原煤受载破坏形式的层理效应研究

王 浩，赵耀江，潘玉婷，赵 亮，王江涛

（太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030000）

层理是煤岩作为沉积岩类的主要构造标志，沉积过程的不同使煤的组分、颗粒大小、孔隙度等各不相同[1]。在煤层开采的过程中，会遇到不同层理方向的煤岩，如水平层理煤岩、垂直层理煤岩和斜层理煤岩等。层理角度对煤层内部的应力分布、渗透率等都有决定性的影响[2-3]。国内外学者就层理方向对煤岩的影响进行了大量的探讨。田坤云、李度周等研究了加卸载过程中不同层理方向煤岩的渗透率演化规律，得出不同层理方向煤岩的最大渗透率比值为7.2∶1[4]；陈金刚、秦勇等研究了割理方向对煤层瓦斯抽放的影响，并建立了瓦斯抽采效果评估的数学模型[5]；赵毅鑫、龚爽等对不同层理角度煤岩进行了冲击条件下巴西圆盘劈裂试验，得出煤岩抗拉强度随层理倾角波动变化[6-7]；贾炳、魏建平等研究了不同层理方向煤岩三轴加载过程的声发射特征，得出垂直层理煤岩有较高的声发射强度[8]；张朝鹏、张东明等研究了不同层理方向煤岩单轴损伤过程的声发射特征，得出平行层理煤岩的振铃计数和能量释放更强[9-10]；陈宇龙、张宇宁等研究了层理角度对甲烷渗流规律的影响，得出层理角度越大，初始渗透率越大[11]。这些大多是层理方向对煤岩力学、渗透特性的影响，但层理方向对煤岩破坏形式影响的还鲜有报道。因此对不同层理方向煤岩在不同外界条件下的破坏形式进行了研究，期望对煤矿井下的安全生产起到一定的指导作用。

1 试样制备与实验方案

1.1 试样制备

实验所用煤样取自山西省阳泉市新景矿15#煤层，在采煤工作面挑选完整度较好、层理明显的大块煤样。在实验室中按照GB/T 23561.7—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》规定，使用砂线切割机分别沿垂直层理方向和平行层理方向切割原煤，加工成φ50 mm×100 mm 的标准试件，使用砂纸打磨试件两端，保证其不平行度小于0.05 mm。将制备的试件放到恒温干燥箱中，在70 ℃环境下干燥12 h 后使用保鲜膜包裹保存。不同层理试样如图1，其中层理方向平行于轴向的是平行层理煤样，垂直于轴向的是垂直层理煤样。

图1 不同层理试样Fig.1 Samples of different layers

1.2 实验方案

实验使用太原理工大学自主研发的WYS-800微机控制电液伺服三轴实验装置完成，实验装置主要由4 部分组成：主机、计算机控制系统、液压系统、气路控制系统。主机的核心部件是三轴室，用来放置煤样及充填液压油施加围压；计算机控制系统显示参数、控制三轴室起落、调节轴压和围压的大小及加载方式；液压系统为轴压和围压提供动力；气路系统调节气体的压力和进出。

实验方案如下：①分别对平行层理煤样和垂直层理煤样进行单轴压裂实验，采用力加载（0.01 kN/s）的方式施加轴压直至煤样破裂，对比2 种层理煤样的破坏形式；②分别对平行层理煤样和垂直层理煤样进行三轴压裂实验，保持围压3 MPa 和轴压的力加载方式0.05 kN/s 不变，对比不同瓦斯压力下0.5、1.0、1.5、2.0 MPa 2 种层理煤样的破坏形式。

2 实验结果

2.1 不同层理试件单轴压裂

不同层理煤样单轴压裂应力-应变图如图2。从图2 可以看出，平行层理煤样和垂直层理煤样在单轴受压破坏时应力-应变曲线的变化趋势基本一致，且平行层理煤样的抗压强度略小于垂直层理煤样的抗压强度，说明煤样的抗压强度受层理的影响较小。但垂直层理煤样的峰值应变是平行层理煤样的2.33 倍，可以得出，煤样的力学性质受层理方向的影响较大，这是由于煤样在不同层理方向上的孔隙率表现为各向异性[12]，而垂直层理煤样的力加载方向与层理方向垂直，在轴向力持续加载的过程中，孔裂隙被压缩而产生较大的应变。

图2 不同层理煤样单轴压裂应力-应变图Fig.2 Uniaxial fracturing stress-strain diagrams of different bedding coal samples

随着轴向力的持续加载，垂直层理煤样的应变增加幅度比平行层理煤样的应变增加幅度大，垂直层理煤样的总应变是平行层理煤样的2.29 倍，可以间接得出垂直层理方向上的裂隙比平行层理方向上的少，单轴压裂过程中孔隙被压缩而使垂直层理煤样产生较大的应变。垂直层理煤样在单轴压裂末期，轴向应力瞬间跌落又急速上升直至煤样完全破坏，在轴向应力瞬间跌落时煤样虽然整体保持完整但内部已经达到临界状态并部分破坏，随着轴向力的继续加载，煤样被迅速压缩直至完全破坏。因此煤矿井下地质构造发生变化时，煤层在垂直层理方向上的变形更显著。

不同层理煤样单轴压裂破坏图如图3。从图3（a）可以看出,垂直层理煤样的破坏形式以局部横向张拉破坏为主，试件的上半部分在压裂的最后阶段剧烈破坏，产生大量的微小煤块分散在实验台上；从图3（b）可以看出，平行层理煤样的破坏形式以整体纵向剪切破坏为主，试件破坏后形成2 块倾斜煤体，煤体的倾斜面与水平面的夹角约为60°，同时产生大量小煤块散落在周围。

图3 不同层理煤样单轴压裂破坏图Fig.3 Uniaxial fracturing failure pictures of different bedding coal samples

分析可知，煤岩垂直于层理方向的抗拉强度大于平行于层理方向的抗拉强度[13]，在轴向力持续加载的过程中，煤样在平行于层理方向上的裂隙首先开始产生、扩展、延伸。平行层理煤样的层理方向与轴向力加载方向平行，垂直层理煤样的层理方向与轴向力加载方向垂直，随着轴压的加大，垂直层理煤样内部的裂隙沿着层理面一层层从上向下慢慢发育，当煤样内部压力达到临界值时，煤样的上半部分内部裂隙发育较多，但煤样的下半部分裂隙还很少，所以煤样破坏时表现为上半部分剧烈破坏，而下半部分基本维持原样；平行层理煤样内部的裂隙也是沿着层理面扩展、延伸，但由于层理方向平行于轴向，因此裂隙向下扩展的速度相对较快，当煤样内部压力达到临界值时，煤样内部已经有从上到下的裂隙带产生，所以煤样破坏时表现为沿着倾斜方向断裂为2 大块。

2.2 不同层理试件三轴压裂

不同瓦斯压力下煤样三轴压裂应力-应变图如图4。从图4 可以看出,垂直层理煤样和平行层理煤样在相同围压、不同瓦斯压力下的应力-应变曲线变化趋势基本一致，都是随着轴向应变的增加轴向应力先直线增加，轴向应力达到峰值之后随轴向应变增加呈波动变化，最后在破坏阶段轴向应力直线下降。

图4 不同瓦斯压力下煤样三轴压裂应力-应变图Fig.4 Triaxial fracturing stress-strain diagrams of coal samples under different gas pressures

随着瓦斯压力的增加，垂直层理煤样的峰值应力分别为47.74、57.6、49.05、28.56 MPa，峰值应力对应的轴向应变分别为3.11%、2.92%、2.88%、2.81%；平行层理煤样的峰值应力分别为36.07、29.59、48.38、36.79 MPa，峰值应力对应的轴向应变分别为2.59%、4.07%、2.52%、2.11%。施加3 MPa 围压时，垂直层理煤样的峰值应力随瓦斯压力的增加先增大后减小，增大或减小的幅度分别为20.65%、17.43%、41.77%，而峰值应力对应的轴向应变随着瓦斯压力的增加一直在减小，减小幅度分别为6.11%、1.37%、2.43%；平行层理煤样的峰值应力随瓦斯压力的增加先减小后增大再减小，增大或减小的幅度分别为17.97%、63.50%、23.96%，而峰值应力对应的轴向应变随着瓦斯压力的增加先增大后减小，增大或减小的幅度分别为57.14%、38.08%、16.27%。瓦斯压力为0.5、1.0、1.5 MPa 时，垂直层理煤样的峰值应力均大于平行层理煤样的峰值应力，而瓦斯压力为2.0 MPa 时，垂直层理煤样的峰值应力小于平行层理煤样的峰值应力。可以得出瓦斯压力对含层理煤样的力学特性有较大的影响，这可能是因为瓦斯在平行层理方向上更容易流通，瓦斯压力越大，平行层理煤样内部单位时间流过的瓦斯量也越大，因此当施加轴向压力时平行层理煤样内部更容易产生裂隙，即更容易被破坏。

不同瓦斯压力下煤样三轴压裂破坏图如图5。实验时所加围压都是3 MPa，图5 中从左到右通入的瓦斯压力依次是0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。

图5 不同瓦斯压力下煤样三轴压裂破坏图Fig.5 Triaxial fracturing failure pictures of coal samples under different gas pressures

从图5（a）可以看出，垂直层理煤样的三轴压裂破坏形式也以局部横向张拉破坏为主，但与单轴压裂破坏形式略有不同，试件的上半部分在压裂的最后阶段同样剧烈破坏，产生大量的微小煤块，但有少量的块状煤产生，试件的下半部分基本保持完整；从图5（b）可以看出，平行层理煤样的三轴压裂破坏形式也以整体纵向剪切破坏为主，试件破坏时煤样裂开主要形成2 块倾斜煤体，但瓦斯压力为1.5 MPa 时煤样裂开主要形成3 块倾斜煤体。比较图5（a）和图3（a）可以看出，在施加围压和瓦斯压力时，垂直层理煤样压裂时保持完整的部分比单轴压裂时保持完整的部分体积大，体积增加的幅度约为73%。但比较相同围压、不同瓦斯压力时垂直层理煤样的三轴压裂破坏形式时，可以看出，随着瓦斯压力的增大，垂直层理煤样的破坏形式没有十分明显的变化。比较图5（b）和图3（b）可以看出，平行层理煤样在三轴压裂时的破坏形式与单轴压裂时的破坏形式略有不同，可以明显的看出，在通入1.5 MPa 瓦斯时，平行层理煤样劈裂的角度相比单轴劈裂时有很大的不同，结合图4（b）中，瓦斯压力为1.5 MPa时的应力-应变曲线可以得出，这是由于平行层理煤样样品间的差异造成的。比较相同围压、不同瓦斯压力时平行层理煤样的三轴压裂破坏形式时，可以看出，随着瓦斯压力的增大，平行层理煤样劈裂的角度也略有增大，但瓦斯压力对平行层理煤样破坏形式的影响比围压的影响要小。

3 结 论

1）平行层理煤样的抗压强度略小于垂直层理煤样的抗压强度，但垂直层理煤样的峰值应变是平行层理煤样的2.33 倍。即煤样的力学性质受层理方向的影响较大，当煤岩所受地应力出现变动时，垂直层理方向更容易发生变形。

2）三轴压裂时，随着瓦斯压力的增大，垂直层理煤样的峰值应力随瓦斯压力的增加先增大后减小，增大或减小的幅度分别为20.65%、17.43%、41.77%，平行层理煤样的峰值应力随瓦斯压力的增加先减小后增大再减小，增大或减小的幅度分别为17.97%、63.50%、23.96%。

3）单轴压裂和三轴压裂时，平行层理煤样和垂直层理煤样的最终破坏形式不同，平行层理煤样的破坏为整体纵向剪切破坏，煤样裂开分成几块完整的大块煤样，垂直层理煤样的破坏为局部横向张拉破坏，煤样上半部分剧烈破坏，下半部分基本保持完整。

4）在施加围压和瓦斯压力时，垂直层理煤样压裂时保持完整的部分比单轴压裂时保持完整的部分体积更大，体积增加的幅度约为73%。平行层理煤样劈裂时的角度与单轴压裂时的略有不同，角度变化的幅度约为42%。

5）随着瓦斯压力的增大，垂直层理煤样的破坏形式没有十分明显的变化，平行层理煤样劈裂的角度略有增大。对比瓦斯压力和围压对煤样破坏形式的影响，得出瓦斯压力对垂直层理煤样和平行层理煤样破坏形式的影响比围压的影响小。