自然及強(qiáng)制飽和煤樣的力學(xué)特征試驗(yàn)研究*

楊偉杰，王　文，2，3，李東印，3，王　杰，劉文超

(1．河南理工大學(xué)，能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2. 山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030006 3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0　引　言

煤巖材料在受水浸泡的條件下，礦物組成與微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，出現(xiàn)新的孔隙和裂隙，使煤巖孔隙率變大，而飽水煤巖可以最大程度的引起其物理力學(xué)性能的劣化。因此許多學(xué)者對(duì)飽水煤巖進(jìn)行了大量的研究。熊德國(guó)等[1]利用新安礦煤層頂板3種沉積巖對(duì)自然和飽和試樣進(jìn)行巴西劈裂、單軸壓縮、三軸壓縮試驗(yàn)，表明飽水對(duì)泥巖的強(qiáng)度和變形特征的影響較為明顯，飽水試樣峰值強(qiáng)度對(duì)圍壓的敏感度要大于自然試樣。Zhou Z L[2]等通過對(duì)不同含水砂巖進(jìn)行壓縮和拉伸試驗(yàn)研究，飽和試樣在干燥過程中可以恢復(fù)自身力學(xué)性能，含水量相同的試樣在飽和和干燥過程中，所受的抗拉強(qiáng)度不同，與水分的分布有關(guān)。張輝等[3]對(duì)自然和飽水煤樣進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，并分析了飽水對(duì)劈裂強(qiáng)度和能量的影響；于巖斌等[4]利用MTS電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)煤巖試件進(jìn)行了飽水與自然2種狀態(tài)下的單軸壓縮與拉伸試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飽水煤樣單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度均有所降低，軸向應(yīng)變?cè)龃螅粍⒂翊旱萚5]利用自行設(shè)計(jì)的微震全波形綜合監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)干燥煤巖和含水煤巖變形破裂過程微震信號(hào)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，飽和含水煤巖的峰值強(qiáng)度和煤巖沖擊傾向性比自然干燥煤巖都低，且微震信號(hào)事件數(shù)和信號(hào)強(qiáng)度都降低；蘇承東等[6]對(duì)千秋煤礦2#煤層自然與飽水7～28 d處理后煤樣，在 RMT-150B 伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了沖擊傾向性指標(biāo)測(cè)定，分析了飽水時(shí)間對(duì)煤的力學(xué)性質(zhì)與沖擊傾向性指標(biāo)的影響；王文等[7]利用改進(jìn)SHPB和RMT-150試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)義馬礦區(qū)二1煤樣進(jìn)行動(dòng)靜組合加載、靜載對(duì)比試驗(yàn)，分析不同自然飽水煤樣在動(dòng)靜組合加載下的力學(xué)性質(zhì)。

上述學(xué)者均研究了飽水煤樣的力學(xué)性質(zhì)[1-10]，文獻(xiàn)[7-8]也只是研究了自然飽和試樣，制作自然飽和煤樣的方法均是將煤樣放在水中自然浸泡直至質(zhì)量不變即認(rèn)為完全飽和。雖然該方法被廣泛使用，但是忽視了實(shí)際工程條件，煤樣均是處在應(yīng)力狀態(tài)下的，自然飽和并不能達(dá)到工程應(yīng)用的狀態(tài)，如高壓注水等，因此研究應(yīng)力狀態(tài)下的含水煤樣，即強(qiáng)制飽和煤樣具有重要意義。

針對(duì)該問題，筆者自行設(shè)計(jì)研制煤樣強(qiáng)制飽和裝置，該裝置能夠使煤樣在真空及高水壓雙重狀態(tài)下進(jìn)行強(qiáng)制吸水達(dá)到飽和，此為煤樣強(qiáng)制飽和狀態(tài)。使得煤樣在浸泡時(shí)的吸水狀態(tài)大致接近實(shí)際工程應(yīng)用的狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大的修正，其能夠模擬煤樣真實(shí)受力狀況下的浸泡吸水。不同含水狀態(tài)導(dǎo)致煤樣的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。因此分析不同飽和狀態(tài)對(duì)煤體的力學(xué)性質(zhì)影響，對(duì)真實(shí)反映煤層注水后煤體力學(xué)性質(zhì)的變化以及工作面支撐壓力的變化具有重要的指導(dǎo)意義。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試樣飽水方法

煤樣取自沁水煤田3號(hào)煤層工作面煤壁處，加工煤樣為Φ50 mm×50 mm的圓柱體，煤樣兩端磨削后不平行度小于0.05 mm，剔除有明顯缺陷的煤樣。試樣A為自然飽和煤樣共12個(gè)，序號(hào)為A(2,3,4,7,8,9,13,14,15,17,18,19)，試樣B為強(qiáng)制飽和煤樣共12個(gè)，序號(hào)為B組(4,5,6,7,8,11,12,15,16,17,18,20)。將A組放入盆中，向盆中倒入水至試件的1/4處，每隔2 h注1次水，直至液面高出試件20～30 mm為止；每隔24 h稱重1次，直到前后2次稱重差不超過0.01 g為止。保持到7 d以后，質(zhì)量不再發(fā)生變化達(dá)到自然飽和狀態(tài)。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)并加工B組煤樣。強(qiáng)制飽和裝置如圖1，裝置一次可放入6個(gè)煤樣，首先將煤樣固定在密封罐內(nèi)試件架上，密封蓋通過密封墊圈進(jìn)行密封；啟動(dòng)真空泵抽真空1 h后通過水箱向密封罐內(nèi)注入清水，啟動(dòng)增壓系統(tǒng)打開球閥b關(guān)閉球閥a,c，再向密封罐注水過程中增壓，至壓力達(dá)到5 MPa時(shí)增壓結(jié)束，浸泡4 h，試驗(yàn)結(jié)束，取出煤樣。

試驗(yàn)采用RMT-150B型電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，采用位移控制，軸向加載速率為0.002 mm/s，圍壓加載速率0.1 MPa/s，圍壓控制在5～15 MPa。

1.環(huán)狀手輪；2.試樣飽和罐；3.試樣；4.試件架；5.真空泵； 6.水壓泵；7.廢水回流裝置；8.球閥。圖1　強(qiáng)制飽和裝置Fig.1　Forced saturation device

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　煤樣吸水特征及波速變化

B組煤樣相對(duì)A組煤樣吸水率提高1.95%。煤樣在負(fù)壓作用下使煤的裂隙更為貫通，且把瓦斯等氣體抽出，抽真空促使煤樣內(nèi)部孔、裂隙打開，壓力水通過原生連通裂隙通道進(jìn)入煤體，并克服煤體內(nèi)部阻力，不斷壓裂貫通封閉狀態(tài)的煤樣孔隙，因此該裝置能在短時(shí)間內(nèi)提高煤樣的吸水率。

采用UTA-2001A型超聲檢測(cè)儀對(duì)2組煤樣進(jìn)行波速測(cè)試：A組煤樣浸泡前平均值1 498 m/s，浸泡后平均值1 622 m/s；B組煤樣飽水前波速平均值1 397 m/s，飽水后波速平均值2 120 m/s；2組煤樣在吸水后，波速均有所提高。A組煤樣吸水前后波速絕對(duì)變化量124 m/s；B組煤樣飽水前后波速絕對(duì)變化量723 m/s；A組煤樣吸水前后波速變化不大，研究表明，同種煤樣在干燥和自然飽和狀態(tài)下，波速相差較小。B組煤樣吸水前后波速變化較大，強(qiáng)制飽和煤樣飽水前后波速變化量高于自然飽和煤樣5倍。其原因是孔隙中充滿水，煤樣的孔隙率相對(duì)降低，增加煤樣的密實(shí)程度，超聲波發(fā)生繞射的次數(shù)也相對(duì)減少，傳播時(shí)間變短，波速較高。

2.2　單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

表1給出了煤樣單軸壓縮物理參數(shù)，圖2給出了自然與強(qiáng)制飽和煤樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，單軸壓縮時(shí)強(qiáng)制飽和煤樣相對(duì)自然飽和峰值強(qiáng)度有明顯的軟化作用，強(qiáng)制飽和煤樣的抗壓強(qiáng)度較低，相對(duì)自然飽和煤樣降低7.61 MPa，降幅為54.83%。一是5 MPa的水壓促使煤樣強(qiáng)制吸水，水對(duì)煤樣中礦物軟化、溶蝕、風(fēng)化等作用，使煤樣單軸抗壓強(qiáng)度降低；二是水壓力對(duì)煤樣有一定的壓擠作用，原有裂隙的貫通、新生裂紋的擴(kuò)展，使煤樣強(qiáng)度降低。強(qiáng)制飽和煤樣彈性模量相對(duì)自然飽和煤樣降低了2.21 GPa，降幅81%，表明強(qiáng)制飽水使煤樣的抵抗變形的能力大大降低；強(qiáng)制飽和煤樣泊松比相對(duì)自然飽和煤樣提高1.19，增幅65%，表明強(qiáng)制吸水后煤樣橫向變形更加敏感，體積擴(kuò)容更加顯著，塑性更好。

從圖2可以看出，2組煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致相似，可分為壓密階段、彈性階段、屈服階段、破壞階段。加載初期，隨著軸向應(yīng)力的增加曲線均向上凹，但2組曲線初期上凹幅度不一致。自然飽和煤樣曲線上凹劇烈，原因是煤樣內(nèi)的微裂隙在外力作用下發(fā)生閉合所致。強(qiáng)制飽和煤樣曲線上凹平緩，原因是強(qiáng)制飽和煤樣內(nèi)部裂隙幾乎被水充滿，均質(zhì)性和密實(shí)度都優(yōu)于自然飽和煤樣。彈性階段自然飽和煤樣曲線斜率高，持續(xù)時(shí)間短，強(qiáng)制飽和煤樣曲線斜率低，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在屈服階段自然飽和煤樣達(dá)到最大承載能力的平均時(shí)間為240×103ms，強(qiáng)制飽和煤樣達(dá)到最大承載能力的平均時(shí)間為373×103ms，相比強(qiáng)制飽和煤樣延長(zhǎng)了133×103ms破壞時(shí)間，降低了最大承載能力，減緩了煤樣彈性勢(shì)能的突然釋放?？偟膩砜?，自然與強(qiáng)制飽和煤樣相比，強(qiáng)制飽和煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得平緩，應(yīng)變?cè)龃?，?yīng)力變小，塑性增加，脆性減小，發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性降低。

目前電子存證還有幾個(gè)問題需要解決：（1）存證過程中自動(dòng)化程度不高；（2）存證過程中電子數(shù)據(jù)存證風(fēng)險(xiǎn)較大；（3）第三方機(jī)構(gòu)法律處理流程繁瑣；（4）電子數(shù)據(jù)安全缺失；（5）雙方信任缺失。

圖2　煤樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2　Stress-strain curve of coal sample under uniaxial compression

表1　煤樣單軸壓縮物理參數(shù)Table 1　Physical parameters of coal sample under uniaxial compression

2.3　三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

表2給出了自然飽和與強(qiáng)制飽和煤樣三軸壓縮均值試驗(yàn)結(jié)果。煤樣均質(zhì)性差、離散性高。每種含水狀態(tài)與圍壓5，10，15 MPa各重復(fù)3個(gè)煤樣。圖3，4中給出了自然與強(qiáng)制飽和煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯翰煌査簶拥膲好茈A段區(qū)別較大，自然飽和煤樣依然是因外力施加裂隙閉合，導(dǎo)致曲線呈上凹趨勢(shì)，而強(qiáng)制飽和煤樣壓密階段曲線呈斜“Z”形直接過渡到彈性階段，不再出現(xiàn)上凹的趨勢(shì)，近似直線表現(xiàn)出短暫的彈性階段。認(rèn)為強(qiáng)制飽和煤樣在圍壓作用下內(nèi)部孔、裂隙被水充滿，軸向應(yīng)力克服孔隙水壓的過程，該過程認(rèn)為是可逆的。強(qiáng)制飽和煤樣的彈性階段變短，屈服階段明顯變長(zhǎng)，屈服強(qiáng)度降低，塑性增加。因壓力水對(duì)煤樣內(nèi)部材料的軟化作用更加明顯，在圍壓作用下內(nèi)部材料相對(duì)自然飽和煤樣較快達(dá)到承載極限而屈服弱化。2種不同飽水煤樣峰后差異也較大，自然飽和煤樣峰后跌落速度相對(duì)強(qiáng)制飽和煤樣較快，但仍然具有一定的塑性特征，而強(qiáng)制飽和煤樣峰后幾乎不出現(xiàn)曲線跌落的現(xiàn)象，直接進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，塑性特征更加明顯。

圖3　自然飽和狀態(tài)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Stress-strain curves of three axis compression in natural saturated state

圖4　強(qiáng)制飽和狀態(tài)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4　Stress-strain curve of three axis compression in forced saturated state

隨著圍壓增加2種飽水煤樣峰值強(qiáng)度明顯增大，圍壓的增加降低煤樣的離散程度，提高均質(zhì)程度，加載過程強(qiáng)制飽和煤樣的力學(xué)劣化性質(zhì)逐漸明顯，表現(xiàn)在不同圍壓下，自然飽和煤樣平均峰值強(qiáng)度均高于強(qiáng)制飽和煤樣，強(qiáng)制飽和煤樣的峰值強(qiáng)度平均降低19.5 MPa，降幅31.18%。根據(jù)Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則：

σs=Q+Kσ3

(1)

式中:Q，K均為材料強(qiáng)度參數(shù)。其與內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的關(guān)系為：

(2)

(3)

對(duì)表2三軸峰值強(qiáng)度與圍壓進(jìn)行線性回歸，再按(2)、(3)式進(jìn)行計(jì)算，得出自然飽和煤樣的內(nèi)聚力為9.26 MPa，強(qiáng)制飽和煤樣的內(nèi)聚力降低為7.69 MPa，降低幅度為17%。

蘇承東、熊德國(guó)等[1，11]表明：飽水對(duì)材料之間的摩擦特征幾乎沒有影響。圍壓影響系數(shù)K基本相同，內(nèi)摩擦角能夠表征材料的力學(xué)性質(zhì)。而試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制飽和煤樣K值為2.08，自然飽和煤樣K值為3.04，摩擦因數(shù)發(fā)生了明顯變化，分析其原因：一是因以往并未使用強(qiáng)制飽和的方法，均是自然浸泡，與本試驗(yàn)有著較大的區(qū)別，所以試驗(yàn)結(jié)果兩者并不矛盾；二是圍壓增加也會(huì)增加在垂直破裂面上的分力，進(jìn)而增大摩擦力，而強(qiáng)制飽和煤樣由于水充分進(jìn)入孔、裂隙，使微裂隙貫通，接觸面沒有那么粗糙，相對(duì)自然飽和煤樣減小了摩擦；三是強(qiáng)制飽和煤樣是在真空環(huán)境與5 MPa的水壓力雙重作用下完成的，隨著裝置內(nèi)密閉空間壓力的增大，溫度也有所升高，煤樣的內(nèi)摩擦角減??；四是水分強(qiáng)制進(jìn)入會(huì)使煤樣的孔隙增大，顆粒間距增大，咬合摩擦角減小，主要發(fā)生滑動(dòng)摩擦，自然飽和煤樣因含水分較少，主要發(fā)生咬合摩擦以及顆粒磨碎重組，摩擦力得到充分發(fā)揮，內(nèi)摩擦角也相對(duì)較大。綜上所述，因試驗(yàn)方法的不同，強(qiáng)制飽和煤樣強(qiáng)制吸水的特殊性質(zhì)，導(dǎo)致強(qiáng)制飽和煤樣的K值相對(duì)自然飽和煤樣降低了。

表2　自然飽和與強(qiáng)制飽和煤樣三軸壓縮均值試驗(yàn)結(jié)果Table 2　Peseudo-triaxiall compression test results of coal samples under natural saturation and forced saturation

2.4　飽水煤樣強(qiáng)度特征規(guī)律分析

不同飽水狀態(tài)下的煤樣強(qiáng)度滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[12-14]，公式為：

τ=c+σtanφ

(4)

公式(4)是干燥狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度公式，當(dāng)存在孔隙水壓力(uw)時(shí)，法向總應(yīng)力(σ)可分解為2部分，即σ-uw和uw。強(qiáng)度將由2部分組成，一部分為無孔隙壓力條件下產(chǎn)生的，認(rèn)為是完全干燥狀態(tài)下，仍用公式(4)表示，另一部分由孔隙水壓力的作用產(chǎn)生，當(dāng)煤樣孔隙被水完全充滿時(shí)存在靜水壓力αp，有效應(yīng)力表達(dá)式為σ′=σ-αp，將此式帶入煤巖體破壞準(zhǔn)則Mohr-Coulomb公式：

τ=C+(σ-αp)tanφ

(5)

式中：α為等效孔隙壓力系數(shù)，取決于煤樣的孔隙、裂隙的發(fā)育程度，0≤α≤1。p為孔隙水壓力，MPa。C為煤體黏聚力，MPa。式(5)可寫成τ=Cw+σtanφ，式中：Cw為孔隙水壓力作用下的黏聚力。

Cw=C-ptanφ

(6)

無孔隙水壓時(shí)根據(jù)Mohr-Coulomb包絡(luò)線公式：

σ1=ζσ3+σc

(7)

式中：σc為抗壓強(qiáng)度值，按2ccosφ/(1-sinφ)求得。ζ為強(qiáng)度線的斜率，按(1+sinφ)/(1-sinφ)求得。可寫成：

(8)

有孔隙水壓時(shí)式(7)可寫成：

σ1p-αp=ζ(σ3-αp)+σw

(9)

(10)

整理公式(10)可得：

(11)

由(8)、(10)、(11)公式可得：因孔隙水壓引起的抗壓強(qiáng)度降低，降低值為：

(12)

以上的推論可知，相對(duì)于干燥狀態(tài)的煤樣，根據(jù)公式(6)、(12)有水壓時(shí)煤樣黏聚力相對(duì)減少αptanφ，抗壓強(qiáng)度降低[2αpcosφ+αp(1+sinφ)]/(1-sinφ)。

自然飽和煤樣吸水率較低，可忽略水壓的影響，且必定小于強(qiáng)制飽和煤樣的孔隙水壓，干燥煤樣的孔隙水壓為0，忽略內(nèi)摩擦角的變化，由(6)、(12)可知孔隙水壓與黏聚力、抗壓強(qiáng)度大致呈負(fù)相關(guān)。綜上所述，理論推導(dǎo)與試驗(yàn)結(jié)果一致。強(qiáng)制飽和煤樣的黏聚力小于自然飽和煤樣，強(qiáng)制飽和煤樣的抗壓強(qiáng)度低于自然飽和煤樣。

3　結(jié)　論

1)自行設(shè)計(jì)及研制煤樣強(qiáng)制飽和裝置，解決吸水能力弱的問題，煤樣吸水率平均可達(dá)4.1%，相對(duì)自然飽和煤樣在短時(shí)間內(nèi)吸水率提高了1.95%。

2)對(duì)煤樣飽水前后的波速試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試分析，得出A組煤樣吸水后波速提高124 m/s，B組煤樣飽水后提高723 m/s。強(qiáng)制飽和煤樣飽水前后波速變化量高于自然飽和煤樣5倍，表明煤樣強(qiáng)制飽和前后波速變化明顯，強(qiáng)制吸水后波速增加51.75%

3)強(qiáng)制飽和煤樣單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)于自然飽和煤樣降低7.61 MPa，降幅為54.83%，自然與強(qiáng)制飽和煤樣相比，強(qiáng)制飽和煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線平緩，峰值應(yīng)變?cè)龃?，抗壓?qiáng)度變小，從而塑性增加，脆性減小，發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性降低。

4)三軸壓縮時(shí)，不同圍壓下強(qiáng)制飽和煤樣的峰值強(qiáng)度平均降低19.5 MPa，降幅31.18%，因強(qiáng)制飽和煤樣吸水量相對(duì)自然飽和煤樣吸水量大，導(dǎo)致強(qiáng)制飽和煤樣K值降低；基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則及有效應(yīng)力原理，推導(dǎo)出孔隙水壓與黏聚力、抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，表明強(qiáng)制飽和煤樣的黏聚力與抗壓強(qiáng)度均低于自然飽和煤樣，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。

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