劉祥龍 ，江東海

（1.潞安化工集團(tuán)有限公司 安全技術(shù)培訓(xùn)中心，山西 長(zhǎng)治 046299；2.潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046299；3.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590）

現(xiàn)階段我國(guó)煤炭開(kāi)采正逐漸轉(zhuǎn)型，向著綠色安全高效及智能化方向發(fā)展，針對(duì)上述需求，許多學(xué)者開(kāi)始研究更加科學(xué)的采煤方法，即無(wú)（?。┟褐o(hù)巷采煤方法，該方法極大改善了工作面的工作環(huán)境，其中小煤柱護(hù)巷可較好的使巷道避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)域，提高煤炭資源回收率、減少矸石產(chǎn)出率[1-3]。然而在諸如喀斯特地貌區(qū)域，地表水很容易導(dǎo)入采空區(qū)，滲透水壓雖小，但在滲透及承載作用下煤柱變形破壞機(jī)理復(fù)雜，變形加劇、承載能力降低，支護(hù)控制難度非常大，此條件下煤柱穩(wěn)定控制是亟須解決的關(guān)鍵科學(xué)難題。而此工況下的煤柱穩(wěn)定性主要與煤柱承載與滲透特征有關(guān)，因此研究此受力受水環(huán)境下的煤樣破壞特征及滲透特性，對(duì)于解決煤柱穩(wěn)定控制問(wèn)題，具有重要的理論意義。

在滲透作用下煤巖體壓縮失穩(wěn)破壞特征研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。陳衛(wèi)忠等[4]、尹光志等[5]研制了三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)多種復(fù)雜應(yīng)力路徑下巖石力學(xué)特性與流體滲流規(guī)律進(jìn)行了研究；RONG 等[6]、夏才初等[7]自主研發(fā)了剪切-滲流耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，最大滲透壓力可達(dá)到1 MPa，并對(duì)花崗巖節(jié)理試樣進(jìn)行了剪切-滲流耦合特性的試驗(yàn)研究；WANG 等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了單軸壓縮作用下節(jié)理數(shù)目對(duì)巖體強(qiáng)度、變形特征以及節(jié)理擴(kuò)展的影響；王偉等[9]通過(guò)在不同圍壓、孔壓和排水條件下的三軸壓縮試驗(yàn)，探討了圍壓和孔壓對(duì)巖石強(qiáng)度特性、變形規(guī)律、損傷演化的影響；賈立鋒等[10-11]利用自行研制的應(yīng)力-滲流-解吸煤體變形實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展了應(yīng)力、滲流作用下煤體滲透、變形試驗(yàn)；張俊文等[12]、俞縉等[13]采用全自動(dòng)三軸滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了無(wú)水與排水條件下砂巖應(yīng)力-滲流耦合試驗(yàn)，研究了應(yīng)力-滲流耦合下砂巖力學(xué)行為與滲透率演化響應(yīng)特征，獲得了變形、強(qiáng)度及滲透率演化規(guī)律；姚強(qiáng)嶺等[14-16]、陳田等[17]針對(duì)地下水對(duì)隔水煤巖柱和礦井地下水庫(kù)邊界的反復(fù)浸水損傷過(guò)程，開(kāi)發(fā)了無(wú)損浸水實(shí)驗(yàn)裝置，研究了反復(fù)浸水作用下煤巖樣力學(xué)性質(zhì)損傷規(guī)律和聲發(fā)射特征。

上述學(xué)者對(duì)滲透作用下煤巖體壓縮失穩(wěn)研究取得了顯著研究成果。但實(shí)驗(yàn)室滲流試驗(yàn)中，多為軸向滲透-軸向承載，與現(xiàn)場(chǎng)不符，對(duì)于側(cè)向滲透-軸向承載下的煤體壓縮失穩(wěn)及滲透特性研究相對(duì)較少，且由于煤體內(nèi)節(jié)理產(chǎn)狀不同，煤體滲透及強(qiáng)度特征表現(xiàn)為各向異性，已有成果指導(dǎo)此類煤體穩(wěn)定控制可能存在較大誤差。鑒于此，通過(guò)用于圓柱形試件滲透實(shí)驗(yàn)的單側(cè)水壓加載裝置，進(jìn)行不同側(cè)向低滲透壓力下煤樣壓縮試驗(yàn)，更好還原實(shí)際中的煤柱滲水、受力環(huán)境，對(duì)該條件下煤樣破壞特征及滲透特性進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

側(cè)向滲透-軸向承載下煤樣壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1，系統(tǒng)主要包括單側(cè)水壓加載裝置、MTS 伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)、滲水壓力系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、LCR 電阻率動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[18]。

圖1 側(cè)向滲透壓力下煤樣壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Connection diagram of coal uniaxial compression test equipment under lateral seepage pressure

試驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備為用于圓柱形試件滲透實(shí)驗(yàn)的單側(cè)水壓加載裝置，裝置右側(cè)開(kāi)口為半圓形，將試件插到裝置半圓形開(kāi)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(duì)試件產(chǎn)生圍壓，該裝置實(shí)現(xiàn)了側(cè)向滲透-軸向承載的功能，能更好還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的煤柱滲水、受力環(huán)境，使試驗(yàn)效果更接近實(shí)際[18]。

1.2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

側(cè)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(yàn)，每組進(jìn)行3 次試驗(yàn)，共計(jì)30 次試驗(yàn)，需制作30 塊圓柱形標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)地均勻的采用Revscan 激光掃描系統(tǒng)對(duì)煤樣進(jìn)行檢測(cè)，將節(jié)理分布較均一的用于試驗(yàn)。

對(duì)煤樣進(jìn)行側(cè)向滲透的單軸壓縮試驗(yàn)，同時(shí)通過(guò)LCR 電阻率動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)煤樣壓縮過(guò)程中的電阻變化，通過(guò)電阻變化可反映煤樣壓縮過(guò)程中裂隙發(fā)育情況。試驗(yàn)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(tǒng)連接并放進(jìn)水中檢查是否完全密封好，若未密封好，重復(fù)涂抹密封膠直到完全密封好。

2）通過(guò)注水接口向裝置內(nèi)注水，注滿水后將注水接口與供水系統(tǒng)連接，供水系統(tǒng)能保證在試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)為裝置供水，直到煤樣加載破壞完成。

3）在煤樣上下2 個(gè)端面粘貼U 型金屬銅片，通過(guò)導(dǎo)線將銅片與LCR 電阻率動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，監(jiān)測(cè)煤樣在壓縮過(guò)程中電阻變化情況。

4）利用MTS 伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)煤樣進(jìn)行加載，直到煤樣破壞，加載過(guò)程中監(jiān)測(cè)加載載荷及煤樣變形量，監(jiān)測(cè)煤樣電阻變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 側(cè)向滲透-軸向承載下煤樣力學(xué)響應(yīng)與破壞特征

不同側(cè)向滲透水壓作用下煤樣壓縮破壞應(yīng)力-應(yīng)變與電阻率-應(yīng)變曲線如圖2。

圖2 不同側(cè)向滲透水壓下應(yīng)力-應(yīng)變與電阻率-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain and resistivity-strain curves of different groups of tests

由圖2 可見(jiàn)：水壓大于0.05 MPa 時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在上升階段會(huì)產(chǎn)生小幅度突變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線先突然下降而后重新上升。

隨著側(cè)向滲透水壓的增大，煤樣壓縮破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線突變處與峰值處應(yīng)變的比值所對(duì)應(yīng)峰值強(qiáng)度如圖3。

圖3 突變處與峰值處應(yīng)變比值所對(duì)應(yīng)峰值強(qiáng)度散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of peak strength corresponding to strain ratio at mutation point and peak point

由圖3 可見(jiàn)：當(dāng)側(cè)向滲透水壓大于0.05 MPa時(shí)，隨著水壓增大，突變處與峰值處軸向應(yīng)變比值減小，煤樣的峰值強(qiáng)度減小。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制平均峰值抗壓強(qiáng)度-側(cè)向滲透水壓曲線，不同側(cè)向滲透水壓下煤樣平均峰值強(qiáng)度變化規(guī)律如圖4。

圖4 不同側(cè)向滲透水壓下煤樣平均峰值強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.4 Variation of average peak strength of coal samples under different lateral water pressures

圖4 中，橫坐標(biāo)-1 處為自然煤樣的平均峰值強(qiáng)度， 15.3 MPa，橫坐標(biāo)0 處為飽和狀態(tài)（0 MPa）下煤樣平均峰值強(qiáng)度，12.7 MPa，相較自然煤樣，飽和狀態(tài)下煤樣的平均峰值強(qiáng)度降低了17%，隨著側(cè)向滲透水壓由0 MPa 增大至0.05 MPa，煤樣的平均峰值強(qiáng)度緩慢下降，當(dāng)側(cè)向滲透水壓由0.05 MPa 增加到0.06 MPa 時(shí)，煤樣峰值強(qiáng)度出現(xiàn)陡降，下降幅度為12%，隨著側(cè)向滲透水壓繼續(xù)增加，煤樣峰值強(qiáng)度又呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)。側(cè)向滲透水壓下，煤樣峰值強(qiáng)度與側(cè)向滲透水壓關(guān)系為：

式中：Rc為 煤樣峰值強(qiáng)度；p為單側(cè)水壓力，R0c為自然煤樣單軸抗壓強(qiáng)度。

不同側(cè)向滲透壓力下煤樣自由面?zhèn)扰c頂部受力面處的破壞形態(tài)如圖5 和圖6。

圖5 不同側(cè)向水壓下煤樣自由面?zhèn)绕茐男螒B(tài)Fig.5 Failure patterns of coal samples at free surface under different lateral water pressures

圖6 不同側(cè)向水壓下煤樣頂部受力面破壞形態(tài)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(jiàn)：側(cè)向滲透-軸向承載下煤樣破壞形態(tài)總體上呈非對(duì)稱形態(tài)，主要原因是孔隙水壓分布不均勻，孔隙水壓隨著與滲水側(cè)距離的增大而減小，使試件在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)偏載現(xiàn)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(xiàn)出非對(duì)稱的形態(tài)，且隨著側(cè)向水壓的增大，煤樣自由側(cè)的橫向變形增大，破壞嚴(yán)重、產(chǎn)生的裂紋數(shù)目增多。

2.2 煤樣失穩(wěn)過(guò)程中的水-力耦合作用機(jī)制

通過(guò)對(duì)煤樣不同側(cè)向滲透水壓下應(yīng)力-應(yīng)變與電阻率-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)煤樣在壓縮過(guò)程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可依次分為壓密-彈性-裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展-非穩(wěn)定擴(kuò)展-峰后破壞5 個(gè)階段，對(duì)應(yīng)階段電阻率-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出迅速上升-緩慢上升-緩慢下降-迅速下降-最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。煤樣應(yīng)力-應(yīng)變與電阻率-應(yīng)變曲線如圖7。

圖7 煤樣應(yīng)力-應(yīng)變與電阻率-應(yīng)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(yīng)力逐漸增加，煤樣內(nèi)的裂隙被壓緊實(shí)，原本處于飽水狀態(tài)的煤樣，在裂隙壓實(shí)過(guò)程中水被擠出，此時(shí)煤樣的電阻增大，導(dǎo)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(nèi)的水被擠出，此時(shí)煤樣處于一種均勻的變形狀態(tài)，由于孔隙中水分含量已不多，電阻緩慢增大，對(duì)應(yīng)電阻率曲線緩慢上升。

3）階段Ⅲ—裂隙的穩(wěn)定擴(kuò)展階段。在持續(xù)軸向應(yīng)力的加載下，煤樣上裂隙開(kāi)始穩(wěn)定的發(fā)育擴(kuò)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(kāi)始緩慢下降。

4）階段Ⅳ—裂隙的非穩(wěn)定擴(kuò)展階段。此時(shí)煤樣內(nèi)形成幾個(gè)較大的裂紋，煤樣內(nèi)側(cè)向水滲透的定向通道基本形成，煤樣電阻快速減小，對(duì)應(yīng)的電阻率曲線迅速下降。

5）階段Ⅴ—峰后破壞階段。此時(shí)煤樣發(fā)生明顯破壞，沿破裂面發(fā)生滑動(dòng)剪切，此時(shí)煤樣的孔隙率基本不變，電阻也保持穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的電阻率曲線趨于平穩(wěn)。

同時(shí)對(duì)煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)側(cè)向滲透水壓大于0.05 MPa 時(shí)，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上會(huì)產(chǎn)生小的突變。不同側(cè)向滲透水壓下煤樣達(dá)到最大電阻率時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變曲線如圖8 。

圖8 不同側(cè)向滲透水壓下煤樣達(dá)到最大電阻率時(shí)軸向應(yīng)變Fig.8 Axial strain of specimens at maximum resistivity under different unilateral osmotic pressures

由圖8 可見(jiàn)：隨著單側(cè)水壓力增大，煤樣在達(dá)到最大電阻率時(shí)的軸向應(yīng)變呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，即單側(cè)水壓越大的煤樣越容易破壞；單側(cè)水壓在0.05 MPa 與0.06 MPa 之間時(shí)，軸向應(yīng)變迅速減小，減小幅度為59.1%。因此，當(dāng)側(cè)水壓力大于0.05 MPa 時(shí)，對(duì)煤樣試件的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。側(cè)水壓力發(fā)揮作用的時(shí)機(jī)在裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段的起點(diǎn)處，即產(chǎn)生小突變的位置。

小突變的產(chǎn)生正是側(cè)水壓力作用造成的。將煤樣中的孔隙簡(jiǎn)化為無(wú)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(wú)限大板中橢圓形孔隙滲透水壓作用示意圖如圖9 。

圖9 無(wú)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(jì)算得到邊界上最大正應(yīng)力σmax和最小正應(yīng)力σmin分別為：

式中：σφ為孔邊應(yīng)力；φ為應(yīng)力與x軸的夾角；q為孔隙水壓；a為橢圓孔的長(zhǎng)軸；b為橢圓孔的短軸；l為關(guān)于x軸的應(yīng)力矢量分量；m為關(guān)于y軸的應(yīng)力矢量分量。

由式（2）可知：當(dāng)橢圓形長(zhǎng)軸a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短軸b時(shí)，即便是微小的孔隙水壓力也會(huì)在橢圓形的尖端產(chǎn)生非常大的正應(yīng)力。根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度理論，孔隙水壓力在橢圓形尖端附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，當(dāng)所積聚的能量達(dá)到一定時(shí)，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展。對(duì)于煤樣試件來(lái)說(shuō)內(nèi)部存在孔隙，當(dāng)側(cè)水壓力大于0.05 MPa 時(shí)，在軸向荷載的作用下，橢圓形孔隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)達(dá)到起裂條件時(shí)使原本彈性階段中煤樣孔隙產(chǎn)生新的裂隙，隨著軸向荷載增加使新產(chǎn)生的裂隙壓實(shí)，于是在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上會(huì)產(chǎn)生小突變，隨著軸向荷載繼續(xù)增大，軸向應(yīng)力發(fā)揮主要作用，試件的變形進(jìn)入裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

側(cè)向滲透-軸向承載下，煤樣試件一方面受軸向荷載的作用產(chǎn)生裂隙，一方面受側(cè)水壓力的作用降低了試件的強(qiáng)度。軸向加載過(guò)程中，側(cè)向水壓力的存在加速了裂隙的發(fā)育，降低裂隙間的摩擦力，在軸向應(yīng)力與側(cè)水壓力的相互作用下導(dǎo)致試件強(qiáng)度下降明顯，這就是煤樣失穩(wěn)過(guò)程中的水-力耦合作用機(jī)制。當(dāng)側(cè)水壓力大于0.05 MPa 時(shí)，試件在變形的彈性階段孔隙會(huì)發(fā)展成為裂隙，從而改變了煤樣試件的結(jié)構(gòu)，而側(cè)水壓力低于0.05 MPa 時(shí)，彈性階段無(wú)法使孔隙發(fā)育成為裂隙，或者說(shuō)較低的孔隙水壓對(duì)煤樣孔隙發(fā)育的能力是有限的。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）側(cè)向滲透-軸向承載情況下煤樣破壞總體上呈非對(duì)稱形態(tài)，原因是孔隙水壓力在煤樣中不均勻，孔隙水壓力隨滲水側(cè)距離的增大而減小，使試件在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，且隨著側(cè)向水壓的增大，煤樣自由側(cè)的橫向變形增大，破壞嚴(yán)重、產(chǎn)生的裂隙數(shù)目增多。

2）煤樣中裂隙的發(fā)育與擴(kuò)展，一方面來(lái)自側(cè)向滲透孔隙水壓作用，另一方面來(lái)自軸向加載作用；當(dāng)側(cè)水壓力大于0.05 MPa 時(shí)，由于孔隙水壓作用，使得煤樣內(nèi)裂隙在壓密階段與彈性階段發(fā)育擴(kuò)展；當(dāng)軸向壓力繼續(xù)增大時(shí)，將孔隙水壓力產(chǎn)生的裂隙壓密閉合，因此在煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上產(chǎn)生了小的突變，這個(gè)小突變的位置在彈性階段的終點(diǎn)，裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段的起點(diǎn)處。

3）側(cè)向滲透-軸向承載下，側(cè)向水對(duì)煤樣強(qiáng)度的主要影響在于煤樣力學(xué)性質(zhì)的弱化上。煤樣在飽和水（水壓0 MPa）時(shí)的峰值強(qiáng)度相對(duì)于自然煤樣（無(wú)水狀態(tài)）的峰值強(qiáng)度降低了17%；隨著側(cè)水壓力不斷增大，煤樣峰值強(qiáng)度逐漸下降，在較小的軸向應(yīng)變下，電阻率就能達(dá)到最大值，同時(shí)水也能在較小軸向應(yīng)變下再次進(jìn)入煤樣內(nèi)部空隙中，使煤樣脆性增加，加速煤樣破壞。