孫福龍楊 杰陳 勇吳教錕李永元趙清全張倍寧周文斌付樹(shù)平

(1.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京100070；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；4.云南滇東雨汪能源有限公司雨汪煤礦一井，云南 曲靖 655000)

地下煤體開(kāi)挖過(guò)程面臨十分復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，煤體在變形破壞過(guò)程中產(chǎn)生損傷，其內(nèi)部伴隨著能量的吸收、積聚及耗散。 煤體內(nèi)部能量的突然釋放是煤與瓦斯突出的主要原因[1]。 隨著資源開(kāi)采深度的不斷推進(jìn)，煤與瓦斯突出發(fā)生的可能性及災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)程度越來(lái)越大。 因此，研究突出煤體特別是松軟煤體在破壞過(guò)程中的力學(xué)特性與能量演化規(guī)律，對(duì)科學(xué)指導(dǎo)煤礦預(yù)防瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生、合理制定瓦斯治理措施具有重要意義[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤巖力學(xué)特性開(kāi)展了大量研究，其中能量對(duì)煤巖力學(xué)及煤巖體破壞的影響受到很多關(guān)注，從能量角度對(duì)煤體的變形破壞進(jìn)行研究，有助于了解其破壞本質(zhì)，對(duì)研究復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理等問(wèn)題具有重要作用[3]。 能量理論認(rèn)為，處于力學(xué)平衡狀態(tài)的煤體－圍巖系統(tǒng)在多重應(yīng)力作用下達(dá)到極限破壞時(shí)，若系統(tǒng)中積聚的彈性能大于破壞時(shí)消耗的能量，多余的彈性能就會(huì)釋放給外界，形成動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生源。 左建平等[4]從煤巖組合結(jié)構(gòu)入手，對(duì)煤巖組合體破壞力學(xué)行為與能量耗散規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了組合結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)與組合模式、煤巖各部分力學(xué)參數(shù)等有關(guān)的結(jié)論。 許江等[5]利用含瓦斯煤熱流固耦合三軸壓縮裝置對(duì)含瓦斯煤體的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤體的變形特性和強(qiáng)度特征與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系。 楊永杰等[6]認(rèn)為，煤樣的非均質(zhì)特性使得其沿隨機(jī)裂隙破裂偏離的可能性增大。 這些研究成果對(duì)我國(guó)煤炭資源的安全高效開(kāi)發(fā)起到了重要作用。

現(xiàn)有研究大多集中于普通煤體，針對(duì)突出煤層的松軟煤體研究較少，而松軟煤體在強(qiáng)度、變形等方面與其他普通煤體有著顯著差異。 本文通過(guò)開(kāi)展不同圍壓下煤體常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)滇東礦區(qū)某突出煤層松軟煤體的力學(xué)性質(zhì)與損傷破壞過(guò)程中的能量演化規(guī)律進(jìn)行分析，探明不同圍壓下松軟煤體在損傷破壞過(guò)程中的能量演化過(guò)程，探索其能量演化過(guò)程與力學(xué)破壞機(jī)制之間的關(guān)系，揭示松軟煤體在復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生破壞時(shí)的能量演化規(guī)律，為制定瓦斯治理措施和選取工程煤體力學(xué)參數(shù)等提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)煤樣取自滇東礦區(qū)雨汪煤礦一井C2 煤層，該煤層為煤與瓦斯突出煤層，煤質(zhì)松軟。 為減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性，所有煤樣均取自井下同一地點(diǎn)的原煤塊，將原煤塊運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)切割、打磨等工藝將其制成直徑為50 mm、高度為100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形煤樣，且煤樣上下兩端面平行誤差控制小于0.01 mm，豎直方向角度偏差小于0.05°[7]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓柱形煤樣進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。先以靜水壓力狀態(tài)加載煤樣到預(yù)定的圍壓值，然后通過(guò)位移加載方式以0.05 mm/min 的恒定速率加載至煤樣完全破壞。 因煤體較軟，圍壓梯度設(shè)置為1、3、5 MPa，每種圍壓下進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)，共9 次實(shí)驗(yàn)，每組圍壓梯度取1 個(gè)典型煤樣進(jìn)行分析。

加載裝置采用MTS815.03 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1 所示。 該系統(tǒng)可施加最大軸向載荷為2 800 kN、最大孔隙水壓為80 MPa。

2 不同圍壓下煤樣力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同圍壓下煤樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)

3 組典型煤樣分別在1、3、5 MPa 的圍壓水平下加載直至破壞，通過(guò)測(cè)定不同圍壓下煤樣破壞過(guò)程中的徑向和軸向應(yīng)變、峰值應(yīng)力可計(jì)算出煤樣的彈性力學(xué)參數(shù)。 本次煤樣在不同圍壓下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2 所示。

圖2 不同圍壓下煤樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Stress-strain curves of coal samples under different confining pressures

由圖2 可知，不同圍壓下煤樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)特征大致相同，均可分為初始?jí)好茈A段、線(xiàn)彈性階段、屈服階段和破壞階段。 在加載初期，煤樣內(nèi)部的原生孔隙、裂隙隨著軸向荷載的增大不斷被壓密、閉合。 在線(xiàn)彈性階段，煤樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)近似呈直線(xiàn)關(guān)系，表現(xiàn)出較好的彈性特征，服從胡克定律；當(dāng)荷載達(dá)到煤樣屈服強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)入屈服階段，煤樣內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)損傷，其承載能力開(kāi)始下降。 當(dāng)軸向荷載大于煤樣的極限強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)力跌落現(xiàn)象，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而減小，直至煤樣發(fā)生破壞。

隨著圍壓的增大，曲線(xiàn)變陡，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)峰前階段表征的彈性模量增加，但變化幅度不大，說(shuō)明煤樣的彈性性質(zhì)受?chē)鷫河绊懹邢?，煤樣具有一定的壓硬性?煤樣的峰值應(yīng)變隨圍壓的增大而增加，說(shuō)明在低圍壓條件下，煤樣在較小應(yīng)力下即發(fā)生變形，增大圍壓會(huì)使煤樣峰值應(yīng)變?cè)龃蟆?煤樣的變形受到所處應(yīng)力狀態(tài)的影響:在低圍壓條件下，煤樣表現(xiàn)出明顯的延塑性破壞，處于峰值階段的煤樣仍具有一定的承載能力，隨著變形不斷增加，煤樣內(nèi)部損傷不斷積聚從而導(dǎo)致其承載能力逐漸降低，最終煤樣發(fā)生屈服破壞，該過(guò)程應(yīng)力跌落緩慢，衰減速率低；在高圍壓條件下，煤樣表現(xiàn)出脆性破壞的特征，煤樣承載能力大幅增加，峰值應(yīng)力增大，導(dǎo)致其能夠在較高的荷載水平下發(fā)生破壞，相對(duì)于承載能力較低的低圍壓條件煤樣，高圍壓環(huán)境能使煤樣在破壞前積聚更多的彈性應(yīng)變能，能量的作用使得其屈服階段極短，破壞時(shí)表現(xiàn)出明顯的脆性特征，應(yīng)力急劇跌落，衰減速率快[8]。

2.2 不同圍壓下煤樣的應(yīng)力－應(yīng)變特征

煤樣三軸壓縮力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of triaxial compression test of the coal sample

由表1 可知，隨著圍壓的增大，各煤樣的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量、泊松比均增加。 本文分別研究了峰值應(yīng)力、彈性模量、峰值應(yīng)變、泊松比與圍壓的關(guān)系，如圖3 ~圖6 所示。

圖3 峰值應(yīng)力與圍壓的關(guān)系Fig.3 Corelation between peak strength and confining pressure

由圖3 和圖4 可知，在一定圍壓變化范圍內(nèi)，煤樣峰值應(yīng)力、彈性模量與圍壓呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著圍壓的增大，煤樣峰值應(yīng)力增大的速率越來(lái)越大，這是因?yàn)槊簶尤S壓縮過(guò)程中的圍壓效應(yīng)明顯，圍壓的增加增大了煤體內(nèi)部各個(gè)裂隙面上的正應(yīng)力，從而增強(qiáng)了其在軸向受壓過(guò)程中抵抗滑移的摩擦能力，使煤樣的承載能力得到大幅提高，并且圍壓越大，效果越明顯。 當(dāng)圍壓較小時(shí)，煤樣在較低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生破壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變均較小，彈性階段較短，隨著圍壓的增大，煤樣的彈性能力得到增強(qiáng)。 從能量角度來(lái)說(shuō)，高圍壓使煤樣彈性模量變大，由于材料積聚了更多的彈性應(yīng)變能，破壞會(huì)表現(xiàn)得愈發(fā)劇烈與明顯，表現(xiàn)為應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)破壞階段應(yīng)力跌落情況的差異，宏觀(guān)則是煤樣由延塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變。 由圖5 和圖6 可知，峰值應(yīng)變、泊松比與圍壓近似呈線(xiàn)性關(guān)系，這在一定程度上表明，該種煤體在實(shí)驗(yàn)圍壓范圍內(nèi)的變形能力與圍壓呈正比關(guān)系，隨著圍壓的增大，煤樣的變形能力越來(lái)越強(qiáng)。

圖4 彈性模量與圍壓的關(guān)系Fig.4 Corelation between elastic modulus and confining pressure

圖5 峰值應(yīng)變與圍壓的關(guān)系Fig.5 Corelation between peak strength and confining pressure

圖6 泊松比與圍壓的關(guān)系Fig.6 Corelation between Poisson′s ratio and confining pressure

2.3 不同圍壓下煤樣的破壞形態(tài)分析

不同圍壓下煤樣的破壞形態(tài)如圖7 所示。 低圍壓條件下煤樣承載能力較低，抵抗滑移的摩擦力較小，煤樣在較低峰值應(yīng)力下發(fā)生破壞，破壞強(qiáng)度較低，體現(xiàn)為局部的剪切滑移，如圖7(a)所示；隨著圍壓增大，煤樣承載能力變強(qiáng)，破壞強(qiáng)度變大，體現(xiàn)為貫通整體的X 狀剪切破壞，如圖7(b)所示；繼續(xù)增大圍壓，煤樣內(nèi)部微顆粒相互黏結(jié)，嵌合緊密，高圍壓帶來(lái)的摩擦力使得煤樣承載能力大大增強(qiáng)，其破壞形式表現(xiàn)為近似劈裂的剪切破壞，如圖7(c)所示。

圖7 不同圍壓下煤樣破壞后形態(tài)Fig.7 Morphology of coal samples after failure under different confining pressures

3 不同圍壓下煤樣的能量演化規(guī)律

煤樣的三軸壓縮破壞過(guò)程是一個(gè)原生裂隙閉合、消失，新裂隙產(chǎn)生、發(fā)育、貫通的過(guò)程，其過(guò)程伴隨能量的吸收、存儲(chǔ)、耗散以及釋放。 不考慮外界溫度變化產(chǎn)生熱能的情況下，實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)煤樣所做的功一部分以可逆彈性變形能的形式儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部，另一部分以不可逆塑性變形能、煤樣損傷能等形式耗散[9]。 當(dāng)煤樣從外界吸收的彈性能量達(dá)到其所能儲(chǔ)存的最大值時(shí)，煤樣發(fā)生破壞并將所儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能向外界釋放，一部分能量作用于煤樣本身，使之產(chǎn)生損傷破裂，形成宏觀(guān)上的破壞形態(tài)，剩余部分能量則以動(dòng)能、熱能、輻射能等形式向外界釋放。 本文從彈性能積聚、釋放的角度研究煤樣在三軸條件下發(fā)生變形破壞的能量演化規(guī)律，揭示不同圍壓下松軟煤體的力學(xué)特性。

3.1 能量計(jì)算原理

假設(shè)煤體在三軸條件下發(fā)生變形破壞的過(guò)程與外界無(wú)熱交換，則煤體總輸入應(yīng)變能U、可釋放彈性應(yīng)變能Ue、耗散能Ud三者的轉(zhuǎn)化平衡關(guān)系為

式中:Ue表示彈性應(yīng)變能，與煤樣的彈性模量和泊松比有關(guān)；Ud表示耗散能，主要用于煤樣內(nèi)部的損傷和塑性變形。

煤體的能量計(jì)算方法如下[10]。

由胡克定律可知

則有

式中:σi、σj、σk(i，j，k＝1，2，3)是三個(gè)方向上的主應(yīng)力；εi(i＝1，2，3)是三個(gè)方向上的應(yīng)變；υ是泊松比；E是初始彈性模量，可代替卸載彈性模量進(jìn)行計(jì)算。

3.2 不同圍壓下能量演化過(guò)程

將三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)代入3.1 中的計(jì)算公式可得不同圍壓下煤樣在破壞過(guò)程中的能量值，圖8 為煤樣在不同圍壓下的能量變化曲線(xiàn)。

圖8 不同圍壓下煤樣能量變化曲線(xiàn)Fig.8 Energy variation curve of the coal sample under different confining pressures

由圖8 可見(jiàn)，不同圍壓下總能量U、彈性能Ue具有相似的變化趨勢(shì)。 從能量角度來(lái)說(shuō)，煤樣的變形破壞過(guò)程大致分為4 個(gè)階段:①初始?jí)好芏?，曲線(xiàn)斜率偏小，煤樣從外界吸收的能量大部分轉(zhuǎn)化為使煤樣內(nèi)部微裂隙閉合和摩擦滑移的耗散能，同時(shí)緩慢儲(chǔ)存小部分彈性能；②彈性階段，曲線(xiàn)近似直線(xiàn)，此時(shí)煤樣的原生裂隙已被壓密，以穩(wěn)定的速率吸收彈性能；③屈服階段，總能量與彈性能積累速率曲線(xiàn)變平緩，且在峰值應(yīng)力處達(dá)到最大值；④峰后破壞段，隨著煤樣內(nèi)部微小裂紋匯合、貫通，形成宏觀(guān)斷裂面，彈性能迅速轉(zhuǎn)化為耗散能，然后以表面能、動(dòng)能等形式向外界釋放，伴隨著應(yīng)力的下降，煤樣整體強(qiáng)度喪失而導(dǎo)致破壞。

3.3 不同圍壓下峰值能量特征

由于突出煤層處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，井下割煤、掘進(jìn)等擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能量的變化，總能量和彈性能的積聚會(huì)使煤體發(fā)生損傷破壞，從而有可能導(dǎo)致煤層突出災(zāi)害的發(fā)生。 彈性能作為系統(tǒng)前期積聚、后期釋放的能量，對(duì)災(zāi)害是否發(fā)生及發(fā)生的劇烈程度起重要作用。 本文針對(duì)取自突出煤層的松軟煤樣，研究其在變形破壞過(guò)程中彈性能的參與作用和作用效果，以不同圍壓下極限彈性能、峰值總能量為參數(shù)，得到極限彈性能、峰值總能量與圍壓的關(guān)系，如圖9 和圖10 所示。

圖9 極限彈性能與圍壓的關(guān)系Fig.9 Corelation between ultimate elastic energy and confining pressure

圖10 峰值總能量與圍壓的關(guān)系Fig.10 Corelation between peak total energy and confining pressure

由圖9 和圖10 可見(jiàn)，不同圍壓下極限彈性能、總能量的演化規(guī)律具有相似性。 在整個(gè)煤樣變形破壞過(guò)程中，隨著圍壓從1、3、5 MPa 逐漸增加，其極限彈性能從0.003 6、0.011、0.046 MJ/m3成倍增加，峰值總能量從0.089、0.223、0.809 MJ/m3成倍增大。 隨著圍壓的增大，煤樣臨界破壞點(diǎn)總能量線(xiàn)性增大，圍壓效應(yīng)使煤樣峰值應(yīng)力顯著增大，提高了其能量吸收能力。 極限彈性能具有與總能量相似的演化規(guī)律，圍壓越大，煤樣積聚的彈性能越大，并且隨著圍壓的增大近似線(xiàn)性增大。 不同圍壓下極限彈性能、總能量整體增長(zhǎng)速率相近，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)條件下圍壓對(duì)能量的增加速率影響較小。從宏觀(guān)上來(lái)說(shuō)，高圍壓使煤樣積聚較多的彈性能，這些能量對(duì)破壞過(guò)程起加劇作用，所以處于高圍壓環(huán)境下的煤樣破壞程度較低圍壓劇烈。 在實(shí)際條件下，高應(yīng)力區(qū)域施工更容易產(chǎn)生劇烈的動(dòng)力現(xiàn)象，比如煤層突出、頂板垮落等，因此必須提前采取措施釋放應(yīng)力，從而降低災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[11]。

4 結(jié)論

基于取自滇東礦區(qū)雨汪煤礦一井突出煤層煤樣的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了不同圍壓下煤樣的力學(xué)性質(zhì)和能量演化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1)常規(guī)三軸條件下的圍壓效應(yīng)明顯，峰值應(yīng)力、彈性模量與圍壓呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，峰值應(yīng)變、泊松比與圍壓呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系。

2)煤樣的破壞模式與圍壓相關(guān)性較強(qiáng)，隨著圍壓的增大，系統(tǒng)的極限彈性能增加，煤樣由延塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)化，破壞形式由局部的剪切滑移發(fā)展到貫通整體的劈裂破壞，且破壞劇烈程度變高。

3)不同圍壓下煤樣彈性能演化規(guī)律相似，與應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)高度吻合，均可分為初始?jí)好堋椥?、屈服和破? 個(gè)階段，并且隨著圍壓的增加，極限彈性能與峰值總能量近似呈線(xiàn)性增加。