煤巖層理結(jié)構(gòu)對(duì)單軸力學(xué)特性影響研究

鄭光

（山東能源集團(tuán)兗礦能源集團(tuán)股份有限公司石拉烏素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017299）

0 引言

隨著采煤深度越來(lái)越深，地溫越來(lái)越高，地溫的升高給煤礦帶來(lái)兩個(gè)方面的問(wèn)題[1]：一是發(fā)生煤自燃問(wèn)題，會(huì)對(duì)周圍煤體力學(xué)性質(zhì)造成影響[2]；二是深部煤層抽采鉆孔所處的環(huán)境較淺部煤層有較大的不同，其中主要包括深部煤層抽采鉆孔所處初始煤層溫度高，深部抽采鉆孔再抽采過(guò)程中，氧氣容易進(jìn)入封堵段周圍破碎煤體，從而為鉆孔周圍破碎煤體長(zhǎng)時(shí)間氧化反應(yīng)引起自燃創(chuàng)造條件，鉆孔周圍煤自燃會(huì)引起鉆孔暫停抽采，延誤煤礦的正常開(kāi)采，甚至造成抽采管路內(nèi)瓦斯爆炸，給井下人員帶來(lái)重大的安全隱患，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損傷?，F(xiàn)今。高溫對(duì)臨近未發(fā)火煤的力學(xué)特性研究較少，研究高溫對(duì)煤體力學(xué)特性的影響十分必要。

馬占國(guó)等[3]完成了溫度對(duì)煤力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究，得到了不同溫度下煤的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分析了溫度對(duì)煤的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響；解北京[4]進(jìn)行了層理煤巖SHPB沖擊破壞動(dòng)態(tài)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，研究了層理對(duì)煤巖動(dòng)態(tài)力學(xué)破壞特征的影響；于鑫等[5]揭示高溫下和高溫后致密砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的不同變化規(guī)律；張龍等[6]研究了高溫對(duì)軟巖的強(qiáng)度、彈性模量的影響；劉石等[7]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)經(jīng)歷不同溫度下測(cè)量大理石的縱波波速、抗壓強(qiáng)度、破壞形態(tài)以及損傷特性隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；趙洪寶等[8]進(jìn)行了不同溫度下含瓦斯煤巖單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)研究；王登科等[9]對(duì)溫度沖擊前后煤的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)的演化發(fā)展進(jìn)行了聯(lián)合表征，定性定量的分析了煤層的裂隙寬度變化，并統(tǒng)計(jì)分析了溫度沖擊前后煤層中孔隙的比表面積和孔徑變化；查文華等[10]對(duì)經(jīng)歷不同溫度的煤系泥巖的力學(xué)型鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析不同溫度下泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線、峰值應(yīng)變、彈性模量、變形模量以及泊松比受溫度的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者煤的物理力學(xué)特性展開(kāi)了一系列研究，但深部煤巖在高溫條件下物理力學(xué)特性研究少有報(bào)道，因此研究高溫對(duì)深部煤巖力學(xué)特性影響因素研究具有極其重要的作用，研究結(jié)果對(duì)深部煤層鉆孔發(fā)火后煤巖的動(dòng)力災(zāi)害防治具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 煤樣制備及煤樣分類

試驗(yàn)煤樣取自平煤股份十礦24100工作面，該面埋深超過(guò)1 000 m屬于深部煤層，取回來(lái)的煤塊層理發(fā)育良好，如圖1所示。根據(jù)巖石常規(guī)力學(xué)性能（將煤樣加工成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，表面平行度＜0.05 mm,端面粗糙度＜0.02 mm）將煤塊制作成標(biāo)準(zhǔn)試件。

圖1 制取煤樣及篩選煤樣

煤內(nèi)部原生裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)于煤力學(xué)特性有很大的影響，導(dǎo)致在研究過(guò)程中可變因素很多，得出的結(jié)果往往差強(qiáng)人意，具有不確定性和不具有說(shuō)服性。在進(jìn)行平行試驗(yàn)時(shí)，往往需要煤樣試件盡可能的保持一致。如圖4所示，根據(jù)各個(gè)煤樣的宏觀特征，結(jié)合非金屬超聲波測(cè)出煤樣聲速、聲時(shí)以及波幅篩選出試驗(yàn)所需要的煤樣試件。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載方式

在準(zhǔn)備做實(shí)驗(yàn)前2 d，將所有實(shí)驗(yàn)煤樣置于相同環(huán)境下進(jìn)行保存。在做實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定電熱鼓風(fēng)干燥箱溫度值，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)煤樣試件持續(xù)加熱2 h，之后冷卻煤樣至室溫；當(dāng)煤樣冷卻到室溫條件后，將煤樣放置于恒溫箱中保存。

如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)由2人對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控，首先將萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)軟件控制系統(tǒng)設(shè)定加載位移參數(shù)0.1 mm/min，使加載系統(tǒng)對(duì)煤樣進(jìn)行加載，然后1人負(fù)責(zé)三維掃描控制系統(tǒng)，根據(jù)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)軟件界面上位移加載數(shù)值進(jìn)行掃描，每隔0.1 mm使用三維掃描系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行掃描，獲得煤試件的點(diǎn)云圖像，保存一次數(shù)據(jù)。通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步連續(xù)采樣、存儲(chǔ)，自動(dòng)、完整地記錄試件受力與變形的全過(guò)程；時(shí)刻觀察煤樣破壞情況以及計(jì)算機(jī)屏幕上應(yīng)力應(yīng)變曲線，直至煤樣被破壞，停止試驗(yàn)，然后保存數(shù)據(jù)；根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合研究目的，總結(jié)規(guī)律。

圖2 微機(jī)電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)

2 煤樣原生結(jié)構(gòu)對(duì)煤巖力學(xué)特性影響

2.1 深部礦井裂隙不同煤巖受力破壞情況

按照平煤十礦地溫梯度，根據(jù)煤樣開(kāi)采深度進(jìn)行推算，煤樣所處環(huán)境溫度50℃左右（設(shè)定常溫條件）。再進(jìn)行不同熱沖擊對(duì)煤樣物理力學(xué)特性影響試驗(yàn)研究時(shí)，必須考慮到煤樣試件結(jié)構(gòu)近乎一致，才能減少原生結(jié)構(gòu)對(duì)研究結(jié)果的擾動(dòng)程度，因此，選取了層理一致，裂隙、孔隙發(fā)育不同的2個(gè)煤樣進(jìn)行分析。所選煤樣分別為MY14、MY21。對(duì)2個(gè)煤樣試件進(jìn)行同溫度50℃處理。

MY14、MY21端面、側(cè)面均存在一條明顯裂縫，由圖4（a）、4（b）可以看出，煤樣破壞均呈現(xiàn)沿節(jié)理和裂隙面進(jìn)行破壞，沿軸向剪切破壞。煤樣破壞狀態(tài)為1～2條主要的剪切裂隙貫通整個(gè)煤樣，使其劈裂成2～3個(gè)部分，各部分完整性較高，試件整體光滑，次要裂紋分布較少，能量的釋放較為集中。由煤樣MY14、21破壞后截面進(jìn)行對(duì)比，煤樣MY14的致密性要好于MY21。

由圖5可知，峰值強(qiáng)度之前，峰前MY14積蓄能量到峰值軸向位移量、軸向總應(yīng)變要小于MY21，結(jié)合破壞后內(nèi)部截面圖可以看出，MY14致密性要好于MY21。而且MY14的單軸抗壓強(qiáng)度要大于MY21的單軸抗壓強(qiáng)度。MY14峰后曲線下降速度呈現(xiàn)垂直跌落，MY21峰值之后出現(xiàn)曲線反復(fù)交替、臺(tái)階式降落，下降速度減慢，位移量要大于MY14,表現(xiàn)出塑性破壞特征。綜合得出MY14的力學(xué)特性要大于MY21。

圖4 裂隙破壞圖

圖5 裂隙不同煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

因此，得出煤原生裂隙、孔隙對(duì)煤巖力學(xué)特性的影響程度較大，當(dāng)煤樣孔隙率小、裂隙發(fā)育程度不高的情況下，煤巖的物理力學(xué)性能較大。

2.2 深部礦井層理對(duì)煤破壞變形特征

2.2.1 深部礦井層理方向不同煤樣破壞變形特征

層理面是一種弱面結(jié)構(gòu)，層理面發(fā)育越好，煤巖的整體性越差，當(dāng)受到外力作用后，煤巖很容易巖弱面進(jìn)行斷裂和破壞，不同層理的煤樣抵抗外界的能力是不同的，層理面結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響煤樣力學(xué)特性。設(shè)定溫度為100℃。由圖6所示，對(duì)煤樣層理方向進(jìn)行了角度測(cè)量，得到MY34、35、6、8、10、11的層理發(fā)育角度分別為88°、83°、46°、50°、50°、66°。觀察試驗(yàn)后的煤樣破壞特征對(duì)分析煤的破壞機(jī)理有重要的意義。

圖6 傾斜層理煤樣破壞特征

如圖6所示，無(wú)論傾斜層理煤樣還是近似垂直層理煤樣，其破壞類型均為軸向貫通破裂。近似垂直層理煤樣MY34的破壞程度要比傾斜層理煤樣的破壞程度要大，產(chǎn)生的裂隙會(huì)更多，主要以劈裂破壞為主，煤樣中部出現(xiàn)擠壓脹裂，出現(xiàn)多條裂紋以及碎片塊，而傾斜層理煤樣主要以剪切破壞為主，破裂面沿層理方向和軟弱面剪切滑移形成宏觀破壞。

2.2.2 同一溫度下煤的力學(xué)抗壓強(qiáng)度離散性分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)篩選煤樣進(jìn)行加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)煤樣在同一溫度100℃處理后其峰值破壞強(qiáng)度值具有很大的離散性，結(jié)果如圖7所示。傾斜層理煤樣MY6、8、10其峰值破壞強(qiáng)度收斂性較好，3塊煤樣的峰值破壞強(qiáng)度分別為6.4、6.2、6.3 MPa,平均峰值破壞強(qiáng)度為6.3 MPa；峰值破壞力分別為12.52、12.04、12.45 kN,平均峰值破壞力12.34 kN。MY11峰值抗壓強(qiáng)度為11.9 MPa，峰值破壞力為23.04 kN。

近似垂直煤樣MY34、35其峰值破壞強(qiáng)度值比較發(fā)散，煤樣的峰值破壞強(qiáng)度分別為15.9、13.4 MPa,平均峰值破壞強(qiáng)度為14.65 MPa；峰值破壞力分別為28.99、24.35 kN,平均峰值破壞力為26.67 kN。綜述可以得出，傾斜層理煤層的峰值破壞強(qiáng)度總體上要小于垂直層理煤層的峰值破壞強(qiáng)度。根據(jù)圖7所示，煤樣峰值抗壓強(qiáng)度隨著層理角度的逐漸增大其值也在不斷增大。

基于此原因，在做不同溫度對(duì)煤抗壓強(qiáng)度影響研究實(shí)驗(yàn)時(shí)，篩選煤樣必須嚴(yán)格考慮到層理對(duì)煤力學(xué)特性的影響，盡可能減小層理角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的較大偏差。

圖7 相同溫度下不同層理煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2.3 同一溫度下不同層理煤破壞規(guī)律分析

由圖7可示，可以得出如下結(jié)論：

以做的試件為例。軸向應(yīng)力作用于層理煤樣，可以分解為2個(gè)方向的作用力:一是沿層理方向，另一個(gè)是垂直于層理方向，隨著層理方向角度的不斷增大，沿層理方向的分力會(huì)越來(lái)越大，近似垂直層理煤樣受到的沿層理方向的力近乎等于軸向應(yīng)力，剪切滑移現(xiàn)象減少了。

煤樣MY34、35層理角度接近90°時(shí)，軸向加載方向與層理方向一致，這時(shí)煤樣與巖石強(qiáng)度相近，與層理結(jié)構(gòu)的弱面無(wú)關(guān)。破壞形式為壓剪破壞，煤樣中部出現(xiàn)擠壓脹裂，煤樣碎屑增多，脆性較大，這種破碎形式使得能量耗散特別快；煤樣峰值強(qiáng)度均較大，峰前積蓄的彈性應(yīng)變能多，峰后曲線呈現(xiàn)近似垂直跌落，出現(xiàn)煤樣碎屑增多的原因是煤樣積聚的彈性能突然在極小變形情況下，瞬時(shí)釋放轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使得煤樣發(fā)生嚴(yán)重的破壞，力學(xué)特性極強(qiáng)。

煤樣MY6、8、10、11層理角度介于60°左右時(shí)，受軸向應(yīng)力作用煤樣破壞為沿原有層理方向，肉眼可見(jiàn)層理弱面裂縫寬度顯著增加；相較于垂直層理方向煤樣抗壓強(qiáng)度較小，峰值前積蓄能量較小，因?yàn)樵诜逯抵埃霈F(xiàn)了應(yīng)力下降段的原因?yàn)榧羟谢茖?dǎo)致的，軸向壓力超過(guò)了層理面的粘結(jié)力和摩擦力，煤樣內(nèi)部能量由于層理面的破壞出現(xiàn)能量釋放；峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)臺(tái)階式下降趨勢(shì)，究其原因是煤樣發(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致耗散能量增加，破壞時(shí)間增長(zhǎng)，單位時(shí)間釋放的能量較小，物理力學(xué)特性變低，這種臺(tái)階式下降方式使得煤樣破壞受到了阻礙。

通過(guò)MY34、35應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，煤樣MY34達(dá)到峰值要比MY35達(dá)到峰值的應(yīng)變值要短，通過(guò)對(duì)2個(gè)煤樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)MY5的宏觀裂隙要比MY34的裂隙要長(zhǎng)，而且裂隙寬度大。因?yàn)槊簶邮艿捷S向應(yīng)力時(shí)，裂隙發(fā)育比較好的煤樣應(yīng)變?cè)黾恿恳笥诹严栋l(fā)育較小煤樣的應(yīng)變?cè)黾恿?，所以煤樣MY34到達(dá)峰值強(qiáng)度要小于MY35到達(dá)峰值強(qiáng)度的應(yīng)變值。

傾斜層理煤樣MY6、8、10層理角度接近，峰值抗壓強(qiáng)度值相差極小，但是應(yīng)變-應(yīng)力曲線相差較大，分析其原因，煤巖力學(xué)特性與多種因素有關(guān)，例如煤的密度、煤的孔隙率、煤的內(nèi)部含水量、煤體的原生裂隙、層理方向等。

3 結(jié)論

1）高溫使得煤樣較常溫條件裂隙寬度加大，裂紋演化像樹(shù)枝狀向樹(shù)枝末進(jìn)行延伸，無(wú)論是裂隙條數(shù)還是裂隙張開(kāi)度都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

2）無(wú)論傾斜層理煤樣還是近似垂直層理煤樣，其破壞類型均為軸向貫通破裂。近似垂直層理煤樣破壞程度要比傾斜層理煤樣的破壞程度要大，產(chǎn)生的裂隙會(huì)更多，主要以劈裂破壞為主，煤樣中部出現(xiàn)擠壓脹裂，出現(xiàn)多條裂紋以及碎片塊，而傾斜層理煤樣主要以剪切破壞為主，破裂面沿層理方向和軟弱面剪切滑移形成宏觀破壞。煤樣峰值抗壓強(qiáng)度隨著層理角度的逐漸增大其值也在不斷增大。

3）煤原生裂隙、孔隙對(duì)煤巖力學(xué)特性的影響程度較大，當(dāng)煤樣孔隙率小、裂隙發(fā)育程度不高的情況下，煤巖的力學(xué)特性較大。反之，煤巖力學(xué)特性較小。