单轴压缩条件下不同含水率煤体裂纹扩展及破坏模式研究

为研究水分侵入对受载煤体裂纹扩展及破坏模式的影响,开展了不同含水率煤体单轴压缩试验及声发射监测,对比分析了不同含水率下受载煤体应力−应变特征、宏观破坏形态及累计振铃计数的变化规律。单轴压缩试验结果表明,随着含水率增加,煤体单轴抗压强度及弹性模量持续降低,且峰后阶段内煤体应力下降速率逐渐平缓,煤样宏观破裂模式由典型的脆性破坏转变为剪切−拉张组合破坏。声发射监测结果表明,随着煤体含水率增加,累计振铃计数不断降低,而累计振铃计数曲线斜率相应增大,说明水分侵入会降低煤体裂隙发育时的能量释放,但加剧了煤体内部结构损伤。研究结果表明,水分的侵入一定程度上削弱了裂隙表面晶体颗粒间的相互摩擦,增加了煤体滑移破坏的可能性;同时水分侵入也减小了煤体表面活性能,导致煤样受载过程中产生的裂隙数量显著增多,造成煤体宏观力学强度大幅降低。

层理方向对高变质煤体压裂破坏特征影响研究

水力压裂期间煤储层裂缝壁面煤体变形及破坏特征是压裂液滤失路径分析及伤害评价的关键。通过单轴压缩实验对层理与加载方位夹角0°、30°、45°、60°和90°高变质煤岩圆柱试样实施加载,获得不同层理方向煤岩试样应变应力关系及岩石力学参数,基于应变能理论对不同层理方向上煤岩脆性进行评价,并初步构建水力压裂高变质煤岩裂缝壁面煤体破坏模式进行研究。结果表明:高变质煤岩单轴压缩加载下呈现“阶段”破坏特征,随着夹角a增加煤岩脆性先增强后减弱,单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等岩石力学参数先升高后降低,在30°时最大;夹角a为0°、60°和90°时,单轴压缩下煤岩试样发生张性劈裂破坏,而夹角a在30°和45°时,试样发生剪切断裂破坏,整体上张性破裂破坏形式断裂能量耗散远低于剪切破坏。基于煤岩破坏特征,认为煤储层层理面与压裂裂缝面法向夹角0°、60°和90°时,压裂期间压裂液易沿张性裂缝滤失且深度较大;而30°和45°时煤储层压裂裂缝壁面煤体形成闭合剪切裂缝,可延缓压裂液滤失速率。