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 ，魏皑冬 ，陈昱霏 ，王 培

（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）

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，n=15、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）。

表1 煤样实验结果Table 1 The test results coal sample

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：n=5 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；n=15 时，煤样d 仅出现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。

图1 不同加卸载应力条件下原煤应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of raw coal under loadin-gunloading stress conditions

图2 不同加卸载速率比下原煤破坏形态Fig.2 Failure patterns of raw coal under different loadingunloading rate ratios

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n=15 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n=15 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：

图3 不同加卸载控制点下原煤破坏形态Fig.3 Failure patterns of raw coal under different loadingunloading control points

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1.12×10-5Pa·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.4 Permeability-strain and deviator stress-strain curves of raw coal under different loading-unloading rate ratios

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。

表2 煤样渗透实验结果Table 2 Permeability test results of coal samples

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。

表3 煤样渗透特性拟合结果Table 3 Fitting results of coal sample permeability characteristics

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。