汪家寨煤岩各向异性的力学特性研究_赵凌云.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022汪家寨煤岩各向异性的力学特性研究赵凌云1,2,魏元龙1,2,刘伟1,3,张雄3(1.复杂构造区非常规天然气评价与开发重点实验室,贵阳,550081;2.贵州省油气勘查开发工程研究院,贵阳,550081;3.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,400044)摘要:煤岩具有典型的层理构造,导致煤岩具有显著的各向异性特征。采集贵州大河边向斜区内汪家寨煤矿井下工作面 11 号原煤,制备了与层理面呈不同夹角(0/30/45/60/90)的煤岩试样,系统开展了超声波速测试、单轴和三轴压缩试验研究,从各个角度研究煤岩各向异性特征。结果表明:超声波速显示煤岩的各向异性明显,说明与层理不同夹角方向煤岩内部密实程度不同;单轴压缩试验下,抗压强度和弹性模量均表现出高度的角度效应,0和 90试样最高、45最低,整体呈近似“U”形分布;三轴压缩试验下,强度和变形也具有显著的角度效应,0和 90试样的峰值强度和峰值应变均较大,且均为穿层理剪切破坏,中间角度的强度和变形能力相对较弱,以顺层理或与层理呈小夹角剪切破坏为主;黏聚力和内摩擦角随层理交角大体呈两边高、中间低的变化趋势,其本质上反应的是基质与层理的抗剪性能差异;可以用横观各向同性模型表征煤岩的各向异性特征,并获得了 5 个独立参数。该研究揭示了汪家寨煤岩的各向异性的变形与强度特征,可为同类煤储层井壁稳定性评价、压裂设计及缝网扩展分析等提供重要理论依据及技术指导。关键词:原煤;各向异性;层理角度;强度和变形;横观各向同性中图分类号:TD313文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0603-08Study on the Mechanical Properties of Anisotropy of Wangjiazhai Coal-RockZhao Ling Yun1,2,Wei Yuan Long1,2,Liu Wei1,3,Zhang Xiong3(1.Key Laboratory of Unconventional Natural Gas Evaluation and Development in Complex Structural Area,Guiyang 550081,P.R.China;2.Guizhou Oil and Gas Exploration and Development Engineering Research Institute,Guiyang 550081,P.R.China;3.State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,P.R.China)Abstract:Coal-rock has a typical bedding structure,which results in obvious anisotropy of coal-rock.No.11 raw coal was collected from Wangjiazhai Coal Mine in the syncline area of Dahebian,Guizhou,and coal samples with different angles(0/30/45/60/90)to bedding were prepared.To study the anisotropic characteristics of coal-rock from different angles,ultrasonic velocity tests,uniaxial and triaxial compression tests were systematically carried out.The results show that:Ultrasonic velocity has an obvious influence on the anisotropy of coal and rock,which indicates that the internal compactness degree of coal-rock at different angles is different.Under the condition of the uniaxial compression test,the compressive strength and elastic modulus show a great angular effect.The compressive strength of 0 and 90 samples is the highest,and the compressive strength of 45 收稿日期:2022-02-16(修改稿)作者简介:赵凌云(1986),男,贵州铜仁人,高级工程师,主要从事复杂区非常规天然气开发的研究与工程。E-mail:zhaolingyun-554 通讯作者:刘伟(1986),男,四川德阳人,博士,研究员,主要从事非常规天然气储层的渗流力学与岩石力学研究。E-mail:whrsmliuwei 基金项目:贵州省地质勘查基金项目(208-9912-JBN-UTS0);国家科技重大专项项目(2016ZX05044003-007)samples is the lowest,showing a U shape distribution.Under the condition of the triaxial compression test,the strength and deformation also have an obvious angular effect.The peak strength and peak strain of 0 and 90 specimens are larger,which are all destroyed by bedding shear.The strength and deformability of the middle corner are much weaker,mainly due to shear failure along with bedding or at a small angle to bedding.The cohesion and internal friction angle tend to be higher at both ends and lower at the middle with the increase of bedding intersection angle.In essence,it reflects the difference of shear properties between matrix and bedding.The transversely isotropic model can be used to characterize the anisotropy of coal and rock,and five independent parameters are obtained.The study reveals the anisotropic deformation and strength characteristics of Wangjiazhai coal-rock mass,which provides an important basis for coalbed methane fracturing design and reservoir reconstruction in this block and similar structural areas.Keywords:raw coal;anisotropic;bedding angle;Strength and deformation;transverse isotropy0前言我国煤层大多属于低渗储层,一般都需通过储层压裂改造,形成“人造”裂缝系统来提高渗透率,进而实现煤层气的商业开采1-3。贵州作为南方十四省唯一的产煤大省,其域内的上二叠统可采煤层的煤层气地质资源量高达 3.05 万亿立方米4。但贵州为扬子陆块级构造单元内的上扬子陆块级构造单元,经历了多期次的构造运动叠加,构造变形较为强烈,复杂的地质构造也是导致其煤层气勘探开发进程缓慢的原因。围绕贵州煤储层的构造、储层特性及压裂改造的研究,已成为支撑贵州未来煤层气大规模商业开发、缓解贵州煤矿安全瓶颈的重要基础。煤层属于沉积构造,一般具有显著的层理特性,导致其具有典型的各向异性。认识煤层的各向异性是制定煤层气开发方案的基础。一般的岩石都具有典型的各向异性,围绕岩石各向异性的研究,历来便是地质矿产及油气领域的重要方向。陈天宇等5利用试验手段研究了页岩力学各向异性与渗透各向异性;宫伟力等6结合 CT 扫描、图像处理研究了煤岩微、细观结构的各向异性;刘凯德等7研究了淮南矿区煤岩各向异性,及割理系统对各向异性的影响;李玉伟等8从试验手段研究了煤岩的抗压强度、弹性模量及泊松比等的各向异性;衡帅等9基于变角度直剪试验,研究了龙马溪页岩的各向异性。姚家李等10以片麻岩为研究对象,对垂直和平行层理的岩样分别进行了点荷载试验和单轴压缩试验,分析片麻岩在这两种试验下的各向异性力学特性,并研究其点荷载强度与单轴抗压强度之间的相关性,得出了在点荷载和单轴压缩试验中,片麻岩的各向异性力学特征表现得十分明显,垂直层理的强度明显大于平行层理的强度。张伯虎等11通过不同层理角度页岩试样的单轴、三轴压缩试验和超声波试验,研究了页岩力学参数的各向异性特征,揭示了其力学性能和强度特征。向前等12在各向异性材料的弹性本构的基础上,基于应变迭加原理推导了贯穿节理岩体变形的等效弹性本构模型。应用该等效本构模型,分析了含有一组节理、两组节理和三组节理正交的空间各向异性。刘小平等13利用弹性矩阵系数,识别出覆岩“三带”各向异性为 HTI 介质属性,计算出不同深度岩体的各向异性参数及工程力学参数,对比分析了覆岩“三带”与各向异性参数、工程力学参数之间的关系。研究成果使岩体力学及勘探地震学正演计算不再依赖目标介质各向异性类型,开辟了岩体工程力学特性研究的新方向。Xiao 等14研究了神华亚烟煤(SH)的低温氧化性能和氧吸附增重动力学。采用热重试验研究了不同粒径、不同升温速率、不同煤种的煤在低温氧化过程中的氧吸附质量阶段。Wang 等15为充分认识煤渗透性有效孔隙度和应力敏感性的各向异性规律,考虑煤层天然裂缝分布的影响,建立了改进的渗透率模型及相应的应力敏感性各向异性评价指标。基于塔山煤矿获得的各向异性煤样,系统评价了不同应力条件下 3个正交方向的有效孔隙度和渗透率,定量分析了渗透率 应 力 敏 感 性 的 各 向 异 性 演 化 规 律。Zhang等16对 120 个不同煤田的矿井水样进行了水文地球化学分析,并对其饮用水、生活用水和灌溉用水进行了水质评价。一些学者17-18通过单三轴试验、冲击荷载和声发射试验结合能量耗散理论和损伤本构模型建立对煤岩力学特性、能量演化规律和406地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷损伤特征进行了研究。部分学者19-20对煤岩组合体开展了力学实验研究,揭示了倾角不同的煤岩组合体强度和变形破坏特征和得出煤岩组合体破坏过程的能量传递机制较好地揭示了岩石组分破坏的滞后现象。杜学领21为获得贵州西部六盘水地区煤系地层的特征,采用文献调研和统计的方法,对六盘水地区 15 座高产矿井的地质条件进行统计分析,统计评价指标包括聚煤地层、地质构造、煤层厚度、煤层层间距、顶底板条件、瓦斯特征、煤与瓦斯突出危险性等。松软煤层瓦斯低成本高效抽采属于世界性技术难题之一,张永民等22研究了贵州六盘水中井煤矿回采工作面规模煤层可控冲击波增透效果为解决这一难题提供了一个成功示范。由于贵州煤层构造复杂、煤储层物性特殊,多煤层气开发相对滞后,且贵州煤层多为复杂构造区的松软煤层,原煤的获取较为困难。从已有研究来看,专门针对贵州境内原煤各向异性的研究不多,这在一定程度上成为了影响贵州煤层气开发的制约因素之一。本文以贵州省六盘水区域内大河边向斜汪家寨煤矿煤岩为研究对象。该向斜是贵州省内典型的“向斜控气”构造,目前已经纳入贵州煤层气开发优选区域。获取了汪家寨煤田井下工作面原煤,结合室内试验研究和理论分析,系统分析了原煤的各向异性特征,给出了煤岩的力学模型及计算参数,并对器工程意义进行了相关探讨。相关研究可以为煤层气的开发提供基础数据及理论指导。1制样与试验方案选取大河边煤矿井下工作面 11#煤层(深度约900 m),利用撬杠等工具将大块完整煤岩撬出,选取尺寸不小于 300 mm300 mm300 mm 的大煤块运输至地面;运出地面后迅速用保鲜膜密实缠绕,然后再用内嵌泡沫板的箱子运输至加工室。如图1(a)所示,煤层工作面可见明显层状结构及垂向分布不均一性,各向异性明显。煤岩强度低且含原生节理裂隙,故采用线切割制备 50 mm100 mm 圆柱体,再经精细打磨使端面平整度控制在0.2 mm以内。考虑到煤岩本身具有明显的层理特性,故以试样轴向与层理夹角进行试样命名(图 1b),如“30试样”表示该试样轴向与煤层理夹角为 30。共计选取了 5 种层理夹角,制备了 0、30、45、60和90共 5 种不同层理夹角的试样(图 1c)。相同交角试样作为一组,共计加工试样 60 余个。图 1汪家寨煤矿 11#煤工作面和煤样制备情况Fig.1Working face under 11#coal well in Wangjiazhai coal mine and coal sample preparation试验前,首先测试试样的基本参数,然后开展超声波速测试,再开展力学试验,研究弹性参数、力学参数、及变形与破坏模式等的各向异性。三轴压缩的围压为 5/10/15/20 MPa。力学试验分别为单轴压缩试验和三轴压缩试验,均在煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 MTS815 岩石力学测试系统上进行。单轴压缩试验共计开展 20 个试样、每个角度 4 个。各向异性的定义:同一批试样对于同一个参数指标,其在不同层理交角测试时表现出的差异性,则定义为各向异性度,可表示为23:Di=XimaxXimin(1)式中:Di为某指标的各向异性度,其大小是各向异性程度的指标反映。Ximax和 Ximin为某一相同测试指标的最大值与最小值。2超声波速测试超声波速与介质的疏密程度有关,从不同方向测试获得的超声波速可以反映岩石内部的疏密程度,进而反映岩石内部不同方向各向异性。在力学试验开展前,先对煤岩开展了超声波速测试。总共成功开展超声波速测试的试样 22 个,如图 2 所示:超声波速范围 1.16 2.02 km/s,平均 1.66 km/s。5062022 年增刊 2赵凌云,等:汪家寨煤岩各向异性的力学特性研究波速随层理夹角变化显著,从 0、30、45、60到90,平 均 波 速 分 别 为 2.02 km/s、1.39 km/s、1.42 km/s、1.16 km/s 和 1.68 km/s,超声波速的各向异性度为 1.74。0试样波速最高、其次为 90试样,波速整体上呈现两边高、中间低分布规律。若将声波传播的介质分为基质与层理,则可得,0试样的声波主要沿相对致密的基质传播,故波速最大;90试样的声波则沿着基质与层理传播,波速次之;而对于其余角度,由于层理倾斜,声波在层理中的传播路径增加、基质中的传播路径减小,故波速反而最小。还需要说明的是,由于煤岩内部还含原生节理裂隙,其与层理共同构成声波的相对低速传播区,而节理裂隙的分布较为复杂,导致声波传输过程速度变化更为复杂,故同组夹角试样声波分异明显、而波速平均值也并不随层理夹角呈现规则的“U”形分布。因此,在后续研究中不但要研究层理角引起的各向异性,还应密切关注原生裂隙对各向异性的影响。图 2超声波速测试结果Fig.2Test results of ultrasonic wave velocity3单轴压缩试验3.1试验结果选取单轴压缩破坏前后典型图片,如图 3 所示。随着层理角度变化,试样破坏模式也随之改变,整体上呈现劈裂破坏和局部剪切破坏。试样层理夹角在 0和 30时,主要呈现劈裂破坏,侧面出现多条近似平衡劈裂缝;而当试样层理夹角45后,则呈现劈裂与剪切共同破裂特征,竖直劈裂缝与倾斜剪切缝共存。需要说明的是,因汪家寨煤岩含较多原生节理裂隙,破裂缝在延伸过程中与原生节理裂隙发生了贯通,导致裂缝扩展发生转向、分叉等现象,即,原生节理裂隙的存在导致破坏形态变得复杂、这对体积缝网的形成是有利因素。当前,汪家寨矿区已经列入贵州省煤层气开发优选区域,从单轴破坏特征来看,原生节理裂隙的存在对于复杂缝网的形成是较有利条件。图 3单轴压缩破坏前后试样典型照片Fig.3Typical photos of samples before and after uniaxial compression failure选取每组中应力 应变曲线介于中间值的作为代表性曲线,绘制不同层理夹角试样的应力 应变曲线,如图 4 所示。可见,煤岩的强度和变形均有显著的层理角度效应,层理交角 0和 90的试样强度最高、峰值应力最大,但峰后应力快速跌落,表现出较显著的高强度与脆性破裂特征;而层理交角为30、45和 60的试样的强度相对较低,峰后曲线较为平缓,表现出类似软岩的变形特征。整体而言,所有夹角试样的应力 应变曲线,都不是特别平滑,而是呈现出阶梯状局部“应力跌落 回升”现象,这可能与试样内部含有原生节理裂隙的局部变形破损及其微调整有关。图 4煤岩单轴压缩试验典型应力 应变曲线Fig.4Typical stress-strain curves of coal-rock in uniaxial compression tests3.2力学参数分析在单轴抗压试验中,抗压强度、弹性模量、泊松606地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷比 3 个参数是试样的强度与变形特征的重要反映。为了量化力学参数的各向异性,得出了 5 种层理夹角煤岩试样的峰值应力、弹性模量及泊松比的平均值(共计 20 个试样、各角度 4 个试样),绘制了这 3个参数随层理夹角的变化规律,如图 5 所示。图 5汪家寨煤岩的力学参数随层理变化Fig.5Variation of mechanical parameters of Wangjiazhai coal-rock samples with bedding图 5(a)为单轴抗压强度随层理夹角的变化情况,基本上复合近似对称的抛物线分布。可见,抗压强度的各向异性尤为显著,最高强度与最低强度的比值达 4.60 倍,即,各向异性度为 4.6,从强度角度表现出的各向异性较高。图 5(b)为弹性模量随层理角度变化情况,整体上呈“U”形分布,可采用抛物线函数加以拟合,波动范围为 1.62 3.15 GPa 之间。层理夹角 90的值最高、其次是 0、45的值最低,其分布特征与抗压强度基本一致。弹性模量的各向异性度在 1.94 左右,说明层理夹角对其影响依然显著。图 5(c)为泊松比随层理夹角的变化情况,在0.190.3 之间,除了 45的值较小以为,泊松比受层理夹角的影响不明显。整体而言,汪家寨煤岩各向异性显著,主要体现在抗压强度与弹性模量两个参数及破坏模式上。4三轴压缩试验结果4.1试验结果三轴压缩试验代表性应力 应变曲线如图 6 所示:横坐标为轴向应变、纵坐标为差应力(1-3,3=Pc,Pc为围压值)。在三轴压缩试验下,不同层理角度的试样的应力 应变曲线的区别依然很显著,层理夹角 0和 90的试样具有最高的峰值强度和最大的峰值应变,但峰后应力跌落较为快速;而30、45和 60的试样,其峰值强度相比则要低很多,峰值应变也比 0和 90的要小很多,特别是 30和 60试样的峰后应力跌落不显著,峰后应力迅速达到平稳并表现出强烈的立项塑性变形特征。图 6不同层理角度下三轴压缩试验典型曲线(Pc=10 MPa)Fig.6Typical curves of triaxial compression test under different bedding angles(Pc=10 MPa)图 7 给出了三轴压缩下的不同夹角试样破坏前后的照片。可见,三轴压缩下试样整体上呈现剪切破坏,但对于 0和 90试样,剪切面切割层理面、属于基质破坏,故强度更高、变形也更大,应力跌落也更显著;而对于中间角度试样,破裂面为多为顺层理的剪切面,或与层理面呈小角度相交。由于原生节理裂隙的存在,剪切面与原生裂隙相互贯穿干扰,导致最终破裂面由复杂的多个面组成,呈现空间破裂形态。整体而言,三轴压缩条件下,相同围压下的含不同层理夹角的试样在强度及破裂形态方面的差7062022 年增刊 2赵凌云,等:汪家寨煤岩各向异性的力学特性研究异,要比单轴压缩下小得多,表明围压的存在导致各向异性的弱化,围压越高该效应越明显。图 7三轴压缩下煤岩破坏典型图片(Pc=10 MPa)Fig.7Typical pictures of coal-rock failure under triaxial compression(Pc=10 MPa)4.2力学参数三轴压缩试验中很重要的一点就是要探究力学参数(以黏聚力 c、内摩擦角 为代表)随着层理夹角的变化,以便为水力压裂时煤层的破坏提供准确的破裂判据和施工指导。试验中获得了含不同层理夹角试样在不同围压下的峰值应力,进而拟合得到试样的力学参数。常规三轴压缩试验,岩石的峰值轴向应力的关系曲线,一般可以拟合24为:1=A3+B(2)式中:A=1+sin1-sin,B=2ccos1-sin。进而可得黏聚力 c 和内摩擦角 计算公式:c=B(1-sin)2cos(3)=acsinA-1A+1()(4)图 8 分别绘制了层理夹角从 0到 90的煤岩最大主应力(峰值)与最小主应力(围压)的拟合关系,进而得出公式(2)中 A、B 的数值。图 8汪家寨煤岩峰值与围压拟合关系Fig.8Fitting relationship between peak strength and confining pressure of Wangjiazhai coal-rock利用图 8 的拟合关系计算得到的不同层理夹角下三轴试验的 A、B 值,结合公式(3)、(4),计算得到煤岩不同层理夹角下内摩擦角 和黏聚力 c的数值,见图 9 所示。从图 9 可见,汪家寨煤岩的黏聚力 c 和内摩擦角 都随着层理夹角的变化而发生变化,内摩擦角的变化呈折大致的“U”形,表现为两边高中间低,波动范围为 18.22634.8,平均值 29.18,各向异性度为 1.909;黏聚力 c 随层理夹角的变化规律不 太 明 显,最 高 6.83 MPa(对 应 90)、最 低2.31 MPa(60)、平均 4.86,各向异性度为 2.957。因此,汪家寨煤岩的内摩擦角和黏聚力随层理的变化都较为显著,波动幅度较大。三轴压缩下煤岩均发生的是剪切破坏,但 0和 90试样的是贯穿基质的剪切破裂面,反应的是基质的抗剪性能,而 30 60试样呈平行层理或与层理呈小夹角的顺层剪切破裂,反映的是层理抗剪性能。因此,即便在三轴压缩下随着围压的升高,峰值强度的各向异性有逐806地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷渐减弱趋势,但其各向异性依然存在,基质与层理的强度特征仍有差异,在煤层井壁稳定性分析、压图 9煤岩内摩擦角及黏聚力随层理角度变化关系Fig.9Curves of internal friction angle and cohesive force of coal rock with bedding angle裂设计及缝网扩展等方面,仍然要考虑各向异性对施工带来的影响。5力学模型与参数这种在平行层理和垂直层理表现出明显不同力学效应的岩体,在工程上通常被视为横观各向同性体,其应力 应变关系矩阵表示形式为23:xyzxyyzzx|=1E1-v1E1-v2E2-v1E11E1-v2E2-v2E2-v2E21E12(1+v1)E11G121G12|xyzxyyzzx|(5)式(5)中共有 5 个独立的弹性参数,E1为横观各向同性面内的弹性模量;E2为垂直于横观各向同性面的弹性模量;v1、v2为泊松比,v1为 y 方向单独作用正应力而无其他应力分量时,x 方向应变与y 方向应变之比的负值,v2为 z 方向单独作用正应力而无其他应力分量时,x 方向应变与 z 方向应变之比的负值;G12为垂直于横观各向同性面内的剪切模量。通过上述研究可见,汪家寨煤岩具有明显的层理效应,随着层理角度变化,煤岩的弹性参数与强度参数都表现出显著的各向异性。可以将煤岩视为横观各向同性材料。对于 5 个独立材料参数,除平行和垂直层理两方向的试样外,至少还需一个任意方向,而本文选择加载方向与层理呈 30、45和60角的试样。加载方向与层理面呈 角的弹性模量为24:1E=sin4E1+1G12-2v1E1()sin2cos2+cos4E2(6)式中:E为加载方向与层理呈 角时的弹性模量。根据试验结果,计算得到汪家寨煤岩的 5 个独立材料参数如表 1 所示。表 1汪家寨煤岩各向异性材料参数Table 1Anisotropic material parameters of Wangjiazhai coal-rock煤层E1/GPaE2/GPav1v2G12/GPa11#3.804.150.300.271.22至此,确定了汪家寨煤储层的各向异性材料参数,结合强度参数的各向异性结果,为进一步进行丛式井及水平井的围岩应力状态分析、井壁稳定性分析、地层劈裂压力确定及水力裂缝起裂及扩展规律提供了理论基础与重要参考。6结论(1)不同层理夹角试样的超声波速表现出各向异性,各向异性度在 1.9 左右,反映出基质与层理性质差异,而原生裂隙对各向异性亦有影响。(2)单轴抗压强度、弹性模量随层理夹角的变化显著,层理夹角为 0和 90时最高,45时指标最低,整体呈近似“U”形分布,两者的各向异性度在4.6 和 1.94。(3)三轴压缩下 0和 90试样的峰值最高、峰值应变均最大、多为穿层理剪切破坏,而中间夹角试样的峰值强度较低、但塑性更为显著,且多为顺层理及与层理小夹角剪切破坏。黏聚力 c 和内摩擦角 随层理角度变化较为显著,各向异性度分别为 1.91 和 2.96,反应了基质与层理的抗剪性能差异。(4)由于煤岩明显的层理效应,变形与强度参9062022 年增刊 2赵凌云,等:汪家寨煤岩各向异性的力学特性研究数随层理夹角变化显著,可以利用横观各向同性模型表征煤岩力学特征,并获得了 5 个独立参数。参考文献(References)1段品佳,王芝银.煤岩孔隙率与渗透率变化规律试验究 J.地 下 空 间 与 工 程 学 报,2013,7(6):1283-1288.2Raymond L,Johnson J,Michael P,et al.Evaluating hydraulic-fracture effectiveness in a coal-seam-gas reservoir from surface tiltmeter and microseismic monitoring J.Journal of Petroleum Technology,2011,63:59-62.3Shuai H,Liu X,Li X,et al.Experimental and numerical study on the 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