1、第 44 卷 第 2 期安全Vol44 No22023 年 2 月Safety SecurityFeb 2023引用格式:曹有勋，杨涛，陈德任，等冲击气压对岩石动态破裂形态的影响规律研究 J 安全，2023，44(2):5053作者简介:曹有勋(1986)，男，山东泰安人，工程师，主要研究方向为煤矿安全。Email:2668117231qqcomDOI:1019737/jcnkiissn10023631202302008冲击气压对岩石动态破裂形态的影响规律研究曹有勋1工程师杨涛1工程师陈德任2工程师谭辉3赵敖寒3(1鄂托克前旗长城六号矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016200;2山东华坤地质
2、工程有限公司，山东 泰安 271413;3安徽理工大学 煤矿深井开采灾害防治技术科技研发平台，安徽 淮南 232001)【摘要】为探索高压空气冲击煤岩动态破坏特征与破裂形态的影响规律，开展真三轴条件下的岩石高压空气冲击致裂实验，设置 6 种冲击气压，结合致裂过程的气压曲线变化和致裂形态特征，得到高压空气冲击动态破坏特征与破裂形态的影响规律。实验结果表明:随着冲击气压的增大，其达到峰值压力后的压降速度增加;在致裂形态中，当冲击气压为 16MPa 时，其裂缝扩展导向性更强。研究结果可为动态冲击致裂增透煤岩体参数优化提供参考，以此达到更好的致裂效果，提高瓦斯抽采效率。【关键词】高压空气;冲击气压;真
3、三轴;致裂中图分类号:X936文献标识码:A文章编号:10023631(2023)02005004基金资助:安徽省教育厅 2021 年高校优秀青年骨干教师国外访问研修项目(gxgwfx2021019);安徽高校自然科学研究项目(KJ2021A0419);山东华坤地质工程有限公司委托项目(HX2021672403)Study on the Influence Law of Shock Pressure onock Dynamic Fracture MorphologyCAO Youxun1YANG Tao1CHEN Deren2TAN Hui3ZHAO Aohan3(1Otok Qianqi C
4、hangcheng No6 Mining Co，LTD，Erdos Inner Mongolia 016200，China;2Shandong Huakun Geological Engineering Co，LTD，Taian Shandong 271413，China;3esearch and Development Platform of Deep Mine Disaster Prevention Technology，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China)Abstract:In ord
5、er to explore the influence law of dynamic failure characteristics and fracture morphology ofcoal rock under high pressure air impact，the experiment of rock cracking caused by high pressure air impactunder true triaxial condition was carried out Six kinds of impact pressure were set Combined with th
6、e changeof pressure curve and fracture morphological characteristics during the cracking process，the influence law ofdynamic failure characteristics and fracture morphology of high pressure air impact was obtained The experi-mental results show that the pressure drop velocity after the peak pressure
7、 increases with the increase of theimpact pressure In the fracture formation，when the impact pressure is 16MPa，the conductivity of fracturepropagation is stronger The research results can provide reference for parameter optimization of dynamic im-pact cracking and antireflection coal rock mass，so as
8、 to achieve better cracking effect and improve gas ex-052023 年第 2 期专项研究冲击气压对岩石动态破裂形态的影响规律研究traction efficiencyKeywords:high pressure air;impact pressure;true triaxial;crack0引言深部煤层渗透率低、瓦斯含量高，且开采过程中极易发生煤与瓦斯突出之类的煤岩动力灾害13。寻找高效、经济、适用范围广的新型致裂方法是防治灾害的关键。近年来，研究出一种高压气体冲击致裂增透技术45，高压气体冲击致裂是采用高压空气的瞬间膨胀能量冲击钻孔孔壁致
9、裂岩石，该技术成本低、效率高6，具有广阔的应用前景。在气体致裂方面，楼晓明等7 采用理论研究与现场试验相结合的方法，研究孔底空气不耦合装药时，空气柱长度对孔壁冲击压力的变化规律，得到孔底部空气间隔不耦合装药条件下轴向不耦合系数与孔壁冲击压力随时间的变化曲线;俞海玲8 通过理论分析、试验研究、数值模拟和工程试验 4 种研究方法相结合的方式，系统探讨基于高压气体预裂爆轰作用对煤岩致裂弱化的理论和技术，这对工程应用具有重要意义;赵旭9 以高压氮气冲击过程及高压氮气的准静态膨胀作用为基础，分析致裂过程中能量的变化，并以之作为理论指导开展高压氮气冲击致裂实验与数值模拟研究，获得不同工况下高压氮气冲击致裂
10、的相关规律;Xia 等10 采用压汞孔隙度测试、气体排放指数实验、气体渗透率和分形理论等方法对 CO2射流压裂效果进行评价，结果表明:与原煤相比，处理煤的平均孔径大大增大，总孔隙体积从 15.75%增加到 41.31%。通过研究发现，以往对气体致裂煤岩方面的研究普遍采用单轴或假三轴应力环境，对于真三轴条件下冲击气压对煤岩动态破坏过程信息、致裂形态的影响规律研究较少，同时，冲击气压是高压气体冲击致裂增透技术的影响因素。因此开展在真三轴环境下 5 种冲击气压对岩石动态破坏过程致裂形态的影响规律研究，为高压气体冲击致裂煤岩参数优化提供参考。1实验方法1 1试块制作将水泥 河砂 水按 103 5 1
11、的质量混合，然后均匀搅拌，装入 150mm150mm150mm 的模具中，使用混凝土振动台震动 1020min，确保试块的均质性。在制作试样时，预制直径为 12mm，长为9mm 的致裂钻孔，试块制作完成后置于养护箱内养护28d11。制作完成后将直径8mm，长为90mm 的致裂管置于预制孔中，利用环氧树脂进行封孔，如图 1。图 1试块实物图Fig1Picture of sample block1 2实验系统实验系统包括真三轴加载单元和高压空气致裂单元，加载泵与三轴加载板构成真三轴加载单元，电磁阀、高压气体储罐、四级压缩机构成高压空气致裂单元，如图 2。?图 2实验系统图Fig2Experimen
12、tal system diagram15专项研究2023 年第 2 期冲击气压对岩石动态破裂形态的影响规律研究真三轴加载单元中加载泵沿 X、Y 和 Z 方向可独立施加三轴应力，通过每个方向的加载板施加在试块上。高压空气致裂单元由增压泵、容量 5L 的无缝不锈钢储罐等组成。利用最大压力为 30MPa 的增压泵将空气压入无缝不锈钢储罐中，通过电磁阀实现高压空气的瞬间释放。1 3实验方案根据文献 12 将三轴应力设置为 z=8MPa(Z方向)、x=48MPa(X 方向)、y=64MPa(Y 方向)。为探索高压空气冲击煤岩动态破坏特征与破裂形态的影响规律，设置相应实验方案进行研究。高压 空 气 冲 击
13、 压 力 分 别 设 置 为 6、8、10、12、14、16MPa。1 4实验步骤试验步骤如下:(1)将制备完毕的试块放置于真三轴腔体内。(2)通过真三轴应力加载单元，对试块施加应力，作用在试块上的应力在笛卡尔坐标中沿 X、Y 和Z 方向独立施加，Z 方向为垂直方向，真三轴应力值分别为 z=8MPa、x=48MPa、y=64MPa。(3)试块三轴应力加载完毕后，打开四级压缩机向储罐分别注入相应压力的高压空气，充气完毕后打开动态数据采集仪，记录数据，打开高压储气罐连接的电磁阀，开始试验。(4)试验结束后退压，保存相关试验数据。2结果2 1气压曲线特征分析冲击致裂过程中的压力变化，对于致裂效果研究
14、有重要意义。致裂过程中的气压曲线变化，如图 3。由于气压为 6MPa 的试块未致裂成功，因此无气压曲线。根据赵旭9 的研究可知，在高压空气冲击致裂煤岩过程中，当气压到达峰值后，在 01s 内气压会发生骤降。从图 3 可知，当气体压力为8MPa 时，在到达峰值后气压下降速度较慢，在 01s内相比初始气压下降了 58%，下降速度为 103MPa/s，而在初始气体压力为 1016MPa 的气压曲线中发现，在到达峰值后的 01s 内压力快速下降，下降的数值分别占初始气压的 28 3%、34 7%、29 8%、518%，下降速度分别为 283、416、418、829MPa/s，说明在高压空气的初始冲击致
15、裂过程中，初始气压为 1016MPa 的试块裂缝扩展速度快。图 3致裂过程气压变化曲线图Fig3Plot of pressure change during fracturing2 2致裂形态特征致裂形态可反映试块在试验过程中发生破裂的情况，用于评价致裂效果，因此对试块进行致裂形态分析，如图 4。图 4各气冲击压下的致裂形态Fig4Crack formation of each gas under impact pressure252023 年第 2 期专项研究冲击气压对岩石动态破裂形态的影响规律研究从致裂形态可以发现，当初始气体压力为6MPa 时，试块未见任何裂缝和破裂情况，在实验过程中，通
16、过声发射检测仪发现，没有声发射信号响应，说明在致裂过程中试块几乎未发生破裂，因此气体压力为 6MPa 情况下，试块无法被致裂;当初始气体压力为 8MPa 时，裂缝明显宽度较小，钻孔一侧主裂缝与最大水平主应力平行，另一侧与最大水平主应力成 45的夹角扩展，扩展至 2/3 处时偏转至最大水平主应力方向;当初始气体压力为 10MPa时，钻孔一侧主裂缝与最大水平主应力成 30的夹角扩展，另一侧主裂缝与最大水平主应力成 45的夹角扩展;当初始气体压力为 12MPa 时，钻孔两侧主裂缝呈“W”形;当初始气体压力为 14MPa 时，出现 3 条主裂缝，呈“T”形分布，且沿最大水平主应力方向扩展的主裂缝，一侧平行于主裂缝，一条与最大水平主应力成一定夹角;当初始气体压力为16MPa 时，2 条主裂缝几乎都平行于最大水平主应力。从上述形态分析可得，当初始气体压力为16MPa 时，其裂缝沿着最大水平主应力方向扩展，且冲击方向也是平行于最大水平主应力，说明在此冲击压力下，致裂效果佳，裂缝扩展导向性强。3结论本文通过开展各高压空气冲击致裂实验，得出以下结论:(1)通过对各高压空气压力下混凝土试块的气压曲线及致裂
