原位構造煤加載力學特性測定

李文善，張 浩，金智新

（太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024）

近年來，專家學者對原生煤的力學特性開展了一系列研究：彭瑞東等[1]發現加卸載條件下圍壓限制了煤體的損傷破壞發展；蘇承東等[2]通過三軸循環加卸載實驗表明，隨加卸載次數的增加，煤樣的彈性模量增大；許江等[3]開展了煤體卸荷試驗，其測定結果表明圍壓卸載使煤體的峰值強度顯著降低；袁曦等[4]發現分階段三軸卸荷過程中煤體表現出階梯狀的變形特性；Zhang C 等[5]對循環加卸載條件下煤體的滲透率演化進行了測定，其結果表明循環加卸載可以提高煤體的壓實程度，從而改變煤體的滲透率。上述研究深化了對原生煤力學特性的認識。然而，當前對于構造煤力學特性的研究存在著很大問題，這主要受制于構造煤標樣的制備。構造煤極易破碎，因此當前主要通過冷壓成形法進行構造煤標樣的制備。但是目前缺乏統一的制備標準，不同學者往往采用不同的參數進行制備[6-9]。同時，當前制備的構造煤標樣壓實程度嚴重不足：視密度遠小于井下原位構造煤，差值可達200～300 kg/m3；有效裂隙率也存在明顯差異，滲透率測試結果高達（1～10）×10-15m2，比井下原位構造煤高出3 個數量級左右[10]。因此。

采用高壓力循環加卸載的方法進行原位構造煤標樣的制備，并開展構造煤體的加載力學實驗，對煤體的應力應變特征、變形特征、強度特征以及損傷破壞模式進行了系統性的研究，研究結果有助于深化人們對原位構造煤力學特性的認識。

1 原位構造煤標樣制備

1）制備方案。為了提高構造煤標樣的壓實程度，大幅增加壓制壓力是最簡單的方法。然而，本實驗室三軸壓力機可提供的最大有效壓力僅為500 kN。在此條件下，若想進一步提高構造煤標樣的壓實程度，可以采用長時壓制及循環加卸載2 種方法。前者是通過誘導煤顆粒發生蠕變損傷來提高壓實效果的，后者則是通過誘導煤顆粒發生動載損傷來實現的。考慮到蠕變損傷往往耗時很長，且容易損壞壓力機，因此采用了500 kN 壓制壓力進行循環加卸載的構造煤標樣制備方法。所采用的構造煤標樣壓制設備主要包括壓力機和成型模具2 部分[11]。具體壓制流程如下：①篩選出粒徑<1 mm 的構造粉煤（取自新景礦3#煤層），并稱取一定質量備用；②將約1%的去離子水與構造粉煤充分攪拌均勻；③將攪拌好的樣品放入模具中，采用500 kN 的壓制壓力進行循環加卸載壓制。每個循環分為加載-穩壓-卸載3個階段：①加載階段：采用力控模式進行加載，加載速率為50 N/s，加載至500 kN 停止；②穩壓階段：在500 kN 的壓力下，穩壓30 min；③卸載階段：穩壓結束后，同樣采用力控模式，以50 N/s 的速率卸載。單循環耗時2.8 h。壓制結束后，將壓制出的型煤標樣脫模取出。

2）制備效果考察。為了驗證該方法的有效性，對不同加卸載循環下制取的構造煤標樣進行了密度和滲透率測定，循環加卸載壓制次數對密度和滲透率的影響如圖1。由圖1 可得，隨著循環加卸載壓制次數的增加，煤樣的平均密度由1.354 t/m3增大到1.442 t/m3，提高了6.50%；在3 MPa 靜水壓力條件下，煤樣滲透率由0.48×10-15m2降低到0.04×10-15m2，約降低1 個數量級。上述測定結果表明，循環加卸載確實能夠提高構造煤標樣的壓實效果。新景礦3#煤層當前回采深度下的平均地應力大約在12 MPa，而滲透率約為（0.003～0.015）×10-15m2。從圖1 中的滲透率測定結果可以看出，該壓力條件下，經過6 次循環加卸載獲得的煤樣滲透率為0.016×10-15m2，已接近新景礦3#煤層現場實測值，誤差在1 個數量級內。這表明采用500 kN 的壓制壓力進行6 次循環加卸載基本上能夠制備出壓實程度與井下原位構造煤相近的型煤標樣。

圖1 循環加卸載壓制次數對密度和滲透率的影響Fig.1 Influence of cycles of loading and unloading pressing times on density and permeability

2 力學實驗

力學實驗采用煤巖“力學-滲流-吸附”耦合測試系統進行測定，該設備可提供的最大軸壓為500 kN，最大圍壓為60 MPa，軸向和徑向引伸計的最大量程分別為10 mm 和8 mm。

具體實驗方案如下：

1）單軸加載實驗：安裝好煤樣后，以0.025 MPa/s 的速率加載軸壓，待煤樣處于殘余階段或引伸計滿量程，停止加載。

2）常規三軸加載實驗：①將圍壓以0.05 MPa/s的速率加至設計值（4、8、12 MPa）；②控制圍壓恒定，以0.025 MPa/s 的速率加載軸壓，當達峰值點后，以10 mm/min 的速率繼續加載，待煤樣破壞或引伸計滿量程，停止加載。

為了對比起見，本次實驗過程中對新景礦3#煤層中原生煤的力學特性同樣進行了測定。

2.1 應力-應變曲線

不同圍壓下構造煤的全應力-應變曲線如圖2，不同圍壓下原生煤的全應力-應變曲線如圖3。

圖2 不同圍壓下構造煤的全應力-應變曲線Fig.2 Entire stress-strain curves of tectonic coal under different confining pressures

圖3 不同圍壓下原生煤的全應力-應變曲線Fig.3 Entire stress-strain curves of intact coal under different confining pressures

由圖2 和圖3 可知，2 種煤體的應力-應變曲線在峰前階段基本相似，但是峰后階段卻存在較大差異：①在單軸加載時，雖然2 種煤體峰后應力跌落現象都十分明顯，但構造煤呈現出應變軟化特性，原生煤則傾向于彈脆性；②常規三軸加載時，隨著圍壓由4 MPa 增加至12 MPa，2 種煤體的峰后應力跌落現象均產生了一定程度的弱化，此時構造煤傾向于理想塑性，而原生煤傾向于應變軟化特性。

2.2 變形及強度特征

基于應力-應變曲線測定結果，可計算出煤體的變形參數：彈性模量E 和泊松比μ0, 煤體變形參數測定結果見表1。

表1 煤體變形參數測定結果Table 1 Deformation parameters determination results of coal

由表1 可知，煤體的彈性模量E 與圍壓σ3呈正相關。當圍壓由0 MPa 增加至12 MPa 時，構造煤的彈性模量E 由280 MPa 增大至684 MPa，增大了1.44 倍，原生煤的彈性模量由1 150 MPa 增大至3 280 MPa，增大了1.85 倍。這是因為圍壓控制著煤體的裂隙發育程度，從而影響了煤體的變形特征。隨著圍壓不斷增大，煤體內裂隙閉合的更緊密，煤體剛度增強，因而彈性模量不斷增大。此外，構造煤的平均彈性模量（428 MPa）僅為原生煤（2 762 MPa）的15.50%，表明構造煤的抗變形能力明顯弱于原生煤。構造煤的平均泊松比（0.328）和原生煤（0.323）相差不大。構造煤的抗變形能力弱可能與構造煤中孔裂隙發育相關。構造煤相比于原生煤，其自身孔裂隙系統發育程度明顯增高，這將降低煤骨架的剛度。

根據摩爾庫倫準則，煤體的力學強度可用黏聚力和內摩擦角來表征[9]。當煤體發生剪切破壞時，其最大主應力σ1（峰值強度）和最小主應力σ3（圍壓）滿足式（1）：

式中：σ1為最大主應力，MPa；σ3為最小主應力，MPa；ω、ψ 為黏聚力c 和內摩擦角φ 的函數。

式中：c 為黏聚力，MPa；φ 為內摩擦角，（°）。

三軸加載時峰值強度與圍壓的擬合結果如圖4。根據常規三軸實驗測定結果可得峰值強度與圍壓的擬合結果，從而可獲得式（1）中的ψ 值和ω 值。將ψ 值和ω 值代入式（2）可以獲得構造煤的強度參數φ、c 值分別為32.01°和0.80 MPa，原生煤的強度參數φ、c 值分別為37.38°和3.02 MPa。對比可知，原生煤的黏聚力是構造煤的3.78 倍，故構造煤力學強度相對較低。這是由于兩者煤體結構存在根本性區別所致：構造煤是煤顆粒在外力作用下通過機械嚙合力再次膠結而成的顆粒集合體；然而，原生煤分子間通過化學鍵結合，化學鍵力遠大于機械嚙合力，故其強度遠高于構造煤。

圖4 三軸加載時峰值強度與圍壓的擬合結果Fig.4 Fitting results of peak intensity and confining pressure under triaxial loading conditions

2.3 損傷破壞模式

煤體峰后階段的損傷破壞特征如圖5。

圖5 加載條件下煤體破壞特征Fig.5 Coal failure characteristics under loading conditions

在單軸加載條件下，2 種煤樣均發生垂向劈裂損傷。這是由于單軸加載條件下，煤體不受圍壓的束縛，極易發生徑向拉張變形所致。在常規三軸加載條件下，2 種煤樣的破壞模式存在根本性不同。以圍壓4 MPa 為例，構造煤的損傷破壞特征表現為：煤樣中部明顯鼓起，存在著明顯的擴容現象；然而，當去除熱縮管的束縛后，煤樣立時破碎產生粉化煤，這說明煤體損傷過程中形成了大量的隱性裂隙群。原生煤的損傷特征相對比較簡單，煤體損傷后出現了宏觀剪切裂隙。拆除熱縮管后，煤體明顯分為2 塊。據此，可以判斷原生煤峰后階段發生了剪切損傷，而構造煤發生了多重剪切損傷，不同損傷破壞模式如圖6。

圖6 不同損傷破壞模式Fig.6 Different damage failure modes

基于構造煤和原生煤物理結構的差異，其損傷破壞機制可以分別用顆粒材料失效準則和Mohr-Coulomb 準則來解釋，煤體失效機制如圖7。

圖7 煤體失效機制Fig.7 Coal failure mechanism

在常規三軸加載條件下，構造煤所受剪切應力隨著軸向應力的不斷增加而增大，當超過其抗剪強度時，煤顆粒發生剪切破裂而失效。顆粒破裂后更容易發生相對滑動和旋轉，從而引發連鎖失效反應，使煤體內部發生多重剪切損傷，產生隱性多重剪切裂隙群。原生煤具有原生結構，分子間通過強有力的化學鍵連接。當剪切應力超過抗剪強度時，在煤體內正應力和剪切應力組合最不利的面開始產生損傷裂隙，裂隙不斷發育、貫通，最終煤體發生剪切損傷。

3 結 語

對當前的型煤壓制工藝進行了改良，以密度和滲透率為指標試制了壓實程度與井下原位構造煤相近的型煤標樣。在此基礎上，對井下原位構造煤的加載力學特性進行了測定。

1）在500 kN 條件下，經過6 次循環加卸載制備的構造煤標樣密度達到了1.442 t/m3，在12 MPa 靜水壓力條件下的滲透率達到了0.016×10-15m2。滲透率測定結果與新景礦3#煤層滲透率實測值（0.003～0.015）×10-15m2處于同一數量級，因此采用該方法制備的構造煤標樣壓實程度已經與井下原位構造煤相近。

2）構造煤和原生煤物理結構的差異，導致構造煤在常規三軸加載過程中表現出理想塑性，而原生煤傾向于應變軟化特性；同時，構造煤的彈性模量僅為原生煤的15.50%，黏聚力僅為原生煤的26.50%，抗變形能力弱，力學強度低。

3）構造煤的顆粒集合體屬性使其峰后階段發生多重剪切損傷，產生隱性裂隙群，同時煤體發生粉化；而原生煤的致密結構使其發生剪切損傷，產生宏觀剪切裂隙。