煤层气是非常规天然气的重要组成部分,其高效开发依赖于对煤岩物理力学性质和复合断裂性能的深入研究。断裂韧性作为表征材料抗裂纹扩展能力的关键力学性能参数,对水力压裂过程中裂纹的扩展路径、裂缝网络形态及其分布特征具有重要影响。本文利用不同层理角度(0°、23°、45°、67°和90°)煤样,开展了单轴压缩试验,获得5种横向各向同性弹性指数。通过改变层理与加载方向夹角获得7个加载角度下(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的煤样抗拉强度。采用边缘缺口圆盘弯曲煤样全面评估三种变质煤样、三种尺寸煤样的Ⅰ/Ⅲ混合断裂韧性,并利用声发射技术对断裂机制进行解释说明。同时使用包含临界半径和T应力的Ⅰ/Ⅲ混合断裂准则,对断裂韧性测试结果进行评价和预测。采用三维断面扫描观察煤样Ⅰ/Ⅲ混合断裂的断面形貌,用断面韧性指数分析混合断裂的宏观断裂轨迹。主要研究及结论如下: (1)选取低阶无烟煤、气煤和高阶无烟煤,开展了变质煤岩物理力学特性分析。结果表明,相同体积下,质量越大纵波波速越大,T₂谱振幅就越大,核磁共振成像暗区越多,这代表煤样更致密,孔隙分布以微孔为主。 (2)随层理角度的增大,煤岩单轴抗压强度整体均呈现出先增大后减小再增大的“波动型”。泊松比随变质程度增加而减小。低阶无烟煤和高阶无烟煤的AE计数存在平静期,全过程中计数主要集中在煤样峰值应力附近。气煤没有明显的平静期,沿垂直于层理的方向加载时,AE活动的强度明显高于沿平行于层理方向加载的情况。 (3)随加载角度的增加,煤样巴西劈裂抗拉强度呈出先下降再上升,最后下降趋势。加载角度大于45°的煤样抗拉强度强于加载角度小于45°的煤样抗拉强度。低阶无烟煤的间接抗拉强度最大值出现在加载角60°的情况,气煤和和高阶无烟煤的间接抗拉强度最大值出现在加载角45°的情况。累积声发射计数-时间曲线呈现出一种“阶梯式”的增长,加载角度越大,阶梯越明显。 (4)调节边缘缺口圆盘弯曲试样的预制裂隙方向完成纯I型,Ⅰ/Ⅲ混合型和纯III型加载试验,利用经典的声发射RA-AF方法定性评价气煤的断裂机制。峰值载荷P_f随混合模态系数M^e的减小总体呈现出明显增大趋势,而其断裂韧性值逐渐减小,韧性指数Rs增大。气煤在混合断裂过程中,纯Ⅰ型张拉型AE信号大于纯III型,而剪切型AE信号小于纯III型。 (5)运用断裂力学的三维断裂准则,评价和预测不同变质程度,不同尺寸煤样的Ⅰ/Ⅲ混合型断裂韧性。基于应力的准则为煤样的预测提供了最上方的包络,而基于应变的准则提供了包络的下限。扩展后最大周向应变能密度准则(3D-MMTSN)和广义最大周向应变能密度准则(3D-GMTSN)适用于预测低阶无烟煤边缘缺口圆盘弯曲试样的Ⅰ/Ⅲ混合断裂。平均应变能密度准则(3D-ASED)更适合预测半径50mm气煤边缘缺口圆盘弯曲煤样的归一化断裂韧性。