加卸載應力條件下原煤力學與滲透特性的實驗研究

蔣長寶 ，魏皚冬 ，陳昱霏 ，王 培

（1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400030；2.重慶大學 資源及環(huán)境科學學院，重慶 400030；3.重慶市能源投資集團有限公司，重慶 401121）

在煤層開采過程中，應力狀態(tài)的改變導致煤層產(chǎn)生變形破壞，進一步使煤層裂隙場產(chǎn)生變化，最終使煤層的滲透率產(chǎn)生動態(tài)變化。謝和平等[1]提出在煤層開采工作面前方，煤巖體均經(jīng)歷了從原巖應力、軸向應力升高（加載）而圍壓遞減（卸載）到破壞卸荷的完整采動力學過程。目前，許多學者針對加卸載條件下的含瓦斯煤力學及滲透特征進行了大量實驗。尹光志[2]、許江[3]、蔣長寶[4-7]、趙宏剛[8]等對含瓦斯煤進行了不同加卸載形式的物理實驗，得出了含瓦斯煤變形特征和滲透率動態(tài)演化規(guī)律。祝捷等[9]通過測試含瓦斯煤加卸載特征點的滲透率，發(fā)現(xiàn)煤樣的滲透率存在變化的拐點，拐點之后的滲透率顯著增大。趙洪寶等[10]進行卸圍壓的實驗，發(fā)現(xiàn)瓦斯壓力越大，卸圍壓后軸向應力減小量越大，軸向應力與圍壓卸除量關系可用二次函數(shù)形式表征。潘榮錕等[11]對煤巖進行卸圍壓實驗，分析了加卸載對瓦斯?jié)B透特性的影響和應力效應，發(fā)現(xiàn)圍壓卸載到設定值后滲透率增加。陳春諫等[12]對原煤進行了軸向循環(huán)加卸載實驗，發(fā)現(xiàn)隨著加卸載次數(shù)增加，原煤滲透率整體降低。就目前研究現(xiàn)狀來看，煤巖常規(guī)加卸載實驗主要集中在固定圍壓-加卸載軸壓、固定軸壓-加卸載圍壓、加載軸壓-卸載圍壓三種情況。不同的施工方式和采掘進度導致工作面前方煤巖體采動應力變化過程的不同。因此，考慮2 種加卸載應力綜合條件，即加卸載速率比和加卸載起始控制點，研究其對煤巖力學特性和滲透規(guī)律的綜合影響，為巷道支護、瓦斯抽采及安全開采提供指導。

1 實 驗

1）煤樣制備。首先在同一煤塊上獲取煤心，保證煤樣成分的穩(wěn)定，剔除有明顯結(jié)構(gòu)缺陷和較大裂隙的煤心，進行精加工和打磨后制備成的標準圓柱體煤樣。然后將煤樣進行烘干，烘干溫度60 ℃，烘干時間24 h，降低煤樣中水分對實驗的影響。最后選擇干燥密度相近的煤樣進行實驗。

2）實驗裝置。實驗采用重慶大學自主研發(fā)的煤巖熱流固耦合三軸滲流實驗裝置（THM-2）。可模擬煤巖在不同地應力場、滲流場和溫度場的多場耦合實驗。

3）實驗方案。定義加卸載速率比n 為軸壓加載速度與圍壓卸載速度的比值。實驗過程中的具體方案如下：①以0.03 MPa/s 的相同速度施加軸壓和圍壓至7 MPa 的靜水壓力；②打開瓦斯進氣閥，關閉出氣閥，設定瓦斯進氣口壓力為3 MPa，使瓦斯在煤樣中充分吸附；③瓦斯吸附平衡后，打開瓦斯出氣閥，待瓦斯流量穩(wěn)定后，先固定圍壓，軸壓以0.03 MPa/s 的速度加載；④待軸壓分別到達加卸載控制點 σ′=17、27、37 MPa 時，進行圍壓卸載，每個加卸載控制點σ′設置3 個圍壓卸載速度，分別為0.002、0.003、0.006 MPa/s，此階段軸壓加載速率仍為0.03 MPa/s，n=15、10、5；⑤待煤樣失穩(wěn)破壞后，軸向加載改為以0.1 mm/min 的位移控制，并保持圍壓值，直至煤巖殘余強度穩(wěn)定。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 原煤應力-應變曲線

對原煤試樣進行了不同加卸載應力條件對比實驗，煤樣實驗結(jié)果見表1（ε1為軸向應變，ε3為徑向應變，εv為體應變，σ 為各加卸載條件下原煤最終強度）。加卸載應力條件下原煤應力-應變曲線如圖1（σ1為軸壓，σ3為圍壓）。

表1 煤樣實驗結(jié)果Table 1 The test results coal sample

分析圖1 和表1 可以看出，當原煤處于相同加卸載控制點σ′時，其破壞時的體積應變隨著n 的增大而減小，其破壞時的徑向應變和軸向應變隨著的增大而增大。以σ′=27 MPa 為例，n 從5 增加到15時，體積應變減小了122.5 %，徑向應變和軸向應變分別增大了22.5 %和 79.4 %。表明隨著n 的增大，原煤破壞時承受的變形極限增大，塑性增強。不同加卸載速率比下原煤破壞形態(tài)如圖2。

圖2 給出了 σ′=27 MPa 時，不同 n 下原煤的破壞形態(tài)，原煤的破壞形態(tài)均為剪切破壞，但又出現(xiàn)明顯的差異：n=5 時，煤樣f 出現(xiàn)2 個交叉的宏觀剪切斷裂面；n= 10 時，煤樣e 出現(xiàn)1 個宏觀剪切斷裂面以及3 個未貫通的斷裂面；n=15 時，煤樣d 僅出現(xiàn)1 個宏觀剪切斷裂面。主要原因在于，當越大時，圍壓卸載速率越低，側(cè)向約束效應越強，原煤內(nèi)部微裂隙生成后來不及擴展，隨著加載的進行，最終原煤破壞時，儲集在煤樣中的彈性應變能便會在破壞時沿某一最薄弱的方向釋放，即破壞越集中在1 個宏觀斷裂面上，原煤破裂程度更低，使得徑向應變和軸向應變共同決定的體積應變更小。

圖1 不同加卸載應力條件下原煤應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of raw coal under loadin-gunloading stress conditions

圖2 不同加卸載速率比下原煤破壞形態(tài)Fig.2 Failure patterns of raw coal under different loadingunloading rate ratios

分析圖1 和表1 還可以發(fā)現(xiàn)，當原煤處于相同n 時，原煤強度σ 隨著σ′的增大而增大。以n=15 時為例，n 從17 MPa 增加到37 MPa 時，原煤強度 σ增加了28.6%。圍壓卸載會對原煤的原始孔隙、裂隙的擴展貫通起促進作用，加卸載控制點升高，圍壓在較大的軸向應力時才開始卸載，煤巖側(cè)向約束時間延長，阻礙了原煤孔隙、裂隙的擴展，使原煤要經(jīng)歷更多軸向加載才能進入屈服和破壞階段，最終使原煤強度增大。不同加卸載控制點下原煤破壞形態(tài)如圖3。圖3 給出了n=15 時，不同加卸載控制點σ′下原煤的破壞形態(tài)。采用破壞角的概念來定量化描述，破壞角是煤樣在三向受力條件下破壞時，斷裂面與最大主應力方向的夾角[13]。煤樣g、煤樣d、煤樣a 的破壞角分別為 37.0°、35.0°、33.5° ，可以發(fā)現(xiàn)隨著增大，破壞角不斷降低。

2.2 加卸載應力條件下原煤滲透特性

在實驗過程中使用流量計，采集不同加卸載應力條件下原煤中瓦斯氣體的流量。假設實驗全過程為等溫過程，滲流全過程符合達西定律。則可以得到煤樣滲透率公式為：

圖3 不同加卸載控制點下原煤破壞形態(tài)Fig.3 Failure patterns of raw coal under different loadingunloading control points

式中：K 為煤樣滲透率，m2；Q 為瓦斯?jié)B透瞬時流量，m3/s；u 為測定溫度下的瓦斯動力黏度，取1.12×10-5Pa·s；h 為試件長度，cm；A 為煤樣橫截面積，cm2；p1為進氣端氣壓，Pa；p2為出氣端氣壓，Pa。

主要研究不同加卸載速率比下的原煤滲透特性。σ′=37 MPa 時，不同加卸載速率比下原煤滲透率-應變和偏應力-應變曲線如圖4。

圖4 不同加卸載速率比下原煤滲透率-應變和偏應力-應變曲線Fig.4 Permeability-strain and deviator stress-strain curves of raw coal under different loading-unloading rate ratios

根據(jù)圖4 的滲透率和應變變化規(guī)律，可將滲透率變化曲線分為3 個階段。

1）壓密與彈性階段Ⅰ。在前期的壓密階段，煤巖作為多孔介質(zhì)，在加載過程中，孔隙裂隙逐漸閉合，瓦斯?jié)B流通道變窄，煤樣a、煤樣b 和煤樣c 均表現(xiàn)為滲透率的微弱降低。進入彈性階段后，閉合的孔裂隙僅產(chǎn)生彈性變形，孔裂隙的產(chǎn)生和閉合大致相同，總的孔裂隙數(shù)量基本不變，使得煤樣a、煤樣b 和煤樣c 均表現(xiàn)為滲透的穩(wěn)定演化，滲透率基本保持不變。

2）屈服階段Ⅱ。此階段孔隙裂隙開始穩(wěn)定擴展，進而產(chǎn)生累計性破裂，產(chǎn)生的宏觀裂隙為瓦斯?jié)B流提供了新通道，煤樣a、煤樣b 和煤樣c 均產(chǎn)生可見的滲透率升高。

3）破壞與殘余變形階段Ⅲ。破壞階段偏應力降至最低，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，裂隙快速發(fā)展，最終形成宏觀斷裂面，滲透率迅速增大。之后的殘余變形階段，裂隙的發(fā)育速度減緩，滲透率逐漸趨于穩(wěn)定。

隨著的n 減小，煤樣的滲透率-應變曲線在屈服階段Ⅱ內(nèi)的滲透率階梯狀變化特征越發(fā)明顯，為了定量化的描述，定義煤樣屈服階段Ⅱ內(nèi)的滲透率變化量為滲透率響應變化量△K，加卸載控制點到煤樣滲透率開始變化所產(chǎn)生的軸向應變?yōu)閼冺憫兓俊鳓拧Ｓ蓤D4 可知，在煤樣a、煤樣b 和煤樣c中，σ′均為37 MPa 的情況下，不同實驗時和有明顯差異，煤樣滲透實驗結(jié)果見表2。

表2 煤樣滲透實驗結(jié)果Table 2 Permeability test results of coal samples

軸壓加載與圍壓卸載共同影響滲透率演化：軸壓加載使煤樣的孔隙裂隙被壓密，從而使瓦斯運移的通道變窄，最終導致滲透率減小；圍壓卸載使煤樣的孔隙裂隙擴展，從而使瓦斯運移的通道拓寬，最終導致滲透率增加[14]。n 增大時，破壞前軸壓加載較圍壓卸載對煤樣瓦斯運移通道的影響更大，最終導致煤樣內(nèi)部孔隙裂隙被壓密的變化特征占主導地位，即會使煤樣要經(jīng)歷更多軸向應變變化量才會產(chǎn)生滲透率變化。更多的軸向應變變化量也讓煤樣在屈服階段的孔隙裂隙擴展現(xiàn)象被阻礙，即會使煤樣滲透率在屈服階段內(nèi)的變化量降低。將△K 和△ε的變化特征與n 進行擬合，煤樣滲透特性擬合結(jié)果見表3。

表3 煤樣滲透特性擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of coal sample permeability characteristics

由表3 可知，不同加卸載速率比下，△K 隨著n的增大呈線性關系降低，△ε 隨著n 的增大呈線性關系增大。實際工程問題中，較大的值對應較小的圍壓卸載速度，即工作面的開挖速度較小，當將工作面開挖速度控制在合理速度時，煤巖在破壞前的△K 變化不明顯，更便于控制和抽采瓦斯，并且從σ′開始進行的采動應力加卸載后，△ε 也會更大，即要經(jīng)歷更多的軸向加載過程，煤巖中瓦斯?jié)B透率才會出現(xiàn)變化，開采過程便會有充足的時間進行瓦斯控制。下一步的研究方向是分析實驗過程中加卸載速率與工作面開采速度的對應關系，以期得到更好的實驗效果。

3 結(jié) 論

1）同一加卸載控制點下：原煤破壞時的體積應變隨著加卸載速率比的增大而減小；徑向應變和軸向應變隨著加卸載速率比的增大而增大；原煤破壞形態(tài)隨加卸載速率比增大，逐漸向單一宏觀斷裂面的破壞形態(tài)發(fā)展。

2）同一加卸載速率比下：原煤的強度隨著加卸載控制點的增大而增大；隨加卸載控制點的增大，原煤破壞后的破壞角降低。

3）偏應力-應變曲線和滲透率-應變曲線有明顯對應關系，隨著加卸載速率比的減小，屈服階段內(nèi)的滲透率階梯狀變化特征越發(fā)明顯，同時屈服階段內(nèi)的滲透率響應變化量和應變響應變化量與加卸載速率比均呈線性關系。