滇東黔西松軟煤巖三軸壓縮力學特性及能量演化特征*

侯連浪，劉向君，梁利喜，張 平，謝 斌，李丹瓊

(1.西南石油大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京 100015)

0 引言

煤巖的物理力學性質(zhì)是煤巖體的基本屬性，反映煤巖體的物理狀態(tài)和承受外界作用的能力[1]，準確認識煤巖巖石力學特性對防治煤炭開采過程中可能發(fā)生的煤與瓦斯突出事故[2-4]及煤層氣井鉆井過程中可能發(fā)生的井壁坍塌事件至關重要[5]。國內(nèi)外學者針對煤巖巖石力學特性開展了大量研究，其中，弱結(jié)構面對煤巖力學特性的影響受到了很多關注，裂隙幾何形態(tài)、裂隙產(chǎn)狀、張開度、起伏度等因素都會對煤巖巖石力學特性產(chǎn)生一定的影響[6]；部分學者從不同圍壓[7]、不同加載速率[8]以及不同煤巖類型的角度[9]，開展室內(nèi)力學試驗以分析不同條件下煤巖的力學特性；唐輝明等[10]以理論推導及數(shù)值分析方法，依據(jù)等效應變原理，推導了煤巖的等效巖石力學參數(shù)計算模型。這些研究成果促進了我國煤炭資源的安全高效開發(fā)?，F(xiàn)有關于煤巖力學特性的研究多數(shù)集中在中硬煤及硬煤領域，部分針對松軟煤巖開展的研究，只重點分析煤樣尺寸及含水率對煤巖強度的影響[11]。松軟煤層在煤體強度、變形特征、破裂特征等方面與中硬及硬煤層具有顯著差異[12]。因此，有必要以松軟煤巖為研究對象，分析松軟煤巖的力學特性及能量演化特征。

以取自滇東黔西SH礦區(qū)及LC礦區(qū)普氏系數(shù)小于0.5的松軟煤巖為研究對象，開展不同圍壓下的三軸壓縮試驗，以探究松軟煤巖三軸壓縮力學特性及能量演化特征，取得的認識對松軟煤層煤炭資源安全高效開發(fā)具有指導意義。

1 試驗內(nèi)容、方案及過程

1.1 試驗內(nèi)容及方案

為了解試驗煤樣的力學特性及能量演化特征，使用GCTS-1000型高溫高壓巖石力學測試系統(tǒng)開展不同圍壓下的三軸壓縮試驗。綜合考慮樣品數(shù)量及埋深，開展3個不同圍壓下的三軸試驗，每個圍壓條件下3塊煤巖樣品。圍壓確定方式為：煤巖取樣深度約719 m，以密度測井資料計算上覆壓力為19.14 MPa，以靜水壓力近似儲層壓力為7.19 MPa，即煤巖所承受的有效應力為11.95 MPa，最終，確定本次三軸試驗圍壓分別為0，6和12 MPa。

1.2 試驗過程

本次試驗的流程為：

1)在試驗系統(tǒng)里輸入煤巖樣品的基本信息(編號、長度、直徑)，設置好應變規(guī)參數(shù)；

2)將煤巖樣品用熱塑管包裹后安裝軸向應變規(guī)及徑向應變規(guī)，并將煤巖樣品置于樣品臺；

3)放下釜體，采用圍壓與軸壓逐級交替增大的方式緩慢加載圍壓至目標值(單軸試驗不需要加載圍壓)，單級增加的圍壓、軸壓為2 MPa；

4)將伺服控制系統(tǒng)中軸壓清零后，采用位移控制加載方式施加軸向壓力，加載速率為0.2 mm/min，并同時記錄差應力-應變曲線數(shù)據(jù)；

5)待煤巖樣品破壞后結(jié)束試驗，卸載圍壓，取出破壞后煤巖樣品并拍照記錄。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應力應變曲線特征

煤巖在壓縮試驗前后的形狀如圖1所示。由圖1(a)和圖1(b)可見，巖心SH15-1-2和SH15-1-15試驗前無明顯裂隙。由于煤巖質(zhì)軟，壓縮過程中徑向變形迅速增大，并未快速失去縱向上的承壓能力，軸向差應力-應變曲線沒有迅速跌落(見圖2(a))。由圖1(c)可見，巖心SH15-1-4試驗前存在明顯裂隙。盡管圍壓相對較大，當軸向壓力增大到一定程度時，巖心內(nèi)部裂隙勾通，巖心沿裂隙發(fā)生剪切破壞而表現(xiàn)出類似于脆性巖石破壞時的軸向差應力-應變曲線陡降現(xiàn)象(如圖2(a))。由圖1(d)～(i)可知，對于LC礦區(qū)煤巖出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因亦是如此(圖2(b)),即裂隙的存在會增大松軟煤巖差應力-應變曲線峰后下降的速率。

注：每組照片中，左側(cè)為試驗前，右側(cè)為試驗后。圖1 煤巖壓縮試驗壓前壓后對比Fig.1 Comparisons of coal and rock compression tests before and after compression

圖2 不同圍壓下煤巖差應力-應變曲線Fig.2 Differential stress-strain curves of coal and rock under different confining pressure

SH礦區(qū)及LC礦區(qū)煤樣在不同圍壓下的差應力-應變曲線如圖2所示，圖2中差應力-應變曲線上標注的數(shù)值為對應曲線的試驗圍壓值。由圖2(a)和圖2(b)可知，單軸條件下，差應力-應變曲線呈現(xiàn)出較明顯的壓密、彈性、屈服及破壞4個階段。相關研究[13]表明，隨著圍壓逐漸增大，取自淮南煤礦的原煤軸向差應力-應變曲線峰后應力跌落幅度逐漸減小，陡降趨勢逐漸收斂，開始呈現(xiàn)出延性特征，且圍壓越高，峰后延性特性越明顯。由圖2(a)和圖2(b)可知，對于SH礦區(qū)和LC礦區(qū)煤巖，圍壓越高,差應力-應變曲線峰后階段更陡。

由圖2(c)和圖2(d)可知，SH礦區(qū)及LC礦區(qū)9塊煤巖巖心中，圍壓為6 MPa下的巖心SH15-1-15在達到峰值強度后應力-體積應變曲線向右延伸，表現(xiàn)出體積收縮的現(xiàn)象；其他8塊巖心的差應力-體積應變曲線均從峰前屈服階段開始轉(zhuǎn)向左拐，開始表現(xiàn)出擴容的現(xiàn)象，在達到峰值強度后擴容現(xiàn)象愈加劇烈。

2.2 強度特征

2.2.1 圍壓與峰值強度的關系

對試驗數(shù)據(jù)進行分析，可得到煤巖抗壓強度(σ1m+σ3)與圍壓的關系，如圖3所示。由圖3可知，整體上，煤巖的抗壓強度分布在5.9～54.1 MPa之間，之前的研究[1]成果表明，中硬煤峰值強度約是軟煤的1.11倍，硬煤的強度約是軟煤的1.68倍。隨著圍壓增大，煤巖樣品抗壓強度增大，表明圍壓增強了煤巖在軸向上承壓能力。

圖3 抗壓強度與圍壓的關系Fig.3 Relationship between compressive strength and confining pressure

2.2.2 抗剪切強度

由圖1和圖2可知，煤巖三軸壓縮試驗破壞模式主要為剪切破壞，由圖3可知圍壓與抗壓強度呈現(xiàn)為較好的線性關系，抗壓強度σc與圍壓σ3的線性關系為：

σc=3.986 1σ3+6.386 7

(1)

式中：σc為抗壓強度，MPa；σ3為圍壓，MPa。即煤巖抗壓強度符合Coulomb強度準則，可用Coulomb強度準則來計算其抗剪切強度。計算得到煤巖的黏聚力為1.60 MPa，內(nèi)摩擦角為36.81°。

2.3 變形特征

圖4為楊氏模量及泊松比與圍壓的關系。由圖4可知，試驗煤巖的楊氏模量分布范圍為6 452～10 706 MPa。前人研究[1]成果表明，中硬煤的楊氏模量約是軟煤的47.1%，硬煤的楊氏模量約是軟煤的4.86倍。隨著圍壓的增大，煤巖楊氏模量逐漸增大，利于裂縫長度方向上的擴展，寬度方向上則受到抑制[12]。試驗煤巖泊松比的分布范圍為0.308～0.400。隨著圍壓增大，煤巖泊松比逐漸減小，表明圍壓對煤巖壓縮變形過程中徑向變形的抑制作用明顯。

圖4 楊氏模量及泊松比與圍壓的關系Fig.4 The relationship between Young's modulus, Poisson ratio and confining pressure

2.4 破壞特征

觀察圖1可知，煤巖在不同圍壓下表現(xiàn)出不同的破壞特征：1)單軸條件下，煤巖破壞形式復雜，張剪并存，碎裂程度較高；2)圍壓分別增大至6 MPa和12 MPa時，煤樣主要發(fā)生剪切破壞；3)整體上，隨著圍壓增大，煤樣破碎程度降低，即圍壓條件下松軟煤巖破壞模式符合Coulomb強度準則。

圖5為煤巖破壞形態(tài)示意圖，圖中所標明的角度為煤巖破裂面與端面的夾角。煤巖的黏聚力為1.60 MPa，內(nèi)摩擦角為36.81°。按照Coulomb強度準則，計算可知破裂面與巖樣端面的夾角約為63°。由圖5可知，三軸條件下煤巖破裂面與端面的夾角均分布在63°左右，符合Coulomb強度準則。單軸壓縮條件下，圖5(a)和(e)對應的2塊煤樣破裂面與端面的夾角與63°相差相對較大；圖5(d)對應的煤樣出現(xiàn)X型剪切縫面。單軸條件下巖石破壞形式復雜，三軸條件下煤樣只會產(chǎn)生剪切破壞，二者有本質(zhì)上的區(qū)別[14]。實際工程中，松軟煤巖均受一定圍壓的作用。因此，工程應用中Coulomb強度準則仍適用于松軟煤巖。

2.5 能量演化特征

巖石受力變形過程中，整體系統(tǒng)能量變化主要可分為能量輸入、能量聚集、能量耗散和能量釋放4個階段。

圖5 煤巖破壞形態(tài)示意Fig.5 Diagram of failure form of coal and rock

忽略實驗過程中的熱交換，由熱力學第一定律可知，外力所做功在單位體積內(nèi)產(chǎn)生的能量U可分為彈性能Ue和耗散能Ud2部分。圖6為不同圍壓下部分三軸壓縮試驗能量-應變關系。文中能量均指能量密度，即單位體積包含的能量。由圖6(a)～(e)可知，隨著軸向應力增加，試樣吸收的總能量、存儲的彈性能和損傷耗散能都在不斷增加。加載初期，試驗處于壓密階段，總能量和彈性能都增加緩慢；隨著試驗進入線彈性階段，總能量和彈性能都穩(wěn)定增加，耗散能變化較小，煤樣損傷程度較低；當軸向應力進一步增加時，彈性能增加速率降低，耗散能加速增加，該階段為裂紋穩(wěn)定擴展和加速擴展階段，煤樣內(nèi)部微裂隙逐漸擴展、連通，煤樣結(jié)構發(fā)生較大損傷；隨著軸向應力繼續(xù)增大，煤樣存儲的彈性能繼續(xù)增大，耗散能亦逐漸增加，內(nèi)部結(jié)構損傷加劇，當儲存的彈性能及煤樣結(jié)構損傷達到一定程度時，彈性能瞬間釋放，煤樣破壞。將不同圍壓下的彈性能-應變、耗散能-應變分別繪制到同一張圖(見圖6(f)～(i))，破壞點用空心星號點進行了標注。由圖6(f)和圖6(g)可知，不同圍壓下，彈性能整體上增長的速率相近，這表明在實驗條件下煤樣彈性能的增加速率幾乎不受圍壓的影響；隨著圍壓的增大，煤樣破壞點的彈性能越高，這表明圍壓增強了煤樣儲存彈性能的能力。有研究成果[15]表明，破壞點耗散能隨著圍壓的增大而增大。由圖6(h)和圖6(i)可知，破壞點耗散能與圍壓無明顯關系。這是因為煤樣原有的割理等裂隙發(fā)育程度不同，相同圍壓下從受壓開始到完全破壞所需用于損傷煤樣內(nèi)部結(jié)構的耗散能差異較大，耗散能便呈現(xiàn)出與圍壓無明確相關關系的特點。

圖6 不同圍壓下彈性能、耗散能與應變的關系Fig.6 Relationship between elastic energy, dissipative energy and strain under different confining pressures

3 結(jié)論

1)圍壓增強了煤巖在軸向上承壓能力；隨著圍壓的增大，煤巖楊氏模量逐漸增大，泊松比逐漸減小，圍壓對煤巖壓縮變形過程中徑向變形的抑制作用明顯。

2)裂隙的存在會增大松軟煤巖差應力-應變曲線峰后下降的速率，差應力-體積應變曲線從峰前屈服階段開始左拐，表現(xiàn)出擴容的現(xiàn)象，在達到峰值強度后擴容現(xiàn)象愈加明顯。

3)圍壓條件下，松軟煤巖的抗壓強度、破壞模式及破壞角均符合Coulomb強度準則，Coulomb強度準則適用于松軟煤層的工程應用；圍壓幾乎不影響彈性能的增長速率，但提高了煤樣儲存彈性能的能力，受割理等裂隙影響，耗散能與圍壓無明確相關關系。