基于應(yīng)變測量的煤吸水膨脹變形特征實(shí)驗(yàn)研究

解北京，嚴(yán) 正，張?jiān)娎?/p>

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

近年來我國煤炭產(chǎn)量日益增大，煤炭開采深度日益加深，在深部開采的條件下，巖體所處的地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜，即處于高地應(yīng)力、高滲透水壓、高地溫和工程開挖擾動的地質(zhì)環(huán)境[1]。深部軟巖在天然狀態(tài)下較為完整、堅(jiān)硬、力學(xué)性能良好，但是遇水后迅速膨脹、崩解和軟化，從而造成巖體力學(xué)性質(zhì)大幅度降低[2]。研究表明，泥巖泡水后，手搓即碎，強(qiáng)度大大減弱，降低幅度達(dá)90%左右[3]，導(dǎo)致巖體損傷明顯，甚至造成軟巖巷道發(fā)生大變形、底鼓和塌方等現(xiàn)象[4]。

深部煤系地層在水和高應(yīng)力、高地溫條件下發(fā)生的物理、化學(xué)和力學(xué)作用過程是導(dǎo)致其發(fā)生形變破壞的根本原因[5]。因此，煤巖和水的相互作用的研究引起了科技工作者的高度關(guān)注。為了更好、更合理的解釋水與煤巖相互作用過程，國內(nèi)外學(xué)者從水-煤巖化學(xué)效應(yīng)[6-7]、力學(xué)效應(yīng)[8]及煤巖遇水軟化機(jī)制[9]等方面進(jìn)行了大量的工作。在國內(nèi)外的研究中，煤巖的吸水測試所采用的方法主要是煤巖吸水法。煤巖吸水膨脹性實(shí)驗(yàn)包括自由膨脹率[10]、側(cè)向約束膨脹率[11]、飽和吸水率[12]、膨脹壓力實(shí)驗(yàn)[13]。

自由膨脹率測量方法是將試件放入膨脹測定儀內(nèi)，上下放置透水板，上部和四側(cè)對稱安裝千分尺，記錄初讀數(shù)，加入潔凈水至淹沒上透水板，并在48 h內(nèi)按規(guī)定的讀數(shù)時(shí)間讀取千分尺讀數(shù)[14]。由測得的膨脹值和試件原始尺寸分別計(jì)算軸向和徑向自由膨脹率。目前大部分測量煤巖吸水自由膨脹的方法都是用千分尺，這種方法原則上可以得到結(jié)果，但是實(shí)際操作卻十分困難。針對目前這種用千分尺測量煤巖吸水膨脹的實(shí)驗(yàn)，指出具體的幾個(gè)缺點(diǎn)：①千分尺測量軸向或者徑向應(yīng)變時(shí)需要保持高度的垂直，要做到十分精準(zhǔn)很困難；②千分尺與試件接觸時(shí)，為了避免千分尺陷進(jìn)試件中需要將1塊較硬的板事先貼在試件表面，在測徑向時(shí)就比較困難；③煤巖吸水膨脹實(shí)驗(yàn)需要持續(xù)48 h，而千分尺需要及時(shí)讀數(shù)，在實(shí)驗(yàn)后期需要每小時(shí)讀1次數(shù)，不能間斷，需要投入大量的時(shí)間和精力；④容錯(cuò)率低，人工讀數(shù)本身就很容易出現(xiàn)誤差，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性很難保證；⑤煤巖膨脹過程獲取的數(shù)據(jù)較少，不能詳細(xì)體現(xiàn)煤巖吸水膨脹變形的全過程。

針對千分尺測量煤巖吸水自由膨脹的缺點(diǎn)，提出了1種利用應(yīng)變片代替千分尺，用高速采集儀代替人工讀數(shù)和處理數(shù)據(jù)的方法，克服了目前使用千分尺間接測量存在的操作要求高、時(shí)間長等缺點(diǎn)，解決了實(shí)驗(yàn)中測量的問題，并測試分析了煤吸水膨脹的變形特征。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

遇水膨脹的巖石一旦侵入水中，由于水分子的滲透作用，增加了巖石的含水率，造成結(jié)晶格架膨脹隆起，產(chǎn)生一定的膨脹變形和膨脹壓力，且短時(shí)間較為劇烈，但隨著時(shí)間的增長其膨脹變形和膨脹壓力增加速率變緩，趨于相對穩(wěn)定[15]。煤巖孔隙吸收水分膨脹發(fā)生形變，在煤巖表面貼應(yīng)變片，測量煤巖吸水膨脹發(fā)生的應(yīng)變變化，用高速采集儀代替人工讀數(shù)和處理數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

煤巖吸水膨脹變形特征實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由煤巖吸水裝置、應(yīng)力應(yīng)變儀、信號采集系統(tǒng)3部分組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)同步采集了應(yīng)變，應(yīng)變測試實(shí)驗(yàn)中共布置了4路應(yīng)變片，應(yīng)變片分別沿軸向和環(huán)向貼在煤巖高度中間位置。

1）應(yīng)變儀與應(yīng)變片。應(yīng)變信號采集系統(tǒng)使用的DY2102E動靜態(tài)應(yīng)變儀，共4路通道，橋路電阻適用于 1～60 kΩ，供橋電壓按照 2、4、6 V 分檔，供橋電壓精度±0.1%，應(yīng)變系數(shù)K=2.00，自動平衡時(shí)間為2 s，能夠保持平衡48 h。應(yīng)變片采用了北京一洋應(yīng)振測試技術(shù)有限公司的BX120-5AA應(yīng)變片，靈敏系數(shù)為2.08，敏感柵5 mm×3 mm，基底9.4 mm×5.7 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2）存儲記錄儀。應(yīng)變信號采集系統(tǒng)使用的HIOKI 8842存儲記錄儀，滿足應(yīng)變輸入單元存儲記錄，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速記錄與實(shí)時(shí)記錄，測試中采樣為1 kS/s。

1.4 煤樣參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)選擇的4個(gè)2種不同層理類型的原煤，1#、2#煤樣為層理垂直軸向，3#、4#煤樣為層理平行軸向的圓柱體，煤試樣基本參數(shù)見表1，煤樣如圖2。

表1 煤試樣基本參數(shù)

圖2 煤樣

1#、2#煤樣層理平行于軸向，3#、4#煤樣層理垂直于軸向，研究層理對煤吸水膨脹變形的影響。

2 煤巖吸水膨脹變形特征實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 應(yīng)變片防水性及靈敏度測試

電阻應(yīng)變片是一種電阻式的敏感元件，它一般由基底、敏感柵、覆蓋層和引線4部分組成。當(dāng)試件發(fā)生變形，應(yīng)變片就會跟隨一起變形，這時(shí)應(yīng)變片中的電阻絲就會因其機(jī)械變形而導(dǎo)致電阻絲的電阻發(fā)生變化，電阻的變化也就反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的變形情況，這是電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理[16]。

應(yīng)變片的防水處理不佳可能是制約煤吸水膨脹變形應(yīng)變測量的1個(gè)重要因素，因此分別采用了704硅橡膠（單組分室溫硫化硅橡膠）和9030全透明環(huán)氧樹脂AB膠對粘貼的應(yīng)變片進(jìn)行防水處理。靈敏系數(shù)是指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單項(xiàng)應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對變化與試件表面應(yīng)變片粘貼區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。實(shí)驗(yàn)室溫度變化幅度不大，水溫也是室溫，溫度對應(yīng)變片的影響很??；粘貼應(yīng)變片用704硅橡膠和9030AB膠，電絕緣性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，蠕變小、粘貼強(qiáng)度高。

實(shí)驗(yàn)采用704硅橡膠防水處理4個(gè)粘貼在鋁片上的應(yīng)變片，驗(yàn)證應(yīng)變片防水處理效果和靈敏度，鋁片吸水膨脹實(shí)驗(yàn)如圖3。

圖3 鋁片吸水膨脹實(shí)驗(yàn)

鋁片浸泡在水中應(yīng)變變化曲線如圖4，應(yīng)變片初始應(yīng)變值為0，隨著鋁片的吸水，應(yīng)變值穩(wěn)定增加，在20 h時(shí)趨于到穩(wěn)定，應(yīng)變值僅增加0.03‰，應(yīng)變片可以檢測到很微小的形變，靈敏度高，其靈敏度滿足實(shí)驗(yàn)的要求，3#、4#應(yīng)變片可能因防水材料未貼好，導(dǎo)致采集到的信號斷裂且不穩(wěn)定。

2.2 煤巖吸水形變實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在1#、2#煤巖中間軸向和環(huán)向用704硅橡膠粘貼應(yīng)變片，在3#、4#煤巖中間軸向和環(huán)向用9030全透明環(huán)氧樹脂AB膠覆蓋粘貼好應(yīng)變片，吸水形變測量結(jié)果如圖5和圖6。

圖4 鋁片浸水應(yīng)變曲線

圖5 1#、2#煤吸水膨脹橫向、環(huán)向應(yīng)變曲線

由圖5和圖6中4個(gè)煤試樣應(yīng)變曲線可見，整個(gè)煤吸水膨脹變形應(yīng)變曲線全過程可以分為3個(gè)階段：初始壓應(yīng)變作用、拉應(yīng)變急劇上升、拉應(yīng)變緩慢增大。

首先，應(yīng)變儀預(yù)熱階段應(yīng)變數(shù)值近似直線，在水加入燒杯與煤巖接觸瞬間，煤巖受到不平衡水壓影響（煤巖各方向水分子滲透速率不同），使得應(yīng)變片粘貼處的煤巖處于壓縮狀態(tài)，應(yīng)變值為負(fù)值表現(xiàn)出壓應(yīng)變狀態(tài)，煤巖迅速吸水產(chǎn)生膨脹力，壓應(yīng)變增長速率迅速減小，初始壓應(yīng)力作用時(shí)間很短大約5 min左右，1#煤巖的最大軸向壓應(yīng)變?yōu)?0.5‰，環(huán)向?yàn)?0.5‰，2#煤巖的最大軸向壓應(yīng)變?yōu)?0.5‰，環(huán)向?yàn)?0.9‰，3#煤巖的最大軸向壓應(yīng)變?yōu)?1.2‰，環(huán)向?yàn)?1.1‰，4#煤巖的最大軸向壓應(yīng)變?yōu)?1.0‰，環(huán)向?yàn)?1.2‰。

其次，隨著水在煤巖里持續(xù)迅速滲透，膨脹力持續(xù)劇烈增大，直至1.5 h左右時(shí)膨脹力增長速率變緩，煤吸水膨脹處于拉應(yīng)變急劇上升階段。由于煤樣層理的影響，上升階段軸向和環(huán)向應(yīng)變曲線形式表現(xiàn)出明顯的差異。此時(shí)1#煤巖軸向拉應(yīng)變最大值為6.8‰，環(huán)向?yàn)?.4‰，2#煤巖軸向拉應(yīng)變最大值為6.6‰，環(huán)向?yàn)?.4‰，3#煤巖軸向拉應(yīng)變最大值為5.9‰，環(huán)向?yàn)?.8‰，4#煤巖軸向拉應(yīng)變最大值為5.8‰，環(huán)向?yàn)?.2‰。

最后，隨著水的滲透速率變緩，膨脹力慢速穩(wěn)定增加，在48 h后膨脹應(yīng)變趨于穩(wěn)定，煤吸水膨脹變形處于拉應(yīng)變緩慢增大階段。1#煤巖最大軸向拉應(yīng)變?yōu)?.2‰，最大環(huán)向拉應(yīng)變?yōu)?.4‰，2#煤巖最大軸向拉應(yīng)變?yōu)?.9‰，最大環(huán)向拉應(yīng)變?yōu)?.6‰，3#煤巖最大軸向拉應(yīng)變?yōu)?.8‰，最大環(huán)向拉應(yīng)變?yōu)?.8‰，4#煤巖最大軸向拉應(yīng)變?yōu)?.8‰，最大環(huán)向拉應(yīng)變?yōu)?.9‰。

對比分析圖5和圖6中1#、2#、3#和4#煤軸向和環(huán)向膨脹應(yīng)變，層理平行軸向的1#、2#煤樣，軸向應(yīng)變增長速率比環(huán)向應(yīng)變增長速率快；層理垂直于軸向的3#、4#煤樣，環(huán)向應(yīng)變增長速率比軸向應(yīng)變增長速率快，說明水沿著層理方向滲透速率快，層理對煤吸水膨脹影響較大。4組煤巖的軸向最大拉應(yīng)變比環(huán)向最大拉應(yīng)變僅大1‰左右，數(shù)值上相差不大。

3 結(jié)論

1）應(yīng)變測量可以體現(xiàn)煤巖吸水膨脹變形的全過程，可以更加細(xì)致的分析煤巖吸水膨脹階段特性。

2）通過對煤巖吸水應(yīng)變曲線分析發(fā)現(xiàn)，煤巖剛浸入水中受到不平衡水壓作用，初始應(yīng)變階段表現(xiàn)為短暫的壓應(yīng)變，隨后煤巖迅速吸水膨脹，拉應(yīng)變急劇增大，隨著煤巖吸水速率的減小，拉應(yīng)變穩(wěn)定緩慢增加，在48 h后拉應(yīng)變趨于最大值。

3）煤巖的軸向最大拉應(yīng)變比環(huán)向最大拉應(yīng)變大1‰左右，數(shù)值上兩者相差不大，水沿層理方向滲透速率快，層理對煤吸水膨脹影響較大。