高 霞， 李春雨， 張保勇

(1.黑龍江科技大學 建筑工程學院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學 安全工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

工程實踐和理論表明，煤體力學性質(zhì)的測試對于煤礦井下煤柱合理設計和巷道安全支護[1]、煤與瓦斯突出防治以及采動影響下煤層瓦斯抽放具有重要意義[2]。原煤和型煤是進行力學性質(zhì)測試的基礎，然而大部分煤層裂隙結構、層理和節(jié)理發(fā)育明顯，造成鉆取原煤的成功率降低，阻礙了實驗室的相關研究[3]。已有研究表明，利用型煤代替原煤進行實驗所得滲流特性、變形特性和抗壓強度的變化規(guī)律是一致的，雖然在數(shù)值大小上存在一定的差異[4]。在型煤制備中，成型壓力和保壓時間是影響其成型的重要因素。

目前，已有部分學者開展了型煤制備過程中成型壓力和保壓時間的確定工作。楊鳳玲等[5]分析了原料粒度(0.45～3.00 mm)組成和成型壓力等因素對型煤成型的影響，揭示了原料粒度組成和成型壓力對型煤強度的影響規(guī)律，結果表明：隨著0.5 mm以下粉煤的增加，型煤強度有增加趨勢，成型過程中最佳成型壓力為25 MPa。張文彬等[6]探究不同煤粉粒徑(0～0.5 mm)比例、腐植酸鈉膠結劑摻入量、成型壓力和保壓時間4種因素相互作用下對型煤力學參數(shù)的作用規(guī)律，結果表明，型煤的抗壓強度受成型壓力與粒徑比例的影響較大，彈性模量受成型壓力的影響較為明顯。郭懷廣等[7]以陽泉礦區(qū)3#煤層作為實驗室研究對象，型煤粒度為0.5～3.0 mm，實驗模擬了不同加壓條件下煤體抗壓強度的變化情況，型煤的成型壓力確定為31和51 MPa，結果表明，隨著成型壓力的增大，煤樣單軸抗壓強度不斷減小。田斌等[8]研究發(fā)現(xiàn)，型煤粒度為0.425～2.800 mm，成型壓力為5.5～19.5 MPa時，對大顆粒粉煤成型冷壓強度、熱壓強度和熱穩(wěn)定性影響較大，對小顆粒粉煤成型冷壓強度、熱壓強度和熱穩(wěn)定性影響較小。鄧加耀等[9]針對山西大同新榮的煙煤，型煤粒度為0.5～1.0 mm，進行了勻速加壓實驗，研究表明：成型壓力越高，型煤的強度越好，但大于30 MPa后，型煤強度不會明顯增加；張金山等[10]對型煤進行了正交實驗，型煤粒度為0.6～3.0 mm，發(fā)現(xiàn)成型壓力在30 MPa以上，型煤強度增加很緩慢，而且會帶來脫模困難等問題。趙洪寶等[11]以軟分層煤粉制作的型煤為研究對象，對含瓦斯煤進行了單軸壓縮實驗，成型壓力和保壓時間分別是100 MPa和20 min，型煤粒度為0.25～0.42 mm，實驗發(fā)現(xiàn)含瓦斯煤的單軸壓縮應力應變曲線線性階段明顯，特別是線彈性階段和脆性破壞階段的出現(xiàn)。王凱等[12]在利用型煤進行單軸壓縮力學性質(zhì)實驗研究時，其成型壓力和保壓時間確定為100 MPa和3 h，型煤粒度為0.178～0.250 mm。王剛等[13]在利用型煤進行變軸壓三軸加載實驗研究時，型煤的成型壓力和保壓時間確定為50 MPa和20 min，型煤粒度為0.425～2.800 mm。許江等[14]以重慶松藻煤礦K2煤層的型煤試件為研究對象，型煤的成型壓力和保壓時間分別是100 MPa和20 min，型煤粒度為0.2～0.3 mm，進行了有關含瓦斯煤力學特性與滲透特性實驗研究；趙洪寶等[15]以型煤為研究對象，成型壓力和保壓時間分別是100 MPa和20 min，型煤粒度為0.42～0.84 mm，進行了含瓦斯煤三軸壓縮實驗。

從目前的研究現(xiàn)狀來看，對型煤成型壓力和保壓時間的研究相對較少，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，型煤制作過程中成型壓力和保壓時間在5.5～100 MPa、20～180 min內(nèi)，煤粉粒徑一般小于3 mm。筆者通過開展成型壓力p和保壓時間t共同作用下對雙鴨山七星煤礦制作的型煤(0.18～0.25 mm)單軸壓縮實驗，重點分析其對型煤強度和變形特性的影響，初步優(yōu)選型煤制備中的成型壓力和保壓時間。

1 實驗系統(tǒng)

文中單軸壓縮實驗由瓦斯固化與力學性質(zhì)測試一體化裝置開展(圖1)。從圖1中可以看出，該套實驗系統(tǒng)主要由軸壓與圍壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和恒溫箱等組成。軸壓量程為0～60 kN，圍壓量程為0～100 MPa，軸向、徑向監(jiān)測量程分別為0～20 mm、0～10 mm，最大供氣壓力15 MPa，裝置可以滿足實驗要求。

圖1 煤體力學性質(zhì)測試一體化裝置

2 實驗內(nèi)容與步驟

2.1 試樣制備

實驗中所用煤樣來自雙鴨山礦業(yè)公司七星煤礦。制作型煤時嚴格按照“煤與巖石物理力學性質(zhì)測定方法”，把采回的原煤粉碎篩分出大小為0.18～0.25 mm(40～60目)的顆粒，取一定量干燥煤粉與定量純水攪拌均勻，在(50、75、100 MPa)作用力下保壓(0.5、1.0、3.0 h)壓制而成。型煤試樣規(guī)格為直徑50 mm，高度100 mm。

2.2 實驗步驟與方案

(1)將試樣安裝到三軸壓力室透氣鋼板上使其與上、下壓頭對齊，套上熱縮管，用熱風機加熱使熱縮管收縮緊貼試樣及上下壓頭，并用扎帶分別將熱縮管的上下兩端與上下壓頭箍緊，試樣密封完成后，安裝軸向引伸計和徑向引伸計，并將其移至三軸壓力室固定；

(2)實驗時首先對煤樣略加軸壓，來保證煤樣頂端壓頭同壓力機壓頭對準并緊密結合；

(3)待試樣與實驗機完全接觸后，采用位移控制方式進行加載，加載速率為0.01 mm/s，直到試樣破壞，實驗結束；

(4)更換試樣，進行下一組實驗。

為了優(yōu)選型煤制備過程中的成型壓力與保壓時間，該實驗對制備好的型煤進行不同條件下的單軸壓縮實驗。此次實驗分為3組(成型壓力為50、75、100 MPa)，每組包含3種不同保壓時間(0.5、1.0、3.0 h)煤樣，共進行9次單軸壓縮實驗。具體實驗方案如表1所示。

表1 型煤煤樣基本參數(shù)

3 實驗結果與分析

3.1 應力-應變與體積應變-軸向應變曲線

圖2為不同成型壓力和保壓時間下煤樣單軸壓縮應力-應變曲線(ε1為軸向應變，ε3為徑向應變)。圖3為不同成型壓力和保壓時間下煤樣單軸壓縮軸向應變-體積應變曲線。

圖2 不同成型壓力與保壓時間下煤樣單軸壓縮應力-應變曲線

從圖2可以看出，在50 MPa成型壓力下，煤樣應力-應變曲線呈應變硬化型，而在75和100 MPa下，應力-應變曲線呈應變軟化型。各狀態(tài)試樣在單軸加載條件下應力-應變可大致分為彈性、屈服和破壞3個階段。曲線的峰前彈性階段較長，屈服階段較短，但彈性段光滑度較差，隨著成型壓力的增大，峰值后應力跌落的趨勢越明顯，相比于成型壓力為50 MPa的煤樣，成型壓力為75和100 MPa的煤樣其破壞階段較明顯，表明隨著成型壓力增大，試樣從延性到脆性過渡，但脆性并不明顯。

圖3 不同成型壓力與保壓時間下煤樣單軸壓縮軸向應變-體積應變曲線

根據(jù)圖2中煤體單軸壓縮實驗結果，曲線軸向應力-徑向應變與軸向應力-軸向應變相比，峰前連續(xù)、光滑性更好，且?guī)缀蹙鶠榫€彈性。對于曲線峰后變化，徑向應變的變化趨勢與軸向基本相同。3種成型壓力下的應力-徑向應變曲線重合度較高。相比于成型壓力為75和100 MPa的煤樣，成型壓力為50 MPa的煤樣，在保壓時間為0.5 h情況下的徑向應變較大。其中，煤體單軸壓縮體積應變εV=ε1+2ε3。

從圖3中可以看出，煤體單軸壓縮體積應變曲線總體趨勢基本一致，可以大致分為2個階段，即體積壓縮階段和擴容階段。其中體積壓縮階段大部分對應試樣軸向應力-應變曲線彈性加載段，且體積變形階段增加較快，體積應變曲線由壓縮階段至擴容階段變化較為明顯，但不能說明煤體容易發(fā)生擴容[16]。當成型壓力為50 MPa時，3種保壓時間的體積應變-軸向應變曲線相比之下接近重合，說明在該成型壓力下保壓時間對體積應變影響較小。相比于成型壓力為75和100 MPa，成型壓力為50 MPa的煤樣在保壓時間為1 h時的擴容點體積應變最大。而當成型壓力為100 MPa、保壓時間為3 h時，煤樣擴容點處的體積應變明顯較小。

3.2 峰值強度與彈性模量

圖4a為煤樣單軸抗壓強度隨保壓時間和成型壓力變化關系。由圖4a可以看出，相對于成型壓力為100 MPa，成型壓力為50和75 MPa時煤樣的單軸抗壓強度相對較低。當保壓時間為0.5 h，成型壓力為50、75 和100 MPa時，煤樣的單軸抗壓強度分別為0.276、0.645和0.703 MPa，隨著成型壓力增加，煤樣單軸抗壓強度增大幅度分別約為133.70%和8.99%，而當保壓時間為1和3 h 時，煤樣單軸抗壓強度增大幅度分別為5.14%～9.93%和8.87%～9.04%?？梢钥闯?，當保壓時間為0.5 h時，成型壓力大小對煤樣單軸抗壓強度大小的影響顯著。當成型壓力一定(50 MPa)，保壓時間為0.5、1.0、3.0 h時，煤樣的單軸抗壓強度隨保壓時間的增大而增大。成型壓力為50 MPa、保壓時間為0.5 h時，煤樣的單軸抗壓強度為0.276 MPa，當保壓時間1 h時相應增加到0.584 MPa，較0.5 h時增加了111.59%，保壓時間進一步提高至3 h時，單軸抗壓強度增至0.620 MPa，較1 h時增加了6.16%?？梢钥闯?，當成型壓力為50 MPa時，保壓時間1 h是門檻值，1 h后單軸抗壓強度幾乎不再增加。而當成型壓力為75和100 MPa，煤樣的單軸抗壓強度隨保壓時間的增大呈先減小后增大規(guī)律。煤樣的單軸抗壓強度分別先由0.645降至0.614 MPa，0.703降至0.675 MPa，分別下降了4.81%和3.98%，再分別由0.614增至0.675、0.675增至0.736 MPa，增長的幅度分別為9.93%和9.04%。由此可以看出，當成型壓力為75和100 MPa時，保壓時間對煤樣單軸抗壓強度大小的影響較小，而成型壓力為50 MPa時，煤樣單軸抗壓強度變化較大，這可能是因為在煤樣制作過程中，成型壓力越大，煤樣中裂隙較少、裂縫張開度越小，煤的結構元素間聯(lián)系越強，單軸抗壓強度也就越大[7]。

圖4 不同保壓時間下煤樣單軸抗壓強度與彈性模量隨成型壓力的變化關系

根據(jù)單軸壓縮實驗應力-軸向應變曲線，對不同狀態(tài)下煤樣的彈性模量進行計算，彈性模量為軸向應力-應變曲線的近似直線段斜率，文中取應力-軸向應變曲線近似直線段(20%～70%峰值強度)斜率，計算公式如下：

E=σ1/ε1，

式中：E——彈性模量,MPa；

σ1、ε1——某應力狀態(tài)下的軸向應力及軸向應變。

圖4b為不同保壓時間下煤樣的彈性模量隨成型壓力的變化關系。由圖4b可見：彈性模量均隨成型壓力和保壓時間的增大而增大。當保壓時間為0.5、1.0、3.0 h，成型壓力從50增至100 MPa，煤樣的彈性模量分別從3.54增加到8.44 MPa，5.97增加到9.66 MPa，7.11增加到10.95 MPa，分別增長了54.30%～54.52%、8.21%～49.54%、20.21%～ 28.12%?？梢钥闯?，相比于保壓時間為1和3 h，保壓時間為0.5 h時，成型壓力的大小對煤樣彈性模量的影響較大。成型壓力為50、75和100 MPa狀態(tài)下，保壓時間從0.5增至3 h，煤樣彈性模量分別從3.54增加到7.11 MPa、5.47增加到9.11 MPa、8.44增加到10.95 MPa，分別增長了19.10%～68.64%、18.10%～41.01%、13.35%～ 14.35%。由此可以看出，隨著成型壓力的增大，煤樣彈性模量逐漸增大，且隨著保壓時間的增大，單軸壓縮煤樣彈性模量的增長幅度范圍在逐漸減小。煤樣彈性模量隨成型壓力的增大而增大，主要原因可能是因為隨著成型壓力的增大，改變了煤體原有的性質(zhì)，試樣的黏聚力增大，從宏觀來看，則表現(xiàn)為煤體抵抗變形的能力增強[17]。

通過成型壓力和保壓時間對煤樣的力學特性影響研究，可以看出：當成型壓力為100 MPa時，煤樣彈性模量較成型壓力為50和75 MPa時煤樣彈性模量有較大幅度的增加，且成型壓力為100 MPa時，保壓時間為0.5和3 h的煤樣單軸抗壓強度大小基本相同，因此保壓時間為0.5 h即可以滿足實驗目的，進而節(jié)約了實驗所用的時間。因此在該次實驗中，最佳成型壓力可定義為100 MPa，最佳保壓時間為0.5 h。

3.3 煤樣破壞模式

圖5為不同成型壓力和保壓時間煤樣宏觀破壞形態(tài)圖和素描圖，圖中粗實線代表張開角度較大的主裂紋。其中，圖5a～i實驗條件分別為50 MPa、0.5 h，50 MPa、1.0 h，50 MPa、3.0 h，75 MPa、0.5 h，75 MPa、1.0 h，75 MPa、3.0 h，100 MPa、0.5 h，100 MPa、1.0 h，100 MPa、3.0 h。

圖5 不同成型壓力與保壓時間煤樣宏觀破壞形態(tài)

由圖5可以看出，單軸壓縮作用下，總體而言煤樣破壞程度較小，在破壞形式上，圖5a～5i的破壞形式以劈裂形式破壞為主，煤樣破壞伴隨著較少的宏觀裂紋產(chǎn)生，這些裂紋傾斜的方向幾乎沿軸向存在。總體而言，保壓時間和成型壓力對破壞模式和破壞角的影響較小，破壞角分布在75°～88°。

4 結 論

(1)各狀態(tài)煤樣在單軸加載條件下應力-應變可大致分為彈性、屈服和破壞3個階段，在50 MPa下，煤樣的應力-應變曲線呈應變硬化型，而在75和100 MPa下，應力-應變曲線均呈應變軟化型，成型壓力為75 MPa時，3種保壓時間的軸向應力-應變曲線相比之下一致性最好。

(2)當成型壓力為100 MPa時，煤樣的彈性模量較成型壓力為50和75 MPa時的煤樣彈性模量有較大幅度的增加，且成型壓力為100 MPa時，保壓時間為0.5 h，和保壓時間為3 h的煤樣單軸抗壓強度大小基本相同，因此最佳成型壓力確定為100 MPa，最佳保壓時間為0.5 h。

(3)煤樣破壞形式以劈裂形式破壞為主，保壓時間和成型壓力對破壞模式和破壞角的影響較小，破壞角分布在75°～88°。