0 引言

研究压裂期间煤储层压裂裂缝壁面煤体破坏特征对于明晰压裂液滤失通道、压裂液滤失速率及深度等意义重大。由于矿井解剖等手段对裂缝壁面煤体破坏特征描述困难，需要开展高变质煤岩在压缩下的变形特征及破坏形式研究，为因压裂裂缝横向扩张导致的煤体破坏模式构建及煤储层压裂液滤失特征评价提供依据[1-2]。值得指出的是，压裂中裂缝两侧煤体主要受压裂流体横向压缩，其他方向的载荷可暂不考虑，因此笔者采取单轴压缩方法对不同层理方向高变质煤岩破坏特征及其对储层压裂液滤失影响关系进行研究。

长期以来，不同层理方向煤岩破坏特征[3-5]、能量耗散[6]及煤岩裂缝评价[7-9]等方面国内外学者开展了大量研究，在煤岩力学性能及物性各向异性方面，李磊等[10]发现层理面与加载方向夹角对煤样力学参量影响显著，宏观破坏模式及细观断裂特征存在强烈层理效应，同时煤样声学特征各向异性明显；宋远等[11]对垂直层理和平行层理2种煤样进行单轴压缩下的声发射监测实验，发现平行层理煤样相较垂直层理煤样，其单轴抗压强度、弹性模量、变形模量以及极限应变均呈一定程度的降低；刘恺德等[12]通过巴西劈裂及单轴压缩实验发现煤岩垂直和平行于层理面方向抗拉强度均具有明显的离散性，各向异性显著；翟成等[13]对5种不同层理方位的煤岩进行注入液态CO2致裂实验，发现不同层理方位的煤体致裂效果具有明显的各向异性；郝宪杰等[14]综合采用裂纹体积应变法和声发射法分析了煤储集层起裂强度、损伤强度、破坏模式和声发射特征的各向异性特征，煤储集层抗压强度、起裂强度和损伤强度均表现出明显的各向异性特征；赵宇等[15]通过对垂直层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理3类煤样进行煤岩吸水和超声测试，发现同一煤层在相同条件下超声响应存在明显的各向异性。在不同层理方向煤岩高速冲击加载下断裂行为方面，龚爽等[16]研究含层理结构各向异性煤样在冲击载荷下的动态裂纹扩展分形特征，层理结构对煤样分形裂纹扩展速度有显著影响，层理倾角为45°煤样的分形裂纹扩展速度最大，层理倾角为0°煤样的分形裂纹扩展速度最小；梁为民等[17]采用分离式霍布金森压杆实验装置发现相同冲击荷载下垂直于层理方向煤样的峰值应力、平均应变率相较于平行于层理方向煤样有所提升，垂直于层理方向的动力学性能改变相较于平行于层理方向更明显。

综上所述，目前针对不同层理方向煤岩力学性能及破坏形式、渗透性变化以及压裂造缝效率等方面的研究较多，然而结合煤储层压裂裂缝壁面煤体变形及破坏模式，开展不同层理方向煤岩破坏形式对压裂液滤失影响方面的研究工作尚未见报道。基于此，笔者采取单轴压缩加载方法对层理面与加载方向夹角a为0°、30°、45°、60°和90°高变质煤岩试样的断裂特征及破坏模式进行实验研究，结合应力-应变曲线特征及煤岩力学参数对不同方向煤岩脆性显现及破坏形式进行研究，利用能量耗散理论对不同层理方向高变质煤岩应变能耗散特征进行分析，最后对压裂期间煤储层裂缝壁面煤体破坏形式及其对压裂液滤失的影响模式进行构建，以期为高变质煤储层压裂裂缝煤体破坏评价以及压裂液滤失路径构建提供实验依据。

1 试样与单轴压缩实验

1.1 试样制备

本次实验材料高变质煤岩条带状结构具有显著的各向异性，适合开展不同层理方向煤岩力学性质及脆性、破坏特征各向异性实验研究。按照煤岩层理方向与加载方向夹角a呈0°、30°、45°、60°和90°进行钻取，岩心后期进行切割磨平，后期加工成高度5 cm、直径2.5 cm的圆柱体试样10个。试样端面不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，满足单轴加载实验要求。煤储层裂缝壁面压裂液滤失模式、煤岩单轴压缩试样与实验装置如图1所示。

1.2 单轴压缩实验

本次共对10组煤岩试样进行单轴加载，其中5组试样在中南大学高等研究中心INSTRON-1346实验机完成，实验中加载速率设置为0.02 mm/min，加载过程中规避惯性对煤岩形变的影响，实验获取5组试样的应力-应变关系及各层理方向上煤岩试样岩石力学参数数据；其余5组煤岩试样在内蒙古工业大学TENSON WDW-T100型实验机完成(图1(c))，实验中加载速率为0.02 mm/min，本组实验主要进行材料破坏实验，获得不同层理方向高变质煤岩的断裂特征与破坏模式，同时结合试样断裂特征及破坏形式对不同层理方向高变质煤岩断裂机制与渗流方式进行比较分析和研究，实验中采用引伸计保障加载过程中应力-应变数据采集的精确性。

2 实验结果与分析

2.1 层理方向对高变质煤岩应力-应变关系特征的影响

不同层理方向煤岩试样单轴压缩下的应力-应变关系如图2所示。由图2可知，不同层理方向煤岩试样破裂载荷差异显著，而且整体上各方向煤岩试样的应力-应变关系曲线形态也有变化，差异性体现在以下2个方面。

(1)断裂过程曲线顿挫程度不同。煤岩试样在加载过程中破坏存在顿挫，断裂在应力-应变曲线上体现一次卸载；夹角0°和90°试样应力-应变曲线顿挫次数较多，反映出该方向煤岩单轴压缩下断裂存在多期性，形成复杂断裂形式；与此对应的是，夹角30°和60°试样加载应力-应变曲线相对平滑，顿挫较少，反映该方向煤岩断裂形式简单，多形成主干裂缝。

(2)卸载阶段曲线斜率不同。卸载阶段应力-应变曲线的斜率可以反馈材料脆性及断裂形式；所有方向煤岩试样卸载阶段曲线的斜率均较大，表明本次实验高变质煤岩脆性较显著，外载下以脆性断裂为主。

从图2还可以看出，本次实验煤岩试样加载应力-应变曲线可分3个阶段。

(1)弹性压缩变形阶段。试样在压缩下内部孔裂隙缺陷体积压缩，煤岩致密化，此时应力-应变曲线斜率即为煤岩弹性模量。

(2)材料断裂失效阶段。上一阶段外载作用于试样产生的弹性储备能达到材料破坏极限，试样发生破坏。

(3)断裂后期卸载阶段。试样断裂失去承载能力后，应力-应变曲线上显现应力下降趋势，该阶段应力下降速率反映材料脆韧程度。

2.2 层理方向对高变质煤岩力学参数关系的影响

不同层理方向煤岩试样岩石力学参数特征如图3所示。由图3(a)可知，随着层理夹角a增大，煤岩试样峰值应力和峰值应变均呈现出先升高、后降低、再略有提升的规律。在夹角30°时煤岩试样峰值应力和峰值应变最高，而在角度0°和90°时试样强度和极限应变最小，表明试样抵抗外部载荷能量较弱。由图3(b)可知，随着层理夹角a增大，煤岩试样峰值应力和弹性模量呈现出先增大、后降低、再略有回升，二者呈现出同步的变化规律，反映出本次煤岩试样具有准脆性-脆性的材料力学属性。同时，夹角为30°煤岩试样弹性模量最高、煤岩刚度最大。因此在煤储层压裂造缝中，当煤层层理与裂缝壁面夹角为60°时需要高的裂缝净压力才能使裂缝撑开。

由图3(c)可知，随着层理夹角a增大，煤岩泊松比出现先升高、后降低、再略有提升的规律，夹角为30°时试样的泊松比出现极值。对于高变质煤岩材料而言，在该方向上煤岩横向形变能力最强，在煤储层压裂改造中后期形成“短宽”型裂缝的几率较大。由图3(d)可知，压缩功(Compression Work)与试样弹性模量存在一定同步性，均呈现随着夹角a增大，试样压缩功和弹性模量先增大、后降低、再增高的变化趋势。据相关理论[18-20]，对于岩石材料而言其刚度越大，单轴压缩过程试样内储备弹性能量越高，后期形成大规模脆性破坏的趋势越强。

2.3 层理方向对高变质煤岩断裂特征与破坏模式的影响

层理夹角a为0°、30°、45°、60°和90°煤岩试样在单轴压缩作用下的断裂特征与破坏模式如图4所示。由图4(a)可知，夹角0°煤岩试样单轴压缩下发生张性劈裂破坏(TF)，形成数条张性贯穿式垂向裂缝，造成试样横向上膨胀变形，从而形成平行加载方向上的液体滤失通道。由图4(b)可知，夹角30°煤岩试样单轴压缩下主要形成与层理垂直的剪切断裂(SF)，应力-应变曲线上该方向的煤岩试样断裂载荷最高，且该方向煤岩试样呈现“膝折”型断裂组合形式，即初期裂缝沿垂直层理面延展，后转沿平行加载方向形成垂向裂缝，后期又沿垂直煤岩层理面方向形成剪切裂缝，试样的断裂路径较为复杂，层理在对外加载下岩石裂缝走向有深刻控制[21-22]。煤岩加载下以剪切裂缝为主，裂缝闭合不利于液体滤失。

由图4(c)可知，夹角45°煤岩试样在单轴压缩下以平行层理方向的剪切式断裂为主，沿着煤岩层理方向界面的剪切裂缝将整个试样切断，同时在试样底部发育垂直煤岩层理方向的剪切裂缝，后期与上部裂缝汇合形成共轭裂缝，该夹角煤岩试样断裂形式较为复杂。由图4(d)可知，夹角60°时，该方向试样断裂形式主要为张性劈裂破坏，由于垂向压缩加载形成试样的横向膨胀导致试样发生片帮，试样形成的裂缝较短，很难作为液体滤失的有效通道。由图4(e)可知，夹角90°煤岩试样在单轴压缩下形成严重的片帮，形成多条平行加载方向的张性裂缝，类似于矿柱在上覆岩层压力作用下发生的断裂破坏。

3 不同层理方位煤岩破坏特征及其对压裂的启示

3.1 不同层理方向煤岩脆性显现对煤体破坏形式的影响

(1) 基于应变能耗散的不同层理方位煤岩脆性衡量。单轴压缩下高变质煤岩试样应变能密度计算原理如图5所示。其中单轴压缩下试样的弹性应变能密度与试样断裂耗散应变能密度分别如图5中Uo、Ua所示，将二者的商定义为能量冲击脆性ACF，具体计算方法如下：

式中：Uo——弹性应变能密度；

Ua——断裂耗散应变能密度；

ε1——峰值应变；

ε2——极限应变；

σ——应力；

ACF——能量冲击脆性。

(2)不同层理方向高变质煤岩脆性特征显现。不同层理方向高变质煤岩岩石力学参数及脆性特征计算结果见表1。整体而言，加载方向与层理夹角a为0°、60°和90°的煤岩试样脆性最为显著。压缩加载发现，该层理方向煤岩试样断裂裂缝复杂，形成多组簇状裂缝，为典型的脆性断裂。而夹角30°和45°煤岩试样脆性不甚显著，且单轴加载实验发现该方向上煤岩多为剪切断裂，裂缝条数较少且相对简单。总体上不同层理方向高变质煤岩在外载下破坏形式与煤岩的脆性显现相关。

3.2 不同层理方向煤储层裂缝壁面破坏特征压裂意义

不同层理方向上煤储层压裂裂缝壁面煤体破坏形式及其对压裂效果的影响关系如图6所示。由图6(a)可知，当压裂裂缝流体净压力对煤层层理方位与压裂裂缝平行时，压裂液流体压力使得裂缝壁面煤岩压缩蓄能后形成多条平行煤岩层理开裂的张性裂缝，室内实验发现该类型裂缝具有较好的流体通过能力。压裂期间当裂缝壁面煤体天然裂缝打开后压裂液突然大量滤失，极易导致脱砂形成砂堵，笔者认为沁水盆地南部水平或缓倾斜煤储层压裂裂缝多为“短宽”型裂缝，应与压裂期间裂缝两侧煤岩破坏形成张性裂隙，加速了压裂液滤失有关。

由图6(b)和(c)可知，当压裂裂缝内压裂液净压力对煤壁挤压方向与煤岩层理夹角为30°和45°时，在该角度下压裂裂缝两侧煤体在压裂液净压力的横向压缩作用下形成剪切型断裂破坏，该类裂缝多为闭合型裂缝，不利于压裂液向裂缝两侧煤体滤失，主干裂缝内压裂液能够蓄能形成较长的裂缝规模；当压裂裂缝缝面法向与层理角度为30°和45°时，煤体单轴抗压强度较高(36.49、27.81 MPa)，裂缝流体净压力PN不足以压开裂缝两侧煤体，后期压裂液滤失程度较低，压裂裂缝规模较为理想。由图6(d)和(e)可知，当压裂液净压力对煤壁挤压方向与煤岩层理夹角为60°和90°时，实验发现该角度下压裂裂缝两侧煤体主要为平行于加载方向的张性断裂破坏形式，而且该方向上煤岩单轴抗压强度较低(<20 MPa)，压裂期间压裂液可沿两侧煤体天然裂缝滤失，后期在近井地带脱砂形成“短宽”型裂缝形式，这与新疆库车地区煤储层压裂裂缝特征结果吻合。

4 结论

(1)应力-应变曲线显示本次高变质煤岩呈现“阶段”式破坏特征，随着夹角a增大，煤岩在单轴压缩下脆性先增强后减弱；且随着夹角a增大，高变质煤岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等岩石力学参数先升高后降低，在30°时最强。总体而言，煤岩在不同层理方向力学性质各向异性显著。

(2)层理夹角a为0°、60°和90°时，单轴压缩下煤岩试样形成平行加载方向的张性劈裂破坏，而a为30°和45°试样发生剪切断裂破坏，整体张性破裂破坏形式的断裂能量耗散远低于剪切破坏。利用应变能耗散理论计算层理夹角0°、60°和90°煤岩试样脆性最为显著，而夹角30°和45°时煤岩脆性较弱，这与煤岩试样在加载下所表现的断裂方式相吻合。

(3)基于煤岩单轴加载实验，认为当煤储层层理方向与压裂裂缝面法向夹角为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；而夹角30°和45°时，煤储层压裂裂缝壁面煤体形成闭合剪切裂缝，压裂液滤失阻力较大，可延缓压裂液滤失速率。

(4)不同层理方向煤岩断裂特征与渗水效率方面的定量化关系及其对压裂液滤失的约束机制还需要进一步深化研究。

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Research on the influence of bedding direction on fracturing failure characteristics of high metamorphic coal

CHEN Lichao1,2, WANG Shengwei1,3, ZHANG Diankun1, LV Shuaifeng3

(1. State Key Laboratory of Coal and CBM Co-Mining, Jincheng, Shanxi 048204, China;2. School of Mining, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China;3. School of Earth Resources, China University of Geosciences-Wuhan, Wuhan, Hubei 430074, China)

Abstract The coal deformation and failure characteristics on fracture wall of coal reservoir during hydraulic fracturing are of key significance to the analysis of fracturing fluid loss path and damage evaluation. Uniaxial compression tests were performed on high metamorphic coal cylinder samples at the angles of 0°, 30°, 45°, 60° and 90° between bedding and loading orientation. The strain-stress relationship and rock mechanical parameters of coal samples with different bedding directions were obtained. The brittleness of coal in different bedding directions was evaluated based on strain energy theory. The failure modes of high metamorphic coal in hydraulic fracturing is preliminarily constructed. The results show that under uniaxial compression, high metamorphic coal exhibits the failure characteristic of stages. With the increase of the included angle a, the brittleness of coal increases first and then weakens, and the rock mechanical parameters such as uniaxial compressive strength, elastic modulus and Poisson's ratio increase first and then decrease, and reach the maximum at 30°. When the included angle a is 0°, 60° and 90°, tensile fracture failure occurs in the coal sanples under uniaxial compression, while shear fracture failure occurs in the coal samples at 30° and 45°. On the whole, the energy dissipation of tensile fracture failure is much lower than that of shear failure. Based on the failure characteristics of coal rock, it is considered that the fracture fluid is easy to leak along the tensile fracture at the normal angle of 0°, 60° and 90° between the coal reservoir bedding plane and the fracture plane, and the leakage depth is large. At 30° and 45°, closed shear fractures are formed on the fracture wall of coal reservoir, which can delay the leakage rate of fracturing fluid.

Keywords high metamorphic coal; bedding direction of coal rock; failure modes of coal; fracture wall surface of fracturing; fracturing fluid loss; uniaxial compression test

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引用格式：陈立超，王生维，张典坤，等.层理方向对高变质煤体压裂破坏特征影响研究[J]. 中国煤炭, 2022, 48(10): 37-44. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2022.10.006

CHENLichao, WANG Shengwei, ZHANG Diankun, et al.Research on the influence of bedding direction on fracturing failure characteristics of high metamorphic coal[J]. China Coal, 2022, 48(10): 35-42.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2022.10.006

基金项目：国家科技重大专项(2016ZX05067001-007)，山西省煤层气联合研究基金(2016012007)

作者简介：陈立超(1985-)，男，内蒙古赤峰市人，博士，副教授，主要从事煤储层压裂岩石力学方面的教学和研究工作。E-mail:chenlichaogas@163.com

中图分类号 TD31

文献标志码 A

(责任编辑 张艳华)