滇東黔西松軟煤巖三軸壓縮力學特性及能量演化特征*

侯連浪，劉向君，梁利喜，張 平，謝 斌，李丹瓊

(1.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100015)

0 引言

煤巖的物理力學性質是煤巖體的基本屬性，反映煤巖體的物理狀態和承受外界作用的能力[1]，準確認識煤巖巖石力學特性對防治煤炭開采過程中可能發生的煤與瓦斯突出事故[2-4]及煤層氣井鉆井過程中可能發生的井壁坍塌事件至關重要[5]。國內外學者針對煤巖巖石力學特性開展了大量研究，其中，弱結構面對煤巖力學特性的影響受到了很多關注，裂隙幾何形態、裂隙產狀、張開度、起伏度等因素都會對煤巖巖石力學特性產生一定的影響[6]；部分學者從不同圍壓[7]、不同加載速率[8]以及不同煤巖類型的角度[9]，開展室內力學試驗以分析不同條件下煤巖的力學特性；唐輝明等[10]以理論推導及數值分析方法，依據等效應變原理，推導了煤巖的等效巖石力學參數計算模型。這些研究成果促進了我國煤炭資源的安全高效開發。現有關于煤巖力學特性的研究多數集中在中硬煤及硬煤領域，部分針對松軟煤巖開展的研究，只重點分析煤樣尺寸及含水率對煤巖強度的影響[11]。松軟煤層在煤體強度、變形特征、破裂特征等方面與中硬及硬煤層具有顯著差異[12]。因此，有必要以松軟煤巖為研究對象，分析松軟煤巖的力學特性及能量演化特征。

以取自滇東黔西SH礦區及LC礦區普氏系數小于0.5的松軟煤巖為研究對象，開展不同圍壓下的三軸壓縮試驗，以探究松軟煤巖三軸壓縮力學特性及能量演化特征，取得的認識對松軟煤層煤炭資源安全高效開發具有指導意義。

1 試驗內容、方案及過程

1.1 試驗內容及方案

為了解試驗煤樣的力學特性及能量演化特征，使用GCTS-1000型高溫高壓巖石力學測試系統開展不同圍壓下的三軸壓縮試驗。綜合考慮樣品數量及埋深，開展3個不同圍壓下的三軸試驗，每個圍壓條件下3塊煤巖樣品。圍壓確定方式為：煤巖取樣深度約719 m，以密度測井資料計算上覆壓力為19.14 MPa，以靜水壓力近似儲層壓力為7.19 MPa，即煤巖所承受的有效應力為11.95 MPa，最終，確定本次三軸試驗圍壓分別為0，6和12 MPa。

1.2 試驗過程

本次試驗的流程為：

1)在試驗系統里輸入煤巖樣品的基本信息(編號、長度、直徑)，設置好應變規參數；

2)將煤巖樣品用熱塑管包裹后安裝軸向應變規及徑向應變規，并將煤巖樣品置于樣品臺；

3)放下釜體，采用圍壓與軸壓逐級交替增大的方式緩慢加載圍壓至目標值(單軸試驗不需要加載圍壓)，單級增加的圍壓、軸壓為2 MPa；

4)將伺服控制系統中軸壓清零后，采用位移控制加載方式施加軸向壓力，加載速率為0.2 mm/min，并同時記錄差應力-應變曲線數據；

5)待煤巖樣品破壞后結束試驗，卸載圍壓，取出破壞后煤巖樣品并拍照記錄。

2 試驗結果分析

2.1 應力應變曲線特征

煤巖在壓縮試驗前后的形狀如圖1所示。由圖1(a)和圖1(b)可見，巖心SH15-1-2和SH15-1-15試驗前無明顯裂隙。由于煤巖質軟，壓縮過程中徑向變形迅速增大，并未快速失去縱向上的承壓能力，軸向差應力-應變曲線沒有迅速跌落(見圖2(a))。由圖1(c)可見，巖心SH15-1-4試驗前存在明顯裂隙。盡管圍壓相對較大，當軸向壓力增大到一定程度時，巖心內部裂隙勾通，巖心沿裂隙發生剪切破壞而表現出類似于脆性巖石破壞時的軸向差應力-應變曲線陡降現象(如圖2(a))。由圖1(d)～(i)可知，對于LC礦區煤巖出現該現象的原因亦是如此(圖2(b)),即裂隙的存在會增大松軟煤巖差應力-應變曲線峰后下降的速率。

注：每組照片中，左側為試驗前，右側為試驗后。圖1 煤巖壓縮試驗壓前壓后對比Fig.1 Comparisons of coal and rock compression tests before and after compression

圖2 不同圍壓下煤巖差應力-應變曲線Fig.2 Differential stress-strain curves of coal and rock under different confining pressure

SH礦區及LC礦區煤樣在不同圍壓下的差應力-應變曲線如圖2所示，圖2中差應力-應變曲線上標注的數值為對應曲線的試驗圍壓值。由圖2(a)和圖2(b)可知，單軸條件下，差應力-應變曲線呈現出較明顯的壓密、彈性、屈服及破壞4個階段。相關研究[13]表明，隨著圍壓逐漸增大，取自淮南煤礦的原煤軸向差應力-應變曲線峰后應力跌落幅度逐漸減小，陡降趨勢逐漸收斂，開始呈現出延性特征，且圍壓越高，峰后延性特性越明顯。由圖2(a)和圖2(b)可知，對于SH礦區和LC礦區煤巖，圍壓越高,差應力-應變曲線峰后階段更陡。

由圖2(c)和圖2(d)可知，SH礦區及LC礦區9塊煤巖巖心中，圍壓為6 MPa下的巖心SH15-1-15在達到峰值強度后應力-體積應變曲線向右延伸，表現出體積收縮的現象；其他8塊巖心的差應力-體積應變曲線均從峰前屈服階段開始轉向左拐，開始表現出擴容的現象，在達到峰值強度后擴容現象愈加劇烈。

2.2 強度特征

2.2.1 圍壓與峰值強度的關系

對試驗數據進行分析，可得到煤巖抗壓強度(σ1m+σ3)與圍壓的關系，如圖3所示。由圖3可知，整體上，煤巖的抗壓強度分布在5.9～54.1 MPa之間，之前的研究[1]成果表明，中硬煤峰值強度約是軟煤的1.11倍，硬煤的強度約是軟煤的1.68倍。隨著圍壓增大，煤巖樣品抗壓強度增大，表明圍壓增強了煤巖在軸向上承壓能力。

圖3 抗壓強度與圍壓的關系Fig.3 Relationship between compressive strength and confining pressure

2.2.2 抗剪切強度

由圖1和圖2可知，煤巖三軸壓縮試驗破壞模式主要為剪切破壞，由圖3可知圍壓與抗壓強度呈現為較好的線性關系，抗壓強度σc與圍壓σ3的線性關系為：

σc=3.986 1σ3+6.386 7

(1)

式中：σc為抗壓強度，MPa；σ3為圍壓，MPa。即煤巖抗壓強度符合Coulomb強度準則，可用Coulomb強度準則來計算其抗剪切強度。計算得到煤巖的黏聚力為1.60 MPa，內摩擦角為36.81°。

2.3 變形特征

圖4為楊氏模量及泊松比與圍壓的關系。由圖4可知，試驗煤巖的楊氏模量分布范圍為6 452～10 706 MPa。前人研究[1]成果表明，中硬煤的楊氏模量約是軟煤的47.1%，硬煤的楊氏模量約是軟煤的4.86倍。隨著圍壓的增大，煤巖楊氏模量逐漸增大，利于裂縫長度方向上的擴展，寬度方向上則受到抑制[12]。試驗煤巖泊松比的分布范圍為0.308～0.400。隨著圍壓增大，煤巖泊松比逐漸減小，表明圍壓對煤巖壓縮變形過程中徑向變形的抑制作用明顯。

圖4 楊氏模量及泊松比與圍壓的關系Fig.4 The relationship between Young's modulus, Poisson ratio and confining pressure

2.4 破壞特征

觀察圖1可知，煤巖在不同圍壓下表現出不同的破壞特征：1)單軸條件下，煤巖破壞形式復雜，張剪并存，碎裂程度較高；2)圍壓分別增大至6 MPa和12 MPa時，煤樣主要發生剪切破壞；3)整體上，隨著圍壓增大，煤樣破碎程度降低，即圍壓條件下松軟煤巖破壞模式符合Coulomb強度準則。

圖5為煤巖破壞形態示意圖，圖中所標明的角度為煤巖破裂面與端面的夾角。煤巖的黏聚力為1.60 MPa，內摩擦角為36.81°。按照Coulomb強度準則，計算可知破裂面與巖樣端面的夾角約為63°。由圖5可知，三軸條件下煤巖破裂面與端面的夾角均分布在63°左右，符合Coulomb強度準則。單軸壓縮條件下，圖5(a)和(e)對應的2塊煤樣破裂面與端面的夾角與63°相差相對較大；圖5(d)對應的煤樣出現X型剪切縫面。單軸條件下巖石破壞形式復雜，三軸條件下煤樣只會產生剪切破壞，二者有本質上的區別[14]。實際工程中，松軟煤巖均受一定圍壓的作用。因此，工程應用中Coulomb強度準則仍適用于松軟煤巖。

2.5 能量演化特征

巖石受力變形過程中，整體系統能量變化主要可分為能量輸入、能量聚集、能量耗散和能量釋放4個階段。

圖5 煤巖破壞形態示意Fig.5 Diagram of failure form of coal and rock

忽略實驗過程中的熱交換，由熱力學第一定律可知，外力所做功在單位體積內產生的能量U可分為彈性能Ue和耗散能Ud2部分。圖6為不同圍壓下部分三軸壓縮試驗能量-應變關系。文中能量均指能量密度，即單位體積包含的能量。由圖6(a)～(e)可知，隨著軸向應力增加，試樣吸收的總能量、存儲的彈性能和損傷耗散能都在不斷增加。加載初期，試驗處于壓密階段，總能量和彈性能都增加緩慢；隨著試驗進入線彈性階段，總能量和彈性能都穩定增加，耗散能變化較小，煤樣損傷程度較低；當軸向應力進一步增加時，彈性能增加速率降低，耗散能加速增加，該階段為裂紋穩定擴展和加速擴展階段，煤樣內部微裂隙逐漸擴展、連通，煤樣結構發生較大損傷；隨著軸向應力繼續增大，煤樣存儲的彈性能繼續增大，耗散能亦逐漸增加，內部結構損傷加劇，當儲存的彈性能及煤樣結構損傷達到一定程度時，彈性能瞬間釋放，煤樣破壞。將不同圍壓下的彈性能-應變、耗散能-應變分別繪制到同一張圖(見圖6(f)～(i))，破壞點用空心星號點進行了標注。由圖6(f)和圖6(g)可知，不同圍壓下，彈性能整體上增長的速率相近，這表明在實驗條件下煤樣彈性能的增加速率幾乎不受圍壓的影響；隨著圍壓的增大，煤樣破壞點的彈性能越高，這表明圍壓增強了煤樣儲存彈性能的能力。有研究成果[15]表明，破壞點耗散能隨著圍壓的增大而增大。由圖6(h)和圖6(i)可知，破壞點耗散能與圍壓無明顯關系。這是因為煤樣原有的割理等裂隙發育程度不同，相同圍壓下從受壓開始到完全破壞所需用于損傷煤樣內部結構的耗散能差異較大，耗散能便呈現出與圍壓無明確相關關系的特點。

圖6 不同圍壓下彈性能、耗散能與應變的關系Fig.6 Relationship between elastic energy, dissipative energy and strain under different confining pressures

3 結論

1)圍壓增強了煤巖在軸向上承壓能力；隨著圍壓的增大，煤巖楊氏模量逐漸增大，泊松比逐漸減小，圍壓對煤巖壓縮變形過程中徑向變形的抑制作用明顯。

2)裂隙的存在會增大松軟煤巖差應力-應變曲線峰后下降的速率，差應力-體積應變曲線從峰前屈服階段開始左拐，表現出擴容的現象，在達到峰值強度后擴容現象愈加明顯。

3)圍壓條件下，松軟煤巖的抗壓強度、破壞模式及破壞角均符合Coulomb強度準則，Coulomb強度準則適用于松軟煤層的工程應用；圍壓幾乎不影響彈性能的增長速率，但提高了煤樣儲存彈性能的能力，受割理等裂隙影響，耗散能與圍壓無明確相關關系。