原煤受載破壞形式的層理效應研究

王 浩，趙耀江，潘玉婷，趙 亮，王江濤

（太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西太原 030000）

層理是煤巖作為沉積巖類的主要構造標志，沉積過程的不同使煤的組分、顆粒大小、孔隙度等各不相同[1]。在煤層開采的過程中，會遇到不同層理方向的煤巖，如水平層理煤巖、垂直層理煤巖和斜層理煤巖等。層理角度對煤層內部的應力分布、滲透率等都有決定性的影響[2-3]。國內外學者就層理方向對煤巖的影響進行了大量的探討。田坤云、李度周等研究了加卸載過程中不同層理方向煤巖的滲透率演化規律，得出不同層理方向煤巖的最大滲透率比值為7.2∶1[4]；陳金剛、秦勇等研究了割理方向對煤層瓦斯抽放的影響，并建立了瓦斯抽采效果評估的數學模型[5]；趙毅鑫、龔爽等對不同層理角度煤巖進行了沖擊條件下巴西圓盤劈裂試驗，得出煤巖抗拉強度隨層理傾角波動變化[6-7]；賈炳、魏建平等研究了不同層理方向煤巖三軸加載過程的聲發射特征，得出垂直層理煤巖有較高的聲發射強度[8]；張朝鵬、張東明等研究了不同層理方向煤巖單軸損傷過程的聲發射特征，得出平行層理煤巖的振鈴計數和能量釋放更強[9-10]；陳宇龍、張宇寧等研究了層理角度對甲烷滲流規律的影響，得出層理角度越大，初始滲透率越大[11]。這些大多是層理方向對煤巖力學、滲透特性的影響，但層理方向對煤巖破壞形式影響的還鮮有報道。因此對不同層理方向煤巖在不同外界條件下的破壞形式進行了研究，期望對煤礦井下的安全生產起到一定的指導作用。

1 試樣制備與實驗方案

1.1 試樣制備

實驗所用煤樣取自山西省陽泉市新景礦15#煤層，在采煤工作面挑選完整度較好、層理明顯的大塊煤樣。在實驗室中按照GB/T 23561.7—2009《煤和巖石物理力學性質測定方法》規定，使用砂線切割機分別沿垂直層理方向和平行層理方向切割原煤，加工成φ50 mm×100 mm 的標準試件，使用砂紙打磨試件兩端，保證其不平行度小于0.05 mm。將制備的試件放到恒溫干燥箱中，在70 ℃環境下干燥12 h 后使用保鮮膜包裹保存。不同層理試樣如圖1，其中層理方向平行于軸向的是平行層理煤樣，垂直于軸向的是垂直層理煤樣。

圖1 不同層理試樣Fig.1 Samples of different layers

1.2 實驗方案

實驗使用太原理工大學自主研發的WYS-800微機控制電液伺服三軸實驗裝置完成，實驗裝置主要由4 部分組成：主機、計算機控制系統、液壓系統、氣路控制系統。主機的核心部件是三軸室，用來放置煤樣及充填液壓油施加圍壓；計算機控制系統顯示參數、控制三軸室起落、調節軸壓和圍壓的大小及加載方式；液壓系統為軸壓和圍壓提供動力；氣路系統調節氣體的壓力和進出。

實驗方案如下：①分別對平行層理煤樣和垂直層理煤樣進行單軸壓裂實驗，采用力加載（0.01 kN/s）的方式施加軸壓直至煤樣破裂，對比2 種層理煤樣的破壞形式；②分別對平行層理煤樣和垂直層理煤樣進行三軸壓裂實驗，保持圍壓3 MPa 和軸壓的力加載方式0.05 kN/s 不變，對比不同瓦斯壓力下0.5、1.0、1.5、2.0 MPa 2 種層理煤樣的破壞形式。

2 實驗結果

2.1 不同層理試件單軸壓裂

不同層理煤樣單軸壓裂應力-應變圖如圖2。從圖2 可以看出，平行層理煤樣和垂直層理煤樣在單軸受壓破壞時應力-應變曲線的變化趨勢基本一致，且平行層理煤樣的抗壓強度略小于垂直層理煤樣的抗壓強度，說明煤樣的抗壓強度受層理的影響較小。但垂直層理煤樣的峰值應變是平行層理煤樣的2.33 倍，可以得出，煤樣的力學性質受層理方向的影響較大，這是由于煤樣在不同層理方向上的孔隙率表現為各向異性[12]，而垂直層理煤樣的力加載方向與層理方向垂直，在軸向力持續加載的過程中，孔裂隙被壓縮而產生較大的應變。

圖2 不同層理煤樣單軸壓裂應力-應變圖Fig.2 Uniaxial fracturing stress-strain diagrams of different bedding coal samples

隨著軸向力的持續加載，垂直層理煤樣的應變增加幅度比平行層理煤樣的應變增加幅度大，垂直層理煤樣的總應變是平行層理煤樣的2.29 倍，可以間接得出垂直層理方向上的裂隙比平行層理方向上的少，單軸壓裂過程中孔隙被壓縮而使垂直層理煤樣產生較大的應變。垂直層理煤樣在單軸壓裂末期，軸向應力瞬間跌落又急速上升直至煤樣完全破壞，在軸向應力瞬間跌落時煤樣雖然整體保持完整但內部已經達到臨界狀態并部分破壞，隨著軸向力的繼續加載，煤樣被迅速壓縮直至完全破壞。因此煤礦井下地質構造發生變化時，煤層在垂直層理方向上的變形更顯著。

不同層理煤樣單軸壓裂破壞圖如圖3。從圖3（a）可以看出,垂直層理煤樣的破壞形式以局部橫向張拉破壞為主，試件的上半部分在壓裂的最后階段劇烈破壞，產生大量的微小煤塊分散在實驗臺上；從圖3（b）可以看出，平行層理煤樣的破壞形式以整體縱向剪切破壞為主，試件破壞后形成2 塊傾斜煤體，煤體的傾斜面與水平面的夾角約為60°，同時產生大量小煤塊散落在周圍。

圖3 不同層理煤樣單軸壓裂破壞圖Fig.3 Uniaxial fracturing failure pictures of different bedding coal samples

分析可知，煤巖垂直于層理方向的抗拉強度大于平行于層理方向的抗拉強度[13]，在軸向力持續加載的過程中，煤樣在平行于層理方向上的裂隙首先開始產生、擴展、延伸。平行層理煤樣的層理方向與軸向力加載方向平行，垂直層理煤樣的層理方向與軸向力加載方向垂直，隨著軸壓的加大，垂直層理煤樣內部的裂隙沿著層理面一層層從上向下慢慢發育，當煤樣內部壓力達到臨界值時，煤樣的上半部分內部裂隙發育較多，但煤樣的下半部分裂隙還很少，所以煤樣破壞時表現為上半部分劇烈破壞，而下半部分基本維持原樣；平行層理煤樣內部的裂隙也是沿著層理面擴展、延伸，但由于層理方向平行于軸向，因此裂隙向下擴展的速度相對較快，當煤樣內部壓力達到臨界值時，煤樣內部已經有從上到下的裂隙帶產生，所以煤樣破壞時表現為沿著傾斜方向斷裂為2 大塊。

2.2 不同層理試件三軸壓裂

不同瓦斯壓力下煤樣三軸壓裂應力-應變圖如圖4。從圖4 可以看出,垂直層理煤樣和平行層理煤樣在相同圍壓、不同瓦斯壓力下的應力-應變曲線變化趨勢基本一致，都是隨著軸向應變的增加軸向應力先直線增加，軸向應力達到峰值之后隨軸向應變增加呈波動變化，最后在破壞階段軸向應力直線下降。

圖4 不同瓦斯壓力下煤樣三軸壓裂應力-應變圖Fig.4 Triaxial fracturing stress-strain diagrams of coal samples under different gas pressures

隨著瓦斯壓力的增加，垂直層理煤樣的峰值應力分別為47.74、57.6、49.05、28.56 MPa，峰值應力對應的軸向應變分別為3.11%、2.92%、2.88%、2.81%；平行層理煤樣的峰值應力分別為36.07、29.59、48.38、36.79 MPa，峰值應力對應的軸向應變分別為2.59%、4.07%、2.52%、2.11%。施加3 MPa 圍壓時，垂直層理煤樣的峰值應力隨瓦斯壓力的增加先增大后減小，增大或減小的幅度分別為20.65%、17.43%、41.77%，而峰值應力對應的軸向應變隨著瓦斯壓力的增加一直在減小，減小幅度分別為6.11%、1.37%、2.43%；平行層理煤樣的峰值應力隨瓦斯壓力的增加先減小后增大再減小，增大或減小的幅度分別為17.97%、63.50%、23.96%，而峰值應力對應的軸向應變隨著瓦斯壓力的增加先增大后減小，增大或減小的幅度分別為57.14%、38.08%、16.27%。瓦斯壓力為0.5、1.0、1.5 MPa 時，垂直層理煤樣的峰值應力均大于平行層理煤樣的峰值應力，而瓦斯壓力為2.0 MPa 時，垂直層理煤樣的峰值應力小于平行層理煤樣的峰值應力。可以得出瓦斯壓力對含層理煤樣的力學特性有較大的影響，這可能是因為瓦斯在平行層理方向上更容易流通，瓦斯壓力越大，平行層理煤樣內部單位時間流過的瓦斯量也越大，因此當施加軸向壓力時平行層理煤樣內部更容易產生裂隙，即更容易被破壞。

不同瓦斯壓力下煤樣三軸壓裂破壞圖如圖5。實驗時所加圍壓都是3 MPa，圖5 中從左到右通入的瓦斯壓力依次是0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。

圖5 不同瓦斯壓力下煤樣三軸壓裂破壞圖Fig.5 Triaxial fracturing failure pictures of coal samples under different gas pressures

從圖5（a）可以看出，垂直層理煤樣的三軸壓裂破壞形式也以局部橫向張拉破壞為主，但與單軸壓裂破壞形式略有不同，試件的上半部分在壓裂的最后階段同樣劇烈破壞，產生大量的微小煤塊，但有少量的塊狀煤產生，試件的下半部分基本保持完整；從圖5（b）可以看出，平行層理煤樣的三軸壓裂破壞形式也以整體縱向剪切破壞為主，試件破壞時煤樣裂開主要形成2 塊傾斜煤體，但瓦斯壓力為1.5 MPa 時煤樣裂開主要形成3 塊傾斜煤體。比較圖5（a）和圖3（a）可以看出，在施加圍壓和瓦斯壓力時，垂直層理煤樣壓裂時保持完整的部分比單軸壓裂時保持完整的部分體積大，體積增加的幅度約為73%。但比較相同圍壓、不同瓦斯壓力時垂直層理煤樣的三軸壓裂破壞形式時，可以看出，隨著瓦斯壓力的增大，垂直層理煤樣的破壞形式沒有十分明顯的變化。比較圖5（b）和圖3（b）可以看出，平行層理煤樣在三軸壓裂時的破壞形式與單軸壓裂時的破壞形式略有不同，可以明顯的看出，在通入1.5 MPa 瓦斯時，平行層理煤樣劈裂的角度相比單軸劈裂時有很大的不同，結合圖4（b）中，瓦斯壓力為1.5 MPa時的應力-應變曲線可以得出，這是由于平行層理煤樣樣品間的差異造成的。比較相同圍壓、不同瓦斯壓力時平行層理煤樣的三軸壓裂破壞形式時，可以看出，隨著瓦斯壓力的增大，平行層理煤樣劈裂的角度也略有增大，但瓦斯壓力對平行層理煤樣破壞形式的影響比圍壓的影響要小。

3 結 論

1）平行層理煤樣的抗壓強度略小于垂直層理煤樣的抗壓強度，但垂直層理煤樣的峰值應變是平行層理煤樣的2.33 倍。即煤樣的力學性質受層理方向的影響較大，當煤巖所受地應力出現變動時，垂直層理方向更容易發生變形。

2）三軸壓裂時，隨著瓦斯壓力的增大，垂直層理煤樣的峰值應力隨瓦斯壓力的增加先增大后減小，增大或減小的幅度分別為20.65%、17.43%、41.77%，平行層理煤樣的峰值應力隨瓦斯壓力的增加先減小后增大再減小，增大或減小的幅度分別為17.97%、63.50%、23.96%。

3）單軸壓裂和三軸壓裂時，平行層理煤樣和垂直層理煤樣的最終破壞形式不同，平行層理煤樣的破壞為整體縱向剪切破壞，煤樣裂開分成幾塊完整的大塊煤樣，垂直層理煤樣的破壞為局部橫向張拉破壞，煤樣上半部分劇烈破壞，下半部分基本保持完整。

4）在施加圍壓和瓦斯壓力時，垂直層理煤樣壓裂時保持完整的部分比單軸壓裂時保持完整的部分體積更大，體積增加的幅度約為73%。平行層理煤樣劈裂時的角度與單軸壓裂時的略有不同，角度變化的幅度約為42%。

5）隨著瓦斯壓力的增大，垂直層理煤樣的破壞形式沒有十分明顯的變化，平行層理煤樣劈裂的角度略有增大。對比瓦斯壓力和圍壓對煤樣破壞形式的影響，得出瓦斯壓力對垂直層理煤樣和平行層理煤樣破壞形式的影響比圍壓的影響小。