瓦斯壓力對(duì)突出煤層煤樣力學(xué)特征影響規(guī)律的研究

李回貴，王 軍,，李曉龍，高保彬

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

近些年來(lái)，隨著開(kāi)采深度的日益加深，煤炭開(kāi)采需要應(yīng)對(duì)的問(wèn)題也隨之變得復(fù)雜。地應(yīng)力增大、煤與瓦斯突出、頂板冒頂、離層片幫、沖擊地壓等問(wèn)題嚴(yán)重影響到煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)，甚至可能會(huì)影響到國(guó)家煤炭能源的正常供給，這一系列復(fù)雜的問(wèn)題也是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。貴州位于我國(guó)西南地區(qū)，素有“西南煤海”之稱，是西南地區(qū)能源的重要保障基地，煤炭產(chǎn)量位于全國(guó)第五，但是該區(qū)域地質(zhì)條件非常復(fù)雜，近年來(lái)煤礦事故發(fā)生率位居全國(guó)前列，尤其以煤與瓦斯突出、透水和頂板事故為主。其中，煤與瓦斯突出的發(fā)生主要與煤層所處的地應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力及煤巖物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。因此，研究瓦斯壓力對(duì)突出煤層力學(xué)特征的影響規(guī)律，有助于進(jìn)一步了解該地區(qū)煤與瓦斯突出過(guò)程中煤層力學(xué)特征的變化規(guī)律，具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值[4-6]。

近年來(lái)，瓦斯在煤巖體受載過(guò)程中表現(xiàn)出的力學(xué)響應(yīng)特征、變形特征、滲透率變化規(guī)律等已成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。李祥春等[7]研究了不同瓦斯壓力下煤巖三軸加載時(shí)蠕變規(guī)律，研究表明軸向應(yīng)變與瓦斯壓力呈正相關(guān)關(guān)系；祝捷等[8]以開(kāi)灤趙各莊煤礦9號(hào)煤層煤樣為研究對(duì)象，對(duì)含瓦斯煤滲透率進(jìn)行了研究，研究表明滲透率隨瓦斯壓力增大呈現(xiàn)逐漸增大和先減小后增大兩種規(guī)律；趙華天[9]對(duì)滲流規(guī)律進(jìn)行了研究，研究表明隨圍壓增大煤樣三軸抗壓強(qiáng)度呈線性增大的趨勢(shì)，在相同軸向載荷作用下，煤樣所受?chē)鷫涸酱螅瑵B透率則越小；高保彬等[10]對(duì)不同瓦斯壓力下煤巖力學(xué)性質(zhì)及聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著瓦斯壓力的增大，煤樣的峰值強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度及彈性模量降低，泊松比增大；高保彬[11]、楊丹等[12]研究了瓦斯壓力對(duì)煤樣沖擊傾向性的影響，結(jié)果表明隨著瓦斯壓力的增大，煤樣所含能量降低，瓦斯會(huì)影響煤樣的力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致彈性模量、抗壓強(qiáng)度、沖擊能指數(shù)下降且煤樣由脆性向延性轉(zhuǎn)變；王祖洸等[13]在單軸壓縮條件下對(duì)含瓦斯煤樣力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，研究表明隨著瓦斯壓力的逐漸增大，煤的抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低；吳強(qiáng)等[14]探究了不同圍壓條件下含瓦斯氣體及水合物煤體的力學(xué)性質(zhì)，研究表明隨著圍壓增加，煤樣的應(yīng)力—應(yīng)變呈現(xiàn)由軟化向硬化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。除此之外，還有學(xué)者對(duì)含瓦斯煤巖在不同溫度、含水狀態(tài)、粒徑大小等條件下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究[15-24]，研究表明溫度、含水狀態(tài)、粒徑、加載路徑和瓦斯等因素對(duì)煤巖的力學(xué)特性有很大影響，并可能因此引發(fā)沖擊地壓、瓦斯突出等災(zāi)害。

通過(guò)總結(jié)前人的研究成果后發(fā)現(xiàn)，目前研究含瓦斯煤巖的力學(xué)特征大都是基于三軸條件下開(kāi)展的，但對(duì)煤與瓦斯突出事故發(fā)生時(shí)三軸狀態(tài)的研究相對(duì)較少。鑒于此，筆者自行設(shè)計(jì)了1套含瓦斯煤巖單軸壓縮試驗(yàn)裝置，并利用該裝置結(jié)合RMT-150C力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)瓦斯壓力為0、0.5、1.0、1.5和2.0 MPa的煤樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析含瓦斯煤巖的力學(xué)特征及破壞特征，以期找出影響規(guī)律。

1 煤巖單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了研究不同瓦斯壓力條件下的煤巖力學(xué)性質(zhì)，筆者設(shè)計(jì)了1套含瓦斯單軸壓縮煤巖破壞試驗(yàn)裝置，該裝置搭載真空泵及供氣系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、伺服控制加載系統(tǒng)。單軸壓縮試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—上壓頭；2—頂蓋；3—密封艙；4—進(jìn)氣閥；5—排氣閥；6—抽真空泵；7—瓦斯氣罐；8—試驗(yàn)控制中心。圖1 含瓦斯煤巖的單軸壓縮試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 煤樣制備

試樣采集于貴州省大西南礦業(yè)有限公司貴源煤礦2號(hào)井9#煤層，該煤層為煤與瓦斯突出煤層，根據(jù)GB/T 23561.7—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》的要求[25]制備煤樣，在單軸壓縮試驗(yàn)中每組加工3個(gè)煤樣，如圖2所示。煤樣的基本參數(shù)如表1所示。

圖2 部分成型煤樣

表1 煤樣基本參數(shù)測(cè)定結(jié)果

1.2.2 試驗(yàn)方法及步驟

1)將加工好的煤樣分為A、B、C、D、E 5組，每組3個(gè)，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)并記錄各煤樣的直徑、質(zhì)量、高度、密度等原始物理數(shù)據(jù)。A、B、C、D、E 5組煤樣的瓦斯壓力分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。

2)檢查試驗(yàn)裝置的氣密性，將煤樣放入試驗(yàn)裝置內(nèi)，然后將裝置密封好置于RMT-150C力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上。用導(dǎo)氣管連接瓦斯氣罐和進(jìn)氣閥，對(duì)裝置進(jìn)行充氣，直至其內(nèi)部瓦斯壓力達(dá)到0.5 MPa，保持0.5 MPa瓦斯壓力12 h。然后，打開(kāi)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中采用位移控制方式，加載速率為0.05 mm/s。試驗(yàn)結(jié)束后打開(kāi)排氣閥，排空瓦斯氣體，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟，完成B2、B3煤樣的試驗(yàn)。

3)依次將瓦斯壓力設(shè)置為1.0、1.5和2.0 MPa，重復(fù)步驟2)完成C1～E3煤樣的試驗(yàn)。

2 煤樣在不同瓦斯壓力條件下的力學(xué)性質(zhì)

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同瓦斯壓力條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3所示。

(a)瓦斯壓力0 MPa

由圖3可以看出，不同瓦斯壓力條件下煤樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線基本可以劃分為4個(gè)階段：初始?jí)好茈A段(OA)、線彈性階段(AB)、塑性變形破壞階段(BC)、峰后破壞階段(CD)。

1)初始?jí)好茈A段(OA)。隨著瓦斯壓力逐漸增大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線上凹現(xiàn)象越來(lái)越不明顯，并且大部分試樣出現(xiàn)了應(yīng)變發(fā)生量很小、應(yīng)力上升很快的現(xiàn)象，這是由于缸體內(nèi)的瓦斯壓力造成的。

2)線彈性階段(AB)。隨著瓦斯壓力逐漸增大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線直線段的長(zhǎng)度逐漸減小，并且直線段的斜率也逐漸減小。這說(shuō)明煤樣內(nèi)部瓦斯壓力的存在會(huì)導(dǎo)致其彈性模量逐漸減小，煤樣發(fā)生變形所需要的應(yīng)力會(huì)減小，對(duì)煤與瓦斯突出事故的發(fā)生有促進(jìn)作用。

3)塑性變形破壞階段(BC)。煤樣內(nèi)部的大量微裂隙快速匯集貫通形成宏觀破裂面，出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象，部分試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線出現(xiàn)小突變。但是隨著瓦斯壓力逐漸增大，這種小突變現(xiàn)象逐漸消失，峰值應(yīng)力附近曲線更加光滑。

4)峰后破壞階段(CD)。此階段不含瓦斯煤樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降很快；含瓦斯煤樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降相對(duì)較慢，峰值應(yīng)力之后依然存在一定的承載力。

2.2 瓦斯壓力對(duì)含瓦斯煤樣峰值應(yīng)力的影響規(guī)律

煤樣峰值應(yīng)力隨瓦斯壓力的變化曲線如圖4所示。煤樣力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果如表2所示。

圖4 煤樣峰值應(yīng)力隨瓦斯壓力的變化曲線

表2 煤樣力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

由圖3、圖4及表2可知，隨著瓦斯壓力的增大，含瓦斯煤巖的抗壓強(qiáng)度逐步降低，由脆性向延性轉(zhuǎn)變。當(dāng)瓦斯壓力為0.5 MPa時(shí)，B組煤樣的平均抗壓強(qiáng)度為19.37 MPa，與A組煤樣的平均抗壓強(qiáng)度24.37 MPa相比，下降了20.52%；當(dāng)瓦斯壓力為1.0 MPa時(shí)，C組煤樣的平均抗壓強(qiáng)度為12.78 MPa，與A組煤樣相比下降了47.56%，與B組煤樣相比下降了34.02%；繼續(xù)加大瓦斯壓力至1.5 MPa時(shí)，D組煤樣的平均抗壓強(qiáng)度為10.40 MPa，與A組煤樣相比下降了57.32%，與B組煤樣相比下降了46.31%；當(dāng)加大瓦斯壓力至2.0 MPa時(shí)，E組試樣的平均抗壓強(qiáng)度為7.35 MPa，與A組煤樣相比下降了約69.84%，與B組煤樣相比下降了約62.05%。

2.3 瓦斯壓力對(duì)含瓦斯煤樣彈性模量的影響規(guī)律

煤樣彈性模量與瓦斯壓力的關(guān)系如圖5所示。

圖5 煤樣彈性模量隨瓦斯壓力的變化曲線

結(jié)合圖5和表2可以看出，煤樣彈性模量隨著瓦斯壓力的增大而逐漸減小，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。不含瓦斯煤樣的彈性模量為3.088～3.577 GPa，平均為3.388 GPa；瓦斯壓力為0.5 MPa的B組煤樣的平均彈性模量為3.359 GPa，較瓦斯壓力為0 MPa情況下降了0.86%；瓦斯壓力為1.0 MPa的C組煤樣的平均彈性模量為2.614 GPa，較瓦斯壓力為0、0.5 MPa時(shí)分別下降了22.85%、22.18%；當(dāng)煤樣瓦斯壓力增加至1.5 MPa時(shí)，D組煤樣平均彈性模量為2.124 GPa，較瓦斯壓力為0、0.5、1.0 MPa時(shí)，分別下降了37.31%、36.77%、18.75%；當(dāng)瓦斯壓力增加至2.0 MPa時(shí)，E組煤樣的平均彈性模量為1.143 GPa，較瓦斯壓力為0、0.5、1.0、1.5 MPa時(shí)，分別下降了66.26%、65.97%、56.27%、46.19%。分析表明，瓦斯壓力的存在導(dǎo)致煤樣抵抗外力變形的能力變差，當(dāng)瓦斯壓力增大至1.0 MPa以上時(shí)容易導(dǎo)致煤與瓦斯突出。

3 不同瓦斯壓力條件下煤樣破壞形式

不同瓦斯壓力條件下煤樣的破壞特征圖如6所示。

(a)瓦斯壓力0 MPa

從圖6可以看出，不含瓦斯煤樣破壞時(shí)出現(xiàn)的裂紋相對(duì)單一，基本上以一條主裂紋為主，并且裂紋呈豎直狀態(tài)，以拉伸破壞為主；含瓦斯煤樣破壞時(shí)出現(xiàn)的裂紋相對(duì)較多，主裂紋上存在多條縱向裂紋，部分煤樣破壞相當(dāng)嚴(yán)重，形成了較大的破壞面，部分煤體脫落或爆裂，并且隨著瓦斯壓力的逐漸增大，這種煤體脫落和爆裂的現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。分析表明，在高瓦斯壓力下，煤巖的破壞會(huì)更加嚴(yán)重；破壞過(guò)程存在拉伸和剪切作用，且兩種作用較強(qiáng)。這主要是因?yàn)樵诿簬r體破壞過(guò)程中，瓦斯壓力越大，瓦斯氣體使煤巖體破壞時(shí)形成裂紋的拉應(yīng)力也越大，會(huì)加速煤巖體的破壞過(guò)程并使煤巖破壞程度加劇。

4 結(jié)論

1)煤巖的峰值應(yīng)力、彈性模量與瓦斯壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。瓦斯壓力的存在導(dǎo)致煤樣抵抗外力變形的能力變差；當(dāng)瓦斯壓力增大至1.0 MPa以上時(shí)容易導(dǎo)致煤與瓦斯突出。

2)隨著瓦斯壓力逐漸增大，含瓦斯煤巖破壞過(guò)程受拉伸和剪切作用，會(huì)加速煤巖破壞，破壞程度加劇。

3)煤巖隨著瓦斯壓力的增大由脆性向延性轉(zhuǎn)變，其彈性能也隨之降低，致使含瓦斯煤巖的沖擊性降低。