三軸壓縮蠕變條件下煤巖裂隙演化規(guī)律試驗研究

魏國營，王澤華，賈天讓

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室，省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000)

0 引 言

煤巖蠕變是指在不變載荷的長期作用下，其變形隨時間延長而緩慢增加的現(xiàn)象[1]。煤層裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展受煤巖體蠕變力學(xué)性質(zhì)的影響，進而影響煤層的透氣性。煤層中裂隙的孕育、發(fā)展以及閉合與煤巖體蠕變力學(xué)特性有關(guān)，而蠕變條件下煤體內(nèi)部裂隙演化規(guī)律還有待于進一步研究?？茖W(xué)準(zhǔn)確地揭示煤巖體裂隙演化規(guī)律對瓦斯抽采以及煤與瓦斯突出防治具有重要的意義[2-3]。

蠕變不僅對礦井煤巖動力災(zāi)害和巷道圍巖穩(wěn)定性具有十分重要的影響，而且對煤體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化也具有顯著的影響[4-6]。大量學(xué)者對巖體裂隙演化規(guī)律進行了研究。通過研究裂隙巖體在卸荷狀態(tài)下的蠕變特征，楊超等[7]提出了裂隙巖體損傷蠕變模型，并建立了完整巖石與裂隙巖體間的相關(guān)關(guān)系；通過圍壓對煤巖蠕變損傷機理的影響進行研究，劉傳孝等[8]得到了深井煤巖短時分級加載蠕變試驗破壞斷口的細(xì)觀構(gòu)造；為了研究煤樣在圍壓作用下的蠕變特性規(guī)律，尹光志等[9]和蔡永樂等[10]描述了煤巖蠕變的三階段，并確定了相關(guān)參數(shù)；為了描述加速蠕變階段，楊逾等[11]和王路軍等[12]基于流變模型，推導(dǎo)出煤體三維應(yīng)力條件下非線性蠕變本構(gòu)方程；為了研究圍壓作用下煤樣的蠕變本構(gòu)關(guān)系，趙洪寶等[13]通過改變?nèi)渥冚d荷，得到了不同蠕變載荷作用下完整的蠕變?nèi)A段曲線和各蠕變階段的蠕變特征；為了得到恒定荷載作用下煤體蠕變損傷破壞規(guī)律，肖福坤等[14]通過煤樣加載試驗，得出煤體表面裂隙在煤體內(nèi)部發(fā)育狀況和蠕變過程中裂隙擴展方向及速率。目前，一些學(xué)者對于煤巖裂隙的研究也采取不同的研究方法。為了研究煤巖在三向應(yīng)力狀態(tài)下的變形破壞特征，盧晉波等[15]通過三軸壓縮下煤巖力學(xué)性能測試與CT掃描分析，揭示了煤巖變形破壞特征；李果等[16]通過對煤巖試件進行常規(guī)三軸力學(xué)試驗，并對破壞后的煤巖試件進行CT掃描，得到了煤巖試件內(nèi)部裂隙空間的分布情況；宋黨育等[17]基于CT掃描實現(xiàn)了對孔裂隙的定量表征；汪文勇等[18]基于DIC技術(shù)計算出煤巖表面裂隙的分形維數(shù)；盧方超等[19]通過核磁共振技術(shù)，對煤孔/裂隙微觀變化進行研究。眾多學(xué)者研究煤巖蠕變時，僅僅對蠕變階段進行分析和描述，分析了蠕變速率、蠕變加速率，而對蠕變條件下煤巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化的研究則相對較少。煤體內(nèi)裂隙的幾何特性存在一定的不確定性，導(dǎo)致裂隙演化規(guī)律的研究過程較為復(fù)雜。三軸應(yīng)力作用下，裂隙產(chǎn)狀對煤體內(nèi)部裂隙擴展及方向影響的研究還處于探索階段，現(xiàn)有文獻所揭示的規(guī)律也存在差異。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對原煤煤樣進行三軸壓縮蠕變及CT掃描試驗，得到了不同載荷下煤巖的蠕變特性曲線，以及煤巖蠕變損傷后裂隙演化圖像，研究了煤巖體細(xì)觀時效損傷演化過程，進一步闡述了煤巖體裂隙演化規(guī)律。

1 煤巖三軸壓縮蠕變及CT掃描試驗

1.1 試樣制備及試驗設(shè)備

試驗煤樣取自焦作趙固二礦，煤質(zhì)較硬，為無煙煤。為了減小人為采動和運輸對試驗煤樣的影響，煤樣采取地點為12041工作面，避開地質(zhì)構(gòu)造帶，煤樣受采動影響較小，選取較大且完整塊煤，運輸過程中避免煤樣受外力影響。在實驗室利用巖心鉆取機勻速沿垂直層理方向加工成圓柱形煤樣，直徑50 mm，通過雙端面磨巖機將鉆出的煤樣切成長(100±2)mm的圓柱，兩個端面的不平行度不大于0.05 mm，以確保在試驗裝置加載過程中煤樣上下端面受力均勻。試驗制備4個圓柱煤樣，編號為A1，A2，A3，A4。煤樣如圖1所示。

圖1 制備好的煤樣Fig.1 Prepared coal specimens

采用TCQT-Ⅲ型低滲煤層氣相驅(qū)替增產(chǎn)試驗系統(tǒng)，如圖2(a)所示。該試驗系統(tǒng)將軸壓加載、圍壓加載和瓦斯壓力加載等系統(tǒng)獨立模塊化，通過不同的控制系統(tǒng)單獨控制，并且具有控制精度高、試驗數(shù)據(jù)實時采集等優(yōu)點。圖3(b)為phoenix v|tome|x m CT掃描設(shè)備，用于三維計量和重構(gòu)，電壓和功率高達300 kV和500 W，有<1 μm的細(xì)節(jié)分辨力；系統(tǒng)可進行向下1 m內(nèi)的探測，提供300 kV下的放大倍率，并具有獨特的GE DXR數(shù)字探測器陣列(高達30幀)的極快速CT數(shù)據(jù)采集功能。

圖2 試驗儀器Fig.2 Experiment instruments

1.2 蠕變載荷及圍壓確定

在進行三軸蠕變試驗前，選取煤樣進行常規(guī)三軸壓縮破壞試驗，試驗圍壓為3 MPa，當(dāng)軸壓達到16 MPa時煤樣發(fā)生破壞。三軸壓縮破壞試驗煤樣如圖3所示。

圖3 三軸壓縮破壞的試驗煤樣Fig.3 Coal specimen after triaxial compression test

試驗前獲取煤樣基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗煤樣基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Basic parameters of experimental coal specimen

根據(jù)巖石流變學(xué)理論，不是在任何應(yīng)力水平下都能獲取到完整的蠕變?nèi)A段，不同應(yīng)力水平蠕變階段也不同。蠕變載荷與煤巖長時強度存在如下關(guān)系：當(dāng)σ<σs時，僅出現(xiàn)蠕變的前兩個階段，如圖4(a)所示；當(dāng)σ≥σs時，可得到完整的蠕變?nèi)A段曲線，如圖4(b)所示[20]。

圖4 蠕變變形隨時間變化的曲線Fig.4 Curve of creep deformation over time

根據(jù)煤巖長時強度σs與煤的三軸壓縮強度間的關(guān)系，為了保持煤樣的完整性，此次蠕變試驗為衰減蠕變。煤的平均泊松比約為0.33，橫向應(yīng)力約為6.25 MPa，在考慮采掘活動影響下，假設(shè)煤層卸壓到原來應(yīng)力的50%，約3.125 MPa，試驗采用相對安全的3 MPa圍壓，近似于井下煤體應(yīng)力環(huán)境。根據(jù)巖層靜水壓力計算，平均垂直應(yīng)力約為12.5 MPa，所以試驗軸壓選取6～12 MPa，試驗溫度為25 ℃。試驗在保持圍壓不變的條件下，采用單級加載方式，選取軸壓6，9，12 MPa，分別加載于煤樣A2，A3，A4上，加載時間均為8 h，煤樣A1作為參考試樣，不進行加載。

1.3 試驗過程

基于TCQT-Ⅲ型低滲煤層氣相驅(qū)替增產(chǎn)實驗系統(tǒng)進行三軸壓縮蠕變試驗，待三軸壓縮蠕變試驗結(jié)束后，在卸壓狀態(tài)下對煤樣A1，A2，A3，A4進行CT掃描。煤樣的三軸壓縮蠕變試驗步驟如下。

(1)保留原始煤樣A1，并進行CT掃描，對煤樣A2，A3，A4進行三軸壓縮蠕變試驗。

(2)選取軸壓6，9，12 MPa，分別加載于煤樣A2，A3，A4上，同時給煤樣加圍壓3 MPa，加載速度為0.06 MPa/s，保持圍壓不變。當(dāng)達到預(yù)定的應(yīng)力載荷水平時，維持液壓加載恒定并監(jiān)測煤樣A2，A3，A4應(yīng)變與時間的關(guān)系，監(jiān)測時間為8 h，卸載后對煤樣A2，A3，A4進行掃描。

(3)采集處理監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)及圖像，進行整理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤巖三軸蠕變特性

經(jīng)原煤蠕變試驗，在圍壓3 MPa不變的條件下，煤樣A2，A3，A4的蠕變應(yīng)變歷時過程曲線分別如圖5所示。

由于煤體屬于黏彈塑性材料，當(dāng)應(yīng)力施加在煤體上時，煤體會產(chǎn)生瞬間的應(yīng)變。其應(yīng)變量隨著應(yīng)力載荷水平的提高而增大，并在煤體蠕變變形的過程中，占據(jù)主要部分。在不同的應(yīng)力載荷水平下，煤體會表現(xiàn)出明顯的蠕變起始強度。減速蠕變持續(xù)時間將在不同的負(fù)載條件下變化。在減速蠕變階段中，蠕變速率會逐漸變小，直到進入穩(wěn)態(tài)蠕變階段。根據(jù)試驗結(jié)果，煤樣的減速蠕變本質(zhì)上是由彈性后效引起的。從圖5可知，不同的應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)不同的蠕變行為。如果蠕變載荷低于長期強度，煤樣將表現(xiàn)出衰減蠕變行為。

圖5 煤樣的蠕變應(yīng)變歷時過程曲線Fig.5 Diachronic process curve of the creep strain of coal specimen

2.2 煤樣裂隙圖像獲取

CT掃描的圖像為灰度圖像。通過CT圖像的灰度變化，分析煤樣在三軸壓縮蠕變下裂隙狀態(tài)。

對煤樣整體進行掃描，截取得到煤樣縱向和橫向裂隙圖像，如圖6所示。從圖6可知，煤樣A1的初始裂隙并不明顯，裂隙較少。煤樣A2橫向切片圖像中，由邊緣向煤樣內(nèi)部萌生一條長約20 mm的裂隙。從煤樣A3掃描圖像可以看出，煤樣內(nèi)部的主裂隙逐漸擴展發(fā)育，主裂隙之間相互連通且裂隙擴展明顯。觀察煤樣A4的橫切面圖像，可知主裂隙沿煤樣內(nèi)部薄弱面擴展發(fā)育。由于裂隙圖像為原始掃描圖像，不能直觀得出煤體內(nèi)部裂隙分布情況，需對裂隙圖像進行處理。

3 CT圖像處理及裂隙演化分析

為了直觀得到裂隙的分布與演化情況，增加裂隙掃描圖像的可讀性，運用MATLAB軟件技術(shù)及VGStudio MAX軟件，對掃描后的煤樣裂隙圖像進行三維重構(gòu)。

對圖6中CT掃描圖像進行灰度直方圖均衡化和二值處理，如圖7所示。

圖6 煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT掃描特征Fig.6 CT scan features of internal structure of coal specimen

分析圖7可知，煤樣A1沒有經(jīng)過外部載荷作用，A2和A1相比，加載初期煤巖體內(nèi)部裂隙閉合，煤樣表現(xiàn)出相應(yīng)的彈性力學(xué)性質(zhì)，裂隙發(fā)育不明顯，幾何尺寸變化不明顯，新生裂隙較少。對比分析煤樣A3和A2圖像，可知損傷量隨著荷載的增加而增加，此時裂隙由于損傷量的累積開始發(fā)育，煤樣中裂隙和孔隙開始擴展，同時形成新生裂隙或孔隙。隨著新裂隙的產(chǎn)生，煤巖體內(nèi)部裂隙開始快速發(fā)育，從煤樣A4圖像可直接看到宏觀裂隙的產(chǎn)生。

圖7 各煤樣CT掃描圖像處理后灰度圖像及灰度直方圖Fig.7 Gray level image and gray level histogram of each coal specimen after CT scan image processing

對圖6 CT掃描圖像進行二值圖像處理，得到裂隙圖像，如圖8所示。

圖8 各煤樣二值圖像處理結(jié)果Fig.8 Binary image processing results of each coal specimen

對煤樣CT圖像進行二值處理，如圖8所示。由圖8可知，煤樣A1內(nèi)部存在較少的原始裂隙。同一橫截面上的原始裂隙，存在的數(shù)量越多，后續(xù)加載時裂隙的發(fā)育越明顯。隨著加載的應(yīng)力和時間的增加，裂隙尖端附近應(yīng)力集中，煤巖的彈性變形達到應(yīng)力極限時，裂隙開始發(fā)育，形成次生裂隙。通過試驗可知，次生裂隙的發(fā)育不是在裂隙的尖端開始，而是在裂隙的上端點附近發(fā)育，這種現(xiàn)象主要是由煤巖體這種材料的力學(xué)性質(zhì)決定的。結(jié)合圖像信息與煤樣蠕變曲線可知，蠕變能促進煤體內(nèi)部裂隙的發(fā)育。在外部載荷不變的條件下，隨著時間的延長，裂隙逐漸發(fā)育，形成復(fù)雜裂隙網(wǎng)。

為進一步探究三軸壓縮蠕變條件對裂紋擴展的影響，對煤樣內(nèi)部裂隙進行提取，分析其在空間中的形態(tài)及分布，如圖9所示。

圖9 各煤樣內(nèi)部裂隙形態(tài)及分布Fig.9 Fracture shape and distribution of internal coal specimen

基于VGStudio可視化模型，對煤樣掃描數(shù)據(jù)進行裂隙統(tǒng)計計算，煤樣A1,A2,A3,A4的裂隙體積分別為99.41,119.07,135.89,161.12 mm3，分別占煤樣總體積的0.062 9%,0.075 5%,0.087 7%,0.101 3%。經(jīng)統(tǒng)計，煤樣A1裂隙總數(shù)為1 891個，其中半徑為500～800 μm的裂隙數(shù)量占總數(shù)的50.01%；煤樣A2裂隙總數(shù)為2 059個，其中半徑為700～1 200 μm的裂隙數(shù)量占總數(shù)的51.82%；煤樣A3裂隙總數(shù)為2 971個，其中半徑為1 000～2 000 μm的裂隙數(shù)量占裂隙總數(shù)的49.28%，半徑大于2 000 μm的裂隙占總數(shù)的7.22%；煤樣A4裂隙總數(shù)為4 361個，其中半徑為1 000～2 000 μm的裂隙占總數(shù)的24.31%,半徑大于2 000 μm的裂隙占總數(shù)的8.91%。比較4個煤樣內(nèi)部裂隙體積和數(shù)量，可知裂隙體積和數(shù)量隨蠕變載荷的增加而增加。

通過數(shù)據(jù)分析可知，煤樣A1內(nèi)部微裂隙較多，為原生裂隙；在初始蠕變條件下，煤樣A2受蠕變影響產(chǎn)生較少裂隙；煤樣A3內(nèi)部裂隙發(fā)育擴展明顯，并且半徑在1 000～2 000 μm的裂隙占比明顯增加。煤樣A4和A3相比，半徑為1 000～2 000 μm的裂隙數(shù)量減少，而半徑大于2 000 μm的裂隙增加了1.69%，說明蠕變試驗中，較大應(yīng)力直接影響煤層內(nèi)部主裂隙發(fā)育情況。

觀察煤樣裂隙圖像，可知裂隙擴展方向多與煤樣軸向方向相同。由此可知，煤巖體裂隙發(fā)育的方向主要是沿著有效主應(yīng)力的方向或與其呈較小夾角擴展。主裂隙附近還會衍生多條新的次生裂隙，交叉裂隙將主裂隙互相連通。

試驗誤差分析：為保證試驗結(jié)果的可對比性，沒有統(tǒng)計500 μm以下的裂隙。由于原煤樣內(nèi)部存在較多微裂隙，在取樣過程中，針對取樣地點進行考察，在無地質(zhì)構(gòu)造帶且不受井下采動影響下選取大塊完整煤樣，制備成試驗所需煤樣。在運輸以及制樣過程中，也避免了人為因素對煤樣內(nèi)部裂隙產(chǎn)生影響，所以認(rèn)為，煤樣是均質(zhì)材料。

4 結(jié) 論

(1)煤樣內(nèi)部裂隙分布受主裂隙控制且分布不均。煤巖強度降低和應(yīng)力局部化是其損傷、破壞、裂隙發(fā)育的根本原因。

(2)蠕變促進煤體內(nèi)部裂隙的發(fā)育。隨著不變載荷加載時間的延長，煤樣損傷的程度愈高，裂隙體積占煤樣體積百分比有所增加，裂隙不僅變寬，而且逐漸貫穿煤樣。

(3)煤巖體裂隙發(fā)育的方向主要是沿有效主應(yīng)力方向或與其呈較小夾角擴展。主裂隙附近還會衍生多條新的次生裂隙，交叉裂隙將主裂紋互相連通。