張慶賀，李 寧，段昌瑞

（1.安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南232001；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001）

煤與瓦斯突出是困擾煤炭安全開采的重大災(zāi)害，突出機(jī)理的研究是解決此災(zāi)害的重要課題。在機(jī)理研究方面，煤與瓦斯突出的力學(xué)模型構(gòu)建困難重重，而用能量的方法可以突破應(yīng)力-應(yīng)變分析的局限，已成為行之有效的定量化研究方法[1-2]。在能量模型研究方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了卓有成效的研究工作[3-7]。這些能量模型實(shí)現(xiàn)了煤巖彈性能和瓦斯膨脹能的定量計(jì)算。然而，這些方法得出的能量是狀態(tài)量，不能揭示煤與瓦斯突出孕育發(fā)生的能量演化過程。基于此，對(duì)煤巖試件在不同損傷狀態(tài)下的彈性能和瓦斯膨脹能開展試驗(yàn)研究，借助煤巖試件破壞過程中的能量演化和轉(zhuǎn)化特征，揭示彈性能與瓦斯膨脹能的轉(zhuǎn)化和釋放機(jī)制，這對(duì)于豐富煤與瓦斯突出的災(zāi)變演化機(jī)理具有十分重要的意義。

1 彈性能和膨脹能測定方法

某一特定狀態(tài)下，煤巖彈性能和瓦斯膨脹能都穩(wěn)定不變，當(dāng)煤巖破壞時(shí)，這2種能量將同時(shí)變化。目前，已有研究測定了巖體試件的彈性能[8-9]，也有相關(guān)研究測定了含瓦斯煤粉的膨脹能[10-11]。但是，目前實(shí)驗(yàn)室尚無法同時(shí)測定這2種能量。為此，針對(duì)煤巖試件破壞過程，分別單獨(dú)測定煤巖彈性能和瓦斯膨脹能，再將得到的試驗(yàn)結(jié)果疊加分析，得出了煤巖破壞過程中彈性能與瓦斯膨脹能的演化規(guī)律。

1.1 煤巖彈性能測定方法

受載煤巖體能量轉(zhuǎn)化分能量輸入、集聚、耗散、釋放4個(gè)過程。能量輸入時(shí)，一部分能量以彈性能的形式儲(chǔ)存在煤巖體內(nèi)，另一部分能量以表面能、熱能等形式消耗掉。煤巖體破壞前，輸入的總能量轉(zhuǎn)化為彈性能和耗散能，可用式（1）表示：

式中：W為外界對(duì)煤巖所做的功，即能量輸入；Ee為積聚在煤巖內(nèi)的能量，即彈性能；Ed為煤巖受載過程中消耗的能量，即能量耗散。

式（1）中，煤巖的耗散能是不可逆的，而彈性能是可逆的。因此，可根據(jù)煤巖彈性能的可逆性，利用煤巖試件的循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)煤巖彈性能進(jìn)行計(jì)算[8-9]。

1.2 瓦斯膨脹能測定方法

密閉空間內(nèi)存在吸附平衡的煤和瓦斯，密閉空間打破后，氣體膨脹做功。瓦斯膨脹能符合式（2）～式（4）[12]：

式中：W1為各時(shí)刻的瓦斯膨脹能，J/s；m為噴口處的瓦斯質(zhì)量流量，kg/s；v 為瓦斯流速，m/s；p′為臨界瓦斯壓力，Pa；p為各時(shí)刻煤樣罐內(nèi)瓦斯壓力，Pa；R為瓦斯氣體常數(shù)，J/（kg·K）；T為各時(shí)刻煤樣罐內(nèi)瓦斯溫度，K；p2為大氣壓力，Pa；γ為絕熱指數(shù)，甲烷取 1.314；s為噴口截面積，m2。

2 試驗(yàn)材料

煤樣試件強(qiáng)度性質(zhì)和吸附解吸性質(zhì)穩(wěn)定且相同是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵，為此自主研制了新型含瓦斯煤相似材料。材料以混合煤粉為骨料，以腐植酸納水溶液為膠結(jié)劑，在15 MPa壓力下成型。100余組試件的物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)表明相似材料容重、孔隙率、吸附性與原煤相近、單軸抗壓強(qiáng)度高且調(diào)節(jié)方便[13]。

首先依據(jù)文獻(xiàn)[13]確定膠結(jié)劑濃度配比，然后按照配比工藝壓制尺寸為φ50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試件。制作的標(biāo)準(zhǔn)試件外形完好，表面平整，無裂隙，完整性和均勻性良好。采用深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)。

3 煤巖彈性能試驗(yàn)

采用循環(huán)加卸載試驗(yàn)測定煤巖試件的彈性能。選擇0.5 kN作為1個(gè)加載循環(huán)，按照0→0.5→0→1.0→0→1.5 kN…的加載順序進(jìn)行加載，直到試件發(fā)生破壞。5個(gè)試件的循環(huán)加卸載曲線如圖1。

按照彈性能密度與耗散能密度的試驗(yàn)計(jì)算方法，可得到每個(gè)卸載點(diǎn)處的彈性能密度ue與耗散能密度ud，卸載點(diǎn)處試件的彈性能密度與耗散能密度見表1。

4 瓦斯膨脹能試驗(yàn)

為建立瓦斯膨脹能與煤體應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，以φ50 mm×100 mm圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)試件、不同損傷程度的標(biāo)準(zhǔn)試件、相同質(zhì)量煤粉（粒徑0～3 mm）作為研究樣品。其中，不同損傷程度的試件依據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線選取，分別為20%、60%、100%峰值強(qiáng)度各取1個(gè)，峰后破壞試件取1個(gè)，試驗(yàn)樣品選取依據(jù)如圖2。

吸附時(shí)間是保證煤樣充分吸附的關(guān)鍵因素，在一定壓力下只有吸附飽和的煤樣才能代表該平衡壓力下的膨脹能。實(shí)測了密閉空間內(nèi)煤樣的吸附歷程，瓦斯吸附時(shí)間如圖3。圖3表明，煤樣在4 h以內(nèi)吸附速率較快，4 h以后逐漸放緩，22 h可達(dá)到吸附平衡。因此，試驗(yàn)吸附時(shí)間均取24 h。

試驗(yàn)測定了6組樣品在0.8 MPa壓力下的初始瓦斯膨脹能，按照式（4）～式（6）計(jì)算，6組樣品的初始瓦斯膨脹能見表2。

5 彈性能和膨脹能演化特性分析

將表1得出的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理可得到ue、ud隨應(yīng)力變化的演化規(guī)律。彈性能密度與應(yīng)力關(guān)系如圖4。由圖4可知，彈性能密度隨應(yīng)力的增加承非線性增長。壓密階段增長緩慢；應(yīng)變能密度達(dá)到2 000 J/m3時(shí)，增長速率基本穩(wěn)定。峰值應(yīng)力時(shí)，彈性能密度最大，可達(dá)5 150 J/m3。按照型煤試件質(zhì)量230 g、體積196.25 cm3換算可知，單位質(zhì)量煤體最大彈性能約為4.39 mJ/g。

圖1 循環(huán)加卸載曲線

表1 卸載點(diǎn)處試件的彈性能密度與耗散能密度

圖2 試驗(yàn)樣品選取依據(jù)

圖3 瓦斯吸附時(shí)間

表2 不同破壞程度煤樣初始膨脹能 mJ/g

圖4 彈性能密度與應(yīng)力的關(guān)系

彈性能占總能量的比例如圖5。由圖5可知，壓密階段，初始微孔隙閉合、摩擦等消耗了較多能量，彈性能占比低；進(jìn)入彈性階段后彈性能占比達(dá)到了50%左右，隨后一直增長，最大占比約為70%。

圖5 彈性能占總能量的比例

對(duì)2個(gè)煤巖試件進(jìn)行峰后加卸載試驗(yàn)，獲取了峰后應(yīng)變能密度，應(yīng)變能密度與應(yīng)力的關(guān)系如圖6?？梢姡逯狄院笮兔涸嚰椥阅芗眲♂尫?。峰值強(qiáng)度是煤巖彈性能演化的突變點(diǎn)。

圖6 應(yīng)變能密度與應(yīng)力的關(guān)系

瓦斯膨脹能與煤體破壞的關(guān)系如圖7（圖7中橫坐標(biāo)表示煤樣破壞程度，見表2）。可以發(fā)現(xiàn)，煤樣初始瓦斯膨脹能與煤的破碎程度也有較大關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)試件在峰值強(qiáng)度之前瓦斯膨脹能變化不大，峰值強(qiáng)度處驟然增大25%以上，而同質(zhì)量煤粉的膨脹能則比標(biāo)準(zhǔn)試件高了3倍以上。

圖7 瓦斯膨脹能與煤體破壞的關(guān)系

0.8 MPa下，完好的型煤試件瓦斯膨脹能為79 mJ/g，約為煤體彈性能的18倍；破壞后試件的瓦斯膨脹能為109 mJ/g，為煤體彈性能的24.8倍?？梢?，型煤試件的瓦斯膨脹能遠(yuǎn)大于煤體彈性能。

6 結(jié)論

1）對(duì)型煤試件施加單軸荷載時(shí)，輸入的總能量一部分轉(zhuǎn)換為彈性能，一部分轉(zhuǎn)換為耗散能。彈性階段末期，煤巖彈性能占比約80%，微破裂階段后，彈性能占比逐步降低，峰值強(qiáng)度處彈性能占比約70%。峰值強(qiáng)度后能量釋放，彈性能急劇減小。

2）0.8 MPa氣體壓力下，型煤試件在峰值強(qiáng)度處，瓦斯膨脹能增大25%以上；峰值強(qiáng)度以后，瓦斯膨脹能增大30%以上。

3）峰值強(qiáng)度是彈性能和瓦斯膨脹能突變點(diǎn)。峰值強(qiáng)度處彈性能急劇降低；瓦斯膨脹能卻突增25%以上。由于瓦斯膨脹能是主要能量，這種能量的突變對(duì)煤與瓦斯突出的影響是巨大的。