沖擊荷載作用下各向異性煤體中大孔結(jié)構(gòu)變化規(guī)律研究

梁為民，李曉鵬，李敏敏

（河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454003）

0 引 言

煤礦開采過程中煤與瓦斯突出問題是威脅煤礦開采人員安全的重要問題之一[1]。工程中常采用致裂技術(shù)比如，深孔預(yù)裂爆破技術(shù)、CO2相變致裂技術(shù)、高壓空氣爆破致裂技術(shù)等作為增透手段改善煤與瓦斯突出[2-7]。致裂過程中，應(yīng)力波改變了煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而降低煤層瓦斯的含量和壓力[8]。因此，研究沖擊荷載作用下煤體孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，能夠為煤層增透中致裂技術(shù)參數(shù)的設(shè)置提供相關(guān)理論依據(jù)。

為解決煤與瓦斯突出的問題，大量學者已經(jīng)開展了豐富的研究。王兆豐等[9]、曹樹剛等[10]、譚波等[11]采用深孔預(yù)裂爆破的方式對煤層進行增透，認為沖擊作用可以改變煤的孔隙結(jié)構(gòu)，以降低瓦斯突出的危險性。李守國等[12-13]通過大量地面氣爆試驗，認為高壓空氣爆破致裂煤體技術(shù)可以產(chǎn)生強大的沖擊效應(yīng)，改變煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進而對煤體進行有效增透。鮑先凱等[14]采用高壓電脈沖水力壓裂法對煤層進行增透，認為在相同水壓力下，與靜水壓裂相比，能夠?qū)_擊應(yīng)力作用在煤層上，影響裂隙發(fā)育。

在實驗室研究方面，國內(nèi)外學者普遍采用分離式霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）作為沖擊手段，研究煤巖體的動態(tài)力學性能。AI等[15]利用SHPB沖擊試驗，得出了沖擊對結(jié)構(gòu)異性煤體的動態(tài)拉伸強度、應(yīng)變率和應(yīng)變等動態(tài)力學參數(shù)有較大影響。龔爽等[16]采用SHPB沖擊試驗對結(jié)構(gòu)異性煤體進行了斷裂特性測試，并采用圖像處理法和分形特征處理法，得到?jīng)_擊荷載對不同層理方向煤樣的分形裂紋擴展速度及裂紋擴展路徑的分形維數(shù)都有顯著影響，其中，當層理角度為45°時，分形裂紋擴展速度為最大，且裂紋擴展路徑的分形維數(shù)也為最大。趙毅鑫等[17]采用SHPB沖擊試驗和數(shù)值模擬分析兩者相結(jié)合的方法，對結(jié)構(gòu)異性煤體進行了動態(tài)斷裂試驗和數(shù)值分析，認為沖擊速度會對煤樣的平均裂紋擴展速度產(chǎn)生影響，沖擊速度越大，裂紋擴展速度越大，并且層理方向也會對裂紋的擴展路徑產(chǎn)生較大的影響，當層理方向為0°和90°時，煤樣的裂紋擴展路徑最為平直。梁為民等[18]基于低溫液氮吸附試驗對SHPB沖擊前后煤樣的微小孔孔隙結(jié)構(gòu)進行分析，認為煤樣微小孔在沖擊荷載作用下有明顯的改變，微小孔含量較受沖擊前煤樣明顯降低，認為微觀孔徑結(jié)構(gòu)有從微孔向小孔，小孔向中大孔轉(zhuǎn)化的趨勢。然而，針對結(jié)構(gòu)異性煤體在沖擊荷載的作用下，其中大孔孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律卻鮮有研究。

采用SHPB沖擊試驗對不同層理方向煤樣進行動態(tài)力學性能測試，并利用壓汞試驗分析沖擊前后煤樣的中大孔孔隙結(jié)構(gòu)變化，探討沖擊荷載對煤巖體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 SPHB沖擊試驗

1.1 煤樣制備

研究試驗樣品取自晉煤集團成莊礦3號煤層無煙煤。煤樣堅固系數(shù)為0.96。煤樣的基本力學參數(shù)，見表1，表中C表示垂直層理方向，P表示平行層理方向。為了減少樣品間的誤差，首先在礦井的同一工作面開采較大塊的完整煤塊，然后對煤塊分別從垂直層理、平行層理2個方向進行取芯，最后切割打磨成直徑和高度均為50 mm的圓柱體，圓柱兩端面平行且平整度不小于0.02 mm（圖1）[19-20]。

1.2 SHPB沖擊試驗

試驗采用河南理工大學力學實驗室的SHPB沖擊試驗系統(tǒng)對煤樣進行動態(tài)力學性能測試。SHPB沖擊試驗系統(tǒng)，如圖2所示，儀器鋼桿密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，試驗所用氣體為氮氣，子彈直徑為37 mm，長度為400 mm，入射桿為一端為37 mm、一端為50 mm的變截面鋼桿，透射桿和吸收桿直徑均為50 mm。采用0.1、0.15、0.2、0.3、0.5 MPa的沖擊氣壓分別對不同層理方向煤樣進行SHPB沖擊試驗，每組分別測試3個平行樣。試驗編號見表2。

試驗數(shù)據(jù)基于桿件中一維應(yīng)力波假定和應(yīng)力/應(yīng)變在試件長度方向上均勻分布假定，通過“三波法”理論得到[21-23]。

σs=EA（εi+εr+εt）/（2As）

（1）

（2）

（3）

圖1 試驗煤樣Fig.1 Test coal samples

表1 煤樣基本力學參數(shù)

圖2 SHPB沖擊試驗系統(tǒng)Fig.2 SHPB experimental system

表2 SHPB沖擊試驗編號

1.3 壓汞試驗

試驗采用了AutoPore IV 9500 V1.09型全自動壓汞儀，如圖3a所示。壓汞試驗是基于汞對一般固體表面具有非潤濕性，微觀孔隙界面張力抵抗汞進入其中，而通過對汞進行施壓，使汞克服汞-固界面的表面自由能，汞便可以進入煤樣的孔隙中，孔隙越小需要的壓力也就越大。汞的侵入量就是孔隙的體積，并且根據(jù)壓力的大小可以判斷孔徑大小，符合Washbum方程，即：

R=-2σcosθ/P′

（4）

式中，R為孔隙半徑，m；θ為汞與試件的接觸角度，（°），通常取140°；σ為汞的表面張力，N/m，通常取0.48 N/m；P′為汞的壓力，MPa。

壓汞試驗過程主要分為以下幾步：①對煤樣進行預(yù)處理。在烘箱內(nèi)烘干樣品，設(shè)定溫度150°以上。②加載樣品。用分析天平對烘干樣品稱量2 g左右，然后將稱量后的樣品倒入膨脹計內(nèi)，如圖3b所示。③密封膨脹計。用阿皮松高級密封酯對裝入樣品后的膨脹計進行真空密封，涂抹密封酯時應(yīng)適量，密封酯太多可能會導(dǎo)致和樣品面相接觸，使樣品遭到污染，用量太少則會導(dǎo)致密封不嚴，帶來真空度問題。④稱量膨脹計組件。⑤低壓分析。把膨脹計放入低壓站口分析40 min左右，樣品不同時間略有不同。低壓分析結(jié)束后應(yīng)盡快進行高壓處理，以免汞和樣品相接觸，從而產(chǎn)生氧化反應(yīng)，對最終的分析結(jié)果造成影響。⑥高壓分析。將膨脹計裝入高壓站口進行分析，密封高壓倉時不需要使用過大的力，高壓倉頭部的螺紋只是稍大于倉內(nèi)部的螺紋，把倉頭擰入倉內(nèi)時，密封件和倉壁接觸到一起，進行分析時，增加壓力后，密封件的外環(huán)會更加緊密地和倉壁進行接觸，從而密封了高壓倉。高壓分析完成后，將膨脹計取出。

壓汞儀內(nèi)壓力值由小到大慢慢增加，汞在壓力作用下進入膨脹計內(nèi)樣品的孔隙內(nèi)，儀器會保持壓力并記錄注入汞的體積量，因壓力與汞存在一一對應(yīng)的關(guān)系，最終得到兩者的曲線關(guān)系圖。

圖3 壓汞儀和膨脹計Fig.3 Mercury porosimeter and dilatometer

2 SHPB沖擊試驗分析

2.1 不同沖擊氣壓下煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對各組煤樣進行不同沖擊荷載的SHPB沖擊試驗，在沖擊試驗過程中采集信號并進行取均值分析處理，不同層理方向煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。圖4中“Ⅲ”和“Ⅳ”分別代表了4個階段中的第3個和第4個階段——塑性變形階段和破壞階段；C1～C5分別表示垂直層理方向5種不同沖擊力度下煤樣的破壞曲線；P1～P5分別表示平行層理方向5種不同沖擊力度下煤樣的破壞曲線。由圖4a可知，以曲線C5為例，SHPB作用下煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為4個階段，壓實階段、線彈性階段、塑性變形階段以及破壞階段。可以看到在曲線0A段為壓實階段，壓實階段極小，幾乎不可見，AB段為線彈性階段，曲線近似于一條直線，BC段為塑性變形階段，CD段為破壞階段。

圖4 不同沖擊荷載不同層理方向煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal samples with different impact loads and different bedding directions

由圖4a可知，垂直層理方向原煤線彈性階段較0.5 MPa時曲線更短，煤樣塑性變形階段峰值隨著沖擊荷載的增加逐漸增加，但壓實階段總是很小，原因是煤樣密實度較好，內(nèi)部孔隙較少，在沖擊荷載的作用下煤樣內(nèi)部孔隙來不及閉合就進入線彈性階段，壓實階段極短。隨著應(yīng)變的增加，曲線的增長開始放緩，達到動態(tài)抗壓強度時曲線達到極值點，即動態(tài)抗壓強度。由于煤是一種多孔隙結(jié)構(gòu)，達到動態(tài)抗壓強度后并未馬上破壞，煤進入塑性軟化階段，原生裂隙和新生裂隙繼續(xù)發(fā)展，但發(fā)展速度放緩，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而減小，直到卸載完畢。由圖4b可知，平行層理方向煤樣具有相同規(guī)律，但對比0.1～0.5 MPa，線彈性階段增長更小，且在相同沖擊荷載下，煤樣塑性變形階段峰值較垂直層理方向變化較小。原因為平行層理方向煤樣對沖擊荷載更具敏感性，在沖擊荷載作用下煤樣微觀孔隙孔容易發(fā)生變形，所以更易達到彈性極限。

2.2 不同沖擊氣壓下煤樣動態(tài)抗壓強度

煤樣在不同沖擊氣壓下的均值動態(tài)抗壓強度，如圖5所示。由圖5可知，煤樣動態(tài)抗壓強度隨著沖擊氣壓的增加呈線性增加，且當沖擊荷載相同時，垂直層理方向煤樣動態(tài)抗壓強度均大于平行層理方向。

圖5 不同層理方向煤樣動態(tài)抗壓強度Fig.5 Dynamic compressive strength of coal samples parallel and perpendicular to the bedding directions

當沖擊氣壓為0.1 MPa時，垂直層理方向和平行層理方向的煤樣動態(tài)抗壓強度分別為12.273、7.893 MPa，垂直層理方向煤樣動態(tài)抗壓強度為平行層理方向的1.55倍；當沖擊氣壓為0.5 MPa時，垂直層理方向和平行層理方向的煤樣動態(tài)抗壓強度分別為29.624、24.339 MPa，垂直層理方向煤樣動態(tài)抗壓強度為平行層理方向1.22倍。煤樣中存在一部分與層理方向平行的孔隙[24]，當沖擊荷載與煤樣層理方向平行時，應(yīng)力波通過該部分孔隙時，層理之間主要受到拉應(yīng)力，使得內(nèi)部孔隙軸向發(fā)育；當沖擊荷載與層理方向垂直時，當應(yīng)力波通過孔隙時，層理之間主要受到壓應(yīng)力，導(dǎo)致在相同沖擊荷載作用下垂直層理方向煤樣動態(tài)抗壓強度大于平行層理方向。

3 壓汞試驗分析

3.1 煤樣進退汞曲線

作為一種多孔介質(zhì)，煤體中的有效孔隙結(jié)構(gòu)主要包括2種基本類型，開放孔和半封閉孔。其中開放孔占比例越高，表示煤的連通性和孔開放性越好；半封閉孔占比例越高，表示煤的連通性和孔開放性越差。煤的進退汞曲線中的“滯后環(huán)”可以有效反映煤樣的基本形態(tài)及連通性能。開放孔占比例越高，會導(dǎo)致煤的進退汞曲線出現(xiàn)“滯后環(huán)”，而半封閉孔會使煤的進退汞曲線不具備“滯后環(huán)”現(xiàn)象[25]。

不同沖擊荷載下不同層理方向煤樣進退汞曲線，如圖6、圖7所示。由圖6可知，沖擊前煤樣的進退汞曲線具有滯后環(huán)，說明未受沖擊前煤樣中已經(jīng)含有一部分開放孔，當沖擊氣壓為0.15和0.2 MPa 時，垂直層理方向煤樣的“滯后環(huán)”明顯比沖擊前大，即進退汞曲線間距更大，說明沖擊氣壓為0.15、0.2 MPa時，煤樣中開放孔占比例更高。由圖7可知，在沖擊荷載作用下，平行層理方向煤樣相比未沖擊煤樣均具有更為明顯的“滯后環(huán)”，說明平行層理方向煤樣在沖擊荷載作用下會出現(xiàn)更多的開放孔。由圖6—圖7可知，在相同沖擊荷載的作用下，平行層理方向煤樣較垂直層理方向煤樣的“滯后環(huán)”更大，表明平行層理方向煤樣在受到?jīng)_擊荷載后會比垂直層理方向出現(xiàn)更多的開放孔，從而提高連通性。

圖6 不同沖擊氣壓下垂直層理方向煤樣進退汞曲線Fig.6 Mercury advance and retreat curves of coal samples perpendicular to the bedding directions under different shock pressures

不同動態(tài)抗壓強度不同層理方向煤樣的進汞量，如圖8所示。由圖8可知，不同層理方向煤樣的進汞量隨著動態(tài)抗壓強度的增加而增長，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，表明隨著沖擊荷載的增加，煤樣孔容呈指數(shù)增加。未受沖擊荷載前，煤樣的進汞量均在0.018 mL/g左右，當沖擊氣壓為0.5 MPa時，對應(yīng)垂直層理和平行層理方向動態(tài)抗壓強度分別為29.624、24.339 MPa，垂直層理方向和平行層理方向煤樣進汞量分別為0.051 9、0.054 9 mL/g。在相同沖擊荷載下，平行層理方向煤樣的進汞量均大于垂直層理方向煤樣，表明在受到相同沖擊荷載后，平行層理方向煤樣孔容變化更大。

3.2 煤樣孔隙度及退汞效率

孔隙度和退汞效率是反映煤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的2個參數(shù)?？紫抖瓤梢苑从趁簝?nèi)部孔隙比例，壓汞試驗主要測量的對象為100 nm以上的孔隙結(jié)構(gòu)，其所得孔隙度主要是由中、大孔的孔容所計算的孔隙度，而退汞效率則反映了煤巖體孔隙的結(jié)構(gòu)特征，退汞效率越低，煤內(nèi)部孔隙中殘留汞也越多，在進汞量增加的同時，表明煤樣孔容增加，但增加的孔容中部分存在“細頸瓶”型孔[25]。不同動態(tài)抗壓強度不同層理方向煤樣孔隙度，如圖9所示，以及不同動態(tài)抗壓強度不同層理方向煤樣退汞效率，如圖10所示。

圖7 不同沖擊氣壓下平行層理方向煤樣進退汞曲線Fig.7 The mercury advancing and retreating curves of coal samples parallel to the bedding directions under different shock pressures

圖8 不同動態(tài)抗壓強度下不同層理方向煤樣進汞量Fig.8 The amount of mercury injected into both coal samples under different dynamic compressive strength

由圖9可知，不同層理方向煤樣孔隙度會隨著動態(tài)抗壓強度的增大而增大，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。在未受沖擊荷載時，不同層理方向煤樣孔隙度均在4.6% 左右，在受到?jīng)_擊荷載的作用下煤樣孔隙度出現(xiàn)了不同程度的增加。其中，在沖擊氣壓為0.5 MPa時，對應(yīng)垂直層理和平行層理方向動態(tài)抗壓強度分別為29.624、24.339 MPa，煤樣孔隙度達到最大，垂直層理方向煤樣為7.13%，較未受沖擊荷載煤樣提高155%，平行層理方向煤樣為9.13%，較未受沖擊荷載煤樣提高198%。當沖擊荷載相同時，對比不同層理方向煤樣孔隙度，可以發(fā)現(xiàn)平行層理方向煤樣孔隙度均大于垂直層理方向，當沖擊氣壓為0.3 MPa 時，對應(yīng)垂直層理和平行層理方向動態(tài)抗壓強度分別為22.036、18.407 MPa，平行層理方向煤樣孔隙度為垂直層理方向1.35倍。孔隙度可以有效反映煤樣孔容大小。結(jié)果表明，受到?jīng)_擊荷載后，煤樣孔容會不斷增加，且在相同沖擊荷載下，平行層理方向煤樣孔容改變均大于垂直層理方向。

圖9 不同層理方向煤樣孔隙度和動態(tài)抗壓強度之間的關(guān)系Fig.9 The relationship between the porosity in both coal samples and dynamic compressive strength

由圖10可知，不同層理方向煤樣退汞效率會隨著動態(tài)抗壓強度的增大而減小，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。在未受到?jīng)_擊荷載時，不同層理方向煤樣退汞效率均在33%左右，在受到?jīng)_擊荷載后，不同層理方向煤樣退汞效率出現(xiàn)了不同程度的減小。其中，當沖擊氣壓為0.5 MPa時，對應(yīng)垂直層理和平行層理方向動態(tài)抗壓強度分別為29.624、24.339 MPa，煤樣退汞效率達到最小，垂直層理和平行層理方向煤樣分別為22.42%、10.28%，較未受沖擊荷載煤樣分別減少32%、69%。當沖擊荷載相同時，對比不同層理方向煤樣退汞效率，可以發(fā)現(xiàn)平行層理方向煤樣退汞效率均大于垂直層理方向，當沖擊氣壓為0.3 MPa時，對應(yīng)垂直層理和平行層理方向動態(tài)抗壓強度分別為22.036、18.407 MPa，垂直層理方向煤樣退汞效率為平行層理方向2.23倍。煤樣退汞效率變化反映了煤樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，說明沖擊荷載可以增加煤樣孔容，但沖擊后煤樣孔容中可能存在一部分“細頸瓶”型孔。

圖10 不同層理方向煤樣退汞效率與動態(tài)抗壓強度的關(guān)系Fig.10 The relationship between mercury removal efficiency of both coal samples and dynamic compressive strength

3.3 煤樣孔徑分布

100 nm以上的煤樣孔徑分布可以有效反映出中孔和大孔的孔容分布情況。不同層理方向煤樣孔徑分布，如圖11所示。由圖11可知，原煤孔徑分布圖的最大孔容在0.005 3～0.007 1 mL/g，且孔容最大值處對應(yīng)的孔徑均在105 nm附近，屬于大孔范圍，表明煤樣在受到?jīng)_擊荷載后，大孔孔容出現(xiàn)了不同程度的增加，沖擊荷載越大，沖擊后煤樣大孔孔容增加也就越明顯。對比不同層理方向煤樣孔徑分布圖可知，當沖擊氣壓為0.5 MPa時，垂直層理方向煤樣最大孔容為0.025 mL/g，較未受沖擊荷載煤樣提高472%，而平行層理方向煤樣最大孔容達到了0.035 mL/g，較未受沖擊荷載煤樣增加492%，平行層理方向煤樣孔徑分布圖的孔容最大值處增加比垂直層理方向更為明顯。

圖11 不同層理方向煤樣孔徑分布Fig.11 Pore size distribution of the coal samples parallel and perpendicular to the bedding directions

4 結(jié) 論

1）煤樣的動態(tài)抗壓強度隨著沖擊荷載的增加呈線性增加，當沖擊荷載相同時，垂直層理方向煤樣的動態(tài)抗壓強度均大于平行層理方向。

2）沖擊荷載和層理方向?qū)γ簶拥倪M退汞曲線特征、孔隙度、退汞效率和孔徑分布均有影響，當沖擊氣壓為0.5 MPa時，對應(yīng)垂直層理和平行層理方向動態(tài)抗壓強度分別為29.624、24.339 MPa，較未受沖擊荷載相比，垂直層理方向和平行層理方向煤樣進汞量分別增加188%、205%，孔隙度分別增加155%、198%，退汞效率分別減少32%、69%，孔徑分布中孔容最大值分別增加472%、492%。

3）不同層理方向沖擊荷載對煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)的改善效果不同，當沖擊荷載相同時，平行層理方向煤樣的進汞量、孔隙度、退汞效率、孔容最大值，分別為垂直層理方向煤樣的1.05、1.35、0.46和1.40倍。