原位構(gòu)造煤加載力學(xué)特性測(cè)定

李文善，張 浩，金智新

（太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024）

近年來(lái)，專家學(xué)者對(duì)原生煤的力學(xué)特性開(kāi)展了一系列研究：彭瑞東等[1]發(fā)現(xiàn)加卸載條件下圍壓限制了煤體的損傷破壞發(fā)展；蘇承東等[2]通過(guò)三軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)表明，隨加卸載次數(shù)的增加，煤樣的彈性模量增大；許江等[3]開(kāi)展了煤體卸荷試驗(yàn)，其測(cè)定結(jié)果表明圍壓卸載使煤體的峰值強(qiáng)度顯著降低；袁曦等[4]發(fā)現(xiàn)分階段三軸卸荷過(guò)程中煤體表現(xiàn)出階梯狀的變形特性；Zhang C 等[5]對(duì)循環(huán)加卸載條件下煤體的滲透率演化進(jìn)行了測(cè)定，其結(jié)果表明循環(huán)加卸載可以提高煤體的壓實(shí)程度，從而改變煤體的滲透率。上述研究深化了對(duì)原生煤力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。然而，當(dāng)前對(duì)于構(gòu)造煤力學(xué)特性的研究存在著很大問(wèn)題，這主要受制于構(gòu)造煤標(biāo)樣的制備。構(gòu)造煤極易破碎，因此當(dāng)前主要通過(guò)冷壓成形法進(jìn)行構(gòu)造煤標(biāo)樣的制備。但是目前缺乏統(tǒng)一的制備標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者往往采用不同的參數(shù)進(jìn)行制備[6-9]。同時(shí)，當(dāng)前制備的構(gòu)造煤標(biāo)樣壓實(shí)程度嚴(yán)重不足：視密度遠(yuǎn)小于井下原位構(gòu)造煤，差值可達(dá)200～300 kg/m3；有效裂隙率也存在明顯差異，滲透率測(cè)試結(jié)果高達(dá)（1～10）×10-15m2，比井下原位構(gòu)造煤高出3 個(gè)數(shù)量級(jí)左右[10]。因此。

采用高壓力循環(huán)加卸載的方法進(jìn)行原位構(gòu)造煤標(biāo)樣的制備，并開(kāi)展構(gòu)造煤體的加載力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤體的應(yīng)力應(yīng)變特征、變形特征、強(qiáng)度特征以及損傷破壞模式進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，研究結(jié)果有助于深化人們對(duì)原位構(gòu)造煤力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。

1 原位構(gòu)造煤標(biāo)樣制備

1）制備方案。為了提高構(gòu)造煤標(biāo)樣的壓實(shí)程度，大幅增加壓制壓力是最簡(jiǎn)單的方法。然而，本實(shí)驗(yàn)室三軸壓力機(jī)可提供的最大有效壓力僅為500 kN。在此條件下，若想進(jìn)一步提高構(gòu)造煤標(biāo)樣的壓實(shí)程度，可以采用長(zhǎng)時(shí)壓制及循環(huán)加卸載2 種方法。前者是通過(guò)誘導(dǎo)煤顆粒發(fā)生蠕變損傷來(lái)提高壓實(shí)效果的，后者則是通過(guò)誘導(dǎo)煤顆粒發(fā)生動(dòng)載損傷來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？紤]到蠕變損傷往往耗時(shí)很長(zhǎng)，且容易損壞壓力機(jī)，因此采用了500 kN 壓制壓力進(jìn)行循環(huán)加卸載的構(gòu)造煤標(biāo)樣制備方法。所采用的構(gòu)造煤標(biāo)樣壓制設(shè)備主要包括壓力機(jī)和成型模具2 部分[11]。具體壓制流程如下：①篩選出粒徑<1 mm 的構(gòu)造粉煤（取自新景礦3#煤層），并稱取一定質(zhì)量備用；②將約1%的去離子水與構(gòu)造粉煤充分?jǐn)嚢杈鶆?；③將攪拌好的樣品放入模具中，采?00 kN 的壓制壓力進(jìn)行循環(huán)加卸載壓制。每個(gè)循環(huán)分為加載-穩(wěn)壓-卸載3個(gè)階段：①加載階段：采用力控模式進(jìn)行加載，加載速率為50 N/s，加載至500 kN 停止；②穩(wěn)壓階段：在500 kN 的壓力下，穩(wěn)壓30 min；③卸載階段：穩(wěn)壓結(jié)束后，同樣采用力控模式，以50 N/s 的速率卸載。單循環(huán)耗時(shí)2.8 h。壓制結(jié)束后，將壓制出的型煤標(biāo)樣脫模取出。

2）制備效果考察。為了驗(yàn)證該方法的有效性，對(duì)不同加卸載循環(huán)下制取的構(gòu)造煤標(biāo)樣進(jìn)行了密度和滲透率測(cè)定，循環(huán)加卸載壓制次數(shù)對(duì)密度和滲透率的影響如圖1。由圖1 可得，隨著循環(huán)加卸載壓制次數(shù)的增加，煤樣的平均密度由1.354 t/m3增大到1.442 t/m3，提高了6.50%；在3 MPa 靜水壓力條件下，煤樣滲透率由0.48×10-15m2降低到0.04×10-15m2，約降低1 個(gè)數(shù)量級(jí)。上述測(cè)定結(jié)果表明，循環(huán)加卸載確實(shí)能夠提高構(gòu)造煤標(biāo)樣的壓實(shí)效果。新景礦3#煤層當(dāng)前回采深度下的平均地應(yīng)力大約在12 MPa，而滲透率約為（0.003～0.015）×10-15m2。從圖1 中的滲透率測(cè)定結(jié)果可以看出，該壓力條件下，經(jīng)過(guò)6 次循環(huán)加卸載獲得的煤樣滲透率為0.016×10-15m2，已接近新景礦3#煤層現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，誤差在1 個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)。這表明采用500 kN 的壓制壓力進(jìn)行6 次循環(huán)加卸載基本上能夠制備出壓實(shí)程度與井下原位構(gòu)造煤相近的型煤標(biāo)樣。

圖1 循環(huán)加卸載壓制次數(shù)對(duì)密度和滲透率的影響Fig.1 Influence of cycles of loading and unloading pressing times on density and permeability

2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用煤巖“力學(xué)-滲流-吸附”耦合測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定，該設(shè)備可提供的最大軸壓為500 kN，最大圍壓為60 MPa，軸向和徑向引伸計(jì)的最大量程分別為10 mm 和8 mm。

具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

1）單軸加載實(shí)驗(yàn)：安裝好煤樣后，以0.025 MPa/s 的速率加載軸壓，待煤樣處于殘余階段或引伸計(jì)滿量程，停止加載。

2）常規(guī)三軸加載實(shí)驗(yàn)：①將圍壓以0.05 MPa/s的速率加至設(shè)計(jì)值（4、8、12 MPa）；②控制圍壓恒定，以0.025 MPa/s 的速率加載軸壓，當(dāng)達(dá)峰值點(diǎn)后，以10 mm/min 的速率繼續(xù)加載，待煤樣破壞或引伸計(jì)滿量程，停止加載。

為了對(duì)比起見(jiàn)，本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)新景礦3#煤層中原生煤的力學(xué)特性同樣進(jìn)行了測(cè)定。

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同圍壓下構(gòu)造煤的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2，不同圍壓下原生煤的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3。

圖2 不同圍壓下構(gòu)造煤的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Entire stress-strain curves of tectonic coal under different confining pressures

圖3 不同圍壓下原生煤的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Entire stress-strain curves of intact coal under different confining pressures

由圖2 和圖3 可知，2 種煤體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰前階段基本相似，但是峰后階段卻存在較大差異：①在單軸加載時(shí)，雖然2 種煤體峰后應(yīng)力跌落現(xiàn)象都十分明顯，但構(gòu)造煤呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性，原生煤則傾向于彈脆性；②常規(guī)三軸加載時(shí)，隨著圍壓由4 MPa 增加至12 MPa，2 種煤體的峰后應(yīng)力跌落現(xiàn)象均產(chǎn)生了一定程度的弱化，此時(shí)構(gòu)造煤傾向于理想塑性，而原生煤傾向于應(yīng)變軟化特性。

2.2 變形及強(qiáng)度特征

基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)定結(jié)果，可計(jì)算出煤體的變形參數(shù)：彈性模量E 和泊松比μ0, 煤體變形參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤體變形參數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 1 Deformation parameters determination results of coal

由表1 可知，煤體的彈性模量E 與圍壓σ3呈正相關(guān)。當(dāng)圍壓由0 MPa 增加至12 MPa 時(shí)，構(gòu)造煤的彈性模量E 由280 MPa 增大至684 MPa，增大了1.44 倍，原生煤的彈性模量由1 150 MPa 增大至3 280 MPa，增大了1.85 倍。這是因?yàn)閲鷫嚎刂浦后w的裂隙發(fā)育程度，從而影響了煤體的變形特征。隨著圍壓不斷增大，煤體內(nèi)裂隙閉合的更緊密，煤體剛度增強(qiáng)，因而彈性模量不斷增大。此外，構(gòu)造煤的平均彈性模量（428 MPa）僅為原生煤（2 762 MPa）的15.50%，表明構(gòu)造煤的抗變形能力明顯弱于原生煤。構(gòu)造煤的平均泊松比（0.328）和原生煤（0.323）相差不大。構(gòu)造煤的抗變形能力弱可能與構(gòu)造煤中孔裂隙發(fā)育相關(guān)。構(gòu)造煤相比于原生煤，其自身孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育程度明顯增高，這將降低煤骨架的剛度。

根據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，煤體的力學(xué)強(qiáng)度可用黏聚力和內(nèi)摩擦角來(lái)表征[9]。當(dāng)煤體發(fā)生剪切破壞時(shí)，其最大主應(yīng)力σ1（峰值強(qiáng)度）和最小主應(yīng)力σ3（圍壓）滿足式（1）：

式中：σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；ω、ψ 為黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 的函數(shù)。

式中：c 為黏聚力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）。

三軸加載時(shí)峰值強(qiáng)度與圍壓的擬合結(jié)果如圖4。根據(jù)常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果可得峰值強(qiáng)度與圍壓的擬合結(jié)果，從而可獲得式（1）中的ψ 值和ω 值。將ψ 值和ω 值代入式（2）可以獲得構(gòu)造煤的強(qiáng)度參數(shù)φ、c 值分別為32.01°和0.80 MPa，原生煤的強(qiáng)度參數(shù)φ、c 值分別為37.38°和3.02 MPa。對(duì)比可知，原生煤的黏聚力是構(gòu)造煤的3.78 倍，故構(gòu)造煤力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低。這是由于兩者煤體結(jié)構(gòu)存在根本性區(qū)別所致：構(gòu)造煤是煤顆粒在外力作用下通過(guò)機(jī)械嚙合力再次膠結(jié)而成的顆粒集合體；然而，原生煤分子間通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合，化學(xué)鍵力遠(yuǎn)大于機(jī)械嚙合力，故其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于構(gòu)造煤。

圖4 三軸加載時(shí)峰值強(qiáng)度與圍壓的擬合結(jié)果Fig.4 Fitting results of peak intensity and confining pressure under triaxial loading conditions

2.3 損傷破壞模式

煤體峰后階段的損傷破壞特征如圖5。

圖5 加載條件下煤體破壞特征Fig.5 Coal failure characteristics under loading conditions

在單軸加載條件下，2 種煤樣均發(fā)生垂向劈裂損傷。這是由于單軸加載條件下，煤體不受?chē)鷫旱氖`，極易發(fā)生徑向拉張變形所致。在常規(guī)三軸加載條件下，2 種煤樣的破壞模式存在根本性不同。以圍壓4 MPa 為例，構(gòu)造煤的損傷破壞特征表現(xiàn)為：煤樣中部明顯鼓起，存在著明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象；然而，當(dāng)去除熱縮管的束縛后，煤樣立時(shí)破碎產(chǎn)生粉化煤，這說(shuō)明煤體損傷過(guò)程中形成了大量的隱性裂隙群。原生煤的損傷特征相對(duì)比較簡(jiǎn)單，煤體損傷后出現(xiàn)了宏觀剪切裂隙。拆除熱縮管后，煤體明顯分為2 塊。據(jù)此，可以判斷原生煤峰后階段發(fā)生了剪切損傷，而構(gòu)造煤發(fā)生了多重剪切損傷，不同損傷破壞模式如圖6。

圖6 不同損傷破壞模式Fig.6 Different damage failure modes

基于構(gòu)造煤和原生煤物理結(jié)構(gòu)的差異，其損傷破壞機(jī)制可以分別用顆粒材料失效準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則來(lái)解釋，煤體失效機(jī)制如圖7。

圖7 煤體失效機(jī)制Fig.7 Coal failure mechanism

在常規(guī)三軸加載條件下，構(gòu)造煤所受剪切應(yīng)力隨著軸向應(yīng)力的不斷增加而增大，當(dāng)超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，煤顆粒發(fā)生剪切破裂而失效。顆粒破裂后更容易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，從而引發(fā)連鎖失效反應(yīng)，使煤體內(nèi)部發(fā)生多重剪切損傷，產(chǎn)生隱性多重剪切裂隙群。原生煤具有原生結(jié)構(gòu)，分子間通過(guò)強(qiáng)有力的化學(xué)鍵連接。當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)抗剪強(qiáng)度時(shí)，在煤體內(nèi)正應(yīng)力和剪切應(yīng)力組合最不利的面開(kāi)始產(chǎn)生損傷裂隙，裂隙不斷發(fā)育、貫通，最終煤體發(fā)生剪切損傷。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)當(dāng)前的型煤壓制工藝進(jìn)行了改良，以密度和滲透率為指標(biāo)試制了壓實(shí)程度與井下原位構(gòu)造煤相近的型煤標(biāo)樣。在此基礎(chǔ)上，對(duì)井下原位構(gòu)造煤的加載力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)定。

1）在500 kN 條件下，經(jīng)過(guò)6 次循環(huán)加卸載制備的構(gòu)造煤標(biāo)樣密度達(dá)到了1.442 t/m3，在12 MPa 靜水壓力條件下的滲透率達(dá)到了0.016×10-15m2。滲透率測(cè)定結(jié)果與新景礦3#煤層滲透率實(shí)測(cè)值（0.003～0.015）×10-15m2處于同一數(shù)量級(jí)，因此采用該方法制備的構(gòu)造煤標(biāo)樣壓實(shí)程度已經(jīng)與井下原位構(gòu)造煤相近。

2）構(gòu)造煤和原生煤物理結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致構(gòu)造煤在常規(guī)三軸加載過(guò)程中表現(xiàn)出理想塑性，而原生煤傾向于應(yīng)變軟化特性；同時(shí)，構(gòu)造煤的彈性模量?jī)H為原生煤的15.50%，黏聚力僅為原生煤的26.50%，抗變形能力弱，力學(xué)強(qiáng)度低。

3）構(gòu)造煤的顆粒集合體屬性使其峰后階段發(fā)生多重剪切損傷，產(chǎn)生隱性裂隙群，同時(shí)煤體發(fā)生粉化；而原生煤的致密結(jié)構(gòu)使其發(fā)生剪切損傷，產(chǎn)生宏觀剪切裂隙。