循環(huán)外載激發(fā)下孔隙流體對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害孕育的力學(xué)作用機(jī)制

張振宇，鐘春林，薛康生，秦其智

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044; 2.重慶大學(xué) Geofluids,Geomechanics and Geoenergy (3G) Research Group,重慶 400044; 3.山東兗礦集團(tuán)有限公司，山東 鄒城 273500)

孔隙流體廣泛存在于地質(zhì)巖層中，對(duì)巖體強(qiáng)度和工程穩(wěn)定性有重要的影響。水是一種常見的地質(zhì)流體，富含黏土礦物的巖石遇水會(huì)發(fā)生水化作用，導(dǎo)致強(qiáng)度降低[1-2]，而黏土成分少的巖石受壓時(shí)，孔隙體積縮小，孔隙水受壓生成孔隙壓力，減小有效的外載應(yīng)力，降低巖體的力學(xué)強(qiáng)度[3-4]。氣體是賦存于地下巖體中常見的另一類地質(zhì)流體，如瓦斯和二氧化碳。不同于水，孔隙氣體對(duì)巖石強(qiáng)度的影響大多僅具有后者的力學(xué)作用。煤是一種有機(jī)巖石，具有較低的普氏硬度系數(shù)，孔隙壓力的存在能加速孔隙裂隙的損傷演化，在煤炭的井工開采過程中易誘發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害，如煤與瓦斯突出[5-6]。因此，研究孔隙流體對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害孕育階段的力學(xué)作用機(jī)制對(duì)指導(dǎo)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的防治具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

煤與瓦斯突出是由煤的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力環(huán)境、瓦斯壓力等因素綜合作用下所發(fā)生的一種嚴(yán)重的礦山工程地質(zhì)災(zāi)害。目前，對(duì)煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的研究取得了理論框架上的一致，掌握了煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的影響因素及發(fā)展過程。煤巖瓦斯災(zāi)害動(dòng)力來源基本上可以歸結(jié)為瓦斯主導(dǎo)的理論[7]、地應(yīng)力主導(dǎo)的理論[8]、綜合作用理論[9]等。綜合作用理論考慮了多因素的影響，被廣泛認(rèn)知，但是煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害包含準(zhǔn)靜態(tài)的災(zāi)害孕育、動(dòng)態(tài)的災(zāi)害起始、發(fā)生和后期終止4個(gè)階段，孔隙瓦斯在每個(gè)階段的力學(xué)作用機(jī)制不盡相同[10-12]。為了指導(dǎo)煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的區(qū)域重點(diǎn)防治，明晰準(zhǔn)靜態(tài)階段孔隙壓力對(duì)煤巖強(qiáng)度損傷的力學(xué)作用機(jī)制變得尤為重要。

在煤炭的井工開采中，連續(xù)、高強(qiáng)度的工作面回采打破了煤巖的初始應(yīng)力平衡，發(fā)生應(yīng)力二次分布，在工作面前方實(shí)體煤中形成支承壓力區(qū)，并依次形成應(yīng)力降低區(qū)(卸壓區(qū))、應(yīng)力集中區(qū)(增高區(qū))和原巖應(yīng)力區(qū)[9,13]。隨著工作面的不斷推進(jìn)和頂板的周期下沉破斷，工作面前方煤體經(jīng)受周期性的外荷載擾動(dòng)，煤體中的水或瓦斯等流體會(huì)在循環(huán)外載的擾動(dòng)下形成孔隙壓力，并在煤巖動(dòng)力災(zāi)害的孕育過程中扮演重要角色[14-17]。

伴隨著工作面的回采，支承壓力曲線不斷向前方煤體演化。起初經(jīng)受支承壓力峰值作用的煤體逐步演化為煤壁近端的卸壓區(qū)煤體，而之前處于支承壓力峰值區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)之間應(yīng)力增高區(qū)的煤體將經(jīng)受更高幅值載荷作用，直至達(dá)到支承壓力峰值。因此，工作面的回采將導(dǎo)致不同工作面距離處的煤體在不同時(shí)期經(jīng)受不同幅值循環(huán)荷載作用。在靠近工作面的塑性區(qū)，煤體發(fā)生損傷破壞，導(dǎo)致應(yīng)力釋放，該區(qū)域煤巖承受較小的支承壓力作用[18]。由于缺少側(cè)向應(yīng)力約束，工作面近端的煤體可視為近單軸受力狀態(tài)。隨著工作面的回采，應(yīng)力降低區(qū)的煤體經(jīng)受近單軸循環(huán)荷載作用，孔隙流體通過與邊界連通性較好的孔裂隙逐漸排出，孔隙流體的及時(shí)排出對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害孕育的影響較小[19]。在煤壁深部，煤體由于受到側(cè)向約束而處于三維應(yīng)力狀態(tài)，而且經(jīng)受的支承壓力幅值隨著與工作面煤壁距離的不同而變化。目前，對(duì)該部分含孔隙流體煤體在循環(huán)外荷載擾動(dòng)作用下的損傷演化機(jī)理的研究比較少，特別是孔隙流體對(duì)采煤工作面前方處在不同支承壓力區(qū)處煤體的損傷演化力學(xué)作用機(jī)制缺乏研究。

基于此，為研究循環(huán)外載激發(fā)下孔隙流體對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害孕育的力學(xué)作用機(jī)制，筆者對(duì)煤巖試件開展了不同孔隙壓力與不同軸向循環(huán)應(yīng)力水平條件下三軸循環(huán)加卸載排水實(shí)驗(yàn)，分析討論了循環(huán)外載擾動(dòng)下孔隙壓力對(duì)工作面前方不同支承壓力區(qū)域煤巖動(dòng)力災(zāi)害孕育的力學(xué)作用機(jī)制。本研究只重點(diǎn)考察孔隙流體對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害孕育的力學(xué)作用機(jī)制，孔隙壓力通過孔隙水施加。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試件準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

煤樣取自陜西省亭南煤礦4號(hào)煤層的回采工作面，該煤層埋深401.32～788.60 m，煤層傾角3°～7°，密度為1.35 g/cm3?，F(xiàn)場取到的煤塊在樣品加工室中加工成φ50 mm×100 mm圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，本次研究一共使用了6個(gè)煤巖試件，如圖1(a)所示依次編號(hào)為CD1～CD6。三軸循環(huán)荷載實(shí)驗(yàn)前，采用真空加壓飽和裝置對(duì)試樣進(jìn)行浸泡使其恢復(fù)到飽和的流體賦存狀態(tài)(圖2)。首先將試件抽真空排出孔隙中的空氣，再用5 MPa的水壓對(duì)煤樣試件浸泡5 h。與長時(shí)間無壓力浸泡飽和相比，抽真空之后加壓飽和煤樣所用時(shí)間更短，這樣可以盡量減少煤樣長期浸泡水對(duì)煤樣的軟化作用，從而集中于孔隙流體的力學(xué)作用機(jī)制研究。

圖1 煤樣及變形測量裝置的安裝Fig.1 Installation of coal sample and deformation measuring device

圖2 真空加壓飽和裝置Fig.2 Vacuum pressure saturation device

煤巖在孔隙壓力與循環(huán)荷載耦合作用下的三軸排水實(shí)驗(yàn)是在Geotechnical Consulting & Testing System (GCTS)高溫高壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。該設(shè)備主要包括控制模塊、加載模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，軸向可施加的最大壓力為3 000 kN，圍壓和孔壓上限為210 MPa。如圖1(b)所示，孔隙壓力是通過上下壓頭的通道施加在煤樣試樣兩端。試件在循環(huán)加載過程中產(chǎn)生的變形通過軸向和徑向變形測量裝置來采集。為了揭示孔隙水壓與循環(huán)荷載對(duì)煤巖孔隙裂隙變化的影響，研究中使用上海紐邁公司生產(chǎn)的MacroMR12-150H-I核磁共振系統(tǒng)測量煤樣循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)前后的孔隙度變化和對(duì)煤樣進(jìn)行成像觀察對(duì)比分析循環(huán)加載前后裂隙的演化。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了2組最大軸向循環(huán)加載應(yīng)力，分別為0.5σT和0.8σT，目的是模擬煤體在不同支承壓力區(qū)域的應(yīng)力環(huán)境。其中σT為飽和煤巖在圍壓為8 MPa下的三軸壓縮強(qiáng)度。在循環(huán)荷載實(shí)驗(yàn)前，測試了3個(gè)飽和煤巖試件在圍壓為8 MPa下的三軸壓縮強(qiáng)度，取3個(gè)煤巖試樣的三軸壓縮強(qiáng)度平均值作為此煤巖的三軸壓縮強(qiáng)度。由于本實(shí)驗(yàn)中只將三軸壓縮強(qiáng)度作為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的參考值，因此，三軸強(qiáng)度測試的細(xì)節(jié)不在此作詳細(xì)的描述。為研究不同流體壓力對(duì)煤巖在循環(huán)荷載作用下的損傷演化的影響，本次實(shí)驗(yàn)分別包含了1，3和5 MPa三種孔隙壓力情形，具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。煤樣加壓飽和之后，首先采用核磁共振儀器對(duì)其進(jìn)行孔隙度測量與核磁成像，然后開展循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)。循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)步驟如圖3所示，本次實(shí)驗(yàn)中將圍壓設(shè)定為8 MPa。第1加載階段以0.1 MPa/s的加載速率將軸壓(σ1)與圍壓(σ2=σ3)同時(shí)加到預(yù)定值8 MPa;第2加載階段將孔隙壓力P0加載到預(yù)定孔隙壓力并保持該狀態(tài)1 h;第3階段以0.1 MPa/s的加載速率將軸壓加載至循環(huán)荷載起始應(yīng)力;第4階段進(jìn)行循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)。由于外荷載擾動(dòng)會(huì)有一定的間歇性，為了研究外載擾動(dòng)暫停期間孔隙壓力及流體的狀態(tài)在煤體中的變化，分別在循環(huán)次數(shù)為200和400次時(shí)暫停加載1 h。循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試件再次進(jìn)行飽和并測量核磁孔隙度與核磁成像。

實(shí)驗(yàn)研究中采用恒壓排水實(shí)驗(yàn)條件，其目的是為了模擬循環(huán)荷載作用時(shí)煤巖內(nèi)部孔隙閉合與張開所導(dǎo)致的孔隙流體與周邊流體的耦合作用過程。在實(shí)際的煤炭開采中，流體賦存于煤巖體內(nèi)部及其周圍。煤體內(nèi)部孔隙閉合會(huì)導(dǎo)致流體壓力升高，流體可以通過連通的孔隙排到周邊，使流體發(fā)生局部遷移;當(dāng)煤巖產(chǎn)生裂隙損傷時(shí)，煤巖孔裂隙體積增大，導(dǎo)致煤巖蘊(yùn)含的流體壓力減小，此時(shí)，周邊的流體會(huì)在外部恒定流體壓力的驅(qū)使下補(bǔ)給煤巖孔裂隙空間。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同孔隙壓力及循環(huán)荷載條件下煤巖的變形特征

圖4為最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)煤巖在孔隙壓力分別為1，3和5 MPa時(shí)軸向和徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，當(dāng)孔隙壓力為1 MPa和3 MPa時(shí)，煤巖的軸向與徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎沒有變化，表明煤巖內(nèi)部在加載過程中沒有產(chǎn)生大量損傷裂紋。隨著孔隙壓力上升為5 MPa，煤巖軸向和徑向應(yīng)變在循環(huán)加載過程中發(fā)生了較大的變化，但是試件最終沒有被破壞。由圖4(a)～(c)徑向應(yīng)變曲線可以看出煤樣的徑向殘余應(yīng)變的演化特征與孔隙壓力大小有關(guān)，由圖4(b),(c)可以明顯看出，煤樣的徑向殘余應(yīng)變隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加逐漸向正方向(圖4(b),(c)中箭頭所指的方向)演化，表明煤樣的徑向在膨脹到最大值之后便開始逐漸收縮。

圖5為最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)煤巖在孔隙壓力分別為1，3和5 MPa時(shí)軸向和徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線。當(dāng)最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)，所有試件的軸向和徑向應(yīng)變在加載過程中持續(xù)增大，直至試件破壞。只從軸向和徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線特征不能明顯看出孔隙壓力變化對(duì)煤巖破壞的影響。

圖5 最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)煤巖試件軸向與 徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Axial and radial stress-strain curves of the coal when the maximum cyclic loading stress is 0.8σT

圖6為每次循環(huán)加載之后應(yīng)力卸載到最低水平時(shí)煤樣CD1～CD6的殘余徑向和體積應(yīng)變。由圖6(a)可以看出，在第1個(gè)循環(huán)加載結(jié)束時(shí)，煤樣CD1～CD3的殘余徑向應(yīng)變?yōu)樨?fù)方向的最大值，分別為-0.132%，-0.101%和-0.082%，表明第1個(gè)循環(huán)加載后煤巖徑向發(fā)生相應(yīng)的膨脹變形。在之后的循環(huán)加載過程中，殘余徑向應(yīng)變逐漸沿正方向發(fā)展，說明煤樣的徑向尺寸在逐漸收縮，這與飽和煤巖在單軸排水條件下的循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[19]。在最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)出現(xiàn)上述結(jié)果的原因是煤巖在第1次循環(huán)加載時(shí)，內(nèi)部較為薄弱的地方發(fā)生少量的破壞，從而導(dǎo)致徑向產(chǎn)生一定的膨脹變形。因此，在結(jié)束第1次循環(huán)加載時(shí)煤巖徑向應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。隨后的循環(huán)加卸載中，膨脹效應(yīng)逐漸減弱。由于本研究為三軸循環(huán)加卸載排水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中試件兩端通入恒定的孔隙壓力。當(dāng)軸向應(yīng)力上升，試件內(nèi)部的孔隙裂隙收縮導(dǎo)致內(nèi)部孔隙壓力升高，甚至超過試件兩端施加的孔隙壓力，使充填在煤巖孔隙裂隙中的水被逐漸排出，孔隙裂隙也逐漸閉合。由于孔隙流體排出孔隙閉合之后要再將流體注入到孔隙中比較困難[20]，因此煤巖體徑向尺寸隨著孔隙水的排出而逐漸減小，且在第1次加載之后的每次循環(huán)加載過程中，排水導(dǎo)致的徑向收縮量大于煤巖受壓產(chǎn)生的膨脹量，因此在循環(huán)加卸載中煤巖整體上表現(xiàn)為沿徑向逐漸收縮。煤樣CD1～CD3在結(jié)束循環(huán)加載后徑向應(yīng)變值分別為-0.077%，-0.052%與0.047%，與第1次循環(huán)加載之后的徑向應(yīng)變相比，增量分別為0.055%，0.049%與0.129%，這表明當(dāng)孔隙壓力升高時(shí)，徑向與體積收縮效應(yīng)越明顯。甚至當(dāng)孔隙壓力為5 MPa時(shí)，煤巖試件的殘余徑向應(yīng)變由負(fù)數(shù)逐漸變?yōu)檎龜?shù)，表明循環(huán)加載之后煤巖徑向尺寸要小于加載之前，煤巖徑向發(fā)生顯著的收縮變形。

如圖6(b)所示，當(dāng)最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)，試件的殘余應(yīng)變演化與最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)相比有明顯的差異。在該應(yīng)力條件下，煤樣最終都被破壞。在加載初期，煤樣CD4與CD6的徑向有小幅度收縮現(xiàn)象，但是隨著循環(huán)荷載的持續(xù)作用，應(yīng)變再次往徑向膨脹的方向積累，而且在破壞階段徑向膨脹提速。隨著孔隙壓力增大，試件破壞速度也增加。圖6(d)中CD4的體積變化與其他2個(gè)試件不同，而且其徑向應(yīng)變在試件破壞前變化也不明顯，這與其他2個(gè)試件的徑向應(yīng)變演化規(guī)律不同。這是由于試件不均勻性破壞形態(tài)導(dǎo)致的，具體解釋見第2.4節(jié)。

圖6 煤巖試件徑向與體積殘余應(yīng)變演化特征Fig.6 Evolution characteristics of residual radial and volume strain of coal

圖6(a),(c)顯示在循環(huán)加載荷載暫停之后重新加載時(shí)，煤樣的殘余徑向和體積應(yīng)變值發(fā)生了突變，表明煤巖的體積和徑向收縮量突然增加。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是:在長期的循環(huán)外載作用過程中，煤巖內(nèi)部孔隙發(fā)生周期性地閉合與張開，孔隙水隨著孔隙閉合與張開周期性地排出和充入。在循環(huán)荷載暫停之前，孔隙水的排出與孔隙變形達(dá)到平衡，循環(huán)荷載突然暫停時(shí)，部分煤巖孔隙中高壓力水繼續(xù)被排出，導(dǎo)致煤巖試件發(fā)生持續(xù)的徑向收縮變形。在外部流體壓力保持恒定的情況下，隨著循環(huán)外載的重啟，孔隙水的充入與排出與早期孔隙變形不同步，軸向應(yīng)力在卸載到最低應(yīng)力時(shí)孔隙水不能及時(shí)充入孔隙體積內(nèi)撐起孔裂隙，因此導(dǎo)致煤巖的體積和徑向尺寸收縮量突然增加?？紫端某淙牒团懦鲈陔S后的加卸載中與孔隙體積變形再次達(dá)到平衡，孔隙水將煤巖孔隙撐起，所以殘余體積和徑向應(yīng)變會(huì)逐漸恢復(fù)到暫停加載之前的水平?？紫端倪w移與循環(huán)應(yīng)力不同步導(dǎo)致循環(huán)荷載暫停之后再次加載時(shí)體積與徑向應(yīng)變產(chǎn)生突變的現(xiàn)象會(huì)受到煤巖孔隙連通性等因素的影響，當(dāng)孔隙連通性較好時(shí)，孔隙流體能在循環(huán)擾動(dòng)下及時(shí)的排出或補(bǔ)充，孔隙流體的遷移與應(yīng)力波動(dòng)達(dá)到同步。而當(dāng)孔隙連通性較差時(shí)，孔隙內(nèi)部的流體在循環(huán)擾動(dòng)下不能及時(shí)排出，局部高壓一方面會(huì)阻礙孔隙的閉合從而影響煤巖的體積變形，另一方面，會(huì)改變煤巖的應(yīng)力狀態(tài)，減小裂隙之間摩擦強(qiáng)度，促使裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致煤巖發(fā)生破壞，可能對(duì)于煤巖動(dòng)力災(zāi)害的孕育起到促進(jìn)作用。

需要說明的是，煤巖CD4～CD6在最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)，試件在200次循環(huán)之前破壞，因此加載實(shí)驗(yàn)中途沒有暫停階段。

2.2 不同孔隙壓力及循環(huán)荷載條件下煤巖孔隙度演化特征

在核磁共振中，一般通過橫向弛豫時(shí)間T2與表面弛豫率ρ來計(jì)算多孔介質(zhì)的孔徑分布，其中ρ為一個(gè)常數(shù)。因此，T2與孔徑大小呈線性關(guān)系，T2越大，孔徑越大。在ρ值未知的情況下，可以用T2的分布曲線來定性的描述該介質(zhì)的孔徑分布[21-22]。

圖7，8分別為最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT和0.8σT時(shí)煤巖試件實(shí)驗(yàn)前后的T2分布曲線?？梢钥闯?，當(dāng)最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)，煤樣循環(huán)加載前后的孔徑分布情況基本不變，這與飽和煤巖在單軸排水條件下的循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[19]。而最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)，試件發(fā)生宏觀破壞，所有煤樣孔徑分布都發(fā)生了明顯的改變，而且煤巖內(nèi)部大孔的數(shù)量增加比較明顯，說明在循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)中，有大量的小孔擴(kuò)展演化為大孔。圖9為循環(huán)加載前后煤樣的孔隙度及孔隙度增量的對(duì)比，由圖9可知，循環(huán)加載后所有試件的孔隙度都呈增加趨勢，但是最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)，煤巖孔隙度的增量僅有2%～3%，而且孔隙度的變化沒有表現(xiàn)出與孔隙壓力大小有明顯的相關(guān)性。然而當(dāng)最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)，煤巖試件的孔隙度在循環(huán)加載后變化比較明顯，而且孔隙度的增量與孔隙壓力呈正相關(guān)，孔隙壓力為1，3和5 MPa時(shí)，煤巖孔隙度在循環(huán)加載后分別提高了14.9%，21.6%和26.4%?？紫秹毫υ酱?，煤巖在加載破壞后的孔隙度越大，說明在該應(yīng)力狀態(tài)下孔隙壓力對(duì)煤巖孔隙在循環(huán)荷載作用下的損傷演化具有促進(jìn)作用。

圖7 最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)煤巖試件循環(huán) 加載前后T2分布曲線Fig.7 T2 distribution curves of coal before and after cyclic loading when the maximum cyclic loading stress is 0.5σT

圖8 最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)煤巖試件循環(huán) 加載前后孔隙變化情況Fig.8 T2 distribution curves of coal before and after cyclic loading when the maximum cyclic loading stress is 0.8σT

圖9 循環(huán)加載前、后煤巖試件孔隙度對(duì)比Fig.9 Comparison of porosity of coal before and after cyclic loading

圖10為煤巖試件CD2，CD4，CD5和CD6在循環(huán)加載前后的核磁成像圖，其中高亮的部分代表水分子聚集，即孔隙裂隙較多的地方。由圖10可知，煤巖均質(zhì)性較差，孔隙裂隙分布不均勻。由于最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)煤巖加載前后的孔隙度與孔徑分布變化比較小，且孔隙度變化與孔隙壓力大小相關(guān)性不強(qiáng)，所以只選擇煤樣CD3的核磁成像圖片來分析最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)孔隙壓力對(duì)煤巖內(nèi)部孔隙演化和裂隙擴(kuò)展的影響。由圖10(a),(b)可知,CD2煤樣內(nèi)部孔隙分布是有變化的，有些部位在加載前孔隙較為聚集，但是加載后部分孔隙消失了，如圖10(a)中紅色矩形框區(qū)域所示，這是由于在循環(huán)加載過程中孔隙被壓實(shí)、閉合。然而，有些部位在循環(huán)加載后孔隙度卻增加了，如圖10(b)中紅色橢圓區(qū)域，但是煤巖的整體孔隙度與孔徑分布在循環(huán)加載前后卻未表現(xiàn)出明顯的差異。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是由于煤巖內(nèi)部均質(zhì)性較差，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力分布不均，所以在循環(huán)加載過程中，部分區(qū)域的孔隙度降低而另一部分區(qū)域的孔隙度升高，但是由于加載應(yīng)力較小，使得孔隙度降低和升高程度都有限，所以整體的孔隙度與孔徑分布變化不明顯。煤巖試件(CD4～CD6)在循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)中發(fā)生宏觀破壞，由圖10(d)，(f)，(h)可以觀察到試件內(nèi)部產(chǎn)生了大量的宏觀裂紋。對(duì)比循環(huán)加載之前的核磁成像圖片可以發(fā)現(xiàn)很多加載之前孔隙較為集中的區(qū)域在加載之后都消失了，說明該區(qū)域在循環(huán)加載過程中被壓實(shí)。3個(gè)試件內(nèi)部的宏觀裂紋都擴(kuò)展到了試件的端部(即孔隙壓力的入口處)，這是由于在加載過程中，孔隙水的排出和充入都要經(jīng)過試件的端部，因此，端部的裂隙最容易遭到孔隙壓力的作用而擴(kuò)展。

圖10 循環(huán)加載前后煤巖試件核磁成像對(duì)比Fig.10 Comparison of NMR imaging of coal before and after cyclic loading

2.3 裂隙損傷演化對(duì)孔隙流體壓力的影響

圖11為孔隙壓力隨軸向應(yīng)力循環(huán)波動(dòng)曲線。雖然在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了兩端入水口的壓力為恒定值，但是隨著軸向應(yīng)力的加卸載，孔隙流體也會(huì)周期性的排出和回充，這樣使得入口端的水周期性的聚積和減少，因此，孔隙壓力也會(huì)隨著軸向應(yīng)力循環(huán)加卸載出現(xiàn)周期性的、小幅度的波動(dòng)。

圖11 煤巖試件孔隙壓力隨軸向應(yīng)力循環(huán)波動(dòng)曲線Fig.11 Fluctuation curve of pore pressure with cyclic loading

圖11(a),(b)分別為煤樣CD3在循環(huán)加卸載起始階段和加卸載末期應(yīng)變不變階段孔隙壓力隨軸向應(yīng)力循環(huán)波動(dòng)曲線。圖11(c)～(e)分別為CD6煤樣在循環(huán)加載起始階段和中間應(yīng)變緩慢積累階段以及加載末期失穩(wěn)階段孔隙壓力隨軸向應(yīng)力循環(huán)波動(dòng)曲線。由圖11(a),(b)可知，當(dāng)最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)，無論是循環(huán)加載起始階段(圖11(a))還是應(yīng)變不變階段(圖11(b))，孔隙壓力都隨著軸向應(yīng)力發(fā)生等幅波動(dòng)。但由于在開始的幾個(gè)循環(huán)加卸載過程中煤體內(nèi)部出現(xiàn)少量損傷裂紋，在軸向應(yīng)力卸載到最小值時(shí)，裂隙周圍和試件兩端的流體運(yùn)移到新裂隙中，導(dǎo)致試件端部水減少出現(xiàn)孔隙壓力下降的現(xiàn)象。但是，由于最大軸向應(yīng)力值較低，裂紋產(chǎn)生的數(shù)量較少，所以孔隙壓力的最低值在前幾個(gè)周期中會(huì)略微降低，降低幅度在 0.02 MPa左右。在之后的循環(huán)加載中，孔隙壓力波動(dòng)的上下限基本保持不變，說明在之后的循環(huán)加卸載過程中煤巖內(nèi)部孔隙以彈性變形為主。

當(dāng)最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)，試件在循環(huán)加載起始階段產(chǎn)生大量損傷裂紋，導(dǎo)致裂紋周邊及試件兩端的水大量進(jìn)入新裂紋，導(dǎo)致孔隙壓力降低得比較明顯，如圖11(c)所示，孔隙壓力降幅達(dá)到了0.2 MPa，是最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)孔隙壓力降幅的10倍左右。此外，當(dāng)產(chǎn)生塑性變形之后，應(yīng)變會(huì)滯后于應(yīng)力的變化[23-24]，所以導(dǎo)致孔隙壓力的變化會(huì)滯后于軸向應(yīng)力的變化。在變形緩慢發(fā)展階段(圖11(d))，由于裂紋擴(kuò)展速率較小，所以孔隙壓力波動(dòng)的上下限也保持不變且沒有明顯的滯后現(xiàn)象。隨著循環(huán)加載的繼續(xù)，煤巖內(nèi)部損傷逐漸積累，微觀裂紋逐漸擴(kuò)展、連通形成宏觀裂隙，新裂隙與舊裂隙相互連通之后流體在孔隙壓力的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入新裂隙中?？紫秹毫?huì)阻礙裂隙的閉合從而降低裂隙面之間的摩擦強(qiáng)度，進(jìn)而使煤巖內(nèi)部在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多裂隙。此時(shí)，就需要更多的流體來充填新的裂隙空間，因此，大量的水在短時(shí)間內(nèi)由孔隙壓力入口運(yùn)移到試件內(nèi)部，導(dǎo)致入口處的水壓瞬間下降，如圖11(e)所示，降幅為0.25 MPa。此外，當(dāng)試件兩端孔隙壓力越大時(shí)，水越容易在孔隙壓力的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入新生成的裂隙空間，從而阻礙孔裂隙的閉合，削弱煤巖的強(qiáng)度。因此，在本研究中孔隙壓力越大時(shí)，試件破壞所需的循環(huán)加載次數(shù)越少。

2.4 循環(huán)外載激發(fā)下孔隙流體對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害孕育的力學(xué)作用機(jī)制

以上研究表明，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下孔隙壓力對(duì)于煤巖損傷演化的力學(xué)作用機(jī)理不同。煤壁深部與工作面不同距離的煤體受到的支承壓力不同，如圖12所示，在工作面距離A點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，A點(diǎn)處煤巖處于支承壓力集中區(qū)域(支承壓力曲線1)，隨著工作面的推進(jìn)，A處煤巖經(jīng)受高幅值循環(huán)外載作用，而B點(diǎn)處煤巖靠近原巖壓力區(qū)域，經(jīng)受較低幅值循環(huán)外載作用。在軸向最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.5σT時(shí)，對(duì)應(yīng)著圖12支承壓力曲線1中的B點(diǎn)處煤體，在初期的低幅值循環(huán)外載作用下，煤巖內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生大量的損傷裂紋。此時(shí)，孔隙流體主要行為是在循環(huán)應(yīng)力的擾動(dòng)下逐漸從煤巖孔隙中排出，孔隙流體逐漸排出之后，孔隙也會(huì)隨之閉合，從而導(dǎo)致煤體在徑向上產(chǎn)生收縮變形。煤巖的徑向收縮一方面減小煤層局部的滲透性;另一方面，會(huì)降低煤層水平應(yīng)力，從而降低煤巖的三軸抗壓強(qiáng)度。而排出的孔隙流體在煤體中發(fā)生局部遷移和聚集。隨著工作面的推進(jìn)，圖12中的支承壓力曲線1演化成虛線表示的支承壓力曲線2，之前處于較低支承壓力(支承壓力曲線1)B點(diǎn)煤體將經(jīng)受較高幅值的循環(huán)外載作用，局部聚集的孔隙流體受壓容易形成局部高孔隙壓力，進(jìn)而改變煤體的受力，加速煤巖動(dòng)力災(zāi)害的孕育[25]。此外，高孔隙壓力也可以為瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生提供動(dòng)力源。

圖12 煤礦開采工作面前方支承壓力演化分布示意Fig.12 Schematic diagram of supporting pressure distribution in front of working face

在軸向最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)，對(duì)應(yīng)著圖12支承壓力曲線1中的A點(diǎn)處煤體，A點(diǎn)處煤體在循環(huán)加載過程中失穩(wěn)破壞，而且孔隙壓力越大，煤巖破壞速度越快。在此擾動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)下，孔隙壓力對(duì)煤巖試件損傷演化的力學(xué)作用主要表現(xiàn)為:試件在失穩(wěn)階段時(shí)煤巖內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，水進(jìn)入裂隙里面形成孔隙壓力，一方面該流體抵抗裂隙方向閉合，降低了裂隙面的摩擦強(qiáng)度，使裂隙擴(kuò)展變得更容易;另一方面，在所生成的孔隙壓力給裂隙尖端提供了額外的拉伸應(yīng)力，可以提速裂隙尖端擴(kuò)展。

在本研究中不考慮煤巖初始孔隙度與初始節(jié)理裂隙對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。為減小初始孔隙度與初始節(jié)理裂隙等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，挑選了外觀、質(zhì)量、核磁孔隙度及孔徑分布相近的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，試件破壞的形態(tài)主要是受到孔隙壓力大小的影響。圖13展示了軸向最大循環(huán)加載應(yīng)力為0.8σT時(shí)煤巖試件的破壞形態(tài)，由圖13可知，隨著孔隙壓力的增大，試件的破壞程度也越大。當(dāng)孔隙壓力為1 MPa時(shí)，破壞煤樣的裂紋尺度較小，沒有形成1個(gè)貫通的大裂隙，煤樣也保持得較為完整，不松散破碎。當(dāng)孔隙壓力增加到3 MPa后，破壞的煤樣中出現(xiàn)了1個(gè)貫通的大裂紋。與孔隙壓力為1 MPa時(shí)的煤巖CD10和3 MPa時(shí)煤巖CD11的破壞相比，孔隙壓力為5 MPa時(shí)煤巖CD12的破壞更為嚴(yán)重，產(chǎn)生的裂隙數(shù)量多，試件被大裂隙完全貫通，變得松散破碎(圖13(c))，稍微觸碰就解體成碎塊。且大裂隙之間存在大量的煤巖碎屑和煤粉，這種破壞情況與煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害中產(chǎn)生大量煤粉的現(xiàn)象相似。因此，此種破壞模式的差異是由高的孔隙壓力所致，高孔隙壓力會(huì)導(dǎo)致最終的失穩(wěn)失效呈現(xiàn)沖擊性。

圖13 煤巖試件破壞實(shí)物Fig.13 Picture of the damaged coal specimens

需要說明的是，煤巖試件CD10的破壞主要集中在一個(gè)端部，從另外一端到試件中部都沒有產(chǎn)生明顯的裂紋。由圖10(d)的核磁成像結(jié)果也可以看出該試件只在端部產(chǎn)生裂隙，試件的另一端至試件中心幾乎沒有裂隙產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)室中，測量試件徑向變形的測量裝置是固定在試件的中部的。在循環(huán)加載過程中，煤巖試件的變形主要集中試件的一個(gè)端部，所以該變形量沒有被徑向變形測量裝置采集到。因此，出現(xiàn)了圖5(a)中軸向應(yīng)變變化較大而徑向應(yīng)變在試件破壞前變化不明顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于徑向變形裝置采集不到煤巖試樣的這種不均勻徑向變形，所以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出的體積應(yīng)變無法真實(shí)反映出煤樣真實(shí)的體積變形，最終導(dǎo)致了如圖6(d)所示試件CD10的殘余體積應(yīng)變的演化方向與其他2個(gè)試件的相反的結(jié)果。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)最大循環(huán)加載應(yīng)力水平為三軸強(qiáng)度的50%時(shí)，煤巖的軸向與徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線在孔隙壓力1，3 MPa下變化不顯著，表明煤巖內(nèi)部都沒有產(chǎn)生大量的損傷裂紋。但隨著孔隙壓力上升為5 MPa，煤巖軸向和徑向應(yīng)變在循環(huán)加載過程中變化相對(duì)顯著，說明孔隙流體參與了其中的力學(xué)變形機(jī)制。

(2)煤巖經(jīng)受低幅值循環(huán)外載作用時(shí)，孔隙流體在循環(huán)加卸載過程中被逐漸排出會(huì)引起煤的巖徑向收縮從而導(dǎo)致試件的殘余軸向應(yīng)變在循環(huán)加載過程中逐漸減小，而且孔隙壓力越高，煤巖徑向收縮的量越大。

(3)當(dāng)最大循環(huán)加載壓力為煤巖三軸強(qiáng)度的80%時(shí)，煤巖在加載過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞，破壞速度與孔隙壓力正相關(guān)。而且當(dāng)孔隙壓力為5 MPa時(shí)，煤巖試件遭到嚴(yán)重破壞，試件被大裂隙完全貫通，宏觀裂隙之間產(chǎn)生大量的煤巖碎屑和煤粉。

(4)核磁共振結(jié)果顯示煤巖經(jīng)受低幅值循環(huán)外載作用后，孔隙度變化不顯著;而經(jīng)受高幅值循環(huán)外載作用后，煤巖試件加載破壞后孔隙度顯著增加，且孔隙度的增量隨孔隙壓力的升高而增大。

以上結(jié)果顯示，距離工作面較遠(yuǎn)的煤體首先經(jīng)受低幅值循環(huán)外載作用，孔隙流體的排出導(dǎo)致煤體沿水平方向產(chǎn)生收縮變形，一方面會(huì)減小煤層局部的滲透性;另一方面，會(huì)降低煤層水平應(yīng)力從而降低煤巖的三軸抗壓強(qiáng)度。而排出的孔隙流體在煤體中發(fā)生局部遷移和富集，當(dāng)流體富集區(qū)域經(jīng)受后期高幅值循環(huán)外載作用時(shí)容易形成局部高孔隙壓力，進(jìn)而改變煤層受力狀態(tài)，加速煤巖動(dòng)力災(zāi)害的孕育，并加劇煤體在動(dòng)態(tài)失穩(wěn)中粉末化。