天然與飽水狀態(tài)下煤樣動靜力學(xué)特性

甄懷賓， 徐博瑞， 袁 樸， 陳高杰

（中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司；中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100095）

0 引 言

煤是一種自身存在大量孔隙和天然裂隙的多相復(fù)合介質(zhì)，煤中水的含量對煤在動靜載荷作用下的力學(xué)性質(zhì)有重要影響［1-2］。天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下煤樣的動靜力學(xué)特性有很大的區(qū)別［3］。煤中水的含量對煤的破壞及破壞過程中的微震或聲發(fā)射有重要的影響。飽水煤樣在沖擊作用下的強度和破壞特征研究較少，飽水煤樣的力學(xué)特性有待進一步研究，其研究結(jié)果對預(yù)防沖擊地壓具有重要意義。

技術(shù)人員和學(xué)者對于天然和飽水狀態(tài)下煤巖的力學(xué)強度和破壞特征進行了研究［4］。蔣長寶等［5］研究了不同含水率煤的孔隙狀態(tài)，研究結(jié)果顯示，飽水煤樣和干燥煤樣有顯著的不同，飽水煤樣比干燥煤樣的孔隙增加。張輝等［6］研究了煤樣在飽和狀態(tài)下的巴西破壞特征，總結(jié)了煤在天然和飽水狀態(tài)下煤的抗拉強度和峰值變化成正相關(guān)關(guān)系。蘇承東等［7］研究了煤的浸水不同沖擊傾向性差異，分析對比了飽水時間對煤的沖擊傾向性的影響，得到了飽水下煤的強度、沖擊能量等指標(biāo)存在一定程度的降低。趙毅鑫等［8］通過實驗研究了煤的動態(tài)拉伸過程中能量耗散規(guī)律，在沖擊動載作用下飽水煤樣碎屑大于天然煤樣。王文等［9］通過改進的動載裝置研究了不同含水狀態(tài)下動靜組合試驗，分析了不同含水煤樣的能量特征。侯旭偉等［10］研究了不同飽水壓力在重復(fù)沖擊下的煤樣的敏感特性，重復(fù)載荷次數(shù)增加，煤的敏感性減弱，滲透率降低。

國內(nèi)外研究者未對煤的動靜載進行系統(tǒng)對比，煤礦巷道和工作面附近經(jīng)常發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象。在此過程中，煤的含水狀態(tài)影響了不同煤層所處應(yīng)變率的破壞現(xiàn)象。為了緩解煤層沖擊地壓，注水提高煤層的軟化性成為解決沖擊傾向性煤層發(fā)生沖擊的一種解決方法。本文對天然和7 d飽水狀態(tài)下煤的動靜載實驗研究，分析了天然和7 d 飽水狀態(tài)下煤樣在單軸和3 軸壓縮與一維動載和圍壓動載作用下的強度特征和損傷形態(tài)，研究結(jié)果為煤的力學(xué)特性和煤礦沖擊地壓防治提供理論和工程指導(dǎo)。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試件準(zhǔn)備

在某礦沖擊傾向性煤層中采集煤樣，為了減少試驗中數(shù)據(jù)的散射，試件從同一工作面采集與切割，試件大小為φ50 mm ×50 mm 圓柱體，不平行度小于0.05 mm，表面均勻度小于0.02 mm，符合國際巖石力學(xué)協(xié)會建議規(guī)范，如圖1 所示。

圖1 φ50 mm×50 mm煤體試件

煤是一種復(fù)雜的非均質(zhì)巖石，具有孔隙裂隙和多節(jié)理結(jié)構(gòu)，在宏觀和微觀尺度上都不同于石灰?guī)r、花崗巖和砂巖。在試驗過程中，所選樣本分為兩組：天然狀態(tài)和7 d飽水狀態(tài)。為了便于比較，動靜載試驗中使用的試樣尺寸相同。

1.2 試驗裝置

靜態(tài)試驗采用液壓伺服試驗機實驗系統(tǒng)進行，如圖2（a）所示。動載試驗利用實驗室75 mm-SHPB 實驗系統(tǒng)進行試驗［11-12］，壓桿系統(tǒng)由入射桿、透射桿組成，主要測量入射波、反射波和透射波，入射桿、透射桿均采用相同的高強度合金鋼，如圖2（b）所示。軸向預(yù)壓范圍為0 ～200 MPa，圍壓范圍為0 ～20 MPa，動沖擊載荷范圍為0 ～500 MPa。該系統(tǒng)采用半正弦波加載，以減小波形頻散，并利用異形子彈實現(xiàn)恒定的變形率。

圖2 動靜載實驗系統(tǒng)

2 試驗方案

2.1 飽水煤樣制備

從制備的試件中選擇裂隙較少的煤樣，在天然環(huán)境中靜置7 d 后，稱其質(zhì)量，并記錄，編號。將煤樣放置在容器中，向容器中注入水，將煤樣放置在水中每隔24 h稱量，直至質(zhì)量之差小于10 mg，7 d后，觀察飽水煤樣的質(zhì)量是否發(fā)生變化。煤樣質(zhì)量不發(fā)生變化后，將煤樣取出進行后續(xù)實驗。

2.2 試驗過程

在靜態(tài)壓縮試驗中，分別用5 mm 位移傳感器和1 MN壓縮傳感器測量軸向變形和載荷。在單軸無圍壓試驗過程中，采用位移控制0.02 cm/s 加載方式進行軸向加載。煤在未開采前的狀態(tài)處于三向圍壓狀態(tài)，對煤進行三軸圍壓加載試驗中，圍壓分別為3、6 和9 MPa對天然狀態(tài)下和7 d 飽水狀態(tài)下的煤樣進行試驗。

在SHPB試驗中，無圍壓SHPB 試驗直接進行沖擊，沖擊采用0.3 MPa壓力進行；圍壓SHPB試驗施加5 MPa的圍壓和8 MPa的軸壓，對天然狀態(tài)下和7 d飽水試件進行試驗。公式計算如下［13-14］：

式中：ε·為應(yīng)變率；ε為軸向應(yīng)變；σ為軸向應(yīng)力，MPa；ε1（t）、ε2（t）、ε3（t）分別為SHPB 的實測入射、反射和透射應(yīng)變；A0為鋼筋的橫截面積，m2；E0為桿的彈性模量，GPa；C0為應(yīng)力波速度，m/s；L1為試件的長度，m；A1為初始橫截面積，m2。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 單軸試驗結(jié)果與分析

如圖3 所示為伺服液壓試驗條件下天然狀態(tài)和7 d飽水狀態(tài)下煤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。煤體試件在天然狀態(tài)下的單軸抗壓強度為15.87 ～20.89 MPa，平均為18.66 MPa。7 d 飽水煤樣的單軸強度為14.48 ～18.18 MPa，平均為15.88 MPa。7 d 飽水煤樣與天然狀態(tài)之間的單軸抗壓強度軟化系數(shù)最大值為0.69。煤的強度表現(xiàn)出一定的分散性，隨著飽和時間的增加，強度呈下降趨勢。由于煤是沉積巖，具有天然裂縫，這些裂縫比其他巖石更發(fā)育，因此，煤的最大軟化系數(shù)高于巖石最大軟化系數(shù)。

圖3 靜態(tài)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

煤在單軸抗壓強度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為4 個階段：①壓實階段：煤自身存在的微裂紋和初始裂隙被壓實，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈向上凹形；②彈性階段：該階段的特征是微裂紋繼續(xù)致密閉合，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性增加；③擴展破壞階段：萌生主裂紋，誘發(fā)二次裂紋，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈漲落、下降并達到峰值；④峰值破壞階段：試樣在此階段出現(xiàn)滑移破壞。

3.2 動載試驗結(jié)果與分析

對天然狀態(tài)和7 d 飽水狀態(tài)試件進行了一維SHPB加載試驗。圖4 為動態(tài)作用下不同狀態(tài)煤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，天然狀態(tài)煤樣的動態(tài)強度為24.79 ～33.42 MPa，平均為29.98 MPa，7 d飽水煤樣的動態(tài)抗壓強度為19.88 ～22.68 MPa，平均為21.02 MPa。其動態(tài)強度軟化系數(shù)最大為0.59，同一飽和狀態(tài)下的試樣強度也表現(xiàn)出一定的散射性，說明煤樣具有非均質(zhì)性特征。煤在靜態(tài)試驗過程和動載試驗過程中，飽水狀態(tài)與煤的強度成反比。天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的煤樣在靜態(tài)和動載試驗下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線雖然具有相同的趨勢，但在彈性階段仍存在一定的差異。動載沖擊下煤的抗壓強度比靜載下煤的強度均有提高，一般提高了10% ～20%。

3.3 三軸靜載試驗結(jié)果與分析

圖4 動載作用下煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖5 所示為三軸作用下天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)煤樣的加載結(jié)果［15-16］。三軸加載下天然煤樣的強度范圍為42.35 ～46.63 MPa，平均44.35 MPa，變化幅度為5.1%。7 d 飽水煤樣的強度范圍為36.90 ～41.34 MPa，平均39.46 MPa，變化為12%。與天然狀態(tài)下煤樣相比，7 d 飽水煤樣的軟化系數(shù)為0.89。由于煤中含有多空隙和多裂隙，在三軸靜載條件下，飽和條件對煤的強度和變形行為有不同程度的影響，水對裂隙煤試樣有明顯的軟化作用。

圖5 三軸作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.4 圍壓下動載試驗結(jié)果

在動載和圍壓相同的三維加載體系下，按照煤礦地應(yīng)力測試結(jié)果，根據(jù)計算，本文采用圍壓為5 MPa，軸壓8 MPa 時進行試驗，天然狀態(tài)煤樣和7 d 飽水煤樣的動載強度如圖6 所示。天然狀態(tài)煤樣的動強度變化范圍為33.23 ～56.34 MPa。7 d飽水狀態(tài)下煤樣的動強度為32.21 ～40.0 MPa。在三維應(yīng)力條件下，軸向壓力對7 d飽水狀態(tài)下煤樣動強度的影響與天然狀態(tài)下煤樣相似。7 d 飽水狀態(tài)下煤樣的動強度比天然狀態(tài)下動強度高7.85% ～18.44%，表明7 d飽水狀態(tài)下煤樣的動強度比天然狀態(tài)下試樣在圍壓動載試驗中有所提高。

圖6 動載載荷下圍壓為5 MPa應(yīng)力-應(yīng)變曲線

煤作為多孔介質(zhì)，其致密度通常低于普通砂巖和石灰?guī)r，煤層中存在大量不規(guī)則裂隙和孔隙。煤樣在軸向壓縮和圍壓作用下，在三維壓縮應(yīng)力作用下仍處于彈性狀態(tài)，隨著裂隙和孔隙的逐漸壓縮，其體積變小。當(dāng)試件保持在彈性范圍內(nèi)時，試件動載強度也隨之增大。軸壓和圍壓對試件動載強度的影響主要表現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)。

4 破壞模式

如圖7 所示為天然狀態(tài)下和7 d 飽水狀態(tài)下的破壞模式進行分析比較。在天然狀態(tài)下，煤樣有顯著的壓縮過程，煤樣試件的破壞不是從力的方向進行破壞，而是整個煤體試件整體破壞，說明了天然狀態(tài)下應(yīng)力均勻，天然狀態(tài)下煤體試件從開始破壞到完全破壞的時間較長，破壞的顆粒較大，如圖7（a）所示。

飽水狀態(tài)下煤樣的破壞出現(xiàn)顯著的裂紋，裂紋較小，隨著時間的推移煤樣的裂紋逐漸擴大，貫穿整個煤樣試件，煤體試件開始出現(xiàn)整體裂紋，隨著時間的推移，試件完全破壞，煤體試件整體性遭到破壞，試件破壞時的煤體試件向外彈出。煤體破壞的時間較短，煤樣破壞顆粒較小，如圖7（b）所示。

圖7 煤樣典型破壞模式

對比天然狀態(tài)和7 d 飽水狀態(tài)下煤樣的破壞過程，天然狀態(tài)下煤樣的破壞持續(xù)時間較長，破片量較大，試件的完整性保持時間較長，而7 d飽水狀態(tài)下煤樣的破壞持續(xù)時間較短，破壞顆粒較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是煤樣中存在大量的空隙，天然狀態(tài)下煤樣中的空隙中含有空氣，而7 d 飽水狀態(tài)下煤樣中的空隙中含有水。7 d 飽水狀態(tài)下煤樣含水率增加，孔隙和裂隙均含水。施加靜荷載時，試件處于彈性狀態(tài)，孔隙和裂隙受壓。

在動荷載作用下，應(yīng)力波傳播到裂縫及其含水處，孔隙壓縮變形等效于作用在裂縫壁上的孔隙水壓力，從而縮短了7 d 飽水狀態(tài)下煤樣的破壞時間。同時，飽和水對裂縫黏結(jié)作用減弱，導(dǎo)致裂縫黏結(jié)力降低。因此，與靜態(tài)加載相比，煤樣在應(yīng)力波作用下更容易萌生和擴展裂紋，顆粒破碎尺寸更小。

5 結(jié) 語

本文研究了天然狀態(tài)和7 d飽水狀態(tài)煤樣在動靜載荷作用的強度特征。利用液壓伺服試驗機和SHPB系統(tǒng)進行了包括單軸靜態(tài)加載和動態(tài)加載在內(nèi)的靜、動加載試驗，為煤層氣壓裂改造和生產(chǎn)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)，主要結(jié)論如下。

（1）在單軸壓縮和動態(tài)加載條件下，天然狀態(tài)煤樣強度高于7 d飽水煤樣的強度。

（2）靜態(tài)單軸壓縮條件下天然狀態(tài)下的單軸抗壓強度為15.87 ～20.89 MPa，平均為18.66 MPa。7 d飽水煤樣的單軸抗壓強度14.48 ～18.18 MPa，平均為15.88 MPa。天然狀態(tài)下煤的動態(tài)抗壓強度范圍為24.79 ～33.42 MPa，平均為29.98 MPa，7d飽水煤試樣的動態(tài)抗壓強度為19.88 ～22.68 MPa，平均為21.02 MPa。在三軸靜態(tài)條件下，7 d飽水煤樣強度低于天然狀態(tài)下煤的強度，而在圍壓動載條件下，7 d 飽水煤樣的強度高于天然狀態(tài)煤樣。

（3）單軸抗壓強度軟化系數(shù)最大值為0.69，動態(tài)強度軟化系數(shù)最大為0.59。天然狀態(tài)下煤體試件從開始破壞到完全破壞的時間較長，破壞的顆粒較大，飽水狀態(tài)下煤體破壞的時間較短，煤樣破壞顆粒較小。

（4）在單軸壓縮和一維靜動加載條件下，7 d飽水煤樣的破碎粒徑小于天然試樣，說明飽和對顆粒破碎有顯著影響。但在三軸和三維靜動加載條件下，由于圍壓效應(yīng)，飽水對破碎粒徑?jīng)]有明顯影響。