干濕循環(huán)荷載下煤巖力學(xué)性質(zhì)及破壞形態(tài)研究*

鄒天民，杜曉麗，張琬昕

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

我國(guó)煤礦資源豐富、分布廣泛，但煤層普遍具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、埋深較大的特征。隨著開采深度的增加，井下溫度逐漸升高，導(dǎo)致井下熱環(huán)境不斷惡化。煤層注水不僅能有效降低煤層溫度，還具有降煤塵、防瓦斯、防沖擊地壓的作用[1]。然而，煤層注水對(duì)煤巖體具有溶蝕和軟化作用[2]，易造成煤體內(nèi)部孔隙擴(kuò)張、煤巖體強(qiáng)度降低及變形增大[3]。已有不少學(xué)者開展了煤巖體的水理性研究。閆立宏[4]研究得出：隨著含水率的增大，煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度急劇降低。周翠英等[5]研究發(fā)現(xiàn)軟巖與水作用后，抗壓強(qiáng)度隨飽水時(shí)間的增加而降低。熊德國(guó)等[6]認(rèn)為煤巖體變形和強(qiáng)度特征易受含水率影響，抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而降低。楊鑫[7]研究指出：紅砂巖在不同含水率下的強(qiáng)度呈分段線性變化，且含水率越大，強(qiáng)度越低。上述研究多考慮注水速度、注水量和注水時(shí)間的影響，很少考慮多次間歇性注水對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響。因此，開展干濕循環(huán)荷載作用下煤巖力學(xué)性質(zhì)及破壞形態(tài)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)煤樣取自徐州某煤礦，在機(jī)器取樣后進(jìn)行加工處理。按照巖石力學(xué)試驗(yàn)性能測(cè)試規(guī)范要求，利用巖石切割機(jī)將試驗(yàn)所用煤樣加工成為直徑50 mm、高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體巖樣。本次試驗(yàn)共制作18個(gè)試樣，選出15個(gè)試樣平均分為5組，分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)。單軸壓縮儀器采用WAW-1000微機(jī)控制式壓力機(jī)，加載位移速率為1 mm/s。首先將試樣分別標(biāo)號(hào)，稱質(zhì)量并記錄；再將試件豎直放置在容器中，緩慢加入自來水，使試樣完全被浸泡，24 h后取出，然后用紙巾擦去表面水分，稱質(zhì)量并記錄。將試樣放置在105 ℃的烘干箱中烘干24 h后取出，冷卻至室溫，稱質(zhì)量并記錄，至此完成1次干濕循環(huán)。本次干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)試樣進(jìn)行0、1、3、5、7共5個(gè)干濕循環(huán)等級(jí)試驗(yàn)。對(duì)完成干濕循環(huán)的試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定，結(jié)果見表1。由表1可知：1、3、5、7次干濕循環(huán)后試樣的抗壓強(qiáng)度相較天然狀態(tài)下的分別下降了19.8%、24.8%、31.6%、35.6%，彈性模量也分別下降了6.9%、14.7%、24.8%、25.3%；峰值應(yīng)變隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢(shì)。

表1 試樣尺寸及力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 煤巖試樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變特征分析

圖1為天然狀態(tài)下煤巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。煤巖與大多數(shù)巖石的變形特征大致相同，由單軸壓縮下的多組煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，煤巖壓縮破壞主要分為4個(gè)階段：

圖1 天然狀態(tài)下煤巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)

a.原煤壓密階段：受壓初始階段，隨著軸壓的增大，煤巖裂隙通道被壓密閉合，此時(shí)具有較大的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)，持續(xù)過程較短，說明煤巖是一種多孔介質(zhì)，內(nèi)部孔隙較多。

b.線彈性階段：該階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近線性變化，原始微孔隙、微裂紋進(jìn)一步閉合，顯示了煤巖材料本身的彈性特征。

c.屈服階段：由于煤巖微孔隙、微裂紋在彈性階段基本已被壓密，導(dǎo)致隨著壓力的增大，煤巖顆粒之間產(chǎn)生擠壓剪切運(yùn)動(dòng)，促使裂紋不斷擴(kuò)展，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸變大，產(chǎn)生塑性變形。

d.峰后破壞階段：在壓力作用下，煤巖發(fā)生變形，內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)張，在達(dá)到峰值應(yīng)力后，煤巖破壞。

由圖1可以看出：試樣破壞形態(tài)為單斜面剪切破壞，該類型裂紋主要是在加載過程中，試樣的一側(cè)出現(xiàn)破裂崩落，裂紋從上部往下部發(fā)展，最終導(dǎo)致試樣破壞；試樣破壞面平整，無碎屑脫落，在破壞的一瞬間可以聽見很明顯的炸裂聲響，碎塊飛濺，表現(xiàn)出了明顯的脆性破壞特征。

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為不同干濕循環(huán)次數(shù)下煤巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，不同干濕循環(huán)次數(shù)下的煤巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服和破壞4個(gè)階段，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓密階段區(qū)間增大，彈性階段區(qū)間減小，屈服階段更加明顯，峰后應(yīng)力迅速降低。

(a)1次循環(huán)

(b)3次循環(huán)

(c)5次循環(huán)

(d)7次循環(huán)圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下煤巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為干濕循環(huán)作用下煤巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度弱化曲線。

圖3 干濕循環(huán)作用下煤巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度弱化曲線

從圖3可以看出，煤巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，前期峰值強(qiáng)度降低幅度較大，而后期峰值強(qiáng)度降低幅度不斷減小，最終峰值強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

2.3 干濕循環(huán)作用下煤巖試樣的破壞特性

由于煤巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的復(fù)雜性，煤巖單軸壓縮破壞形式有很多種，包括單斜面剪切破壞、劈裂破壞、多個(gè)共軛斜面剪切破壞[8-11]。圖4為不同干濕循環(huán)次數(shù)后煤巖試樣的單軸壓縮破壞形態(tài)。由圖4可知：1次干濕循環(huán)后煤巖的破壞形式為剪切破壞，破壞面大致與水平呈60°夾角，在主裂縫周圍有些許微小細(xì)裂紋，與0次干濕循環(huán)(見圖1)相比裂紋數(shù)量明顯增加，底座有許多殘余碎屑； 5次干濕循環(huán)后，試樣在軸向應(yīng)力方向產(chǎn)生1條貫穿主裂縫，裂縫由試樣端部產(chǎn)生并快速向底座擴(kuò)展，底部出現(xiàn)多條斜裂縫； 7次干濕循環(huán)后，破壞形態(tài)為劈裂破壞，試樣出現(xiàn)多條貫穿裂縫，形態(tài)趨于復(fù)雜，試樣發(fā)生破壞時(shí)的聲音小了很多，但施加荷載后仍然有大量碎屑脫落。綜上可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，煤巖試樣抗壓強(qiáng)度降低，軸向變形增大，主裂紋數(shù)量增多，破壞時(shí)的聲音由巨響逐漸轉(zhuǎn)為低聲，受力情況越來越復(fù)雜，試樣由單斜面剪切破壞發(fā)展為劈裂破壞。

圖4 干濕循環(huán)作用下煤巖試樣的單軸破壞形態(tài)

3 結(jié)論

a.由于水對(duì)煤巖的溶蝕和軟化作用，其抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減?。?、3、5、7次干濕循環(huán)后試樣的抗壓強(qiáng)度較天然狀態(tài)下分別下降了19.8%、24.8%、31.6%、35.6%，彈性模量也分別下降了6.9%、14.7%、24.8%、25.3%。

b.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，煤巖斜裂紋的數(shù)量增多，破壞時(shí)的聲音由巨響轉(zhuǎn)為低聲，煤巖的破壞形式由單斜面剪切破壞向劈裂破壞演變。