干濕循環(huán)處理后煤在差速循環(huán)荷載作用下的力學特征

關(guān)鍵詞：地下水庫；煤柱；力學特征；干濕循環(huán)；差速循環(huán)荷載；峰值應變；割線模量；泊松比

中圖分類號：TD315 文獻標志碼：A

0引言

當前，地下水庫系統(tǒng)作為一種新興的水資源管理方法，在煤礦開采中得到了廣泛應用[1-3]。地下水庫系統(tǒng)可提高水資源利用效率，同時通過調(diào)節(jié)水位來輔助控制地表沉降等環(huán)境問題。煤柱作為煤礦地下水庫的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到煤礦的安全運行[4]。在我國北方干燥的氣候條件下，煤礦地下水庫中的煤柱經(jīng)常經(jīng)歷干濕循環(huán)。在干濕交替的環(huán)境條件下，煤炭的力學性能表現(xiàn)出顯著的動態(tài)變化。因此，對煤在干濕循環(huán)條件下的力學性能進行深入研究，對于確保煤礦安全開采具有重要意義。

在煤的力學性質(zhì)研究領(lǐng)域，當前的研究重點主要集中在以下方面：煤的干濕循環(huán)、單調(diào)加載及循環(huán)加卸載試驗。在煤的干濕循環(huán)研究中，文獻[5-6]對水煤作用后煤的水飽和度進行了研究，發(fā)現(xiàn)有效應力、孔隙壓力及溫度對煤的承載能力、變形特征等力學參數(shù)均有影響；文獻[7-10]通過設(shè)計不同干濕循環(huán)次數(shù)下煤的力學試驗，采用核磁共振及掃描電鏡技術(shù)對煤樣強度、變形特征等進行了分析，揭示了水浸煤的損傷破壞機制。地下水庫中煤柱壩體[11-13]處在不同的力學環(huán)境下，其在承受周期性水壓力的同時，還受到由采礦活動產(chǎn)生的附加應力，這些因素的相互作用導致煤柱的承載能力、變形特征等力學參數(shù)發(fā)生變化。在以往的研究中，眾多學者設(shè)計了不同加載方式模擬煤柱所處的受力環(huán)境。文獻[14-16]設(shè)計了煤在單軸和三軸作用下的力學試驗，從宏觀和微觀角度研究了煤樣有無圍壓環(huán)境下的力學行為，分析了煤樣能量演化規(guī)律及破壞特征；文獻[17-18]開展了煤樣單軸和三軸循環(huán)加卸載試驗，研究了煤樣在不同圍壓下峰值應變、加載模量、能量耗散與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，揭示了煤樣在循環(huán)加卸載過程中的一些重要力學特性； 文獻[19]對比分析了不同pH 溶液浸泡后煤樣的力學性質(zhì)，揭示了水物理化學作用下煤樣在不同應力階段的裂隙發(fā)育規(guī)律和損傷演化特征。

在煤礦地下水庫中，煤柱壩體處于動態(tài)擾動的干濕環(huán)境中，單一研究煤在干濕循環(huán)或循環(huán)加卸載條件下的力學特征不夠全面、客觀。針對煤在干濕循環(huán)與循環(huán)荷載共同作用下的力學行為，現(xiàn)有研究尚未給出充分的解釋和系統(tǒng)性分析。因此，本文采用試驗方法深入探討了干濕循環(huán)處理后煤在差速循環(huán)荷載作用下的力學特征，并分析了干濕循環(huán)對其力學性能的影響。

1 煤樣制備與試驗方案

1.1煤樣制備

試驗樣品采自河南焦煤集團趙固煤礦的大塊煤體，經(jīng)過專業(yè)加工廠進行煤樣制備。制備過程中，采用高壓水射流技術(shù)將煤體切割成符合國際巖石力學建議標準的圓柱形煤樣。煤樣制備的精度要求嚴格，煤樣兩端不平行度應不大于0.05 mm，上下兩端直徑偏差應不大于0.2 mm，表面應盡量光滑以避免應力集中現(xiàn)象。加工后的煤樣如圖1 所示，圓柱形的煤樣高100 mm，直徑為50 mm。本次試驗共加工22 個煤樣，剔除存在明顯裂紋和掉塊的缺陷煤樣，確保煤樣整體質(zhì)量。

采用鑄薄片制備技術(shù)，并結(jié)合光學顯微鏡觀察和X 射線衍射（X-Ray Diffraction， XRD）分析，可深入研究煤的微觀結(jié)構(gòu)特征及其礦物組成。將煤樣切割至30 μm 厚度，以實現(xiàn)對煤樣微觀結(jié)構(gòu)的透射觀察。在50 倍放大倍率下，利用偏光顯微鏡對薄切片進行掃描，可清晰觀察到微裂紋和孔隙的空間分布特征，如圖2（a）所示，觀察結(jié)果對于評估裂紋的擴展路徑和煤樣在不同加載階段的損傷累積具有重要意義。此外，采用XRD 分析技術(shù)確定煤樣中的礦物組成，包括石墨、石英、柏林石和銳鈦礦等礦物相，如圖2（b）所示。這些礦物相的含量和分布特征對煤的宏觀力學行為具有決定性作用。將偏光顯微鏡下的直觀觀察與XRD 分析的定量數(shù)據(jù)相結(jié)合，可更全面理解煤樣在受力過程中的力學行為和損傷演化機制，為煤炭開采和利用提供科學依據(jù)。

1.2煤樣干濕循環(huán)處理

為了研究煤樣在干濕循環(huán)處理后循環(huán)加卸載試驗中的力學性質(zhì)，需要先設(shè)計不同干濕循環(huán)處理的對照組試驗，通過對比可更好地理解干濕循環(huán)對煤樣力學性能的影響。將煤樣分為4 組，每組3 個煤樣，第1 組處于自然狀態(tài)，第2 組干濕循環(huán)10 次，第3 組干濕循環(huán)40 次，第4 組一直浸泡在水中。煤樣分組編號和物理參數(shù)見表1。

為了模擬煤所處的真實水環(huán)境，罐裝礦區(qū)采場中的酸性水（初始pH=6.89）進行浸泡。在實驗室內(nèi)將煤樣放入水中，重復浸沒過程間隔2 h，每次取出樣品并稱重，直到連續(xù)稱重之間的質(zhì)量差降至0.01g以下，最終煤樣充分吸水20 h 后達到飽和狀態(tài)。將飽和后的煤樣放入干燥箱中，設(shè)定溫度和時間，使煤樣完全干燥。干燥溫度為60℃，干燥時間為4 h（每隔1 h 對煤樣稱重，干燥4 h 后煤樣質(zhì)量變化不超過0.1%）。重復上述飽和及干燥過程，并記錄飽和后及干燥時的煤樣質(zhì)量，同時對水中的pH 值進行測量記錄，直至達到試驗設(shè)計要求次數(shù)。煤樣干濕循環(huán)處理過程如圖3 所示。

1.3試驗方案設(shè)計

試驗設(shè)備為DYS?1000 巖石三軸試驗機， 如圖4 所示。該設(shè)備配備了先進的閉環(huán)伺服控制液壓系統(tǒng)，最大承載能力為2000 kN，活塞行程長度為450 mm，能夠滿足多種巖石力學測試需求。試驗機壓力傳感器的準確度為0.1%，軸向和徑向變形的直接測量范圍為0～±25 mm，變形測量精度lt; ±0.25%。選用一組鏈式線性可變差動變壓器（Linear VariableDisplacement" Transducer， LVDT）測量煤樣的軸向和徑向應變。

試驗方案分為單軸試驗和循環(huán)加卸載試驗2 種。在干濕循環(huán)條件下，從4 組煤樣中各選取1 個進行單軸試驗，以0.2 kN/s 的恒定速率加載，直至煤樣完全破壞。循環(huán)加卸載設(shè)計了2 種加載方案，加載頻率均為0.1 Hz，如圖5 所示。第1 種方案為快速加載、慢速卸載（模式1），加載速率為卸載速率的4 倍，加載階段持續(xù)2 s，卸載階段持續(xù)8 s。第2 種方案為慢速加載、快速卸載（模式2），卸載速率為加載速率的4 倍，加載階段持續(xù)8 s，卸載階段持續(xù)2 s。煤樣C1， C7， C9， C16 采用單軸試驗，煤樣C2， C13， C15，C19 采用模式1，煤樣C3，C10，C17，C21 采用模式2。

基于4 個煤樣（C1，C7，C9，C16）單軸壓縮結(jié)果，設(shè)計循環(huán)加卸載應力幅值變化區(qū)間，確保循環(huán)荷載的煤樣經(jīng)多級循環(huán)后都能破壞。循環(huán)應力的下限固定為3 MPa，應力增加幅值固定為1 MPa，共7 個循環(huán)級，前6 個循環(huán)級均包含10 次循環(huán)，第7 個循環(huán)級包含2 次循環(huán)。若最后一個循環(huán)級煤樣沒有破壞，即煤樣在62 次循環(huán)后仍然未失穩(wěn)，再以0.2 kN/s 的加載速率單調(diào)加載，直至煤樣破壞。

2試驗結(jié)果分析

2.1應力?應變曲線特征

對12 個煤樣進行單軸試驗，得到應力?應變曲線，如圖6 所示。在單調(diào)加載試驗中（圖6（a）），4 個煤樣的平均峰值強度為11.54 MPa；而在循環(huán)加卸載試驗中（圖6（b）?圖6（h）），8 個煤樣的平均峰值強度為12.51 MPa。循環(huán)加卸載試驗的峰值強度相較于單調(diào)加載試驗提高了約0.97 MPa， 提升比例為8.4%。在循環(huán)加卸載試驗中，煤樣在前期的加載?卸載循環(huán)中會經(jīng)歷預緊過程，這種預緊有助于提高材料強度。在循環(huán)加載過程中，微裂紋可能會暫時閉合，減少了材料的不連續(xù)性，從而提高了峰值強度。因此，可認為循環(huán)荷載有助于提高煤的峰值強度。

由圖6 可發(fā)現(xiàn)，一直浸泡在水中的煤樣（C2，C3）變形最大， 而經(jīng)歷40 次（C13， C10） 和10 次（C15，C17）干濕循環(huán)處理的煤樣次之，自然狀態(tài)下的煤樣（C19，C21）變形最小。這主要是因為煤樣長期處于水中，導致內(nèi)部孔隙被水分填充，降低了煤的黏聚力，使得煤樣受力時更易產(chǎn)生塑性變形。干濕循環(huán)處理會導致煤樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋和孔隙結(jié)構(gòu)變化，這些變化會影響煤樣的力學性能，但相比于一直浸泡的煤樣，干濕循環(huán)煤樣在一定程度上保留了一定的力學穩(wěn)定性。未經(jīng)過特殊處理的煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對完整，因此在受力時形變最小。

2.2極值應變歸零化分析

軸向變形是巖石力學試驗中評估循環(huán)荷載下巖石損傷的關(guān)鍵指標[20]。通過對巖石煤樣在加載過程中的應變增長進行精確測量和分析，可定量評價其損傷程度。這種評估對于預測巖石材料的使用壽命及確保工程結(jié)構(gòu)的安全性極為關(guān)鍵。然而，盡管恒定加載速率下的疲勞研究已取得一定進展，但對于干濕循環(huán)條件下不同加載速率對煤樣損傷影響的研究仍然不足。

2 種加載模式下峰值應變（單個循環(huán)加載到最大應力對應的應變）和殘余應變（單個循環(huán)由最大應力卸載到最小應力對應的應變）隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖7 所示。為了便于對比，對軸向峰值應變進行了歸零化處理。從圖7 可直觀地看到，紅色柱狀圖（模式1）與黑色柱狀圖（模式2）之間的差值隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，表明模式1 加載方式在不同循環(huán)級產(chǎn)生的應變增量更大。

分析4 組試驗的峰值應變發(fā)現(xiàn)，模式1 產(chǎn)生的變形普遍大于模式2，且這一比例達75%，殘余應變變化趨勢也與之對應。對于不同干濕循環(huán)的煤樣，在模式1 下，第1 組煤樣C2 峰值應變增量為0.64%，第2 組煤樣C13 峰值應變增量為0.44%，第3 組煤樣C15 峰值應變增量為0.44%，第4 組煤樣C19 峰值應變增量為0.62%，與單軸試驗中不同浸泡時間的煤樣變形規(guī)律一致，整體呈“U”形分布。在模式2 下，第1 組煤樣C2 峰值應變增量為0.4%，第2 組煤樣C13 峰值應變增量為0.45%，第3 組煤樣C15 峰值應變增量為0.53%，第4 組煤樣C19 峰值應變增量為0.44%，整體呈倒“U”形分布。2 種加載模式下煤樣應變變化規(guī)律再次證實了載荷模式對煤的變形特性有顯著影響。

2.3割線模量特征分析

在巖石力學和材料科學領(lǐng)域，割線模量是描述材料在循環(huán)荷載下響應特性的一個重要參數(shù)[21]。割線模量通過應力?應變滯回曲線中的割線斜率來定量表示，反映了材料在一定應力范圍內(nèi)的彈性模量。割線模量的測定對于理解材料在復雜加載路徑下的性能表現(xiàn)具有重要意義，尤其是在預測長期循環(huán)荷載作用下的疲勞壽命和損傷累積方面。通過對割線模量隨應力水平和循環(huán)次數(shù)的變化進行系統(tǒng)分析，能夠揭示材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷機制，并據(jù)此優(yōu)化材料的設(shè)計和應用。

煤樣在循環(huán)加載和卸載過程中的割線模量呈現(xiàn)出明顯的臺階式變化，如圖8 所示。具體而言，在加載階段，每個循環(huán)級的割線模量呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢，而在卸載階段，割線模量則表現(xiàn)為對數(shù)遞減。在整個循環(huán)階段沒有發(fā)生破壞的煤樣，割線模量整體隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，然而，對于在第50 次循環(huán)時提前發(fā)生破壞的煤樣C19，其割線模量的變化趨勢有所不同。在前3 個循環(huán)級，煤樣C19 的割線模量呈現(xiàn)階梯狀增加，但在隨后的循環(huán)級中，割線模量則表現(xiàn)出階梯狀下降趨勢。較低的應力水平下，煤樣表現(xiàn)出剛度增強的趨勢，這是因為煤樣內(nèi)部的微裂紋開始閉合，增加了整體剛度。隨著應力的進一步增加，當煤樣進入塑性變形區(qū)域時，割線模量開始減小，這意味著其塑性行為超過了彈性的影響。此時，裂紋開始擴展和融合，導致材料的剛度退化。從剛度增強到剛度退化的轉(zhuǎn)變點通常標志著材料內(nèi)部開始出現(xiàn)不可逆損傷，這是材料損傷累積的一個重要標志。

在模量增量上， 4 組數(shù)據(jù)在2 種加載模式下存在一定差異。4 組數(shù)據(jù)中，模式1 下的割線模量增量與模式2 的差值分別為0.001 2， ?0.068 8， 0.236 6，0.491 9 GPa，這表明在模式1 加載中產(chǎn)生了更大的割線模量增量。然而，在整個循環(huán)階段割線模量變化趨勢及大小有一定差異性，無法簡單地基于割線模量提出統(tǒng)一的臨界值或標準來預測煤樣失效。割線模量可能受到多種因素的影響，如應力水平、加載速率、溫度、材料本身的特性等，其變化反映了煤樣內(nèi)部的損傷累積和發(fā)展情況，但是要準確預測失效，還需要綜合考慮其他因素。

2.4泊松比變化趨勢分析

在材料力學性質(zhì)的研究中，泊松比是一個關(guān)鍵參數(shù)，表征了材料在軸向加載下的側(cè)向應變響應。泊松比的值不僅取決于材料的內(nèi)在特性，還受到外部加載條件的影響[22]。由試驗觀察到，在水飽和環(huán)境中，巖石的泊松比會因為水分的增加而增大，這反映了水對巖石側(cè)向膨脹效應的促進作用。此外，加載方法的變化（如加載速率的提高）也會導致材料泊松比變化，這通常與材料在不同變形階段的應力?應變行為有關(guān)。因此，泊松比是一個多因素影響的復雜參數(shù)，其準確測量對于理解和預測材料在實際應用中的變形行為至關(guān)重要。

循環(huán)荷載下煤的泊松比與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖9 所示?？煽闯鲭S著循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣的泊松比呈現(xiàn)出臺階式增長趨勢，特別是在循環(huán)的后期或破壞前的階段，泊松比的增加更為顯著。前期模式1 加載方式下的泊松比大于模式2，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，模式2 加載方式下的泊松比快速增加，并在煤樣破壞前超過模式1。造成該現(xiàn)象的原因主要是由于煤是一種復雜的多孔介質(zhì)，內(nèi)部存在大量微裂隙，當施加外力時，這些微裂隙會逐漸擴展并相互連接，導致材料的宏觀性質(zhì)發(fā)生變化?？焖偌虞d可能會導致微裂隙突然增長，而慢速加載則允許微裂隙逐步發(fā)展，可能導致更均勻的裂隙分布。因此，在快速加載情況下，煤樣內(nèi)部裂紋來不及充分發(fā)展，導致泊松比增加較慢；而在慢速加載情況下，煤樣有更多時間發(fā)展內(nèi)部裂紋，導致泊松比增加較快。

煤樣經(jīng)過水處理后，水分子可能會滲透到煤的微孔結(jié)構(gòu)中，從而改變其力學性能。不同浸泡次數(shù)下煤的泊松比增量對比如圖10 所示，可看出經(jīng)過干濕循環(huán)的煤樣泊松比增量高于自然狀態(tài)下的煤樣。這一現(xiàn)象主要源于幾個方面：反復干濕循環(huán)可能導致孔隙結(jié)構(gòu)變化，包括孔隙率的增加和孔隙形狀的變化，進而影響煤的機械性能，如泊松比；某些礦物質(zhì)在水中溶解或發(fā)生化學變化，可能會削弱煤的結(jié)構(gòu)完整性；干濕循環(huán)可能促進氧化作用，進一步降低煤的強度。

3結(jié)論

1） 加載模式對煤樣的峰值應變和殘余應變有顯著影響，設(shè)計了2 種循環(huán)加卸載模式，第1 種為快速加載、慢速卸載，第2 種為慢速加載、快速卸載。模式1 條件下裂紋迅速擴展，煤樣的峰值應變和殘余應變較大，模式2 條件下情況與之相反。此外，模式1下的峰值應變增量與單軸壓縮試驗中不同浸泡時間的煤樣變形規(guī)律相一致，表現(xiàn)為“U”形分布，揭示了煤樣在不同浸泡時間下的變形能力和強度的變化。相反，在模式2 下，峰值應變增量呈倒“U”形分布，揭示了在慢速加載條件下煤樣變形能力的變化趨勢。

2） 隨著循環(huán)加載級數(shù)的增加，割線模量表現(xiàn)出典型的臺階式變化。在加載過程中，每個循環(huán)級的割線模量呈現(xiàn)對數(shù)增長規(guī)律；而在卸載過程中，割線模量則以對數(shù)減少的方式響應。對于未發(fā)生破壞的煤樣，割線模量整體上隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，這一現(xiàn)象在模式1 的加載方案中尤為明顯，割線模量的增量較其他加載模式有顯著提升。加載速率對材料的剛度特性具有顯著影響，裂紋擴展速度更快，損傷累積速度也更快，且在不同加載階段，材料的變形和損傷機制可能存在差異。

3） 泊松比在循環(huán)加載過程中呈現(xiàn)出臺階式增長趨勢，特別是在循環(huán)過程的后期，泊松比的增加尤為迅速。在循環(huán)加載的早期階段，模式1 下煤樣的泊松比高于模式2。然而，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，模式2 下煤樣的泊松比增長速率加快，并在煤樣接近破壞時反超模式1。此外，干濕循環(huán)導致煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸疏松，孔隙率增加，顯著提高了煤樣的泊松比，這一現(xiàn)象可能與干濕循環(huán)過程中煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重塑有關(guān)。