煤巖層理結構對單軸力學特性影響研究

鄭光

（山東能源集團兗礦能源集團股份有限公司石拉烏素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017299）

0 引言

隨著采煤深度越來越深，地溫越來越高，地溫的升高給煤礦帶來兩個方面的問題[1]：一是發生煤自燃問題，會對周圍煤體力學性質造成影響[2]；二是深部煤層抽采鉆孔所處的環境較淺部煤層有較大的不同，其中主要包括深部煤層抽采鉆孔所處初始煤層溫度高，深部抽采鉆孔再抽采過程中，氧氣容易進入封堵段周圍破碎煤體，從而為鉆孔周圍破碎煤體長時間氧化反應引起自燃創造條件，鉆孔周圍煤自燃會引起鉆孔暫停抽采，延誤煤礦的正常開采，甚至造成抽采管路內瓦斯爆炸，給井下人員帶來重大的安全隱患，造成巨大的經濟損傷?，F今。高溫對臨近未發火煤的力學特性研究較少，研究高溫對煤體力學特性的影響十分必要。

馬占國等[3]完成了溫度對煤力學特性影響的試驗研究，得到了不同溫度下煤的應力-應變關系，分析了溫度對煤的抗壓強度和彈性模量的影響；解北京[4]進行了層理煤巖SHPB沖擊破壞動態力學特性實驗，研究了層理對煤巖動態力學破壞特征的影響；于鑫等[5]揭示高溫下和高溫后致密砂巖單軸抗壓強度的不同變化規律；張龍等[6]研究了高溫對軟巖的強度、彈性模量的影響；劉石等[7]通過單軸壓縮試驗，對經歷不同溫度下測量大理石的縱波波速、抗壓強度、破壞形態以及損傷特性隨溫度的變化規律進行了研究；趙洪寶等[8]進行了不同溫度下含瓦斯煤巖單軸壓縮力學試驗研究；王登科等[9]對溫度沖擊前后煤的孔隙裂隙結構的演化發展進行了聯合表征，定性定量的分析了煤層的裂隙寬度變化，并統計分析了溫度沖擊前后煤層中孔隙的比表面積和孔徑變化；查文華等[10]對經歷不同溫度的煤系泥巖的力學型鋼進行試驗研究，分析不同溫度下泥巖的應力-應變全過程曲線、峰值應變、彈性模量、變形模量以及泊松比受溫度的影響。

國內外學者煤的物理力學特性展開了一系列研究，但深部煤巖在高溫條件下物理力學特性研究少有報道，因此研究高溫對深部煤巖力學特性影響因素研究具有極其重要的作用，研究結果對深部煤層鉆孔發火后煤巖的動力災害防治具有一定的指導意義。

1 試驗設備及方案

1.1 煤樣制備及煤樣分類

試驗煤樣取自平煤股份十礦24100工作面，該面埋深超過1 000 m屬于深部煤層，取回來的煤塊層理發育良好，如圖1所示。根據巖石常規力學性能（將煤樣加工成φ50 mm×100 mm的標準圓柱體，表面平行度＜0.05 mm,端面粗糙度＜0.02 mm）將煤塊制作成標準試件。

圖1 制取煤樣及篩選煤樣

煤內部原生裂隙結構對于煤力學特性有很大的影響，導致在研究過程中可變因素很多，得出的結果往往差強人意，具有不確定性和不具有說服性。在進行平行試驗時，往往需要煤樣試件盡可能的保持一致。如圖4所示，根據各個煤樣的宏觀特征，結合非金屬超聲波測出煤樣聲速、聲時以及波幅篩選出試驗所需要的煤樣試件。

1.2 試驗設備及加載方式

在準備做實驗前2 d，將所有實驗煤樣置于相同環境下進行保存。在做實驗過程中，設定電熱鼓風干燥箱溫度值，實驗過程中，將實驗煤樣試件持續加熱2 h，之后冷卻煤樣至室溫；當煤樣冷卻到室溫條件后，將煤樣放置于恒溫箱中保存。

如圖2所示。實驗過程中，試驗由2人對系統進行操控，首先將萬能試驗機軟件控制系統設定加載位移參數0.1 mm/min，使加載系統對煤樣進行加載，然后1人負責三維掃描控制系統，根據萬能試驗機軟件界面上位移加載數值進行掃描，每隔0.1 mm使用三維掃描系統對試樣進行掃描，獲得煤試件的點云圖像，保存一次數據。通過電子萬能試驗機控制系統進行實時同步連續采樣、存儲，自動、完整地記錄試件受力與變形的全過程；時刻觀察煤樣破壞情況以及計算機屏幕上應力應變曲線，直至煤樣被破壞，停止試驗，然后保存數據；根據所測數據，結合研究目的，總結規律。

圖2 微機電液伺服材料試驗機

2 煤樣原生結構對煤巖力學特性影響

2.1 深部礦井裂隙不同煤巖受力破壞情況

按照平煤十礦地溫梯度，根據煤樣開采深度進行推算，煤樣所處環境溫度50℃左右（設定常溫條件）。再進行不同熱沖擊對煤樣物理力學特性影響試驗研究時，必須考慮到煤樣試件結構近乎一致，才能減少原生結構對研究結果的擾動程度，因此，選取了層理一致，裂隙、孔隙發育不同的2個煤樣進行分析。所選煤樣分別為MY14、MY21。對2個煤樣試件進行同溫度50℃處理。

MY14、MY21端面、側面均存在一條明顯裂縫，由圖4（a）、4（b）可以看出，煤樣破壞均呈現沿節理和裂隙面進行破壞，沿軸向剪切破壞。煤樣破壞狀態為1～2條主要的剪切裂隙貫通整個煤樣，使其劈裂成2～3個部分，各部分完整性較高，試件整體光滑，次要裂紋分布較少，能量的釋放較為集中。由煤樣MY14、21破壞后截面進行對比，煤樣MY14的致密性要好于MY21。

由圖5可知，峰值強度之前，峰前MY14積蓄能量到峰值軸向位移量、軸向總應變要小于MY21，結合破壞后內部截面圖可以看出，MY14致密性要好于MY21。而且MY14的單軸抗壓強度要大于MY21的單軸抗壓強度。MY14峰后曲線下降速度呈現垂直跌落，MY21峰值之后出現曲線反復交替、臺階式降落，下降速度減慢，位移量要大于MY14,表現出塑性破壞特征。綜合得出MY14的力學特性要大于MY21。

圖4 裂隙破壞圖

圖5 裂隙不同煤樣應力-應變曲線圖

因此，得出煤原生裂隙、孔隙對煤巖力學特性的影響程度較大，當煤樣孔隙率小、裂隙發育程度不高的情況下，煤巖的物理力學性能較大。

2.2 深部礦井層理對煤破壞變形特征

2.2.1 深部礦井層理方向不同煤樣破壞變形特征

層理面是一種弱面結構，層理面發育越好，煤巖的整體性越差，當受到外力作用后，煤巖很容易巖弱面進行斷裂和破壞，不同層理的煤樣抵抗外界的能力是不同的，層理面結構會顯著影響煤樣力學特性。設定溫度為100℃。由圖6所示，對煤樣層理方向進行了角度測量，得到MY34、35、6、8、10、11的層理發育角度分別為88°、83°、46°、50°、50°、66°。觀察試驗后的煤樣破壞特征對分析煤的破壞機理有重要的意義。

圖6 傾斜層理煤樣破壞特征

如圖6所示，無論傾斜層理煤樣還是近似垂直層理煤樣，其破壞類型均為軸向貫通破裂。近似垂直層理煤樣MY34的破壞程度要比傾斜層理煤樣的破壞程度要大，產生的裂隙會更多，主要以劈裂破壞為主，煤樣中部出現擠壓脹裂，出現多條裂紋以及碎片塊，而傾斜層理煤樣主要以剪切破壞為主，破裂面沿層理方向和軟弱面剪切滑移形成宏觀破壞。

2.2.2 同一溫度下煤的力學抗壓強度離散性分析

實驗過程中，通過對篩選煤樣進行加載試驗，發現實驗煤樣在同一溫度100℃處理后其峰值破壞強度值具有很大的離散性，結果如圖7所示。傾斜層理煤樣MY6、8、10其峰值破壞強度收斂性較好，3塊煤樣的峰值破壞強度分別為6.4、6.2、6.3 MPa,平均峰值破壞強度為6.3 MPa；峰值破壞力分別為12.52、12.04、12.45 kN,平均峰值破壞力12.34 kN。MY11峰值抗壓強度為11.9 MPa，峰值破壞力為23.04 kN。

近似垂直煤樣MY34、35其峰值破壞強度值比較發散，煤樣的峰值破壞強度分別為15.9、13.4 MPa,平均峰值破壞強度為14.65 MPa；峰值破壞力分別為28.99、24.35 kN,平均峰值破壞力為26.67 kN。綜述可以得出，傾斜層理煤層的峰值破壞強度總體上要小于垂直層理煤層的峰值破壞強度。根據圖7所示，煤樣峰值抗壓強度隨著層理角度的逐漸增大其值也在不斷增大。

基于此原因，在做不同溫度對煤抗壓強度影響研究實驗時，篩選煤樣必須嚴格考慮到層理對煤力學特性的影響，盡可能減小層理角度對實驗結果造成的較大偏差。

圖7 相同溫度下不同層理煤樣應力應變曲線

2.2.3 同一溫度下不同層理煤破壞規律分析

由圖7可示，可以得出如下結論：

以做的試件為例。軸向應力作用于層理煤樣，可以分解為2個方向的作用力:一是沿層理方向，另一個是垂直于層理方向，隨著層理方向角度的不斷增大，沿層理方向的分力會越來越大，近似垂直層理煤樣受到的沿層理方向的力近乎等于軸向應力，剪切滑移現象減少了。

煤樣MY34、35層理角度接近90°時，軸向加載方向與層理方向一致，這時煤樣與巖石強度相近，與層理結構的弱面無關。破壞形式為壓剪破壞，煤樣中部出現擠壓脹裂，煤樣碎屑增多，脆性較大，這種破碎形式使得能量耗散特別快；煤樣峰值強度均較大，峰前積蓄的彈性應變能多，峰后曲線呈現近似垂直跌落，出現煤樣碎屑增多的原因是煤樣積聚的彈性能突然在極小變形情況下，瞬時釋放轉化為動能，使得煤樣發生嚴重的破壞，力學特性極強。

煤樣MY6、8、10、11層理角度介于60°左右時，受軸向應力作用煤樣破壞為沿原有層理方向，肉眼可見層理弱面裂縫寬度顯著增加；相較于垂直層理方向煤樣抗壓強度較小，峰值前積蓄能量較小，因為在峰值之前，出現了應力下降段的原因為剪切滑移導致的，軸向壓力超過了層理面的粘結力和摩擦力，煤樣內部能量由于層理面的破壞出現能量釋放；峰后應力應變曲線呈現臺階式下降趨勢，究其原因是煤樣發生塑性破壞，導致耗散能量增加，破壞時間增長，單位時間釋放的能量較小，物理力學特性變低，這種臺階式下降方式使得煤樣破壞受到了阻礙。

通過MY34、35應力應變曲線可知，煤樣MY34達到峰值要比MY35達到峰值的應變值要短，通過對2個煤樣的結構進行對比，發現MY5的宏觀裂隙要比MY34的裂隙要長，而且裂隙寬度大。因為煤樣受到軸向應力時，裂隙發育比較好的煤樣應變增加量要大于裂隙發育較小煤樣的應變增加量，所以煤樣MY34到達峰值強度要小于MY35到達峰值強度的應變值。

傾斜層理煤樣MY6、8、10層理角度接近，峰值抗壓強度值相差極小，但是應變-應力曲線相差較大，分析其原因，煤巖力學特性與多種因素有關，例如煤的密度、煤的孔隙率、煤的內部含水量、煤體的原生裂隙、層理方向等。

3 結論

1）高溫使得煤樣較常溫條件裂隙寬度加大，裂紋演化像樹枝狀向樹枝末進行延伸，無論是裂隙條數還是裂隙張開度都呈現出增大的趨勢。

2）無論傾斜層理煤樣還是近似垂直層理煤樣，其破壞類型均為軸向貫通破裂。近似垂直層理煤樣破壞程度要比傾斜層理煤樣的破壞程度要大，產生的裂隙會更多，主要以劈裂破壞為主，煤樣中部出現擠壓脹裂，出現多條裂紋以及碎片塊，而傾斜層理煤樣主要以剪切破壞為主，破裂面沿層理方向和軟弱面剪切滑移形成宏觀破壞。煤樣峰值抗壓強度隨著層理角度的逐漸增大其值也在不斷增大。

3）煤原生裂隙、孔隙對煤巖力學特性的影響程度較大，當煤樣孔隙率小、裂隙發育程度不高的情況下，煤巖的力學特性較大。反之，煤巖力學特性較小。