楊偉杰，王　文，2，3，李東印，3，王　杰，劉文超

(1．河南理工大學，能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2. 山西煤炭進出口集團有限公司， 山西 太原 030006 3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0　引　言

煤巖材料在受水浸泡的條件下，礦物組成與微細觀結(jié)構發(fā)生改變，出現(xiàn)新的孔隙和裂隙，使煤巖孔隙率變大，而飽水煤巖可以最大程度的引起其物理力學性能的劣化。因此許多學者對飽水煤巖進行了大量的研究。熊德國等[1]利用新安礦煤層頂板3種沉積巖對自然和飽和試樣進行巴西劈裂、單軸壓縮、三軸壓縮試驗，表明飽水對泥巖的強度和變形特征的影響較為明顯，飽水試樣峰值強度對圍壓的敏感度要大于自然試樣。Zhou Z L[2]等通過對不同含水砂巖進行壓縮和拉伸試驗研究，飽和試樣在干燥過程中可以恢復自身力學性能，含水量相同的試樣在飽和和干燥過程中，所受的抗拉強度不同，與水分的分布有關。張輝等[3]對自然和飽水煤樣進行巴西劈裂試驗，并分析了飽水對劈裂強度和能量的影響；于巖斌等[4]利用MTS電液伺服巖石試驗系統(tǒng)對煤巖試件進行了飽水與自然2種狀態(tài)下的單軸壓縮與拉伸試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飽水煤樣單軸抗壓、抗拉強度均有所降低，軸向應變增大；劉玉春等[5]利用自行設計的微震全波形綜合監(jiān)測試驗系統(tǒng)對干燥煤巖和含水煤巖變形破裂過程微震信號的變化規(guī)律進行研究。結(jié)果表明，飽和含水煤巖的峰值強度和煤巖沖擊傾向性比自然干燥煤巖都低，且微震信號事件數(shù)和信號強度都降低；蘇承東等[6]對千秋煤礦2#煤層自然與飽水7～28 d處理后煤樣，在 RMT-150B 伺服試驗機上進行了沖擊傾向性指標測定，分析了飽水時間對煤的力學性質(zhì)與沖擊傾向性指標的影響；王文等[7]利用改進SHPB和RMT-150試驗系統(tǒng)對義馬礦區(qū)二1煤樣進行動靜組合加載、靜載對比試驗，分析不同自然飽水煤樣在動靜組合加載下的力學性質(zhì)。

上述學者均研究了飽水煤樣的力學性質(zhì)[1-10]，文獻[7-8]也只是研究了自然飽和試樣，制作自然飽和煤樣的方法均是將煤樣放在水中自然浸泡直至質(zhì)量不變即認為完全飽和。雖然該方法被廣泛使用，但是忽視了實際工程條件，煤樣均是處在應力狀態(tài)下的，自然飽和并不能達到工程應用的狀態(tài)，如高壓注水等，因此研究應力狀態(tài)下的含水煤樣，即強制飽和煤樣具有重要意義。

針對該問題，筆者自行設計研制煤樣強制飽和裝置，該裝置能夠使煤樣在真空及高水壓雙重狀態(tài)下進行強制吸水達到飽和，此為煤樣強制飽和狀態(tài)。使得煤樣在浸泡時的吸水狀態(tài)大致接近實際工程應用的狀態(tài)，對試驗結(jié)果有較大的修正，其能夠模擬煤樣真實受力狀況下的浸泡吸水。不同含水狀態(tài)導致煤樣的力學性質(zhì)發(fā)生改變。因此分析不同飽和狀態(tài)對煤體的力學性質(zhì)影響，對真實反映煤層注水后煤體力學性質(zhì)的變化以及工作面支撐壓力的變化具有重要的指導意義。

1　實驗設備及試樣飽水方法

煤樣取自沁水煤田3號煤層工作面煤壁處，加工煤樣為Φ50 mm×50 mm的圓柱體，煤樣兩端磨削后不平行度小于0.05 mm，剔除有明顯缺陷的煤樣。試樣A為自然飽和煤樣共12個，序號為A(2,3,4,7,8,9,13,14,15,17,18,19)，試樣B為強制飽和煤樣共12個，序號為B組(4,5,6,7,8,11,12,15,16,17,18,20)。將A組放入盆中，向盆中倒入水至試件的1/4處，每隔2 h注1次水，直至液面高出試件20～30 mm為止；每隔24 h稱重1次，直到前后2次稱重差不超過0.01 g為止。保持到7 d以后，質(zhì)量不再發(fā)生變化達到自然飽和狀態(tài)。

根據(jù)試驗設計并加工B組煤樣。強制飽和裝置如圖1，裝置一次可放入6個煤樣，首先將煤樣固定在密封罐內(nèi)試件架上，密封蓋通過密封墊圈進行密封；啟動真空泵抽真空1 h后通過水箱向密封罐內(nèi)注入清水，啟動增壓系統(tǒng)打開球閥b關閉球閥a,c，再向密封罐注水過程中增壓，至壓力達到5 MPa時增壓結(jié)束，浸泡4 h，試驗結(jié)束，取出煤樣。

試驗采用RMT-150B型電液伺服巖石力學試驗系統(tǒng)進行常規(guī)單軸和三軸壓縮試驗，采用位移控制，軸向加載速率為0.002 mm/s，圍壓加載速率0.1 MPa/s，圍壓控制在5～15 MPa。

1.環(huán)狀手輪；2.試樣飽和罐；3.試樣；4.試件架；5.真空泵； 6.水壓泵；7.廢水回流裝置；8.球閥。圖1　強制飽和裝置Fig.1　Forced saturation device

2　試驗結(jié)果分析

2.1　煤樣吸水特征及波速變化

B組煤樣相對A組煤樣吸水率提高1.95%。煤樣在負壓作用下使煤的裂隙更為貫通，且把瓦斯等氣體抽出，抽真空促使煤樣內(nèi)部孔、裂隙打開，壓力水通過原生連通裂隙通道進入煤體，并克服煤體內(nèi)部阻力，不斷壓裂貫通封閉狀態(tài)的煤樣孔隙，因此該裝置能在短時間內(nèi)提高煤樣的吸水率。

采用UTA-2001A型超聲檢測儀對2組煤樣進行波速測試：A組煤樣浸泡前平均值1 498 m/s，浸泡后平均值1 622 m/s；B組煤樣飽水前波速平均值1 397 m/s，飽水后波速平均值2 120 m/s；2組煤樣在吸水后，波速均有所提高。A組煤樣吸水前后波速絕對變化量124 m/s；B組煤樣飽水前后波速絕對變化量723 m/s；A組煤樣吸水前后波速變化不大，研究表明，同種煤樣在干燥和自然飽和狀態(tài)下，波速相差較小。B組煤樣吸水前后波速變化較大，強制飽和煤樣飽水前后波速變化量高于自然飽和煤樣5倍。其原因是孔隙中充滿水，煤樣的孔隙率相對降低，增加煤樣的密實程度，超聲波發(fā)生繞射的次數(shù)也相對減少，傳播時間變短，波速較高。

2.2　單軸壓縮試驗結(jié)果分析

表1給出了煤樣單軸壓縮物理參數(shù)，圖2給出了自然與強制飽和煤樣的單軸壓縮應力-應變曲線，單軸壓縮時強制飽和煤樣相對自然飽和峰值強度有明顯的軟化作用，強制飽和煤樣的抗壓強度較低，相對自然飽和煤樣降低7.61 MPa，降幅為54.83%。一是5 MPa的水壓促使煤樣強制吸水，水對煤樣中礦物軟化、溶蝕、風化等作用，使煤樣單軸抗壓強度降低；二是水壓力對煤樣有一定的壓擠作用，原有裂隙的貫通、新生裂紋的擴展，使煤樣強度降低。強制飽和煤樣彈性模量相對自然飽和煤樣降低了2.21 GPa，降幅81%，表明強制飽水使煤樣的抵抗變形的能力大大降低；強制飽和煤樣泊松比相對自然飽和煤樣提高1.19，增幅65%，表明強制吸水后煤樣橫向變形更加敏感，體積擴容更加顯著，塑性更好。

從圖2可以看出，2組煤樣的應力-應變曲線大致相似，可分為壓密階段、彈性階段、屈服階段、破壞階段。加載初期，隨著軸向應力的增加曲線均向上凹，但2組曲線初期上凹幅度不一致。自然飽和煤樣曲線上凹劇烈，原因是煤樣內(nèi)的微裂隙在外力作用下發(fā)生閉合所致。強制飽和煤樣曲線上凹平緩，原因是強制飽和煤樣內(nèi)部裂隙幾乎被水充滿，均質(zhì)性和密實度都優(yōu)于自然飽和煤樣。彈性階段自然飽和煤樣曲線斜率高，持續(xù)時間短，強制飽和煤樣曲線斜率低，持續(xù)時間長。在屈服階段自然飽和煤樣達到最大承載能力的平均時間為240×103ms，強制飽和煤樣達到最大承載能力的平均時間為373×103ms，相比強制飽和煤樣延長了133×103ms破壞時間，降低了最大承載能力，減緩了煤樣彈性勢能的突然釋放?？偟膩砜?，自然與強制飽和煤樣相比，強制飽和煤樣應力-應變曲線變得平緩，應變增大，應力變小，塑性增加，脆性減小，發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性降低。

目前電子存證還有幾個問題需要解決：（1）存證過程中自動化程度不高；（2）存證過程中電子數(shù)據(jù)存證風險較大；（3）第三方機構法律處理流程繁瑣；（4）電子數(shù)據(jù)安全缺失；（5）雙方信任缺失。

圖2　煤樣單軸壓縮應力-應變曲線Fig.2　Stress-strain curve of coal sample under uniaxial compression

表1　煤樣單軸壓縮物理參數(shù)Table 1　Physical parameters of coal sample under uniaxial compression

2.3　三軸壓縮試驗結(jié)果分析

表2給出了自然飽和與強制飽和煤樣三軸壓縮均值試驗結(jié)果。煤樣均質(zhì)性差、離散性高。每種含水狀態(tài)與圍壓5，10，15 MPa各重復3個煤樣。圖3，4中給出了自然與強制飽和煤樣全應力-應變曲線?？梢钥闯觯翰煌査簶拥膲好茈A段區(qū)別較大，自然飽和煤樣依然是因外力施加裂隙閉合，導致曲線呈上凹趨勢，而強制飽和煤樣壓密階段曲線呈斜“Z”形直接過渡到彈性階段，不再出現(xiàn)上凹的趨勢，近似直線表現(xiàn)出短暫的彈性階段。認為強制飽和煤樣在圍壓作用下內(nèi)部孔、裂隙被水充滿，軸向應力克服孔隙水壓的過程，該過程認為是可逆的。強制飽和煤樣的彈性階段變短，屈服階段明顯變長，屈服強度降低，塑性增加。因壓力水對煤樣內(nèi)部材料的軟化作用更加明顯，在圍壓作用下內(nèi)部材料相對自然飽和煤樣較快達到承載極限而屈服弱化。2種不同飽水煤樣峰后差異也較大，自然飽和煤樣峰后跌落速度相對強制飽和煤樣較快，但仍然具有一定的塑性特征，而強制飽和煤樣峰后幾乎不出現(xiàn)曲線跌落的現(xiàn)象，直接進入殘余強度階段，塑性特征更加明顯。

圖3　自然飽和狀態(tài)三軸壓縮應力-應變曲線Fig.3　Stress-strain curves of three axis compression in natural saturated state

圖4　強制飽和狀態(tài)三軸壓縮應力-應變曲線Fig.4　Stress-strain curve of three axis compression in forced saturated state

隨著圍壓增加2種飽水煤樣峰值強度明顯增大，圍壓的增加降低煤樣的離散程度，提高均質(zhì)程度，加載過程強制飽和煤樣的力學劣化性質(zhì)逐漸明顯，表現(xiàn)在不同圍壓下，自然飽和煤樣平均峰值強度均高于強制飽和煤樣，強制飽和煤樣的峰值強度平均降低19.5 MPa，降幅31.18%。根據(jù)Coulomb強度準則：

σs=Q+Kσ3

(1)

式中:Q，K均為材料強度參數(shù)。其與內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的關系為：

(2)

(3)

對表2三軸峰值強度與圍壓進行線性回歸，再按(2)、(3)式進行計算，得出自然飽和煤樣的內(nèi)聚力為9.26 MPa，強制飽和煤樣的內(nèi)聚力降低為7.69 MPa，降低幅度為17%。

蘇承東、熊德國等[1，11]表明：飽水對材料之間的摩擦特征幾乎沒有影響。圍壓影響系數(shù)K基本相同，內(nèi)摩擦角能夠表征材料的力學性質(zhì)。而試驗發(fā)現(xiàn)強制飽和煤樣K值為2.08，自然飽和煤樣K值為3.04，摩擦因數(shù)發(fā)生了明顯變化，分析其原因：一是因以往并未使用強制飽和的方法，均是自然浸泡，與本試驗有著較大的區(qū)別，所以試驗結(jié)果兩者并不矛盾；二是圍壓增加也會增加在垂直破裂面上的分力，進而增大摩擦力，而強制飽和煤樣由于水充分進入孔、裂隙，使微裂隙貫通，接觸面沒有那么粗糙，相對自然飽和煤樣減小了摩擦；三是強制飽和煤樣是在真空環(huán)境與5 MPa的水壓力雙重作用下完成的，隨著裝置內(nèi)密閉空間壓力的增大，溫度也有所升高，煤樣的內(nèi)摩擦角減小；四是水分強制進入會使煤樣的孔隙增大，顆粒間距增大，咬合摩擦角減小，主要發(fā)生滑動摩擦，自然飽和煤樣因含水分較少，主要發(fā)生咬合摩擦以及顆粒磨碎重組，摩擦力得到充分發(fā)揮，內(nèi)摩擦角也相對較大。綜上所述，因試驗方法的不同，強制飽和煤樣強制吸水的特殊性質(zhì)，導致強制飽和煤樣的K值相對自然飽和煤樣降低了。

表2　自然飽和與強制飽和煤樣三軸壓縮均值試驗結(jié)果Table 2　Peseudo-triaxiall compression test results of coal samples under natural saturation and forced saturation

2.4　飽水煤樣強度特征規(guī)律分析

不同飽水狀態(tài)下的煤樣強度滿足Mohr-Coulomb準則[12-14]，公式為：

τ=c+σtanφ

(4)

公式(4)是干燥狀態(tài)的抗剪強度公式，當存在孔隙水壓力(uw)時，法向總應力(σ)可分解為2部分，即σ-uw和uw。強度將由2部分組成，一部分為無孔隙壓力條件下產(chǎn)生的，認為是完全干燥狀態(tài)下，仍用公式(4)表示，另一部分由孔隙水壓力的作用產(chǎn)生，當煤樣孔隙被水完全充滿時存在靜水壓力αp，有效應力表達式為σ′=σ-αp，將此式帶入煤巖體破壞準則Mohr-Coulomb公式：

τ=C+(σ-αp)tanφ

(5)

式中：α為等效孔隙壓力系數(shù)，取決于煤樣的孔隙、裂隙的發(fā)育程度，0≤α≤1。p為孔隙水壓力，MPa。C為煤體黏聚力，MPa。式(5)可寫成τ=Cw+σtanφ，式中：Cw為孔隙水壓力作用下的黏聚力。

Cw=C-ptanφ

(6)

無孔隙水壓時根據(jù)Mohr-Coulomb包絡線公式：

σ1=ζσ3+σc

(7)

式中：σc為抗壓強度值，按2ccosφ/(1-sinφ)求得。ζ為強度線的斜率，按(1+sinφ)/(1-sinφ)求得。可寫成：

(8)

有孔隙水壓時式(7)可寫成：

σ1p-αp=ζ(σ3-αp)+σw

(9)

(10)

整理公式(10)可得：

(11)

由(8)、(10)、(11)公式可得：因孔隙水壓引起的抗壓強度降低，降低值為：

(12)

以上的推論可知，相對于干燥狀態(tài)的煤樣，根據(jù)公式(6)、(12)有水壓時煤樣黏聚力相對減少αptanφ，抗壓強度降低[2αpcosφ+αp(1+sinφ)]/(1-sinφ)。

自然飽和煤樣吸水率較低，可忽略水壓的影響，且必定小于強制飽和煤樣的孔隙水壓，干燥煤樣的孔隙水壓為0，忽略內(nèi)摩擦角的變化，由(6)、(12)可知孔隙水壓與黏聚力、抗壓強度大致呈負相關。綜上所述，理論推導與試驗結(jié)果一致。強制飽和煤樣的黏聚力小于自然飽和煤樣，強制飽和煤樣的抗壓強度低于自然飽和煤樣。

3　結(jié)　論

1)自行設計及研制煤樣強制飽和裝置，解決吸水能力弱的問題，煤樣吸水率平均可達4.1%，相對自然飽和煤樣在短時間內(nèi)吸水率提高了1.95%。

2)對煤樣飽水前后的波速試驗進行測試分析，得出A組煤樣吸水后波速提高124 m/s，B組煤樣飽水后提高723 m/s。強制飽和煤樣飽水前后波速變化量高于自然飽和煤樣5倍，表明煤樣強制飽和前后波速變化明顯，強制吸水后波速增加51.75%

3)強制飽和煤樣單軸抗壓強度相對于自然飽和煤樣降低7.61 MPa，降幅為54.83%，自然與強制飽和煤樣相比，強制飽和煤樣應力-應變曲線平緩，峰值應變增大，抗壓強度變小，從而塑性增加，脆性減小，發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性降低。

4)三軸壓縮時，不同圍壓下強制飽和煤樣的峰值強度平均降低19.5 MPa，降幅31.18%，因強制飽和煤樣吸水量相對自然飽和煤樣吸水量大，導致強制飽和煤樣K值降低；基于Mohr-Coulomb準則及有效應力原理，推導出孔隙水壓與黏聚力、抗壓強度呈負相關，表明強制飽和煤樣的黏聚力與抗壓強度均低于自然飽和煤樣，這與試驗結(jié)果一致。

[1]熊德國, 趙忠明, 蘇承東,等. 飽水對煤系地層巖石力學性質(zhì)影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2011, 30(5):998-1006.

XIONG Deguo, ZHAO Zhongming, SU Chengdong, et al. Experimental study of effect of water-saturated state on mechanical properties of rock in coal measure steata[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(5):998-1006.

[2]Zhou Z, Cai X, Cao W, et al. Influence of water content on mechanical properties of rock in both saturation and drying processes[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2016, 49(8):3009-3025.

[3]張輝, 程利興, 蘇承東,等. 飽水煤樣巴西劈裂強度和能量特征試驗研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術, 2015(12):5-10.

ZHANG Hui, CHENG Lixing, SU Chengdong, et al. Experimental study on strength and energy characteristics of Brazilian split for saturated coal specimens[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015(12):5-10.

[4]于巖斌, 周剛, 陳連軍,等. 飽水煤巖基本力學性能的試驗研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2014(1):4-7.

YU Yanbin, ZHOU Gang, CHEN Lianjun, et al. Experimental study on basic mechanical properties of water-saturated coal[J]. Mining Safety, 2014(1):4-7.

[5]劉玉春, 趙揚鋒, 張超,等. 含水煤巖單軸壓縮微震信號特征試驗研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術, 2017, 13(2):51-55.

LIU Yuchun, ZHAO Yangfeng, ZHANG Chao, et al. Experimental research on microseismic signal characteristics of moisture-containing coal and rock in uniaxial compression[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2017, 13(2):51-55.

[6]蘇承東, 翟新獻, 魏向志,等. 飽水時間對千秋煤礦2#煤層沖擊傾向性指標的影響[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(2):235-242.

SU Chengdong, ZHAI Xinxian, WEI Xiangzhi, et al. Influence of saturation period on bursting liability indices for coal seam #2 in qianqiu coal mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(2):235-242.

[7]王文,李化敏,顧合龍. 三維動靜組合加載含水煤樣強度特征試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2017, 36(10): 2406-2414.

WANG Wen, LI Huamin, GU Helong, et al. Experimental study of strength characteristics of waterer-saturated coal specimens under 3D coupled static-dynamic loadings[J]. Journal of China Coal Society, 2017, 36(10): 2406-2414.

[8]王文, 李化敏, 顧合龍,等. 動靜組合加載含水煤樣能量耗散特征分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2015，34(S2):3965-3971.

WANG Wen, LI Huamin, GU Helong, et al. Feature analysis of energy dissipation of water-saturated coal samples under coupled static-dynamic loads[J]. Journal of China Coal Society, 2015，34(S2):3965-3971.

[9]唐書恒, 顏志豐, 朱寶存,等. 飽和含水煤巖單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征[J]. 煤炭學報, 2010(1):37-41.

TANG Shuheng, YAN Zhifeng, ZHU Baocun, et al. Acoustic emission characteristics of water}aturated coals in uniaxial compression experiment[J]. Journal of China Coal Society, 2010(1):37-41.

[10]王云剛, 李滿貴, 陳兵兵,等. 干燥及飽和含水煤樣超聲波特征的實驗研究[J]. 煤炭學報, 2015, 40(10):2445-2450.

WANG Yungang, LI Mangui, CHEN Bingbing,et al. Experimental study on ultrasonic wave characteristics of coal samples under dry and water saturated conditions[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(10):2445-2450.

[11]蘇承東, 翟新獻, 李永明,等. 煤樣三軸壓縮下變形和強度分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2006, 25(S1):2963-2968.

SU Chengdong, ZHAI Xin Xian, LI Yongming, et al. Study on deformation and strength of coal samples in triaxial compression[J]. Journal of China Coal Society, 2006, 25(S1):2963-2968.

[12]沈明榮, 陳建峰. 巖體力學[M]. 上海：同濟大學出版社, 2006.

[13]沈珠江. 理論土力學[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2000.

[14]郭海防. 水壓力作用下煤巖損傷弱化規(guī)律研究[D].西安： 西安科技大學, 2010.