層理煤巖浸水前后力學(xué)性質(zhì)研究

姜琳婧，趙會(huì)杰，趙怡晴，方 杰，曹志國(guó)

（1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083；3.煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100011）

0 引言

層理結(jié)構(gòu)容易引起煤巖體層間滑移、強(qiáng)度降低等問(wèn)題，對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響較大[1-2]，導(dǎo)致煤巖具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性和各向異性[3-5]。煤巖浸水會(huì)產(chǎn)生礦物顆粒脫落、結(jié)構(gòu)松散等問(wèn)題，從而降低煤巖強(qiáng)度。目前，以“導(dǎo)儲(chǔ)用”為特征的煤礦采空區(qū)儲(chǔ)水理念被提出并已付諸實(shí)施[6-8]，地下空區(qū)預(yù)留煤柱成為地下水庫(kù)的重要組成部分，地下水庫(kù)蓄水期間煤柱同時(shí)受到層理和浸水兩個(gè)方面的作用，對(duì)水庫(kù)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生顯著影響，因此有必要針對(duì)浸水層理煤巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

在層理煤巖力學(xué)特征及破裂特性的力學(xué)試驗(yàn)研究方面，李磊等[9]測(cè)試了層理煤巖力學(xué)性質(zhì)，表明煤巖斷裂特征及其破壞模式均與層理角度相關(guān)；劉忠玉[10]和劉愷德等[11]通過(guò)層理煤巖單軸壓縮試驗(yàn)，確定了軸向垂直和軸向平行層理煤巖的斷口破壞形態(tài)分別以剪切和劈裂破壞為主，破壞形式分別為脆性斷裂和塑性變形。在動(dòng)靜載試驗(yàn)方面，王偉等[12]通過(guò)開(kāi)展層理煤巖準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗(yàn)，探究了層理煤巖力學(xué)性質(zhì)受裂紋影響作用，發(fā)現(xiàn)煤巖破裂演化過(guò)程受層理和裂紋綜合影響；龔爽等[13]通過(guò)霍普金森沖擊斷裂試驗(yàn)探究了不同角度層理對(duì)煤巖裂紋擴(kuò)展的影響程度，發(fā)現(xiàn)0°和90°煤巖影響程度明顯不同。以上研究表明層理煤巖的破壞模式及力學(xué)性質(zhì)與層理方向有關(guān)，并且垂直層理與平行層理煤巖破壞特征不一致，層理方向?qū)γ簬r力學(xué)性質(zhì)特征具有顯著影響。

在浸水對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響研究方面，陳田等[14]通過(guò)反復(fù)浸水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨浸水次數(shù)增多更為平滑；湯傳金[15]通過(guò)反復(fù)循環(huán)浸水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)函數(shù)降低；來(lái)興平等[16]研究發(fā)現(xiàn)含水率增大能降低煤巖力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而降低煤巖峰值強(qiáng)度和彈性模量；姚強(qiáng)嶺等[17]等通過(guò)對(duì)不同含水飽和度、不同巖性含煤巖系進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含煤巖系浸水后峰值強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)呈規(guī)律性減??；李波波等[18]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，不同含水率下煤巖力學(xué)特性基本相似，變形破壞過(guò)程可分為峰前應(yīng)力階段、峰后應(yīng)力階段和殘余階段。以上研究表明浸水對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響顯著，不同浸水狀態(tài)下煤巖破壞特性不同。

在層理和浸水對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)綜合影響方面，唐書(shū)恒等[19]探究了飽水狀態(tài)不同層理煤巖單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征；李建華[20]通過(guò)研究浸水層理煤巖單軸壓縮力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，表明軸向垂直層理煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度是軸向平行層理煤巖的2～4 倍。

以往研究在層理煤巖力學(xué)性質(zhì)、浸水影響等方面做了大量的工作，但綜合考慮層理和浸水對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響的研究仍然存在不足。因此，本文針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展了單軸壓縮試驗(yàn)，輔以數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)監(jiān)測(cè)，研究?jī)煞N層理巖樣的吸水特性、力學(xué)性質(zhì)等。研究結(jié)果可為煤礦地下水庫(kù)預(yù)留煤柱及水庫(kù)整體穩(wěn)定性分析提供參考。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)煤巖取自陜西榆林大柳塔煤礦2 號(hào)礦井5-2煤層，為4 號(hào)地下水庫(kù)所在煤層，該煤層位于地下160 m 處，層理結(jié)構(gòu)明顯。依據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法第七部分：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度測(cè)定及軟化系數(shù)計(jì)算方法》(GB/T 23561.7-2009)，將試驗(yàn)采集樣品進(jìn)行取心、切割、打磨、精加工制備成規(guī)格為?50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形煤巖，包括軸向平行層理煤巖(軸線與層理面平行，以下簡(jiǎn)稱“平行煤巖”)和軸向垂直層理煤巖(軸線與層理面垂直，以下簡(jiǎn) 稱“垂直煤巖”) 2 類，如圖1 所示。本次試驗(yàn)共加工50 塊煤巖試樣，其中包括25 塊平行煤巖和25 塊垂直煤巖。將加工好的煤巖置于干燥箱內(nèi)，運(yùn)輸至儲(chǔ)存室備用。

采用密度、超聲波縱波波速等測(cè)定方法選擇差別較小的煤巖作為試驗(yàn)樣品，以保證試驗(yàn)煤巖的均一性。共選取12 塊煤巖試件，其中包括6 塊平行煤巖和6 塊垂直煤巖，基礎(chǔ)物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。用P表示平行層理、T 表示垂直層理，下標(biāo)0 和1 分別代表未浸水狀態(tài)和浸水狀態(tài)。對(duì)煤巖進(jìn)行編號(hào)，如T1-3，表示浸水狀態(tài)的第3 塊垂直煤巖。

表1 試驗(yàn)煤巖基礎(chǔ)物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of coal samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

為防止浸水導(dǎo)致煤巖顆粒崩解脫落從而影響煤巖力學(xué)性質(zhì)，參照已有研究[21]自制了無(wú)損浸水裝置(圖2)。該裝置主要由加濕器和密封箱兩部分組成，加濕器的出霧口緊密連接在密封箱底部，水霧直接由密封箱底部向上噴射，可快速充滿整個(gè)箱體；溫濕度計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)濕度，以保證密封箱內(nèi)濕度水平一致，確保試驗(yàn)條件一致性。本裝置中水粒子進(jìn)入密封箱內(nèi)與煤巖均勻接觸，由此可實(shí)現(xiàn)煤巖無(wú)水壓、均勻浸水過(guò)程，減少煤巖浸水損失。

圖2 無(wú)損浸水裝置示意Fig.2 Schematic diagram of lossless flooding device

采用YAW-600 型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，如圖3 所示，包括單軸壓縮系統(tǒng)和液壓伺服控制系統(tǒng)兩部分。該壓力機(jī)最大壓力為600 kN，試驗(yàn)力分辨率為3 N，位移分辨率為3 μm。

圖3 單軸壓力機(jī)與DIC 系統(tǒng)Fig.3 Single shaft press with DIC system

基于DIC 技術(shù)對(duì)壓縮過(guò)程中煤巖表面應(yīng)變特征進(jìn)行采集，3D-DIC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)和照明系統(tǒng)組成。DIC 技術(shù)是一種非接觸變形測(cè)量方法，能夠記錄物體表面全場(chǎng)變形信息，直觀反映全場(chǎng)位移和應(yīng)變，對(duì)于研究裂紋起裂與擴(kuò)展模式是一種十分有效的測(cè)量手段。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

將待浸水試件通過(guò)無(wú)損浸水裝置浸水至極限吸水狀態(tài)，該過(guò)程中前12 h 每小時(shí)稱量一次質(zhì)量，然后每3 h 稱量一次質(zhì)量，精確至0.01 g，直至2 次稱量質(zhì)量不再變化，即認(rèn)為煤巖達(dá)到吸水極限。

利用黑白兩色啞光油漆對(duì)煤巖表面噴制散斑。單軸壓縮時(shí)，采用位移加載控制方式，速度設(shè)定為0.005 mm/s，獲得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。卸載控制方式為煤巖試件完全失去承載力時(shí)停止加載。調(diào)整DIC高速攝像機(jī)位置，利用設(shè)備自帶校正板進(jìn)行相機(jī)矯正，按標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整矯正參數(shù)小于等于0.04，幀數(shù)為2 幀/s。試驗(yàn)時(shí)確保高速攝像機(jī)能完整并同步拍攝試驗(yàn)煤巖單軸壓縮變形破壞全程。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤巖浸水特性研究

煤巖的吸水率分為自然吸水率和強(qiáng)制吸水率2種[22]，鑒于地下水庫(kù)蓄水期間保留煤柱一直處于浸水狀態(tài)，為符合實(shí)際情況，本次試驗(yàn)僅測(cè)試煤巖自然吸水率Wz，即

式中：M為試件浸水狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量；M0為試件未浸水狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量。

煤巖在浸水45 h 后達(dá)到極限狀態(tài)。圖4 為不同層理煤巖自然吸水率隨時(shí)間變化曲線，可以看出所有煤巖隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，自然吸水率Wz增大。垂直煤巖吸水率曲線相比平行煤巖整體上更為平緩，說(shuō)明兩種層理煤巖的吸水能力存在一定差異。前4 h 吸水時(shí)間內(nèi)，兩種煤巖吸水率曲線斜率基本一致，吸水速度相當(dāng)。吸水4 h 后，平行煤巖曲線斜率變大，吸水速度陡增，而垂直煤巖其增長(zhǎng)速度基本不變，說(shuō)明層理對(duì)煤巖吸水的影響發(fā)生在浸水4 h 以后。

圖4 自然吸水率-時(shí)間變化曲線Fig.4 Natural water absorption-time curve

試件來(lái)自同一大塊煤巖，天然含水率是一致的，而試驗(yàn)結(jié)果表明，平行煤巖的自然極限吸水率均值為5.70%，垂直煤巖的均值為2.59%，平行煤巖自然極限吸水率是垂直煤巖的2.2 倍。根據(jù)已有研究推測(cè)可能的原因是：①平行煤巖內(nèi)部裂隙體積大于垂直煤巖；②毛細(xì)管作用增強(qiáng)了平行煤巖的自然吸水能力。

為探究極限吸水率差異的原因，進(jìn)行了2 個(gè)試驗(yàn)。首先，選取2 塊不同層理煤巖加壓飽水后進(jìn)行核磁試驗(yàn)，得到平行煤巖的孔隙率為15.67%，飽和吸水率為8.7%；垂直煤巖孔隙率為17.74%，飽和吸水率為8.3%。平行煤巖孔隙率低于垂直煤巖2%，而飽和吸水率均達(dá)到8%，表明兩種層理煤巖自然極限吸水率的差異并非由煤巖內(nèi)部裂隙體積差異造成，因此原因①不成立。

煤巖中的微小孔隙裂隙通常沿著層理結(jié)構(gòu)面發(fā)育[23]，平行煤巖含有更多豎直方向的微小孔隙裂隙。核磁試驗(yàn)結(jié)果表明煤巖孔隙裂隙直徑范圍在0.4×10-3～20 μm，遠(yuǎn)小于毛細(xì)管作用臨界管徑1 cm[24]。選取6 塊垂直煤巖，分2 組將其按橫放和豎放2 種放置方式進(jìn)行自然吸水試驗(yàn)，如圖5 所示。垂直煤巖橫放時(shí)，原本處于水平方向的微小孔隙裂隙變成了豎直方向，與平行煤巖一樣，在重力作用下能產(chǎn)生毛細(xì)管吸水現(xiàn)象。橫放煤巖的自然極限吸水率均值為5.82%，豎放煤巖的自然極限吸水率均值為2.53%，橫放煤巖自然極限吸水率是豎放煤巖的2.3 倍，與平行煤巖的自然極限吸水率是垂直煤巖的2.2 倍的結(jié)論基本一致，表明兩種層理煤巖自然極限吸水率的差異是由毛細(xì)管作用造成，因此原因②成立。

圖5 煤巖放置方式示意Fig.5 Schematic diagram of coal sample placement

綜上，受毛細(xì)管作用，平行煤巖吸水能力強(qiáng)于垂直煤巖。

2.2 煤巖力學(xué)性質(zhì)研究

2.2.1 層理對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響

對(duì)煤巖進(jìn)行單軸壓縮，獲得煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。未浸水狀態(tài)下，垂直煤巖的峰值強(qiáng)度均值為33.18 MPa，平行煤巖的峰值強(qiáng)度均值為19.96 MPa，降低了39.8%；垂直煤巖彈性模量均值為2 858.49 MPa，平行煤巖彈性模量均值為2 243.56 MPa，降低了21.5%。浸水狀態(tài)下，垂直煤巖的峰值強(qiáng)度均值為30.62 MPa，平行煤巖的峰值強(qiáng)度均值為20.10 MPa，降低了34.4%；垂直煤巖彈性模量均值為2 769.10 MPa，平行煤巖彈性模量均值為2 270.34 MPa，降低了18.0%。無(wú)論浸水與否，平行煤巖峰值強(qiáng)度及彈性模量均明顯小于垂直煤巖。

表2 煤巖單軸壓縮力學(xué)性質(zhì)Table 2 Mechanical properties of coal and rock under uniaxial compression

單軸壓縮時(shí)，垂直煤巖受壓后煤巖內(nèi)的微小裂隙被壓縮，由于層理面垂直于單軸壓縮方向，其受單軸壓縮破壞影響較小。平行煤巖單軸壓縮時(shí)，煤巖中微小裂隙的發(fā)育方向及層理面與受壓方向一致，受壓后孔隙裂隙兩端形成應(yīng)力集中，隨著壓力的增大，微小裂隙逐漸擴(kuò)張直至連通，同時(shí)衍生水平拉應(yīng)力對(duì)平行層理產(chǎn)生張拉作用，最終形成宏觀破裂。因此平行煤巖比垂直煤巖抗壓能力低，破壞早，破壞時(shí)應(yīng)變更小。

綜上，受層理方向影響，平行煤巖單軸抗壓能力小于垂直煤巖。

2.2.2 浸水對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響

水對(duì)煤巖有溶蝕作用，煤巖是有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成的混合體，可溶物被水溶解從而使煤巖結(jié)構(gòu)松散；煤巖浸水后由于原始孔隙裂隙的存在，水容易進(jìn)入煤巖內(nèi)部，進(jìn)而降低煤巖脆性、促進(jìn)煤巖孔隙裂隙發(fā)育，引起巖石抗壓強(qiáng)度降低，即水的軟化作用。

為探究浸水對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響，分別對(duì)比兩種層理煤巖浸水前后的力學(xué)性質(zhì)，見(jiàn)表2。垂直煤巖浸水前后，峰值強(qiáng)度均值由33.18 MPa 降至30.62 MPa，下降了7.7%；彈性模量均值由2 858.49 MPa降至2 769.1 MPa，下降了3.1%，垂直煤巖強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.92。浸水對(duì)垂直煤巖的力學(xué)參數(shù)具有削弱作用，但影響較小。平行煤巖浸水前峰值強(qiáng)度均值為19.96 MPa，浸水后峰值強(qiáng)度均值為20.10 MPa，強(qiáng)度軟化系數(shù)約等于1。平行煤巖浸水前后力學(xué)性質(zhì)變化不明顯，浸水軟化作用可忽略不計(jì)。

綜上，浸水軟化作用對(duì)垂直煤巖單軸壓縮力學(xué)性質(zhì)的影響比平行煤巖明顯。

2.3 3D-DIC 試驗(yàn)分析

2.3.1 煤巖各階段應(yīng)力及應(yīng)力占比研究

3D-DIC 徑向應(yīng)變分析方法能夠直觀量化試樣的破裂過(guò)程，獲取的應(yīng)變?cè)茍D可有效識(shí)別張拉剪切破裂類型，揭示起裂、擴(kuò)展演化機(jī)制?；?D-DIC系統(tǒng)影像采集單元及分析系統(tǒng)，得到了煤巖在損傷演化過(guò)程中的徑向應(yīng)變?cè)茍D演化規(guī)律，以及應(yīng)變?cè)茍D的三維空間分布。為了探究煤巖裂隙擴(kuò)展演化隨加載過(guò)程的變化，以浸水煤巖對(duì)比未浸水煤巖，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對(duì)垂直煤巖和平行煤巖不同變形階段的應(yīng)變分布和破裂區(qū)的擴(kuò)展情況進(jìn)行分析。云圖中的色度條取值以拉伸為正值，壓縮為負(fù)值。

煤巖試件的變形可分為4 個(gè)階段：孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、非穩(wěn)定破裂階段和破裂后階段。定義壓密應(yīng)力為壓密階段與彈性變形階段交界點(diǎn)的應(yīng)力，起裂應(yīng)力為彈性變形階段與非穩(wěn)定破裂階段交界點(diǎn)的應(yīng)力，表觀破裂應(yīng)力為DIC 高速攝像機(jī)捕捉的第一張出現(xiàn)表面損傷的圖片對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

圖6 給出了垂直煤巖浸水前后破壞各階段應(yīng)變?cè)茍D，圖6a、圖6b、圖6c 為浸水狀態(tài)煤巖，圖6d、圖6e、圖6f 為未浸水狀態(tài)煤巖。由圖6a 可知，T1-1煤巖壓密應(yīng)力為17.40 MPa，對(duì)應(yīng)應(yīng)變?cè)茍D整體呈現(xiàn)為綠色，說(shuō)明整體變形均勻。起裂應(yīng)力為22.11 MPa，應(yīng)變?cè)茍D中部出現(xiàn)紅色應(yīng)變集中區(qū)，應(yīng)變?yōu)?.001；該區(qū)域進(jìn)入非穩(wěn)定破裂階段后應(yīng)變?cè)黾又?.77%，發(fā)生小塊崩壞，對(duì)應(yīng)表觀破裂應(yīng)力為34.35 MPa。峰值強(qiáng)度應(yīng)變?cè)茍D的破壞區(qū)域得到了進(jìn)一步發(fā)展，破壞區(qū)增大且周圍分布黃綠色應(yīng)變集中區(qū)，應(yīng)變?yōu)?.5%左右，煤巖破壞將在此處發(fā)生，圖6a 中T1-1 煤巖在上述應(yīng)變集中區(qū)完全破壞證實(shí)了這一點(diǎn)。T1-1 煤巖壓縮初期變形較為均勻，隨后逐漸形成應(yīng)變集中區(qū)，并開(kāi)始發(fā)生破壞，最終破壞區(qū)域與應(yīng)變集中區(qū)吻合，說(shuō)明煤巖破壞過(guò)程是由均勻變形向非均勻變形轉(zhuǎn)化的過(guò)程。圖6b 和圖6c 的T1-2、T1-3 煤巖破壞過(guò)程同T1-1 煤巖一致，壓密階段變形較為均勻，彈性變形階段出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)，對(duì)應(yīng)非穩(wěn)定破裂階段的首次破壞區(qū)，應(yīng)變集中區(qū)隨壓縮進(jìn)行而發(fā)展，峰值強(qiáng)度后煤巖徹底破裂。浸水垂直煤巖的應(yīng)變集中區(qū)最早在彈性變形階段開(kāi)始顯現(xiàn)，T1-1 和T1-3 煤巖臨近破壞前，應(yīng)變集中區(qū)對(duì)稱于煤巖軸中心線，兩側(cè)呈拉伸變形，圖7a 中兩塊煤巖的破壞形態(tài)為“X 型”，即破壞模式為剪切破壞。

圖6 垂直煤巖破壞各階段徑向應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Radial strain cloud map of axial vertical stratified coal at each stage of deformation and failure

圖7 煤巖最終破裂形態(tài)Fig.7 Final fracture morphology of coal

由圖6d、圖6e、圖6f 可知，未浸水狀態(tài)垂直煤巖的起裂也發(fā)生在非穩(wěn)定破裂階段，不同的是彈性變形階段未形成與破壞區(qū)域?qū)?yīng)的應(yīng)變集中區(qū)。圖6d 中T0-1 煤巖壓密應(yīng)變?cè)茍D為綠色分布較為均勻，彈性應(yīng)變?cè)茍D中的紅色區(qū)域與首次破壞區(qū)域不對(duì)應(yīng)，應(yīng)變0.0018 比表觀破裂云圖的最大應(yīng)變0.011 6 要小，所以紅色區(qū)域未構(gòu)成有效的應(yīng)變集中區(qū)。圖6e 中T0-2 煤巖壓密和彈性階段應(yīng)變?cè)茍D顏色分布基本一致，應(yīng)變由0.000 3 增大到0.000 9，變化較小說(shuō)明煤巖變形較為均勻；表觀起裂應(yīng)力為24.46 MPa，對(duì)應(yīng)應(yīng)變?cè)茍D最大應(yīng)變?yōu)?0.017 6，負(fù)值表明此處破壞為壓縮破壞，峰值強(qiáng)度時(shí)破壞進(jìn)一步加強(qiáng)，最大應(yīng)變達(dá)到-0.0214。圖6f 中T0-3 煤巖在首次破裂發(fā)生后形成較為明顯的青黃色條帶狀應(yīng)變集中區(qū)，應(yīng)變?yōu)?.011 8，對(duì)應(yīng)峰值強(qiáng)度云圖左側(cè)破壞區(qū)，云圖上的紅綠應(yīng)變集中區(qū)繼續(xù)發(fā)展，最大應(yīng)變達(dá)到了0.030 6，最終破壞形態(tài)如圖7a 中T0-3 煤巖所示，煤巖破壞程度較高，顆粒度較小。結(jié)合圖7a，垂直煤巖多破裂為細(xì)碎顆粒，粒度較小且均勻，有中間斷裂成兩段的傾向，呈剪切破壞模式。未浸水狀態(tài)煤巖T0-2 和T0-3 直接斷裂為兩段，破壞部分爆裂為煤渣，浸水狀態(tài)煤巖破壞形態(tài)相對(duì)完整，碎裂程度低于未浸水煤巖，這是由于浸水后煤巖脆性降低，破壞劇烈程度減弱。

圖8 給出了平行煤巖浸水前后破壞各階段應(yīng)變?cè)茍D，圖8a、圖8b、圖8c 為浸水狀態(tài)煤巖，圖8d、圖8e、圖8f 為未浸水狀態(tài)煤巖。圖8a 中P1-1 的壓密應(yīng)力為5.57 MPa，壓密階段應(yīng)變?cè)茍D整體呈青黃色，應(yīng)變?yōu)?.000 2 左右，說(shuō)明其壓密階段變形小且均勻。起裂應(yīng)力為7.60 MPa，對(duì)應(yīng)云圖右側(cè)出現(xiàn)紅色應(yīng)變集中區(qū)，應(yīng)變?yōu)?.001 9；峰值強(qiáng)度時(shí)紅色應(yīng)變集中區(qū)發(fā)展延長(zhǎng)為黃紅色條帶，應(yīng)變?cè)?.004 6～0.006 6，此時(shí)煤巖表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破裂，說(shuō)明P1-1 煤巖非穩(wěn)定破裂階段破壞未發(fā)展到煤巖表面，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值強(qiáng)度后直線下降，即煤巖達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)突然破壞，破壞程度劇烈。由圖8a 破壞各階段應(yīng)變?cè)茍D可知，P1-1 煤巖的破壞路徑是沿著應(yīng)變集中區(qū)發(fā)展的。圖8b 中P1-2 煤巖壓密應(yīng)力為7.72 MPa，壓密應(yīng)變?cè)茍D顏色分布均勻，整體變形小。起裂應(yīng)力為10.64 MPa，應(yīng)變?cè)茍D右側(cè)最大應(yīng)變?yōu)?.002 7；表觀起裂應(yīng)力為21.58 MPa，十分貼近峰值強(qiáng)度21.90 MPa，兩組應(yīng)變?cè)茍D整體呈紫色，分布相似，最大應(yīng)變由0.012 8 增大到0.014 8，說(shuō)明出現(xiàn)表觀破裂后很快就會(huì)出現(xiàn)煤巖峰值破壞，結(jié)合圖7b 所示，其破壞模式為劈裂破壞。圖8c 中P1-3 煤巖同P1-2 煤巖一樣，由壓密階段的均勻變形逐漸形成彈性變形階段的應(yīng)變集中區(qū)，在非穩(wěn)定破裂階段繼續(xù)發(fā)展，最終煤巖沿層理面劈裂破壞。

圖8 平行煤巖破壞各階段徑向應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Radial strain cloud map of axial parallel bedding coal at each stage of deformation and failure

未浸水狀態(tài)平行煤巖裂隙發(fā)展過(guò)程，圖8d 中的P0-1 煤巖在彈性變形階段出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)，圖8e、8f中的P0-2 和P0-3 煤巖在出現(xiàn)表觀破裂后才隱約顯現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)。圖7b 中P0-1 和P0-3 煤巖沿層理片狀脫落，脹裂為多塊片狀體；P0-2 煤巖多碎裂為煤渣，沒(méi)有大塊片狀體，但煤渣粒度小、破碎程度高。而浸水煤巖的大塊片狀體和散碎煤渣都較少，破裂程度低于未浸水煤巖，這是由于煤巖浸水軟化，脆性降低。但浸水前后平行煤巖破壞形式?jīng)]有變化，主要表現(xiàn)為劈裂破壞。

綜上，煤巖破壞是由均勻變形向非均勻變形轉(zhuǎn)化的過(guò)程，浸水后煤巖應(yīng)變集中區(qū)出現(xiàn)更早，破壞模式不受浸水影響，但與層理有關(guān)，垂直煤巖的破壞模式以剪切破壞為主，平行煤巖的破壞模式以劈裂破壞為主。

2.3.2 煤巖裂隙演變過(guò)程

將煤巖破壞各階段應(yīng)力與峰值強(qiáng)度相比，可獲得各階段在單軸壓縮過(guò)程中所占比重。表3 為煤巖各階段應(yīng)力占比，可以看出浸水前后平行煤巖的壓密階段應(yīng)力占比上升，由29.93%上升到32.66%，增加了2.73%；垂直煤巖由26.35%上升到39.59%，增加了13.24%。由于煤巖自身含有較多孔隙裂隙，浸水后孔隙裂隙由充滿空氣到充滿水，孔隙水壓力增強(qiáng)了煤巖抵抗單軸壓縮的能力[25]，所以兩種層理煤巖浸水后壓密階段均延長(zhǎng)，壓密應(yīng)力均增大。浸水后，平行煤巖彈性變形階段應(yīng)力占比由17.00%降低至13.44%，下降了3.56%；垂直煤巖彈性變形階段應(yīng)力占比由15.75%降至14.37%，下降了1.38%。由于水的軟化作用導(dǎo)致煤巖內(nèi)部可溶物質(zhì)溶解[26]，結(jié)構(gòu)松散，抵抗彈性變形能力減弱，從而彈性階段縮短。

表3 煤巖各階段應(yīng)力占比Table 3 Table of stress proportion in each stage of coal samples

各階段應(yīng)力特征值與峰值強(qiáng)度的比值為各階段應(yīng)力水平。平行煤巖的表觀破裂應(yīng)力水平在浸水前后分別為91.06%和98.27%，均在90%以上，垂直煤巖的表觀破裂應(yīng)力在浸水前后分別為74.19%和87.35%，均小于平行煤巖。這說(shuō)明在單軸壓縮過(guò)程中，垂直煤巖出現(xiàn)表觀形變較早，平行煤巖在接近峰值強(qiáng)度時(shí)才出現(xiàn)表觀破裂。所以，在地下水庫(kù)工程中，當(dāng)煤巖沿層理面受壓時(shí)，一旦觀測(cè)到裂紋沿層理面出現(xiàn)應(yīng)當(dāng)立即采取防護(hù)措施。

3 結(jié)論

1) 毛細(xì)管作用導(dǎo)致平行煤巖吸水能力強(qiáng)于垂直煤巖。平行煤巖浸水4 h 時(shí)吸水速度增大，最終自然極限吸水率是垂直煤巖的2.2 倍。

2) 煤巖的力學(xué)性質(zhì)和破壞模式受層理影響為主，受浸水影響相對(duì)較小。平行煤巖相比于垂直煤巖，峰值強(qiáng)度浸水前下降39.8%，浸水后下降34.4%，彈性模量浸水前下降21.5%，浸水后下降18%；相同層理方向煤巖浸水前后進(jìn)行比較，垂直煤巖浸水后峰值強(qiáng)度和彈性模量分別降低了7.7%和3.1%，平行煤巖浸水后峰值強(qiáng)度和彈性模量基本沒(méi)有變化；破壞模式只與層理方向有關(guān)系，垂直煤巖為剪切破壞，平行煤巖為劈裂破壞，浸水不改變同種層理方向煤巖的破壞模式。

3) 煤巖破壞是由均勻變形向非均勻變形轉(zhuǎn)換的過(guò)程，浸水煤巖較早出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)；浸水后壓密階段會(huì)延長(zhǎng)，彈性變形階段會(huì)縮短，沿層理面受壓的煤巖一旦產(chǎn)生層理同方向的裂紋時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即保護(hù)。

本文只針對(duì)軸向垂直層理和軸向平行層理煤巖兩種情況的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并未進(jìn)行煤巖其他角度的力學(xué)性質(zhì)研究，受篇幅影響，也僅討論了煤巖浸水前后的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，后期工作將進(jìn)一步考慮多個(gè)層理角度煤巖反復(fù)浸水情況，更全面系統(tǒng)地探究浸水及層理對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響。