循環荷載下煤的變形及滲透率演化規律研究

＊趙慧 王兆瑞 高云夢 王鳳 張峻康 許博文

（1.華能北方聯合電力有限責任公司 內蒙古 014300 2.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院 北京 100083 3.北京市化工職業病防治院 北京 100093）

煤炭的開采過程中，工作面前方的煤體受到采動、卸壓等活動的影響，煤體的支撐應力經歷周期性循環荷載的作用，與靜態應力狀態下有所不同，煤體在循環作用下反復損傷，力學特性及其內部含有的大量孔-裂隙結構發生變化[1-2]，同時開采過程中瓦斯含量和瓦斯壓力的變化也會對滲透率造成一定的影響，進而可能給煤炭的安全開采帶來災害事故[3]。

近年來，學者們利用三軸加載實驗等方法，以加載速度，循環次數，應力幅值等作為實驗變量，對煤/巖體在循環加-卸載過程中煤樣強度、應變、滲透率損傷量等演化規律進行了大量研究。例如，蘇承東等[4]研究了在三軸循環荷載作用下煤樣的強度和變形規律。Chen等[5]對砂巖在不同測試條件下的強度和彈性特征進行了實驗研究。Jafari等[6]實驗觀察了巖石節理在動力和循環荷載作用下的行為。許江等[7]實驗研究了煤樣在不同溫度、不同路徑下變形和滲透率演化現象。李曉泉等[8]開展了不同巖石在三軸路徑下的應力-應變試驗，發現時間的殘余應變與循環次數之間有負冪指數的關系。

從以上研究可以看出，學者們對于不同煤樣在三軸應力下變形和滲透特征規律進行了大量的研究，但是實質上都忽略了不可逆變形對滲透性的影響，而這對氣體在煤中流動規律有著重大的影響。鑒于此，本文通過實驗室試驗，研究了軸壓循環荷載路徑和不同軸壓峰值試驗條件下煤樣變形特性、滲透率演化規律。探討循環荷載過程中的滲透率響應，以期對煤與瓦斯突出機理的研究有所幫助，為煤礦安全高效提供參考。

1.試驗裝置與方案

(1)試驗裝置

本實驗采用的實驗裝置是三軸滲流實驗系統，該裝置由自動化操作平臺、氣路控制系統、壓力加載系統及主體平臺等部分組成[9]，如圖1所示。

圖1 三軸瓦斯滲流裝置示意簡圖

(2)試件制備

本試驗所用到的煤樣取自井下實際工作面。運回實驗室后將煤樣打碎、研磨成煤粉，取煤粉各300g，加水攪拌均勻，倒入型煤模具中壓制成圓柱形煤樣，如圖2所示。

圖2 型煤試件

(3)試驗思路

本試驗采用99.9%的高純度甲烷氣體，試件按不同路徑和不同軸壓峰值進行方案設計，型煤試件共測試4組，分別對應4組不同實驗條件，圍壓均為2MPa，氣體壓力為1MPa，實驗路徑如圖3所示，采用σ1、σc代表軸壓和圍壓。煤礦井下開采過程中，煤柱要受到采動應力的反復作用，所以工作面超前移動支承壓力表現出明顯的周期性。圖3中路徑1為單加載路徑，代表工作面遠方煤體出現應力集中現象，路徑2～4為循環荷載路徑，代表了周期來壓階段煤體受力狀態，不同壓力峰值表示不同來壓強度。

圖3 試驗路徑

2.實驗結果及分析

(1)循環荷載路徑對煤體變形破壞影響

圖4為兩種實驗過程中，應變隨主應力差變化曲線。為便于描述試驗現象，?1、?c代表軸向應變和側向應變。對比路徑1和路徑2煤樣的峰值應力，可以看出同樣的軸壓和圍壓條件下，試件在循環荷載狀態下的強度較小，說明加載路徑對煤樣的力學特性影響顯著。

試件2在循環荷載狀態下，煤體完成壓密階段后，受到的軸向應力小于屈服應力，使得煤體變形處于彈性階段，體積應變值始終大于零，即煤體產生收縮變形。由圖4（b）能夠看出，在完成一個完整的加卸載時，軸向應變-主應力差曲線會回到原來路徑上，每一次加卸載都會產生回滯環，表明該過程中煤體會產生部分的塑性損傷。軸壓加卸載結束后，開始圍壓卸載，當圍壓減小到一定值后，σ1達到了屈服應力，煤體應變速度急劇增大，發生破壞。

(2)循環軸壓加載對煤體滲透率變化分析

本試驗認為瓦斯在煤樣中的滲流可以視為服從達西定律：過電腦記錄的瓦斯流速，根據式（1）計算得出滲透率。

式中：K為煤體滲透率，mD；Q為氣體流量，mL/s；μ為氣體的絕對黏度；P0′為標準大氣壓；P1為入口壓力，MPa；P2為出口壓力MPa；A為滲透率有效面積，m2；L為煤體試件長度，mm。

①加卸載路徑對滲透率的影響

圖5為試件實驗路徑2中煤樣體積應變、滲透率隨時間變化過程。可以看出煤體的滲透率變化曲線與體積應變的變化曲線呈明顯的對稱關系，隨著體積應變的增大，滲透率降低。在后期圍壓卸載作用下，軸壓達到屈服點，煤樣出現損傷破壞，滲透率增大。

圖5 循環荷載下煤樣體積應變、滲透率隨時間變化

圖6為試件2在每次循環荷載過程中滲透率的變化結果，可以看出試驗初期AB段，煤體的滲透率先迅速減小后緩慢降低，軸向應力達到上限應力時，滲透率降至最??；進入循環加載階段BC、CD、DE、EF后，煤體的彈性變形在軸壓的影響下不斷地產生和恢復，滲透率也跟著軸向應力的增加和減小而在做負相關的變化。

圖6 實驗全過程試件2滲透率變化

②壓力峰值對滲透率的影響

圖7顯示了不同軸壓峰值下試件滲透率隨主應力差變化情況。如圖7所示，以第一個循環為例，在σc分別為12MPa、14MPa、16MPa下，滲透率減小值為0.079mD、0.087mD、0.090mD，與σ1呈現出正相關關系?？梢钥闯?，在這三組實驗中，滲透率-主應力差變化趨勢相同，但是在每個節點數，滲透率的數值隨著σ1應力峰值的增大而減小。再觀察滲透率恢復值，發現隨著循環次數的增加，滲透率恢復值在逐漸減小，并且其與σ1應力峰值也呈現出了負相關的情況，說明滲透率對于應力較為敏感。

圖7 不同軸壓峰值下滲透率隨主應力差變化

3.結論

本文采用型煤進行了實驗室尺度下軸壓循環加-卸載實驗研究，圍繞荷載路徑、軸壓峰值等實驗參數，通過對比實驗中煤樣變形和滲透率變化的演化規律，得出了以下結論。

（1）煤體的滲透率變化曲線與體積應變的變化曲線呈明顯的對稱關系，在軸壓的升、降過程中，含瓦斯煤的滲透率呈負冪指函數變化。循環荷載路徑下，滲透率會出現一定的損失。

（2）煤樣應變-主應力差曲線具有“記憶性”，完成一個階段循環加-卸載進入下一個階段的循環加-卸載時，會回到原來路徑上。軸壓和圍壓相同，軸壓循環加-卸載作用下煤樣的峰值應力比常規加載的低，循環加-卸載路徑引起的疲勞損傷變形降低了煤樣的強度。