加卸载应力条件下原煤力学与渗透特性的实验研究_蒋长宝.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 加卸载应力条件下原煤力学与渗透特性的 实验研究 蒋长宝 1， 2， 魏皑冬2， 陈昱霏2， 王 培 3 （1．重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆 400030； 2．重庆大学 资源及环境科学学院， 重庆 400030； 3．重庆市能源投资集团有限公司， 重庆 401121） 摘要 以川煤集团芙蓉公司某煤矿 C1 煤层的煤样为研究对象， 利用煤岩热流固耦合三轴伺服 渗流实验装置 （THM－2） ， 进行加卸载应力条件下原煤力学及渗透特性实验。 研究结果表明 同一 加卸载控制点下， 原煤破坏时的体应变随加卸载速率比的增大而减小， 破坏时的径向应变和轴 向应变随加卸载速率比的增大而增大， 随加卸载速率比增大， 原煤破坏形态逐渐由多宏观断裂 面向单一宏观断裂面发展。同一加卸载速率比下， 原煤强度随加卸载控制点的增大而增大， 原煤 的破坏角随加卸载控制点的增大而减小。原煤在加卸载应力条件下， 随着加卸载速率比增大， 屈 服阶段的渗透率响应变化量呈线性关系降低， 加卸载控制点到原煤产生渗透率变化的应变响应 变化量呈线性关系增大。 关键词 原煤； 加卸载； 力学特性； 渗透率； 破坏形态 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 02－0005-05 Experimental Study of Mechanical and Permeability Characteristics of Raw Coal Under Loading-unloading Stress Conditions JIANG Changbao1,2, WEI Aidong2, CHEN Yufei2, WANG Pei3 （1．State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400030, China;2．College of Resources and Environmental Science, Chongqing University, Chongqing 400030, China;3．Chongqing Energy Investment Group Co., Ltd., Chongqing 401121, China） Abstract Taking the natural coal drilled from C1 coal bed of a coal mine of Sichuan Coal Group Furong Company as research object, we investigated the mechanical and permeability characteristics of raw coal under different loading -unloading stress conditions based on the triaxial servo-controlled seepage equipment for thermal-hydrological-mechanical coupling of coal and rock THM-2． The results showed that under the same loading-unloading control point, with the increasement of loading-unloading rate ratio, the volumetric strain decreased, but the axial strain and the radial strain increased, the failure pattern of coal gradually developed from several macroscopic fracture to single macroscopic fracture． Under the same loading-unloading rate ratio, with the increasement of loading-unloading control point, the intensity of coal increased, but the failure angle of coal decreased． During the yield stage, with the increase of loading -unloading rate ratio, the response variation of permeability decreased with a linear relationship． However, the response variation of strain from loading-unloading control point to permeability transation point increased with a linear relationship． Key words raw coal; loading and unloading; mechanical properties; permeability; failure pattern DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．003 蒋长宝， 魏皑冬， 陈昱霏， 等．加卸载应力条件下原煤力学与渗透特性的实验研究 ［J］ ．煤矿 安全， 2020， 51 （2） 5-9． JIANG Changbao, WEI Aidong, CHEN Yufei,et al．Experimental Study of Mechanical and Permeability Char－ acteristics of Raw Coal Under Loading-unloading Stress Conditions ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 5-9． 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51674048） ； 重庆市科技计 划资助项目 （cstc2015jcyjA90009） 移动扫码阅读 5 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 表 1煤样实验结果 Table 1The test results coal sample 煤样 编号 ρ/ （g cm-3） σ′/MPanσ/MPa a1.537371560.302.03-1.30-0.67 b1.516371058.501.54-1.17-0.80 c1.49337557.901.38-1.14-0.89 d1.487271553.951.83-0.870.09 e1.520271039.751.31-0.73-0.14 f1.48827533.371.02-0.71-0.40 g1.496171546.901.63-0.96-0.28 h1.479171033.831.35-0.91-0.46 i1.48917530.451.03-0.87-0.7 ε1/ε3/εv/ 在煤层开采过程中，应力状态的改变导致煤层 产生变形破坏，进一步使煤层裂隙场产生变化， 最 终使煤层的渗透率产生动态变化。谢和平等[1]提出 在煤层开采工作面前方，煤岩体均经历了从原岩应 力、 轴向应力升高 （加载） 而围压递减 （卸载） 到破坏 卸荷的完整采动力学过程。目前，许多学者针对加 卸载条件下的含瓦斯煤力学及渗透特征进行了大量 实验。 尹光志[2]、 许江[3]、 蒋长宝[4-7]、 赵宏刚[8]等对含瓦 斯煤进行了不同加卸载形式的物理实验，得出了含 瓦斯煤变形特征和渗透率动态演化规律。祝捷等[9] 通过测试含瓦斯煤加卸载特征点的渗透率，发现煤 样的渗透率存在变化的拐点，拐点之后的渗透率显 著增大。 赵洪宝等[10]进行卸围压的实验， 发现瓦斯压 力越大，卸围压后轴向应力减小量越大，轴向应力 与围压卸除量关系可用二次函数形式表征。潘荣锟 等[11]对煤岩进行卸围压实验， 分析了加卸载对瓦斯 渗透特性的影响和应力效应，发现围压卸载到设定 值后渗透率增加。陈春谏等[12]对原煤进行了轴向循 环加卸载实验，发现随着加卸载次数增加，原煤渗 透率整体降低。就目前研究现状来看，煤岩常规加 卸载实验主要集中在固定围压-加卸载轴压、固定 轴压-加卸载围压、加载轴压-卸载围压三种情况。 不同的施工方式和采掘进度导致工作面前方煤岩体 采动应力变化过程的不同。因此，考虑 2 种加卸载 应力综合条件，即加卸载速率比和加卸载起始控制 点，研究其对煤岩力学特性和渗透规律的综合影 响， 为巷道支护、 瓦斯抽采及安全开采提供指导。 1实验 1） 煤样制备。首先在同一煤块上获取煤心， 保证 煤样成分的稳定，剔除有明显结构缺陷和较大裂隙 的煤心，进行精加工和打磨后制备成的标准圆柱体 煤样。 然后将煤样进行烘干， 烘干温度 60 ℃， 烘干时 间 24 h， 降低煤样中水分对实验的影响。最后选择 干燥密度相近的煤样进行实验。 2） 实验装置。实验采用重庆大学自主研发的煤 岩热流固耦合三轴渗流实验装置 （THM-2） 。可模拟 煤岩在不同地应力场、渗流场和温度场的多场耦合 实验。 3） 实验方案。定义加卸载速率比 n 为轴压加载 速度与围压卸载速度的比值。实验过程中的具体方 案如下 ①以 0.03 MPa/s 的相同速度施加轴压和围 压至 7 MPa 的静水压力； ②打开瓦斯进气阀， 关闭 出气阀， 设定瓦斯进气口压力为 3 MPa， 使瓦斯在煤 样中充分吸附；③瓦斯吸附平衡后，打开瓦斯出气 阀，待瓦斯流量稳定后，先固定围压，轴压以 0.03 MPa/s 的速度加载；④待轴压分别到达加卸载控制 点 σ′17、 27、 37 MPa 时， 进行围压卸载， 每个加卸 载控制点 σ′设置 3 个围压卸载速度， 分别为 0.002、 0.003、 0.006 MPa/s，此阶段轴压加载速率仍为 0.03 MPa/s， n15、 10、 5； ⑤待煤样失稳破坏后， 轴向加载 改为以 0.1 mm/min 的位移控制，并保持围压值， 直 至煤岩残余强度稳定。 2实验结果及分析 2.1原煤应力-应变曲线 对原煤试样进行了不同加卸载应力条件对比实 验， 煤样实验结果见表 1 （ε1为轴向应变， ε3为径向 应变， εv为体应变， σ 为各加卸载条件下原煤最终强 度） 。加卸载应力条件下原煤应力-应变曲线如图 1 （σ1为轴压， σ3为围压） 。 分析图 1 和表 1 可以看出，当原煤处于相同加 卸载控制点 σ′时， 其破坏时的体积应变随着 n 的增 大而减小，其破坏时的径向应变和轴向应变随着的 增大而增大。以 σ′27 MPa 为例， n 从 5 增加到 15 时， 体积应变减小了 122.5 ， 径向应变和轴向应变 分别增大了 22.5 和 79.4 。表明随着 n 的增大， 原煤破坏时承受的变形极限增大，塑性增强。不同 加卸载速率比下原煤破坏形态如图 2。 图 2 给出了 σ′27 MPa 时， 不同 n 下原煤的破 坏形态， 原煤的破坏形态均为剪切破坏， 但又出现明 显的差异 n5 时， 煤样 f 出现 2 个交叉的宏观剪切 断裂面； n 10 时， 煤样 e 出现 1 个宏观剪切断裂面 以及 3 个未贯通的断裂面； n15 时，煤样 d 仅出现 6 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2不同加卸载速率比下原煤破坏形态 Fig.2Failure patterns of raw coal under different loading- unloading rate ratios 1 个宏观剪切断裂面。主要原因在于， 当越大时， 围 压卸载速率越低，侧向约束效应越强，原煤内部微 裂隙生成后来不及扩展，随着加载的进行，最终原 煤破坏时，储集在煤样中的弹性应变能便会在破坏 时沿某一最薄弱的方向释放，即破坏越集中在 1 个 宏观断裂面上，原煤破裂程度更低，使得径向应变 和轴向应变共同决定的体积应变更小。 分析图 1 和表 1 还可以发现，当原煤处于相同 n 时， 原煤强度σ随着σ′的增大而增大。以 n15 时 为例， n 从 17 MPa 增加到 37 MPa 时，原煤强度σ 增加了 28.6。 围压卸载会对原煤的原始孔隙、 裂隙 的扩展贯通起促进作用， 加卸载控制点升高， 围压在 较大的轴向应力时才开始卸载，煤岩侧向约束时间 延长， 阻碍了原煤孔隙、 裂隙的扩展， 使原煤要经历 更多轴向加载才能进入屈服和破坏阶段，最终使原 煤强度增大。不同加卸载控制点下原煤破坏形态如 图 3。图 3 给出了 n15 时， 不同加卸载控制点σ′下 原煤的破坏形态。采用破坏角的概念来定量化描 述，破坏角是煤样在三向受力条件下破坏时，断裂 面与最大主应力方向的夹角[13]。 煤样 g、 煤样 d、 煤样 a 的破坏角分别为 37.0、 35.0、 33.5 ，可以发现随 着增大， 破坏角不断降低。 2.2加卸载应力条件下原煤渗透特性 在实验过程中使用流量计，采集不同加卸载应 图 1不同加卸载应力条件下原煤应力-应变曲线 Fig.1Stress-strain curves of raw coal under loadin-gunloading stress conditions 7 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 表 2煤样渗透实验结果 Table 2Permeability test results of coal samples 图 3不同加卸载控制点下原煤破坏形态 Fig.3Failure patterns of raw coal under different loading- unloading control points 根据图 4 的渗透率和应变变化规律，可将渗透 率变化曲线分为 3 个阶段。 1） 压密与弹性阶段Ⅰ。在前期的压密阶段， 煤 岩作为多孔介质，在加载过程中，孔隙裂隙逐渐闭 合， 瓦斯渗流通道变窄， 煤样 a、 煤样 b 和煤样 c 均 表现为渗透率的微弱降低。进入弹性阶段后，闭合 的孔裂隙仅产生弹性变形，孔裂隙的产生和闭合大 致相同， 总的孔裂隙数量基本不变， 使得煤样 a、 煤 样 b 和煤样 c 均表现为渗透的稳定演化，渗透率基 本保持不变。 2） 屈服阶段Ⅱ。此阶段孔隙裂隙开始稳定扩展， 进而产生累计性破裂，产生的宏观裂隙为瓦斯渗流 提供了新通道， 煤样 a、 煤样 b 和煤样 c 均产生可见 的渗透率升高。 3） 破坏与残余变形阶段Ⅲ。破坏阶段偏应力降 至最低， 煤样内部结构遭到破坏， 裂隙快速发展， 最 终形成宏观断裂面，渗透率迅速增大。之后的残余 变形阶段，裂隙的发育速度减缓，渗透率逐渐趋于 稳定。 随着的 n 减小，煤样的渗透率-应变曲线在屈 服阶段Ⅱ内的渗透率阶梯状变化特征越发明显， 为 了定量化的描述，定义煤样屈服阶段Ⅱ内的渗透率 变化量为渗透率响应变化量△K，加卸载控制点到 煤样渗透率开始变化所产生的轴向应变为应变响应 变化量△ε。由图 4 可知， 在煤样 a、 煤样 b 和煤样 c 中， σ′均为 37 MPa 的情况下， 不同实验时和有明显 差异， 煤样渗透实验结果见表 2。 轴压加载与围压卸载共同影响渗透率演化 轴 压加载使煤样的孔隙裂隙被压密，从而使瓦斯运移 的通道变窄，最终导致渗透率减小；围压卸载使煤 样的孔隙裂隙扩展， 从而使瓦斯运移的通道拓宽， 最 终导致渗透率增加[14]。n 增大时， 破坏前轴压加载较 围压卸载对煤样瓦斯运移通道的影响更大，最终导 致煤样内部孔隙裂隙被压密的变化特征占主导地 位，即会使煤样要经历更多轴向应变变化量才会产 煤样编号n△K/10-15m2△ε/10-2 a150.0050.258 b100.0120.125 c50.0210.053 力条件下原煤中瓦斯气体的流量。假设实验全过程 为等温过程，渗流全过程符合达西定律。则可以得 到煤样渗透率公式为 K 2Qup2h A （p1 2 －p2 2） （1 ） 式中 K 为煤样渗透率， m2； Q 为瓦斯渗透瞬时 流量， m3/s； u 为测定温度下的瓦斯动力黏度， 取 1.1210-5Pa s； h 为试件长度， cm； A 为煤样横截面 积， cm2； p1为进气端气压， Pa； p2为出气端气压， Pa。 主要研究不同加卸载速率比下的原煤渗透特 性。σ′37 MPa 时，不同加卸载速率比下原煤渗透 率-应变和偏应力-应变曲线如图 4。 图 4不同加卸载速率比下原煤渗透率-应变和偏应力-应变曲线 Fig.4Permeability-strain and deviator stress-strain curves of raw coal under different loading-unloading rate ratios 8 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 表 3煤样渗透特性拟合结果 Table 3Fitting results of coal sample permeability characteristics 生渗透率变化。更多的轴向应变变化量也让煤样在 屈服阶段的孔隙裂隙扩展现象被阻碍，即会使煤样 渗透率在屈服阶段内的变化量降低。将△K 和△ε 的变化特征与 n 进行拟合，煤样渗透特性拟合结果 见表 3。 由表 3 可知， 不同加卸载速率比下，△K随着 n 的增大呈线性关系降低，△ε随着 n 的增大呈线性 关系增大。实际工程问题中，较大的值对应较小的 围压卸载速度，即工作面的开挖速度较小，当将工 作面开挖速度控制在合理速度时， 煤岩在破坏前的 △K变化不明显，更便于控制和抽采瓦斯，并且从 σ′开始进行的采动应力加卸载后，△ε也会更大， 即 要经历更多的轴向加载过程，煤岩中瓦斯渗透率才 会出现变化，开采过程便会有充足的时间进行瓦斯 控制。下一步的研究方向是分析实验过程中加卸载 速率与工作面开采速度的对应关系，以期得到更好 的实验效果。 3结论 1 ） 同一加卸载控制点下 原煤破坏时的体积应 变随着加卸载速率比的增大而减小；径向应变和轴 向应变随着加卸载速率比的增大而增大；原煤破坏 形态随加卸载速率比增大，逐渐向单一宏观断裂面 的破坏形态发展。 2 ） 同一加卸载速率比下 原煤的强度随着加卸 载控制点的增大而增大；随加卸载控制点的增大， 原煤破坏后的破坏角降低。 3 ） 偏应力-应变曲线和渗透率-应变曲线有明 显对应关系，随着加卸载速率比的减小，屈服阶段 内的渗透率阶梯状变化特征越发明显，同时屈服阶 段内的渗透率响应变化量和应变响应变化量与加卸 载速率比均呈线性关系。 参考文献 ［1］ 谢和平， 周宏伟， 刘建锋， 等．不同开采条件下采动力学 行为研究 ［J］ ．煤炭学报， 2011， 36 （7 ） 1067－1074． ［2］ 尹光志， 蒋长宝， 王维忠， 等．不同卸围压速度对含瓦 斯煤岩力学和瓦斯渗流特性影响实验研究 ［J］ ．岩石 力学与工程学报， 2011， 30 （1） 68－77． ［3］ 许江， 李波波， 周婷， 等．加卸载条件下煤岩变形特性 与渗透特征的实验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （9） 1493－1498． ［4］ 蒋长宝， 尹光志， 黄启翔， 等．含瓦斯煤岩卸围压变形 特征及瓦斯渗流实验 ［J］ ．煤炭学报， 2011， 36 （5） 802－807． ［5］ 蒋长宝， 黄滚， 黄启翔．含瓦斯煤多级式卸围压变形破 坏及渗透率演化规律实验 ［J］ ．煤炭学报， 2011， 36 （12） 2039－2042． ［6］ 蒋长宝， 段敏克， 尹光志， 等．不同含水状态下含瓦斯 原煤加卸载实验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2016， 41 （9） 2230－2237． ［7］ 蒋长宝， 俞欢， 段敏克， 等．基于加卸载速度影响下的 含瓦斯煤力学及渗透特性实验研究 ［J］ ．采矿与安全 工程学报， 2017， 34 （6） 1216－1222． ［8］ 赵宏刚， 张东明， 刘超， 等．加卸载下原煤力学特性及 渗透演化规律 ［J］ ．工程科学学报， 2016， 38 （12） 1674－1680． ［9］ 祝捷， 姜耀东， 赵毅鑫， 等．加卸荷同时作用下煤样渗透 性的实验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （S1 ） 76－80． ［10］ 赵洪宝， 王家臣．卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律 实验研究 ［J］ ．岩土力学， 2011， 32 （S1 ） 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