單軸壓縮條件下不同含水率煤體裂紋擴展及破壞模式研究

盧衛永， 劉琦， 屈麗娜， 張海軍

（1. 呂梁學院 礦業工程系，山西 呂梁 033001；2. 呂梁市智慧煤礦工程技術研究中心,山西 呂梁 033001；3. 中原工學院 能源與環境學院，河南 鄭州 451191；4. 山西煤炭運銷集團錦瑞煤業有限公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著淺部煤炭資源枯竭，深井開采勢在必行。深部煤層賦存條件復雜多變，煤體呈現出大變形、強流變等失穩現象，導致煤巖動力災害愈發頻繁，不僅造成煤炭資源嚴重損失，也威脅煤礦井下安全生產[1]。水分是煤體內固有成分，在煤礦生產過程中由于覆巖移動及結構斷裂的變化，導致含水層內水分經導水裂隙帶流入煤層后引起煤體含水量增加，而水分的侵入勢必造成煤巖微觀結構及宏觀性能發生改變，一定程度上造成煤巖整體結構損傷弱化，從而加劇了煤與瓦斯突出的危險性；同時水分的侵入會對煤體孔裂隙內的瓦斯氣體產生驅替作用，造成鉆孔積水，為瓦斯壓力測定、鉆孔瓦斯抽采等防治措施帶來技術難題[2-3]。因此，深入研究水分侵入對煤體力學性質的影響機制，對于礦井瓦斯防治、深井安全開采具有重要的現實意義。

目前，眾多學者開展了大量關于含水煤體力學性質方面的研究。來興平等[4]研究了含水煤巖體損傷演化過程中能量釋放規律，發現含水率越高，煤體失穩過程中發育的裂隙數就越多，且煤巖體破壞組合形式更為復雜。王凱等[5]開展了不同含水率原煤和型煤試樣的單軸壓縮試驗，對比探討了2種煤樣應力-應變曲線特征及宏觀破壞結果，建立了考慮含水率的煤體分段式損傷本構模型。陳春諫等[6]重點分析了不同含水率型煤加載過程中聲發射振鈴計數變化，結果表明煤體內含水率的增加顯著降低了聲發射幅值，且濕煤樣累計振鈴計數變化趨勢相對滯后于干燥煤樣。秦虎等[7]通過對比干燥煤樣和濕煤樣加載過程中聲發射變化規律，發現濕煤樣內部損傷演化與聲發射響應之間存在良好的對應關系。Wang Shen等[8]開展了自然飽水狀態和強壓飽水狀態下無煙煤三軸壓縮試驗，結果表明煤中含水率與抗壓強度呈負線性關系，而與彈性模量呈負指數關系，并且在強制含水飽和處理下，煤體宏觀破壞形態由脆性破壞向延性破壞模式轉變。李波波等[9]通過對不同含水率煤體開展三軸壓縮試驗，提出了一種能夠描述煤巖失穩破壞過程的損傷變量，并構建了水-力耦合作用下煤巖分段損傷本構模型。王文等[10]研究了動靜組合加載條件下含水煤樣力學性質變化差異，結果表明水分侵入加劇了煤體內裂隙發育演化，并且裂隙擴展模式的差異是導致煤體宏觀強度變化的本質原因。此外，也有學者基于聲發射監測技術研究含水煤樣失穩過程中的能量變化。馮國瑞等[11]發現含水率的增加會提高煤體軟化特性并削弱煤體脆性特征，其聲發射能率表現為“平靜-激增-衰減”的階段性變化，并且煤體的宏觀破壞由剪切向拉張破壞模式轉變。李高陽[12]重點分析了水浸泡時間對煤巖體單軸壓縮過程中聲發射參數的影響，結果表明聲發射幅度與載荷呈正比，與水浸泡時間呈反比。Chen Tian等[13]通過開展不同加載速率條件下含水煤巖體力學特性試驗及聲發射監測，準確預測了煤巖體在裂隙閉合、裂隙萌生和裂紋損傷階段的聲發射累計計數變化。

以往研究多集中于含水煤體力學性質，而不同含水率下煤體裂紋擴展規律及破壞模式有待深入研究。因此，本文在前人研究基礎上，通過開展飽水試驗分析煤樣含水率與飽水時間的關系，獲取4個關鍵飽水時間節點，并對該條件下4組不同含水率煤樣開展單軸壓縮試驗及聲發射監測，對比分析水分侵入對煤體宏觀力學性能的影響，依據聲發射振鈴計數變化探討不同含水率煤體裂紋擴展及破壞模式的轉化機制，揭示含水煤體在加載過程中的能量演化規律，以期為含水煤巖穩定性控制及礦井瓦斯災害防治提供借鑒。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

為研究水分侵入對煤體裂紋擴展和破壞模式的影響，本文開展不同含水率條件下煤樣單軸壓縮試驗及聲發射監測，試驗方案如圖1所示。試驗所用煤樣取自山西柳林某礦井下9號煤層掘進工作面，煤層埋深為540 m，煤種為無煙煤，煤樣基本力學參數測試結果見表1。首先，將采集的煤樣加工成直徑為50 mm、高為100 mm的標準圓柱形試樣。然后，將制備的原煤試樣進行飽水處理，選取4種不同含水率煤樣備用。最后，利用RMT-150C巖石力學試驗系統對不同含水率煤樣開展單軸壓縮試驗，采用位移加載方式，加載速率為0.002 mm/s；在煤樣加載過程中，配套采用DS5-8B全信息聲發射信號分析儀進行全程監測。

圖 1 試驗方案Fig. 1 Experimental scheme

表 1 煤樣基本力學參數Table 1 Basic mechanics parameters of coal samples

1.2 煤樣飽水處理

將制備好的煤樣置于恒溫干燥箱內，在105 °C條件下進行干燥處理，直至煤樣質量保持穩定后記錄干燥煤樣質量。為避免原煤試樣中殘留水分對試驗結果的影響，預留3個干燥煤樣作為對比。將其余干燥煤樣放置于密閉飽水容器中，采用真空抽氣方式對煤樣進行飽水處理，試驗期間每隔1 h對煤樣稱重1次，記錄煤樣質量變化，直至煤樣完全飽和。煤樣的含水率由重量分析法測定，即

式中：w為煤樣含水率，%；mS為不同飽水時間下濕煤樣質量，g；mD為干燥煤樣質量，g。

2 試驗結果

2.1 煤樣含水率變化分析

不同飽水時間下分別取3個煤樣計算煤樣含水率平均值，得到煤樣含水率變化曲線，如圖2所示。可看出在飽水初期3 h內，煤樣含水率快速增加至6.78%；在其后的8 h內煤樣含水率增長相對緩慢，由6.78%增加至9.83%；當煤樣飽水時間大于14 h后，煤樣含水率基本趨于穩定，最終達11.03%。通過對試驗數據進行回歸分析，可以發現煤樣含水率與飽水時間呈非線性增長趨勢，符合負指數分布變化。由此可將煤樣含水率變化過程分為飽和加速階段、飽和減速階段、飽和穩定階段。因此，分別從以上3個階段內選取濕煤樣開展單軸壓縮試驗及聲發射監測，并選用干燥煤樣作為對比。

圖 2 煤樣含水率變化曲線Fig. 2 Change curves of coal samples moisture content

圖 3 不同含水率煤樣應力-應變曲線Fig. 3 Stress-strain curves of coal samples with different moisture content

2.2 不同含水率煤樣單軸壓縮試驗結果對比

不同含水率煤樣單軸壓縮試驗結果見表2。

表 2 不同含水率煤樣單軸壓縮試驗結果Table 2 Uniaxial compression test results of coal samples with different moisture content

從表2可看出，隨著煤樣內含水率增加，煤體單軸抗壓強度與彈性模量均不斷降低，而煤體應變則逐漸增加；煤樣由干燥狀態到飽水狀態時，其平均單軸抗壓強度由20.75 MPa降低至13.83 MPa，平均彈性模量由1.82 GPa減小至1.33 GPa，煤體應變由1.37%增加至1.55%。結果表明，煤樣內水分的侵入會導致煤體宏觀力學強度降低，并減小了煤體彈性模量，削弱了煤體抵抗變形的能力；同時，煤體應變的增加說明水分侵入在一定程度上提高了煤體塑性變形能力。

2.3 不同含水率煤樣應力-應變特征分析

不同含水率煤樣應力-應變曲線如圖3所示，根據曲線變化特征可將煤樣加載過程劃分為4個階段：壓密階段（ Ⅰ ）、彈性階段（Ⅱ）、屈服階段（Ⅲ）和峰后階段（Ⅳ）。干燥狀態下煤樣A-1在加載過程中呈現出典型的脆性特征，即達到峰值應力前煤樣軸向變形量較小，而彈性階段相對較大，當達到峰值后應力迅速下降。隨著含水率增加，煤樣B-1，C-1，D-1在壓密階段內軸向變形量顯著增加，而彈性階段變化范圍有所減小，且屈服階段內曲線波動變大，在峰后階段內煤體應力下降速率逐漸平緩；特別對于煤樣D-1，在峰后階段內應力-應變曲線出現雙峰結構，表現出明顯的延性破壞特征。以上結果表明，干燥煤樣整體結構相對穩定，抵抗變形能力較強，當煤樣達到極限強度后隨即破裂，幾乎不存在承載能力。然而，水分的侵入加劇了煤體在外力作用下的內部損傷，一定程度上削弱了煤體宏觀力學強度，但也增加了煤體變形量。因此，含水率的增加會弱化煤體典型的脆性特征，煤體塑性變形卻更加顯著。

2.4 不同含水率煤樣破壞模式分析

不同含水率煤樣破壞模式如圖4所示。可看出干燥煤樣A-1的破壞是由于1個主導裂紋的快速產生而導致煤樣整體發生劈裂破壞，并且該主導裂紋貫穿整個煤樣上下兩端，導致煤體在峰后階段承載能力迅速下降。隨著含水率增加，煤樣表面產生的裂隙數量相應增多，如煤樣B-1表現出張拉破壞與剪切滑移的組合破壞特征。隨著煤體內水分繼續增加，煤樣C-1表面未出現明顯的劈裂面，而是由1條剪切滑移裂紋的產生導致煤樣整體失穩破壞。特別對于煤樣D-1，在加載過程中煤樣中部環向變形量顯著大于兩端變形量，煤樣塑性特征更為顯著，在1條主導剪切裂紋產生的同時，伴隨著數條拉張裂紋的共同發育，呈現出明顯的剪切-拉張組合破壞特征。上述試驗結果產生的原因：一方面，由于煤體內水分的增加會削弱煤體裂隙面晶體顆粒之間的相互摩擦，導致煤體彈性模量降低，所以煤樣發生整體劈裂的概率隨之減小；另一方面，水分的侵入會導致煤中有機組分發生水解，減小了煤體結構面黏聚力與內摩擦角，從而改變其微觀結構及力學性能，導致含水煤樣的失穩呈現出組合型破壞特征。由試驗結果可以看出，相對于干燥煤樣，隨著煤體內水分的增加，含水煤樣更容易發生剪切破壞，并且含水煤樣在峰后階段由于剪切面之間的再次咬合仍呈現出一定的承載能力。

圖 4 不同含水率煤樣破壞模式Fig. 4 Failure modes of coal samples with different moisture content

圖 5 不同含水率煤樣應力和累計振鈴計數隨時間變化曲線Fig. 5 Change curve with the time of stress and cumulative ring count of coal samples with different moisture content

2.5 不同含水率煤樣聲發射結果分析

聲發射振鈴計數可反映煤樣加載過程中破裂程度的變化。不同含水率煤樣在單軸壓縮過程中應力和累計振鈴計數隨時間變化曲線如圖5所示。與煤體應力-應變曲線變化趨勢相似，聲發射累計振鈴計數隨時間和載荷的增加而增長。在壓密階段，不同含水率煤樣主要表現為內部孔裂隙閉合，聲發射活動信號相對有限，因而累計振鈴計數增加幅度也相對較小。在彈性階段，累計振鈴計數隨著載荷增加幾乎呈線性增長趨勢，表明煤體在彈性變形過程中應變能的釋放持續加大。在屈服階段，隨著載荷增加，不同含水率煤樣累計振鈴計數均發生不同程度增加，呈冪函數變化規律，說明屈服階段內煤樣內部發育大量新生裂隙，并且伴隨著新生裂隙的擴展、貫通，最終在峰后階段內導致煤樣整體失穩破壞。

受載煤體內部能量演化與聲發射響應特征密切相關，在單軸壓縮條件下，含水煤樣內部能量變化一部分以彈性能儲存于煤體內部，在抵抗變形破壞方面起到了重要作用；另一部分能量伴隨著煤體裂隙的發育進行釋放，主要反映了煤巖內部細微觀結構損傷、強度衰減的過程[14-16]。不同含水率煤樣累計振鈴計數對比曲線如圖6所示。可看出隨著含水率增加，煤樣在加載過程中累計振鈴計數卻逐漸減少，這是因為水分侵入會填充煤體內部大量孔隙，削弱裂隙面晶體顆粒之間的摩擦，從而降低了煤體宏觀力學強度。在加載初期階段，累計振鈴計數曲線斜率隨含水率增加而增大，這表明在相同應力條件下，含水率越高的煤樣釋放的總能量越大，同時水分侵入也減小了煤體表面活性能，導致煤樣在受載過程中發育新生裂隙的數量也逐漸增多，聲發射振鈴計數也迅速增加。對于干燥煤樣，由于其脆性特征明顯，在峰值應力前彈性變形量較小，相應地聲發射累計振鈴計數也相對較少，當達到峰值應力時干燥煤樣則迅速釋放出大量能量，此時煤樣內的裂隙大量匯合并快速演化為宏觀裂紋，導致干燥煤樣發生瞬時破壞與坍塌。

圖 6 不同含水率煤樣累計振鈴計數對比曲線Fig. 6 Comparison curves of cumulative ringing counts of coal samples with different moisture content

3 結論

（1） 不同含水率煤樣單軸壓縮試驗結果及應力-應變曲線表明，煤體內水分的增加導致煤樣宏觀力學強度及彈性模量降低，煤體塑性變形特征更為顯著，且峰后階段內應力-應變曲線波動較大。

（2） 干燥煤樣的破壞主要表現為劈裂破壞。隨著含水率增加，煤體加載過程中裂隙發育數量顯著增加，多以剪切裂紋與拉張裂紋的組合形式出現，煤體破裂形態則由典型的脆性破壞向剪切-拉張組合破壞模式轉變。

（3） 聲發射監測結果表明，隨著含水率增加，煤樣累計振鈴計數減少，表明水分侵入會降低煤體裂隙發育時的能量釋放；但累計振鈴計數曲線斜率隨含水率增加而增大的變化規律則反映出水分的侵入加劇了煤體內部結構損傷弱化，導致加載過程中煤樣新生裂紋的數量相應增多。