原煤受載破壞形式的層理效應(yīng)研究

王 浩，趙耀江，潘玉婷，趙 亮，王江濤

（太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西太原 030000）

層理是煤巖作為沉積巖類(lèi)的主要構(gòu)造標(biāo)志，沉積過(guò)程的不同使煤的組分、顆粒大小、孔隙度等各不相同[1]。在煤層開(kāi)采的過(guò)程中，會(huì)遇到不同層理方向的煤巖，如水平層理煤巖、垂直層理煤巖和斜層理煤巖等。層理角度對(duì)煤層內(nèi)部的應(yīng)力分布、滲透率等都有決定性的影響[2-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就層理方向?qū)γ簬r的影響進(jìn)行了大量的探討。田坤云、李度周等研究了加卸載過(guò)程中不同層理方向煤巖的滲透率演化規(guī)律，得出不同層理方向煤巖的最大滲透率比值為7.2∶1[4]；陳金剛、秦勇等研究了割理方向?qū)γ簩油咚钩榉诺挠绊懀⒔⒘送咚钩椴尚Чu(píng)估的數(shù)學(xué)模型[5]；趙毅鑫、龔爽等對(duì)不同層理角度煤巖進(jìn)行了沖擊條件下巴西圓盤(pán)劈裂試驗(yàn)，得出煤巖抗拉強(qiáng)度隨層理傾角波動(dòng)變化[6-7]；賈炳、魏建平等研究了不同層理方向煤巖三軸加載過(guò)程的聲發(fā)射特征，得出垂直層理煤巖有較高的聲發(fā)射強(qiáng)度[8]；張朝鵬、張東明等研究了不同層理方向煤巖單軸損傷過(guò)程的聲發(fā)射特征，得出平行層理煤巖的振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放更強(qiáng)[9-10]；陳宇龍、張宇寧等研究了層理角度對(duì)甲烷滲流規(guī)律的影響，得出層理角度越大，初始滲透率越大[11]。這些大多是層理方向?qū)γ簬r力學(xué)、滲透特性的影響，但層理方向?qū)γ簬r破壞形式影響的還鮮有報(bào)道。因此對(duì)不同層理方向煤巖在不同外界條件下的破壞形式進(jìn)行了研究，期望對(duì)煤礦井下的安全生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自山西省陽(yáng)泉市新景礦15#煤層，在采煤工作面挑選完整度較好、層理明顯的大塊煤樣。在實(shí)驗(yàn)室中按照GB/T 23561.7—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》規(guī)定，使用砂線切割機(jī)分別沿垂直層理方向和平行層理方向切割原煤，加工成φ50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，使用砂紙打磨試件兩端，保證其不平行度小于0.05 mm。將制備的試件放到恒溫干燥箱中，在70 ℃環(huán)境下干燥12 h 后使用保鮮膜包裹保存。不同層理試樣如圖1，其中層理方向平行于軸向的是平行層理煤樣，垂直于軸向的是垂直層理煤樣。

圖1 不同層理試樣Fig.1 Samples of different layers

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)使用太原理工大學(xué)自主研發(fā)的WYS-800微機(jī)控制電液伺服三軸實(shí)驗(yàn)裝置完成，實(shí)驗(yàn)裝置主要由4 部分組成：主機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)。主機(jī)的核心部件是三軸室，用來(lái)放置煤樣及充填液壓油施加圍壓；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)顯示參數(shù)、控制三軸室起落、調(diào)節(jié)軸壓和圍壓的大小及加載方式；液壓系統(tǒng)為軸壓和圍壓提供動(dòng)力；氣路系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣體的壓力和進(jìn)出。

實(shí)驗(yàn)方案如下：①分別對(duì)平行層理煤樣和垂直層理煤樣進(jìn)行單軸壓裂實(shí)驗(yàn)，采用力加載（0.01 kN/s）的方式施加軸壓直至煤樣破裂，對(duì)比2 種層理煤樣的破壞形式；②分別對(duì)平行層理煤樣和垂直層理煤樣進(jìn)行三軸壓裂實(shí)驗(yàn)，保持圍壓3 MPa 和軸壓的力加載方式0.05 kN/s 不變，對(duì)比不同瓦斯壓力下0.5、1.0、1.5、2.0 MPa 2 種層理煤樣的破壞形式。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同層理試件單軸壓裂

不同層理煤樣單軸壓裂應(yīng)力-應(yīng)變圖如圖2。從圖2 可以看出，平行層理煤樣和垂直層理煤樣在單軸受壓破壞時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)基本一致，且平行層理煤樣的抗壓強(qiáng)度略小于垂直層理煤樣的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明煤樣的抗壓強(qiáng)度受層理的影響較小。但垂直層理煤樣的峰值應(yīng)變是平行層理煤樣的2.33 倍，可以得出，煤樣的力學(xué)性質(zhì)受層理方向的影響較大，這是由于煤樣在不同層理方向上的孔隙率表現(xiàn)為各向異性[12]，而垂直層理煤樣的力加載方向與層理方向垂直，在軸向力持續(xù)加載的過(guò)程中，孔裂隙被壓縮而產(chǎn)生較大的應(yīng)變。

圖2 不同層理煤樣單軸壓裂應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.2 Uniaxial fracturing stress-strain diagrams of different bedding coal samples

隨著軸向力的持續(xù)加載，垂直層理煤樣的應(yīng)變?cè)黾臃缺绕叫袑永砻簶拥膽?yīng)變?cè)黾臃却?，垂直層理煤樣的總?yīng)變是平行層理煤樣的2.29 倍，可以間接得出垂直層理方向上的裂隙比平行層理方向上的少，單軸壓裂過(guò)程中孔隙被壓縮而使垂直層理煤樣產(chǎn)生較大的應(yīng)變。垂直層理煤樣在單軸壓裂末期，軸向應(yīng)力瞬間跌落又急速上升直至煤樣完全破壞，在軸向應(yīng)力瞬間跌落時(shí)煤樣雖然整體保持完整但內(nèi)部已經(jīng)達(dá)到臨界狀態(tài)并部分破壞，隨著軸向力的繼續(xù)加載，煤樣被迅速壓縮直至完全破壞。因此煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生變化時(shí)，煤層在垂直層理方向上的變形更顯著。

不同層理煤樣單軸壓裂破壞圖如圖3。從圖3（a）可以看出,垂直層理煤樣的破壞形式以局部橫向張拉破壞為主，試件的上半部分在壓裂的最后階段劇烈破壞，產(chǎn)生大量的微小煤塊分散在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上；從圖3（b）可以看出，平行層理煤樣的破壞形式以整體縱向剪切破壞為主，試件破壞后形成2 塊傾斜煤體，煤體的傾斜面與水平面的夾角約為60°，同時(shí)產(chǎn)生大量小煤塊散落在周?chē)?/p>

圖3 不同層理煤樣單軸壓裂破壞圖Fig.3 Uniaxial fracturing failure pictures of different bedding coal samples

分析可知，煤巖垂直于層理方向的抗拉強(qiáng)度大于平行于層理方向的抗拉強(qiáng)度[13]，在軸向力持續(xù)加載的過(guò)程中，煤樣在平行于層理方向上的裂隙首先開(kāi)始產(chǎn)生、擴(kuò)展、延伸。平行層理煤樣的層理方向與軸向力加載方向平行，垂直層理煤樣的層理方向與軸向力加載方向垂直，隨著軸壓的加大，垂直層理煤樣內(nèi)部的裂隙沿著層理面一層層從上向下慢慢發(fā)育，當(dāng)煤樣內(nèi)部壓力達(dá)到臨界值時(shí)，煤樣的上半部分內(nèi)部裂隙發(fā)育較多，但煤樣的下半部分裂隙還很少，所以煤樣破壞時(shí)表現(xiàn)為上半部分劇烈破壞，而下半部分基本維持原樣；平行層理煤樣內(nèi)部的裂隙也是沿著層理面擴(kuò)展、延伸，但由于層理方向平行于軸向，因此裂隙向下擴(kuò)展的速度相對(duì)較快，當(dāng)煤樣內(nèi)部壓力達(dá)到臨界值時(shí)，煤樣內(nèi)部已經(jīng)有從上到下的裂隙帶產(chǎn)生，所以煤樣破壞時(shí)表現(xiàn)為沿著傾斜方向斷裂為2 大塊。

2.2 不同層理試件三軸壓裂

不同瓦斯壓力下煤樣三軸壓裂應(yīng)力-應(yīng)變圖如圖4。從圖4 可以看出,垂直層理煤樣和平行層理煤樣在相同圍壓、不同瓦斯壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本一致，都是隨著軸向應(yīng)變的增加軸向應(yīng)力先直線增加，軸向應(yīng)力達(dá)到峰值之后隨軸向應(yīng)變?cè)黾映什▌?dòng)變化，最后在破壞階段軸向應(yīng)力直線下降。

圖4 不同瓦斯壓力下煤樣三軸壓裂應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.4 Triaxial fracturing stress-strain diagrams of coal samples under different gas pressures

隨著瓦斯壓力的增加，垂直層理煤樣的峰值應(yīng)力分別為47.74、57.6、49.05、28.56 MPa，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變分別為3.11%、2.92%、2.88%、2.81%；平行層理煤樣的峰值應(yīng)力分別為36.07、29.59、48.38、36.79 MPa，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變分別為2.59%、4.07%、2.52%、2.11%。施加3 MPa 圍壓時(shí)，垂直層理煤樣的峰值應(yīng)力隨瓦斯壓力的增加先增大后減小，增大或減小的幅度分別為20.65%、17.43%、41.77%，而峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變隨著瓦斯壓力的增加一直在減小，減小幅度分別為6.11%、1.37%、2.43%；平行層理煤樣的峰值應(yīng)力隨瓦斯壓力的增加先減小后增大再減小，增大或減小的幅度分別為17.97%、63.50%、23.96%，而峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變隨著瓦斯壓力的增加先增大后減小，增大或減小的幅度分別為57.14%、38.08%、16.27%。瓦斯壓力為0.5、1.0、1.5 MPa 時(shí)，垂直層理煤樣的峰值應(yīng)力均大于平行層理煤樣的峰值應(yīng)力，而瓦斯壓力為2.0 MPa 時(shí)，垂直層理煤樣的峰值應(yīng)力小于平行層理煤樣的峰值應(yīng)力。可以得出瓦斯壓力對(duì)含層理煤樣的力學(xué)特性有較大的影響，這可能是因?yàn)橥咚乖谄叫袑永矸较蛏细菀琢魍?，瓦斯壓力越大，平行層理煤樣?nèi)部單位時(shí)間流過(guò)的瓦斯量也越大，因此當(dāng)施加軸向壓力時(shí)平行層理煤樣內(nèi)部更容易產(chǎn)生裂隙，即更容易被破壞。

不同瓦斯壓力下煤樣三軸壓裂破壞圖如圖5。實(shí)驗(yàn)時(shí)所加圍壓都是3 MPa，圖5 中從左到右通入的瓦斯壓力依次是0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。

圖5 不同瓦斯壓力下煤樣三軸壓裂破壞圖Fig.5 Triaxial fracturing failure pictures of coal samples under different gas pressures

從圖5（a）可以看出，垂直層理煤樣的三軸壓裂破壞形式也以局部橫向張拉破壞為主，但與單軸壓裂破壞形式略有不同，試件的上半部分在壓裂的最后階段同樣劇烈破壞，產(chǎn)生大量的微小煤塊，但有少量的塊狀煤產(chǎn)生，試件的下半部分基本保持完整；從圖5（b）可以看出，平行層理煤樣的三軸壓裂破壞形式也以整體縱向剪切破壞為主，試件破壞時(shí)煤樣裂開(kāi)主要形成2 塊傾斜煤體，但瓦斯壓力為1.5 MPa 時(shí)煤樣裂開(kāi)主要形成3 塊傾斜煤體。比較圖5（a）和圖3（a）可以看出，在施加圍壓和瓦斯壓力時(shí)，垂直層理煤樣壓裂時(shí)保持完整的部分比單軸壓裂時(shí)保持完整的部分體積大，體積增加的幅度約為73%。但比較相同圍壓、不同瓦斯壓力時(shí)垂直層理煤樣的三軸壓裂破壞形式時(shí)，可以看出，隨著瓦斯壓力的增大，垂直層理煤樣的破壞形式?jīng)]有十分明顯的變化。比較圖5（b）和圖3（b）可以看出，平行層理煤樣在三軸壓裂時(shí)的破壞形式與單軸壓裂時(shí)的破壞形式略有不同，可以明顯的看出，在通入1.5 MPa 瓦斯時(shí)，平行層理煤樣劈裂的角度相比單軸劈裂時(shí)有很大的不同，結(jié)合圖4（b）中，瓦斯壓力為1.5 MPa時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出，這是由于平行層理煤樣樣品間的差異造成的。比較相同圍壓、不同瓦斯壓力時(shí)平行層理煤樣的三軸壓裂破壞形式時(shí)，可以看出，隨著瓦斯壓力的增大，平行層理煤樣劈裂的角度也略有增大，但瓦斯壓力對(duì)平行層理煤樣破壞形式的影響比圍壓的影響要小。

3 結(jié) 論

1）平行層理煤樣的抗壓強(qiáng)度略小于垂直層理煤樣的抗壓強(qiáng)度，但垂直層理煤樣的峰值應(yīng)變是平行層理煤樣的2.33 倍。即煤樣的力學(xué)性質(zhì)受層理方向的影響較大，當(dāng)煤巖所受地應(yīng)力出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，垂直層理方向更容易發(fā)生變形。

2）三軸壓裂時(shí)，隨著瓦斯壓力的增大，垂直層理煤樣的峰值應(yīng)力隨瓦斯壓力的增加先增大后減小，增大或減小的幅度分別為20.65%、17.43%、41.77%，平行層理煤樣的峰值應(yīng)力隨瓦斯壓力的增加先減小后增大再減小，增大或減小的幅度分別為17.97%、63.50%、23.96%。

3）單軸壓裂和三軸壓裂時(shí)，平行層理煤樣和垂直層理煤樣的最終破壞形式不同，平行層理煤樣的破壞為整體縱向剪切破壞，煤樣裂開(kāi)分成幾塊完整的大塊煤樣，垂直層理煤樣的破壞為局部橫向張拉破壞，煤樣上半部分劇烈破壞，下半部分基本保持完整。

4）在施加圍壓和瓦斯壓力時(shí)，垂直層理煤樣壓裂時(shí)保持完整的部分比單軸壓裂時(shí)保持完整的部分體積更大，體積增加的幅度約為73%。平行層理煤樣劈裂時(shí)的角度與單軸壓裂時(shí)的略有不同，角度變化的幅度約為42%。

5）隨著瓦斯壓力的增大，垂直層理煤樣的破壞形式?jīng)]有十分明顯的變化，平行層理煤樣劈裂的角度略有增大。對(duì)比瓦斯壓力和圍壓對(duì)煤樣破壞形式的影響，得出瓦斯壓力對(duì)垂直層理煤樣和平行層理煤樣破壞形式的影響比圍壓的影響小。