分級加載速率對無煙煤蠕變特性的影響規律試驗研究

郭澤雄，張東峰，王 開，張小強，岳少飛，2

（1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024）

隨著我國淺層煤炭資源和優質煤炭資源的減少，房柱式[1]、刀柱式等舊式采煤方法殘留的煤炭資源的復采受到了高度重視[2]，這些資源以遺留煤柱[3]的形式被遺留在地下，現被稱為殘采煤柱。殘采煤柱常年支撐上覆巖層，在地應力及采空水的長期作用下，表現出明顯的流變特性。殘煤復采巷道掘進擾動及工作面回采動壓等不同加載速率的載荷使得殘采煤柱的應力環境和力學特性更趨復雜，對不同分級加載速率條件下煤樣的蠕變特性展開試驗及理論研究對殘煤復采煤柱穩定性及復采圍巖控制有重要意義。紀文棟等[4]對鹽巖開展不同加載速率下的三軸壓縮試驗，認為圍壓越高加載速率對鹽巖力學性質的影響越明顯；周爾康、李海琪等[5-6]對砂巖和石灰巖進行不同加載速率的壓縮試驗，認為其彈性模量隨加載速率減小而減小；唐建新等[7]研究了不同加載速率對破碎巖樣力學特性的影響；張天軍等[8]對含孔試樣開展了不同加載速率的單軸壓縮試驗，結果表明隨加載速率增大，抗壓強度逐漸增加，彈性模量呈現出先增大后減小的趨勢；孫林等[9]開展不同加載速率下花崗巖巷道巖爆模擬試驗，認為加載速率的增加促進了巷道圍巖損傷破壞；王煜等[10]借助PFC 顆粒流平臺，發現加載速率對裂隙體模型峰值應力有強化效應；王曉東等[11]對不同加載速率下花崗巖損傷變形的力學參數進行了探討；辛亞軍等[12]對2 種加載速率下9 個紅砂巖樣進行了峰后增量加載單軸蠕變試驗，結果表明加載速率對巖樣瞬時應變和蠕變應變均有影響；李俊等[13]采用改變加載速率法進行單試件逐級增量加載試驗，研究表明加載速率與受力調整時間呈負相關；李福林、范振華等[14-15]通過對泥巖在不同加載速率下進行的分級蠕變試驗，得出隨著加載速率的增大，蠕變變形量和蠕變速率逐漸增大且泥巖的蠕變速率隨著時間的推移逐漸衰減的結論；李建中等[16]研究了低含水量黏土的加載速率效應與蠕變變形；彭芳樂等[17]分析研究了加載速率變化條件下砂土的黏塑特性。分級加載蠕變是常見的蠕變試驗手段，分級加載尤其是不同加載速率條件下，試件在不同應力水平的損傷程度不同，這對其力學特性及蠕變特征會產生比較大的影響，目前關于分級加載速率對煤樣力學特性和蠕變特性的影響規律方面的研究較少。為此，對無煙煤試樣進行不同分級加載速率下的三軸蠕變試驗，分析分級加載速率和應力水平對煤樣瞬時應變、蠕變應變及蠕變速率的影響規律。研究結果可為掘進擾動及回采動壓影響下的殘采煤柱穩定性控制提供參考。

1 無煙煤分級加載蠕變試驗

1.1 試驗煤樣

試驗用無煙煤樣取自山西沁水煤田海天煤業3#煤，沿垂直層理方向鉆取相鄰位置上煤心，加工成?50 mm×100 mm 的標準試樣，煤樣兩端用雙端面磨石機打磨，兩端面不平行度不大于0.05 mm。為減小煤樣離散性對試驗結果的影響，在試驗前剔除明顯含有節理或裂紋等缺陷的煤樣[18]，并對試件進行聲波速度測試，選取聲波速度相近的7 個煤樣分別進行基礎力學參數測定和分級加載蠕變試驗[19-20]，其中H5～H7 試件進行基礎力學參數測定，H1～H4 試件進行分級加載蠕變試驗。試驗所用煤樣如圖1，對煤樣進行基礎力學測試所得的力學參數見表1。

圖1 試驗所用煤樣Fig.1 The coal samples in the test

表1 無煙煤基本力學參數Table 1 Basic mechanical parameters of anthracite

1.2 試驗設備

試驗所用設備為課題組與江蘇華安聯合研發的LDHJ-Ⅲ型巖石高溫三軸蠕變試驗機，它主要由軸壓控制系統、圍壓控制系統、溫度控制系統、數據采集控制系統和三軸壓力室5 大部分組成。軸向力加載范圍0～600 kN，壓力分辨率為0.001 kN，位移分辨率為0.001 mm；圍壓加載范圍0～20 MPa；溫度可控制在5～80 ℃；力和位移傳感器具有穩定性好、精度高的特點，可實時采集試驗過程的軸向應力應變以及徑向應變數據。該試驗機有恒力與恒位移2 種加載方式，采用計算機全伺服控制，實時顯示，動態響應良好，可實現對加載速率的無級調節，軸壓及圍壓可長時間保持穩定，滿足試驗對加載速率和長時穩壓的需求。

1.3 試驗方案及過程

對H1～H4 4 個試件進行三軸分級加載蠕變試驗，圍壓設置為2.0 MPa，初始軸壓取30%Rc（4.5 MPa），分級加載梯度設置為2.0 MPa，每級加載24 h后進行下一級加載，如此循環加載直至煤樣破壞。H1～H4 煤樣分級加載速率分別為0.02、0.05、0.1、0.2 kN/s，試驗全過程的應力應變數據均由計算機自動采集完成，三軸壓力室內及試驗室溫度均控制在（25±0.5）℃。

2 試驗結果

分級加載條件下4 個煤樣蠕變均呈現明顯的蠕變特性，應力水平較低時，煤樣均呈現衰減蠕變和穩定蠕變階段，在應力水平接近抗壓強度時出現加速蠕變階段。4 個無煙煤試樣分級加載蠕變全過程的應變-時間曲線如圖2，各級瞬時應變、蠕變應變及蠕變時間等特征數據見表2。由圖2 可知：各煤樣的破壞應力為14.5～16.5 MPa，與煤樣抗壓強度15.21 MPa 相比波動范圍為-4.67%～8.48%；煤樣峰值應變為0.911 0%～1.151 5%，各試件峰值應力及應變波動較小，可進行有效對比分析。

圖2 無煙煤蠕變曲線Fig.2 Creep curves of anthracite specimens

表2 蠕變試驗數據Table 2 Creep test data

3 結果分析與討論

3.1 分級加載速率和應力水平對瞬時應變的影響

在初始軸壓4.5 MPa 的作用下，H1～H4 煤樣的瞬時應變分別為0.437 1%、0.417 7%、0.407 0%和0.389 2%，煤樣此時處于壓密階段，內部微裂隙在外力作用下發生閉合，煤樣瞬時應變與加載速率呈現負相關關系。加載梯度為2.0 MPa 時，不同煤樣的瞬時應變隨應力水平的變化曲線如圖3，不同應力水平下煤樣瞬時應變與分級加載速率的關系如圖4。

圖3 煤樣瞬時應變與應力水平關系Fig.3 Relationship of instantaneous strain and stress level

圖4 煤樣瞬時應變與分級加載速率關系Fig.4 Relationship of instantaneous strain and graded loading rate

從圖3 可以看出，在不同的分級加載速率條件下，H1～H4 煤樣曲線相似，煤樣瞬時應變均隨著應力水平的升高呈現先降低后緩慢升高的趨勢。從圖4 可以看出，在同一應力等級下，煤樣瞬時應變均隨著分級加載速率的升高呈現降低趨勢。

應力水平從4.5 MPa 提升至12.5 MPa，H1～H4煤樣的瞬時應變分別減少至0.101 4%、0.092 9%、0.087 4%和0.080 5%，煤樣瞬時應變呈減小趨勢，且減小趨勢逐漸變緩，煤樣此時處于線彈性階段，并符合同一應力等級下瞬時應變隨分級加載速率增大而減小的規律；應力水平從12.5 MPa 提升至14.5 MPa，H1 ～H4 煤樣的瞬時應變分別增加至0.102 4%、0.096 4%、0.089 9%和0.084 1%，煤樣瞬時應變呈增加趨勢，表明隨著應力持續增大，煤樣內部壓密后出現新的微小裂隙導致應變增加，煤樣此時處于塑性階段，且同一應力等級下分級加載速率越大，瞬時應變越小；應力超過14.5～16.5 MPa 之后，煤樣內部裂隙形成速度增快，密度加大，微裂隙逐漸貫通，煤樣破壞。

試驗結果表明，隨著應力水平的提高，煤樣瞬時應變表現為快速減小—緩慢減小—增加的整體減小趨勢，且在同級應力水平下，分級加載速率越小，瞬時應變越大。這是因為分級加載速率低，達到相同應力水平所需的時間便會增長，煤樣內部便有充足的時間進行自我結構調整，這會直接導致瞬時應變的增大。

3.2 分級加載速率和應力水平對蠕變應變的影響

加載梯度為2.0 MPa 時，不同煤樣的蠕變應變隨應力水平的變化曲線如圖5，不同應力水平下煤樣蠕變應變與分級加載速率的關系如圖6。

圖5 煤樣蠕變應變與應力水平關系Fig.5 Relationship of creep strain and stress level

圖6 煤樣蠕變應變與分級加載速率關系Fig.6 Relationship of creep strain and graded loading rate

從圖5 可以看出，在不同的分級加載速率條件下，H1～H4 煤樣曲線相似，煤樣蠕變應變均隨著應力水平的升高呈現增加趨勢。從圖6 可以看出，在同一應力等級下，煤樣蠕變應變均隨著分級加載速率的升高呈現增加的趨勢，但增加的趨勢逐漸放緩。

從圖5 可以看出，在前2 級應力水平下，隨著應力水平的提高，H1～H4 煤樣蠕變應變均基本保持不變；在6.5～12.5 MPa 應力水平下，隨著應力水平的提高，H1～H4 煤樣的蠕變應變均緩慢增加；在12.5～14.5 MPa 應力水平下，隨著應力水平的提高，H1～H4 煤樣的蠕變應變均快速增加；應力超過14.5～16.5 MPa 之后，煤樣發生蠕變破壞。從整體上來看，當分級加載速率相同時，隨著應力水平的提高，煤樣蠕變應變表現為基本不變—緩慢增加—快速增加的整體增大趨勢。

從表2 可以得出，相較于H1 煤樣在4.5 MPa 應力下的蠕變應變，H2～H4 煤樣相應的蠕變應變分別提高了17.14%、28.57%和34.29%，分級加載速率越大，蠕變應變越大；相較于H1 煤樣在10.5 MPa 應力下的蠕變應變，H2～H4 煤樣相應的蠕變應變分別提高了15.66%、26.51%和31.33%，仍表現為分級加載速率越大，蠕變應變越大；相較于H1 煤樣在14.5 MPa 應力下的蠕變應變，H2～H4 煤樣相應的蠕變應變分別提高了12.20%、18.70%和26.83%，蠕變應變仍隨分級加載速率的增加而變大。

從圖6 可以看出，在同級應力水平下，隨著分級加載速率變大，蠕變應變逐漸增加，但增加的趨勢逐漸放緩，分級加載速率超過0.1 kN/s 之后，對蠕變應變的影響越不敏感。對比4.5、10.5、14.5 MPa 應力水平下H2～H4 煤樣相較H1 的蠕變應變增長量，可以看出隨著應力水平的提高，分級加載速率對蠕變應變的影響逐漸變小，這是由于分級加載時未來得及完成的內部結構調整在蠕變階段完成，分級加載速率越快，蠕變階段調整越多，所以蠕變應變越大，而隨著應力水平的提高，煤體內部越密實，可調整的變形減小，所以分級加載速率的影響減小。

3.3 分級加載速率對蠕變速率的影響

為了研究分級加載速率對蠕變速率的影響，可對不同分級加載速率下同一級蠕變變形進行分析。H1～H4 煤樣各個等級的蠕變速率變化均表現為先急速衰減后逐漸趨于穩定，此處取應力水平為10.5 MPa 時蠕變曲線進行分析。應力水平為10.5 MPa 時不同分級加載速率下蠕變速率隨時間變化關系如圖7，因120 min 后變形基本穩定，蠕變速率變化較小，圖中只顯示120 min 前蠕變速率變化。應力水平為

圖7 不同分級加載速率下煤樣蠕變速率變化曲線Fig.7 Creep rates of coal samples at different loading rates

10.5 MPa 時煤樣最大蠕變速率與分級加載速率關系如圖8。

圖8 煤樣最大蠕變速率與分級加載速率關系Fig.8 Relationship of maximum creep rate and graded loading rate

從圖7 可以看出，隨著時間的進行，蠕變速率的變化可以分為3 個階段：①急速衰減階段：在0～10 min 之 內，H1 ～H4 煤 樣 蠕 變 速 率 分 別 減 小 了86.21%、90.58%、93.48%和95.50%，呈現急劇減小的變化規律；②緩慢衰減階段：在10～60 min 之間，H1～H4 煤樣蠕變速率分別減小了7.88%、5.70%、3.67%和2.06%，呈現緩慢減小的變化規律；③穩定階段：60 min 之后，蠕變速率衰減越來越慢，最終趨于穩定。可以發現，分級加載速率對蠕變速率的衰減快慢影響較大，分級加載速率越快，蠕變速率衰減越快，到達穩定階段所需時間就越短，但無論分級加載速率大小，蠕變速率最終都會到達穩定階段。

H1～H4 煤樣最大蠕變速率分別為0.015 23、0.020 17、0.024 55、0.026 68 mm/min，從圖8 可以看出，最大蠕變速率隨著分級加載速率的變大而增加，但增加的趨勢逐漸平緩，說明分級加載速率超過0.1 kN/s 之后，對最大蠕變速率的影響逐漸減小。

4 結 論

1）隨著應力水平的提高，煤樣瞬時應變表現為快速減小—緩慢減小—增加的整體減小趨勢，且在同級應力水平下，分級加載速率越小，瞬時應變越大。

2）隨著應力水平的提高，煤樣蠕變應變表現為基本不變—緩慢增加—快速增加的整體增大趨勢。當分級加載速率相同時，應力水平越高，蠕變應變越大；當應力水平相同時，分級加載速率越大，蠕變應變越大，但增加的趨勢逐漸放緩，且隨著應力水平的提高，分級加載速率對蠕變應變的影響逐漸變小。

3）蠕變速率的變化過程可分為急速衰減、緩慢衰減和穩定3 個階段。同級應力水平下，分級加載速率越大，最大蠕變速率越大，蠕變速率衰減越快。研究成果對掘進擾動及回采動壓影響下殘采煤柱的穩定性控制具有一定的指導意義和參考價值。