自然及強制飽和煤樣的力學特征試驗研究*

楊偉杰，王　文，2，3，李東印，3，王　杰，劉文超

(1．河南理工大學，能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2. 山西煤炭進出口集團有限公司， 山西 太原 030006 3.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454003)

0　引　言

煤巖材料在受水浸泡的條件下，礦物組成與微細觀結構發生改變，出現新的孔隙和裂隙，使煤巖孔隙率變大，而飽水煤巖可以最大程度的引起其物理力學性能的劣化。因此許多學者對飽水煤巖進行了大量的研究。熊德國等[1]利用新安礦煤層頂板3種沉積巖對自然和飽和試樣進行巴西劈裂、單軸壓縮、三軸壓縮試驗，表明飽水對泥巖的強度和變形特征的影響較為明顯，飽水試樣峰值強度對圍壓的敏感度要大于自然試樣。Zhou Z L[2]等通過對不同含水砂巖進行壓縮和拉伸試驗研究，飽和試樣在干燥過程中可以恢復自身力學性能，含水量相同的試樣在飽和和干燥過程中，所受的抗拉強度不同，與水分的分布有關。張輝等[3]對自然和飽水煤樣進行巴西劈裂試驗，并分析了飽水對劈裂強度和能量的影響；于巖斌等[4]利用MTS電液伺服巖石試驗系統對煤巖試件進行了飽水與自然2種狀態下的單軸壓縮與拉伸試驗，結果發現，飽水煤樣單軸抗壓、抗拉強度均有所降低，軸向應變增大；劉玉春等[5]利用自行設計的微震全波形綜合監測試驗系統對干燥煤巖和含水煤巖變形破裂過程微震信號的變化規律進行研究。結果表明，飽和含水煤巖的峰值強度和煤巖沖擊傾向性比自然干燥煤巖都低，且微震信號事件數和信號強度都降低；蘇承東等[6]對千秋煤礦2#煤層自然與飽水7～28 d處理后煤樣，在 RMT-150B 伺服試驗機上進行了沖擊傾向性指標測定，分析了飽水時間對煤的力學性質與沖擊傾向性指標的影響；王文等[7]利用改進SHPB和RMT-150試驗系統對義馬礦區二1煤樣進行動靜組合加載、靜載對比試驗，分析不同自然飽水煤樣在動靜組合加載下的力學性質。

上述學者均研究了飽水煤樣的力學性質[1-10]，文獻[7-8]也只是研究了自然飽和試樣，制作自然飽和煤樣的方法均是將煤樣放在水中自然浸泡直至質量不變即認為完全飽和。雖然該方法被廣泛使用，但是忽視了實際工程條件，煤樣均是處在應力狀態下的，自然飽和并不能達到工程應用的狀態，如高壓注水等，因此研究應力狀態下的含水煤樣，即強制飽和煤樣具有重要意義。

針對該問題，筆者自行設計研制煤樣強制飽和裝置，該裝置能夠使煤樣在真空及高水壓雙重狀態下進行強制吸水達到飽和，此為煤樣強制飽和狀態。使得煤樣在浸泡時的吸水狀態大致接近實際工程應用的狀態，對試驗結果有較大的修正，其能夠模擬煤樣真實受力狀況下的浸泡吸水。不同含水狀態導致煤樣的力學性質發生改變。因此分析不同飽和狀態對煤體的力學性質影響，對真實反映煤層注水后煤體力學性質的變化以及工作面支撐壓力的變化具有重要的指導意義。

1　實驗設備及試樣飽水方法

煤樣取自沁水煤田3號煤層工作面煤壁處，加工煤樣為Φ50 mm×50 mm的圓柱體，煤樣兩端磨削后不平行度小于0.05 mm，剔除有明顯缺陷的煤樣。試樣A為自然飽和煤樣共12個，序號為A(2,3,4,7,8,9,13,14,15,17,18,19)，試樣B為強制飽和煤樣共12個，序號為B組(4,5,6,7,8,11,12,15,16,17,18,20)。將A組放入盆中，向盆中倒入水至試件的1/4處，每隔2 h注1次水，直至液面高出試件20～30 mm為止；每隔24 h稱重1次，直到前后2次稱重差不超過0.01 g為止。保持到7 d以后，質量不再發生變化達到自然飽和狀態。

根據試驗設計并加工B組煤樣。強制飽和裝置如圖1，裝置一次可放入6個煤樣，首先將煤樣固定在密封罐內試件架上，密封蓋通過密封墊圈進行密封；啟動真空泵抽真空1 h后通過水箱向密封罐內注入清水，啟動增壓系統打開球閥b關閉球閥a,c，再向密封罐注水過程中增壓，至壓力達到5 MPa時增壓結束，浸泡4 h，試驗結束，取出煤樣。

試驗采用RMT-150B型電液伺服巖石力學試驗系統進行常規單軸和三軸壓縮試驗，采用位移控制，軸向加載速率為0.002 mm/s，圍壓加載速率0.1 MPa/s，圍壓控制在5～15 MPa。

1.環狀手輪；2.試樣飽和罐；3.試樣；4.試件架；5.真空泵； 6.水壓泵；7.廢水回流裝置；8.球閥。圖1　強制飽和裝置Fig.1　Forced saturation device

2　試驗結果分析

2.1　煤樣吸水特征及波速變化

B組煤樣相對A組煤樣吸水率提高1.95%。煤樣在負壓作用下使煤的裂隙更為貫通，且把瓦斯等氣體抽出，抽真空促使煤樣內部孔、裂隙打開，壓力水通過原生連通裂隙通道進入煤體，并克服煤體內部阻力，不斷壓裂貫通封閉狀態的煤樣孔隙，因此該裝置能在短時間內提高煤樣的吸水率。

采用UTA-2001A型超聲檢測儀對2組煤樣進行波速測試：A組煤樣浸泡前平均值1 498 m/s，浸泡后平均值1 622 m/s；B組煤樣飽水前波速平均值1 397 m/s，飽水后波速平均值2 120 m/s；2組煤樣在吸水后，波速均有所提高。A組煤樣吸水前后波速絕對變化量124 m/s；B組煤樣飽水前后波速絕對變化量723 m/s；A組煤樣吸水前后波速變化不大，研究表明，同種煤樣在干燥和自然飽和狀態下，波速相差較小。B組煤樣吸水前后波速變化較大，強制飽和煤樣飽水前后波速變化量高于自然飽和煤樣5倍。其原因是孔隙中充滿水，煤樣的孔隙率相對降低，增加煤樣的密實程度，超聲波發生繞射的次數也相對減少，傳播時間變短，波速較高。

2.2　單軸壓縮試驗結果分析

表1給出了煤樣單軸壓縮物理參數，圖2給出了自然與強制飽和煤樣的單軸壓縮應力-應變曲線，單軸壓縮時強制飽和煤樣相對自然飽和峰值強度有明顯的軟化作用，強制飽和煤樣的抗壓強度較低，相對自然飽和煤樣降低7.61 MPa，降幅為54.83%。一是5 MPa的水壓促使煤樣強制吸水，水對煤樣中礦物軟化、溶蝕、風化等作用，使煤樣單軸抗壓強度降低；二是水壓力對煤樣有一定的壓擠作用，原有裂隙的貫通、新生裂紋的擴展，使煤樣強度降低。強制飽和煤樣彈性模量相對自然飽和煤樣降低了2.21 GPa，降幅81%，表明強制飽水使煤樣的抵抗變形的能力大大降低；強制飽和煤樣泊松比相對自然飽和煤樣提高1.19，增幅65%，表明強制吸水后煤樣橫向變形更加敏感，體積擴容更加顯著，塑性更好。

從圖2可以看出，2組煤樣的應力-應變曲線大致相似，可分為壓密階段、彈性階段、屈服階段、破壞階段。加載初期，隨著軸向應力的增加曲線均向上凹，但2組曲線初期上凹幅度不一致。自然飽和煤樣曲線上凹劇烈，原因是煤樣內的微裂隙在外力作用下發生閉合所致。強制飽和煤樣曲線上凹平緩，原因是強制飽和煤樣內部裂隙幾乎被水充滿，均質性和密實度都優于自然飽和煤樣。彈性階段自然飽和煤樣曲線斜率高，持續時間短，強制飽和煤樣曲線斜率低，持續時間長。在屈服階段自然飽和煤樣達到最大承載能力的平均時間為240×103ms，強制飽和煤樣達到最大承載能力的平均時間為373×103ms，相比強制飽和煤樣延長了133×103ms破壞時間，降低了最大承載能力，減緩了煤樣彈性勢能的突然釋放。總的來看，自然與強制飽和煤樣相比，強制飽和煤樣應力-應變曲線變得平緩，應變增大，應力變小，塑性增加，脆性減小，發生失穩破壞的可能性降低。

目前電子存證還有幾個問題需要解決：（1）存證過程中自動化程度不高；（2）存證過程中電子數據存證風險較大；（3）第三方機構法律處理流程繁瑣；（4）電子數據安全缺失；（5）雙方信任缺失。

圖2　煤樣單軸壓縮應力-應變曲線Fig.2　Stress-strain curve of coal sample under uniaxial compression

表1　煤樣單軸壓縮物理參數Table 1　Physical parameters of coal sample under uniaxial compression

2.3　三軸壓縮試驗結果分析

表2給出了自然飽和與強制飽和煤樣三軸壓縮均值試驗結果。煤樣均質性差、離散性高。每種含水狀態與圍壓5，10，15 MPa各重復3個煤樣。圖3，4中給出了自然與強制飽和煤樣全應力-應變曲線。可以看出：不同飽水煤樣的壓密階段區別較大，自然飽和煤樣依然是因外力施加裂隙閉合，導致曲線呈上凹趨勢，而強制飽和煤樣壓密階段曲線呈斜“Z”形直接過渡到彈性階段，不再出現上凹的趨勢，近似直線表現出短暫的彈性階段。認為強制飽和煤樣在圍壓作用下內部孔、裂隙被水充滿，軸向應力克服孔隙水壓的過程，該過程認為是可逆的。強制飽和煤樣的彈性階段變短，屈服階段明顯變長，屈服強度降低，塑性增加。因壓力水對煤樣內部材料的軟化作用更加明顯，在圍壓作用下內部材料相對自然飽和煤樣較快達到承載極限而屈服弱化。2種不同飽水煤樣峰后差異也較大，自然飽和煤樣峰后跌落速度相對強制飽和煤樣較快，但仍然具有一定的塑性特征，而強制飽和煤樣峰后幾乎不出現曲線跌落的現象，直接進入殘余強度階段，塑性特征更加明顯。

圖3　自然飽和狀態三軸壓縮應力-應變曲線Fig.3　Stress-strain curves of three axis compression in natural saturated state

圖4　強制飽和狀態三軸壓縮應力-應變曲線Fig.4　Stress-strain curve of three axis compression in forced saturated state

隨著圍壓增加2種飽水煤樣峰值強度明顯增大，圍壓的增加降低煤樣的離散程度，提高均質程度，加載過程強制飽和煤樣的力學劣化性質逐漸明顯，表現在不同圍壓下，自然飽和煤樣平均峰值強度均高于強制飽和煤樣，強制飽和煤樣的峰值強度平均降低19.5 MPa，降幅31.18%。根據Coulomb強度準則：

σs=Q+Kσ3

(1)

式中:Q，K均為材料強度參數。其與內摩擦角和內聚力的關系為：

(2)

(3)

對表2三軸峰值強度與圍壓進行線性回歸，再按(2)、(3)式進行計算，得出自然飽和煤樣的內聚力為9.26 MPa，強制飽和煤樣的內聚力降低為7.69 MPa，降低幅度為17%。

蘇承東、熊德國等[1，11]表明：飽水對材料之間的摩擦特征幾乎沒有影響。圍壓影響系數K基本相同，內摩擦角能夠表征材料的力學性質。而試驗發現強制飽和煤樣K值為2.08，自然飽和煤樣K值為3.04，摩擦因數發生了明顯變化，分析其原因：一是因以往并未使用強制飽和的方法，均是自然浸泡，與本試驗有著較大的區別，所以試驗結果兩者并不矛盾；二是圍壓增加也會增加在垂直破裂面上的分力，進而增大摩擦力，而強制飽和煤樣由于水充分進入孔、裂隙，使微裂隙貫通，接觸面沒有那么粗糙，相對自然飽和煤樣減小了摩擦；三是強制飽和煤樣是在真空環境與5 MPa的水壓力雙重作用下完成的，隨著裝置內密閉空間壓力的增大，溫度也有所升高，煤樣的內摩擦角減小；四是水分強制進入會使煤樣的孔隙增大，顆粒間距增大，咬合摩擦角減小，主要發生滑動摩擦，自然飽和煤樣因含水分較少，主要發生咬合摩擦以及顆粒磨碎重組，摩擦力得到充分發揮，內摩擦角也相對較大。綜上所述，因試驗方法的不同，強制飽和煤樣強制吸水的特殊性質，導致強制飽和煤樣的K值相對自然飽和煤樣降低了。

表2　自然飽和與強制飽和煤樣三軸壓縮均值試驗結果Table 2　Peseudo-triaxiall compression test results of coal samples under natural saturation and forced saturation

2.4　飽水煤樣強度特征規律分析

不同飽水狀態下的煤樣強度滿足Mohr-Coulomb準則[12-14]，公式為：

τ=c+σtanφ

(4)

公式(4)是干燥狀態的抗剪強度公式，當存在孔隙水壓力(uw)時，法向總應力(σ)可分解為2部分，即σ-uw和uw。強度將由2部分組成，一部分為無孔隙壓力條件下產生的，認為是完全干燥狀態下，仍用公式(4)表示，另一部分由孔隙水壓力的作用產生，當煤樣孔隙被水完全充滿時存在靜水壓力αp，有效應力表達式為σ′=σ-αp，將此式帶入煤巖體破壞準則Mohr-Coulomb公式：

τ=C+(σ-αp)tanφ

(5)

式中：α為等效孔隙壓力系數，取決于煤樣的孔隙、裂隙的發育程度，0≤α≤1。p為孔隙水壓力，MPa。C為煤體黏聚力，MPa。式(5)可寫成τ=Cw+σtanφ，式中：Cw為孔隙水壓力作用下的黏聚力。

Cw=C-ptanφ

(6)

無孔隙水壓時根據Mohr-Coulomb包絡線公式：

σ1=ζσ3+σc

(7)

式中：σc為抗壓強度值，按2ccosφ/(1-sinφ)求得。ζ為強度線的斜率，按(1+sinφ)/(1-sinφ)求得。可寫成：

(8)

有孔隙水壓時式(7)可寫成：

σ1p-αp=ζ(σ3-αp)+σw

(9)

(10)

整理公式(10)可得：

(11)

由(8)、(10)、(11)公式可得：因孔隙水壓引起的抗壓強度降低，降低值為：

(12)

以上的推論可知，相對于干燥狀態的煤樣，根據公式(6)、(12)有水壓時煤樣黏聚力相對減少αptanφ，抗壓強度降低[2αpcosφ+αp(1+sinφ)]/(1-sinφ)。

自然飽和煤樣吸水率較低，可忽略水壓的影響，且必定小于強制飽和煤樣的孔隙水壓，干燥煤樣的孔隙水壓為0，忽略內摩擦角的變化，由(6)、(12)可知孔隙水壓與黏聚力、抗壓強度大致呈負相關。綜上所述，理論推導與試驗結果一致。強制飽和煤樣的黏聚力小于自然飽和煤樣，強制飽和煤樣的抗壓強度低于自然飽和煤樣。

3　結　論

1)自行設計及研制煤樣強制飽和裝置，解決吸水能力弱的問題，煤樣吸水率平均可達4.1%，相對自然飽和煤樣在短時間內吸水率提高了1.95%。

2)對煤樣飽水前后的波速試驗進行測試分析，得出A組煤樣吸水后波速提高124 m/s，B組煤樣飽水后提高723 m/s。強制飽和煤樣飽水前后波速變化量高于自然飽和煤樣5倍，表明煤樣強制飽和前后波速變化明顯，強制吸水后波速增加51.75%

3)強制飽和煤樣單軸抗壓強度相對于自然飽和煤樣降低7.61 MPa，降幅為54.83%，自然與強制飽和煤樣相比，強制飽和煤樣應力-應變曲線平緩，峰值應變增大，抗壓強度變小，從而塑性增加，脆性減小，發生失穩破壞的可能性降低。

4)三軸壓縮時，不同圍壓下強制飽和煤樣的峰值強度平均降低19.5 MPa，降幅31.18%，因強制飽和煤樣吸水量相對自然飽和煤樣吸水量大，導致強制飽和煤樣K值降低；基于Mohr-Coulomb準則及有效應力原理，推導出孔隙水壓與黏聚力、抗壓強度呈負相關，表明強制飽和煤樣的黏聚力與抗壓強度均低于自然飽和煤樣，這與試驗結果一致。

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