側向滲透-軸向承載下煤樣破壞及水-力耦合作用機制

劉祥龍 ，江東海

（1.潞安化工集團有限公司 安全技術培訓中心，山西 長治 046299；2.潞安職業技術學院，山西 長治 046299；3.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590）

現階段我國煤炭開采正逐漸轉型，向著綠色安全高效及智能化方向發展，針對上述需求，許多學者開始研究更加科學的采煤方法，即無（小）煤柱護巷采煤方法，該方法極大改善了工作面的工作環境，其中小煤柱護巷可較好的使巷道避開應力集中區域，提高煤炭資源回收率、減少矸石產出率[1-3]。然而在諸如喀斯特地貌區域，地表水很容易導入采空區，滲透水壓雖小，但在滲透及承載作用下煤柱變形破壞機理復雜，變形加劇、承載能力降低，支護控制難度非常大，此條件下煤柱穩定控制是亟須解決的關鍵科學難題。而此工況下的煤柱穩定性主要與煤柱承載與滲透特征有關，因此研究此受力受水環境下的煤樣破壞特征及滲透特性，對于解決煤柱穩定控制問題，具有重要的理論意義。

在滲透作用下煤巖體壓縮失穩破壞特征研究方面，國內外學者做了大量研究。陳衛忠等[4]、尹光志等[5]研制了三軸流固耦合試驗系統對多種復雜應力路徑下巖石力學特性與流體滲流規律進行了研究；RONG 等[6]、夏才初等[7]自主研發了剪切-滲流耦合試驗系統，最大滲透壓力可達到1 MPa，并對花崗巖節理試樣進行了剪切-滲流耦合特性的試驗研究；WANG 等[8]通過試驗研究了單軸壓縮作用下節理數目對巖體強度、變形特征以及節理擴展的影響；王偉等[9]通過在不同圍壓、孔壓和排水條件下的三軸壓縮試驗，探討了圍壓和孔壓對巖石強度特性、變形規律、損傷演化的影響；賈立鋒等[10-11]利用自行研制的應力-滲流-解吸煤體變形實驗裝置，開展了應力、滲流作用下煤體滲透、變形試驗；張俊文等[12]、俞縉等[13]采用全自動三軸滲流實驗系統，進行了無水與排水條件下砂巖應力-滲流耦合試驗，研究了應力-滲流耦合下砂巖力學行為與滲透率演化響應特征，獲得了變形、強度及滲透率演化規律；姚強嶺等[14-16]、陳田等[17]針對地下水對隔水煤巖柱和礦井地下水庫邊界的反復浸水損傷過程，開發了無損浸水實驗裝置，研究了反復浸水作用下煤巖樣力學性質損傷規律和聲發射特征。

上述學者對滲透作用下煤巖體壓縮失穩研究取得了顯著研究成果。但實驗室滲流試驗中，多為軸向滲透-軸向承載，與現場不符，對于側向滲透-軸向承載下的煤體壓縮失穩及滲透特性研究相對較少，且由于煤體內節理產狀不同，煤體滲透及強度特征表現為各向異性，已有成果指導此類煤體穩定控制可能存在較大誤差。鑒于此，通過用于圓柱形試件滲透實驗的單側水壓加載裝置，進行不同側向低滲透壓力下煤樣壓縮試驗，更好還原實際中的煤柱滲水、受力環境，對該條件下煤樣破壞特征及滲透特性進一步系統研究。

1 試驗系統與試驗方案

1.1 試驗系統

側向滲透-軸向承載下煤樣壓縮試驗系統如圖1，系統主要包括單側水壓加載裝置、MTS 伺服巖石試驗系統、滲水壓力系統、供水系統、LCR 電阻率動監測系統等[18]。

圖1 側向滲透壓力下煤樣壓縮試驗系統Fig.1 Connection diagram of coal uniaxial compression test equipment under lateral seepage pressure

試驗系統主要設備為用于圓柱形試件滲透實驗的單側水壓加載裝置，裝置右側開口為半圓形，將試件插到裝置半圓形開口處后試件周圍與殼體有10 mm 寬的空隙并涂密封膠填充密封，可避免對試件產生圍壓，該裝置實現了側向滲透-軸向承載的功能，能更好還原現場實際中的煤柱滲水、受力環境，使試驗效果更接近實際[18]。

1.2 試驗方案及過程

側向低滲透壓力范圍為0.01～0.10 MPa，梯度為0.01 MPa，共10 組試驗，每組進行3 次試驗，共計30 次試驗，需制作30 塊圓柱形標準煤樣，尺寸為φ50 mm×100 mm，煤樣制作完成后，先剔除外觀上有缺陷的煤樣，篩選出外表質地均勻的采用Revscan 激光掃描系統對煤樣進行檢測，將節理分布較均一的用于試驗。

對煤樣進行側向滲透的單軸壓縮試驗，同時通過LCR 電阻率動監測系統監測煤樣壓縮過程中的電阻變化，通過電阻變化可反映煤樣壓縮過程中裂隙發育情況。試驗具體步驟如下：

1）將煤樣插入加載裝置并涂上密封膠，將裝置與滲水壓力系統連接并放進水中檢查是否完全密封好，若未密封好，重復涂抹密封膠直到完全密封好。

2）通過注水接口向裝置內注水，注滿水后將注水接口與供水系統連接，供水系統能保證在試驗過程中持續為裝置供水，直到煤樣加載破壞完成。

3）在煤樣上下2 個端面粘貼U 型金屬銅片，通過導線將銅片與LCR 電阻率動監測系統連接，監測煤樣在壓縮過程中電阻變化情況。

4）利用MTS 伺服巖石試驗系統對煤樣進行加載，直到煤樣破壞，加載過程中監測加載載荷及煤樣變形量，監測煤樣電阻變化。

2 試驗結果

2.1 側向滲透-軸向承載下煤樣力學響應與破壞特征

不同側向滲透水壓作用下煤樣壓縮破壞應力-應變與電阻率-應變曲線如圖2。

圖2 不同側向滲透水壓下應力-應變與電阻率-應變曲線Fig.2 Stress-strain and resistivity-strain curves of different groups of tests

由圖2 可見：水壓大于0.05 MPa 時，應力-應變曲線在上升階段會產生小幅度突變，應力-應變曲線先突然下降而后重新上升。

隨著側向滲透水壓的增大，煤樣壓縮破壞應力-應變曲線突變處與峰值處應變的比值所對應峰值強度如圖3。

圖3 突變處與峰值處應變比值所對應峰值強度散點圖Fig.3 Scatter plot of peak strength corresponding to strain ratio at mutation point and peak point

由圖3 可見：當側向滲透水壓大于0.05 MPa時，隨著水壓增大，突變處與峰值處軸向應變比值減小，煤樣的峰值強度減小。

根據上述實驗結果，繪制平均峰值抗壓強度-側向滲透水壓曲線，不同側向滲透水壓下煤樣平均峰值強度變化規律如圖4。

圖4 不同側向滲透水壓下煤樣平均峰值強度變化規律Fig.4 Variation of average peak strength of coal samples under different lateral water pressures

圖4 中，橫坐標-1 處為自然煤樣的平均峰值強度， 15.3 MPa，橫坐標0 處為飽和狀態（0 MPa）下煤樣平均峰值強度，12.7 MPa，相較自然煤樣，飽和狀態下煤樣的平均峰值強度降低了17%，隨著側向滲透水壓由0 MPa 增大至0.05 MPa，煤樣的平均峰值強度緩慢下降，當側向滲透水壓由0.05 MPa 增加到0.06 MPa 時，煤樣峰值強度出現陡降，下降幅度為12%，隨著側向滲透水壓繼續增加，煤樣峰值強度又呈現出緩慢下降的趨勢。側向滲透水壓下，煤樣峰值強度與側向滲透水壓關系為：

式中：Rc為 煤樣峰值強度；p為單側水壓力，R0c為自然煤樣單軸抗壓強度。

不同側向滲透壓力下煤樣自由面側與頂部受力面處的破壞形態如圖5 和圖6。

圖5 不同側向水壓下煤樣自由面側破壞形態Fig.5 Failure patterns of coal samples at free surface under different lateral water pressures

圖6 不同側向水壓下煤樣頂部受力面破壞形態Fig.6 Failure modes of loading surface at the top of coal samples under different lateral water pressures

由圖5 和圖6 可見：側向滲透-軸向承載下煤樣破壞形態總體上呈非對稱形態，主要原因是孔隙水壓分布不均勻，孔隙水壓隨著與滲水側距離的增大而減小，使試件在壓縮過程中出現偏載現象；孔隙水壓力與加載壓力共同作用使煤樣破壞總體上呈現出非對稱的形態，且隨著側向水壓的增大，煤樣自由側的橫向變形增大，破壞嚴重、產生的裂紋數目增多。

2.2 煤樣失穩過程中的水-力耦合作用機制

通過對煤樣不同側向滲透水壓下應力-應變與電阻率-應變曲線進行分析，發現煤樣在壓縮過程中，應力-應變曲線可依次分為壓密-彈性-裂隙穩定擴展-非穩定擴展-峰后破壞5 個階段，對應階段電阻率-應變曲線呈現出迅速上升-緩慢上升-緩慢下降-迅速下降-最后趨于穩定的變化趨勢。煤樣應力-應變與電阻率-應變曲線如圖7。

圖7 煤樣應力-應變與電阻率-應變曲線Fig.7 Stress-strain and resistivity-strain curves of samples under ideal conditions

1）階段Ⅰ—壓密階段。隨著軸向應力逐漸增加，煤樣內的裂隙被壓緊實，原本處于飽水狀態的煤樣，在裂隙壓實過程中水被擠出，此時煤樣的電阻增大，導致電阻率曲線迅速上升。

2）階段Ⅱ—彈性變形階段。煤樣中孔隙受壓變形，使孔隙內的水被擠出，此時煤樣處于一種均勻的變形狀態，由于孔隙中水分含量已不多，電阻緩慢增大，對應電阻率曲線緩慢上升。

3）階段Ⅲ—裂隙的穩定擴展階段。在持續軸向應力的加載下，煤樣上裂隙開始穩定的發育擴展，體積膨脹，水再次浸入到裂隙中，使煤樣電阻減小，電阻率曲線開始緩慢下降。

4）階段Ⅳ—裂隙的非穩定擴展階段。此時煤樣內形成幾個較大的裂紋，煤樣內側向水滲透的定向通道基本形成，煤樣電阻快速減小，對應的電阻率曲線迅速下降。

5）階段Ⅴ—峰后破壞階段。此時煤樣發生明顯破壞，沿破裂面發生滑動剪切，此時煤樣的孔隙率基本不變，電阻也保持穩定，對應的電阻率曲線趨于平穩。

同時對煤樣的應力-應變曲線進一步觀察，發現當側向滲透水壓大于0.05 MPa 時，在應力-應變曲線上會產生小的突變。不同側向滲透水壓下煤樣達到最大電阻率時對應的軸向應變曲線如圖8 。

圖8 不同側向滲透水壓下煤樣達到最大電阻率時軸向應變Fig.8 Axial strain of specimens at maximum resistivity under different unilateral osmotic pressures

由圖8 可見：隨著單側水壓力增大，煤樣在達到最大電阻率時的軸向應變呈現出減小的趨勢，即單側水壓越大的煤樣越容易破壞；單側水壓在0.05 MPa 與0.06 MPa 之間時，軸向應變迅速減小，減小幅度為59.1%。因此，當側水壓力大于0.05 MPa 時，對煤樣試件的強度會產生顯著的影響。側水壓力發揮作用的時機在裂隙穩定擴展階段的起點處，即產生小突變的位置。

小突變的產生正是側水壓力作用造成的。將煤樣中的孔隙簡化為無限大板中的橢圓形孔，孔隙中的水壓q均勻作用于橢圓孔邊，無限大板中橢圓形孔隙滲透水壓作用示意圖如圖9 。

圖9 無限大板中橢圓形孔隙滲透水壓作用示意圖Fig.9 Schematic diagram of seepage water pressure of elliptical pores in infinite plate

計算得到邊界上最大正應力σmax和最小正應力σmin分別為：

式中：σφ為孔邊應力；φ為應力與x軸的夾角；q為孔隙水壓；a為橢圓孔的長軸；b為橢圓孔的短軸；l為關于x軸的應力矢量分量；m為關于y軸的應力矢量分量。

由式（2）可知：當橢圓形長軸a遠遠大于短軸b時，即便是微小的孔隙水壓力也會在橢圓形的尖端產生非常大的正應力。根據格里菲斯強度理論，孔隙水壓力在橢圓形尖端附近產生很大的應力集中，當所積聚的能量達到一定時，裂紋開始擴展。對于煤樣試件來說內部存在孔隙，當側水壓力大于0.05 MPa 時，在軸向荷載的作用下，橢圓形孔隙尖端產生應力集中，當達到起裂條件時使原本彈性階段中煤樣孔隙產生新的裂隙，隨著軸向荷載增加使新產生的裂隙壓實，于是在應力-應變曲線上會產生小突變，隨著軸向荷載繼續增大，軸向應力發揮主要作用，試件的變形進入裂隙穩定擴展階段。

側向滲透-軸向承載下，煤樣試件一方面受軸向荷載的作用產生裂隙，一方面受側水壓力的作用降低了試件的強度。軸向加載過程中，側向水壓力的存在加速了裂隙的發育，降低裂隙間的摩擦力，在軸向應力與側水壓力的相互作用下導致試件強度下降明顯，這就是煤樣失穩過程中的水-力耦合作用機制。當側水壓力大于0.05 MPa 時，試件在變形的彈性階段孔隙會發展成為裂隙，從而改變了煤樣試件的結構，而側水壓力低于0.05 MPa 時，彈性階段無法使孔隙發育成為裂隙，或者說較低的孔隙水壓對煤樣孔隙發育的能力是有限的。

3 結 語

1）側向滲透-軸向承載情況下煤樣破壞總體上呈非對稱形態，原因是孔隙水壓力在煤樣中不均勻，孔隙水壓力隨滲水側距離的增大而減小，使試件在壓縮過程中出現偏載現象，且隨著側向水壓的增大，煤樣自由側的橫向變形增大，破壞嚴重、產生的裂隙數目增多。

2）煤樣中裂隙的發育與擴展，一方面來自側向滲透孔隙水壓作用，另一方面來自軸向加載作用；當側水壓力大于0.05 MPa 時，由于孔隙水壓作用，使得煤樣內裂隙在壓密階段與彈性階段發育擴展；當軸向壓力繼續增大時，將孔隙水壓力產生的裂隙壓密閉合，因此在煤樣的應力-應變曲線上產生了小的突變，這個小突變的位置在彈性階段的終點，裂隙穩定發育階段的起點處。

3）側向滲透-軸向承載下，側向水對煤樣強度的主要影響在于煤樣力學性質的弱化上。煤樣在飽和水（水壓0 MPa）時的峰值強度相對于自然煤樣（無水狀態）的峰值強度降低了17%；隨著側水壓力不斷增大，煤樣峰值強度逐漸下降，在較小的軸向應變下，電阻率就能達到最大值，同時水也能在較小軸向應變下再次進入煤樣內部空隙中，使煤樣脆性增加，加速煤樣破壞。