标系中的完整强度曲线为：

σc=2c[f2+1+f]

根据煤样参数进行计算，煤样并未达到库伦准则的剪切破坏，而是直接达到最大拉压力强度破坏。然而在实验中，煤样的破坏形成为对径张拉破坏，为两条倾角很小的竖直线。因此，圆柱形煤样受到水压气压之后，内壁边界拉应力最大，由于煤的非均质性，首先在在结构弱处进行张裂。

煤体并非各向同性的材料，它是一个各向异性的复杂组合体，在形成的过程中，存在着许多缺陷，这些裂纹会改变煤体的力学性质。装置主体将被破坏，形成径向裂纹。

3 煤体裂缝扩展过程分析

煤样达到拉应力强度发生破坏，出现裂纹，下一步我们对裂纹的扩展进行研究。孔壁中的液压裂纹是拉伸裂纹。根据断裂力学理论，煤体产生裂纹后的扩展行为可采用I型裂纹断裂模型来进行力学分析。

该模型被简化为内部压力缸长度为a的裂纹。圆筒的内半径为R1，外半径为R2，内壁上裂纹的深度为a，筒内压力为p。

检查“应力强度因子手册”，当裂纹很浅的时候（a→0），lima→0KI=1.12σπa。

裂缝扩展初始状态的判据为：

KI=Fσπa=2FpR22πaR22-R21KId

式中，KId为初始煤岩的动态断裂韧性，KId越大表明煤岩材料抵抗断裂的能力越大，它是材料的一种固有属性，其值可以通过实验测试出来。

整理得：

pKId（R22-R21）2FR22πa

从上式不难发现，假设煤岩的保持不变，那么随着裂缝a开裂长度不断的增大，所需的驱动压力越来越小，并且随着气体的不断涌入，裂纹将呈指数级增长。这和实验现象也是一致的，裂纹出现后，裂纹的扩展在很短的时间内进行，产生对径张拉裂纹。随后由于水压气压的卸载，裂纹停止扩展。

取压力分别为0.4MPa，0.8MPa，1.2MPa，下图为不同压力作用下的应力强度因子与裂缝长度的关系。从下图可以看出，在给定的地应力条件下，裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹长度的增加而增加。

4 结论

采用弹性力学和断裂力学理论对实验煤样的破坏过程进行了分析。煤样裂隙的发育分三个阶段，水压气压增大体积变化不明显的初始阶段，压力达到破坏强度后体积剧烈膨胀的扩展阶段，压力卸载体积变化较小甚至减小的裂隙闭合阶段。声发射信号可以很好的对应这三个阶段。同时，煤样裂纹的对径张拉破坏形式也验证了理论分析中的初始破坏及裂纹扩展方式。

参考文献：

[1]国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴2010[M].北京：中国统计出版社，2011.

[2]邓广哲.封闭型煤层裂隙地应力场控制水压致裂特性[J].煤炭学报，2001，26（5）：478.482.

[3]徐芝纶.弹性力学：上册[M].北京：高等教育出版社，2006：63.65.

作者简介：郝芹（1975.），女，河南郑州人，硕士，讲师，主要从事工程结构的非线性动力学研究。