侧向渗透-轴向承载下煤样破坏及水-力耦合作用机制

刘祥龙 ，江东海

（1.潞安化工集团有限公司 安全技术培训中心，山西 长治 046299；2.潞安职业技术学院，山西 长治 046299；3.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590）

现阶段我国煤炭开采正逐渐转型，向着绿色安全高效及智能化方向发展，针对上述需求，许多学者开始研究更加科学的采煤方法，即无（小）煤柱护巷采煤方法，该方法极大改善了工作面的工作环境，其中小煤柱护巷可较好的使巷道避开应力集中区域，提高煤炭资源回收率、减少矸石产出率[1-3]。然而在诸如喀斯特地貌区域，地表水很容易导入采空区，渗透水压虽小，但在渗透及承载作用下煤柱变形破坏机理复杂，变形加剧、承载能力降低，支护控制难度非常大，此条件下煤柱稳定控制是亟须解决的关键科学难题。而此工况下的煤柱稳定性主要与煤柱承载与渗透特征有关，因此研究此受力受水环境下的煤样破坏特征及渗透特性，对于解决煤柱稳定控制问题，具有重要的理论意义。

在渗透作用下煤岩体压缩失稳破坏特征研究方面，国内外学者做了大量研究。陈卫忠等[4]、尹光志等[5]研制了三轴流固耦合试验系统对多种复杂应力路径下岩石力学特性与流体渗流规律进行了研究；RONG 等[6]、夏才初等[7]自主研发了剪切-渗流耦合试验系统，最大渗透压力可达到1 MPa，并对花岗岩节理试样进行了剪切-渗流耦合特性的试验研究；WANG 等[8]通过试验研究了单轴压缩作用下节理数目对岩体强度、变形特征以及节理扩展的影响；王伟等[9]通过在不同围压、孔压和排水条件下的三轴压缩试验，探讨了围压和孔压对岩石强度特性、变形规律、损伤演化的影响；贾立锋等[10-11]利用自行研制的应力-渗流-解吸煤体变形实验装置，开展了应力、渗流作用下煤体渗透、变形试验；张俊文等[12]、俞缙等[13]采用全自动三轴渗流实验系统，进行了无水与排水条件下砂岩应力-渗流耦合试验，研究了应力-渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征，获得了变形、强度及渗透率演化规律；姚强岭等[14-16]、陈田等[17]针对地下水对隔水煤岩柱和矿井地下水库边界的反复浸水损伤过程，开发了无损浸水实验装置，研究了反复浸水作用下煤岩样力学性质损伤规律和声发射特征。

上述学者对渗透作用下煤岩体压缩失稳研究取得了显著研究成果。但实验室渗流试验中，多为轴向渗透-轴向承载，与现场不符，对于侧向渗透-轴向承载下的煤体压缩失稳及渗透特性研究相对较少，且由于煤体内节理产状不同，煤体渗透及强度特征表现为各向异性，已有成果指导此类煤体稳定控制可能存在较大误差。鉴于此，通过用于圆柱形试件渗透实验的单侧水压加载装置，进行不同侧向低渗透压力下煤样压缩试验，更好还原实际中的煤柱渗水、受力环境，对该条件下煤样破坏特征及渗透特性进一步系统研究。

1 试验系统与试验方案

1.1 试验系统

侧向渗透-轴向承载下煤样压缩试验系统如图1，系统主要包括单侧水压加载装置、MTS 伺服岩石试验系统、渗水压力系统、供水系统、LCR 电阻率动监测系统等[18]。

图1 侧向渗透压力下煤样压缩试验系统Fig.1 Connection diagram of coal uniaxial compression test equipment under lateral seepage pressure

试验系统主要设备为用于圆柱形试件渗透实验的单侧水压加载装置，装置右侧开口为半圆形，将试件插到装置半圆形开口处后试件周围与壳体有10 mm 宽的空隙并涂密封胶填充密封，可避免对试件产生围压，该装置实现了侧向渗透-轴向承载的功能，能更好还原现场实际中的煤柱渗水、受力环境，使试验效果更接近实际[18]。

1.2 试验方案及过程

侧向低渗透压力范围为0.01～0.10 MPa，梯度为0.01 MPa，共10 组试验，每组进行3 次试验，共计30 次试验，需制作30 块圆柱形标准煤样，尺寸为φ50 mm×100 mm，煤样制作完成后，先剔除外观上有缺陷的煤样，筛选出外表质地均匀的采用Revscan 激光扫描系统对煤样进行检测，将节理分布较均一的用于试验。

对煤样进行侧向渗透的单轴压缩试验，同时通过LCR 电阻率动监测系统监测煤样压缩过程中的电阻变化，通过电阻变化可反映煤样压缩过程中裂隙发育情况。试验具体步骤如下：

1）将煤样插入加载装置并涂上密封胶，将装置与渗水压力系统连接并放进水中检查是否完全密封好，若未密封好，重复涂抹密封胶直到完全密封好。

2）通过注水接口向装置内注水，注满水后将注水接口与供水系统连接，供水系统能保证在试验过程中持续为装置供水，直到煤样加载破坏完成。

3）在煤样上下2 个端面粘贴U 型金属铜片，通过导线将铜片与LCR 电阻率动监测系统连接，监测煤样在压缩过程中电阻变化情况。

4）利用MTS 伺服岩石试验系统对煤样进行加载，直到煤样破坏，加载过程中监测加载载荷及煤样变形量，监测煤样电阻变化。

2 试验结果

2.1 侧向渗透-轴向承载下煤样力学响应与破坏特征

不同侧向渗透水压作用下煤样压缩破坏应力-应变与电阻率-应变曲线如图2。

图2 不同侧向渗透水压下应力-应变与电阻率-应变曲线Fig.2 Stress-strain and resistivity-strain curves of different groups of tests

由图2 可见：水压大于0.05 MPa 时，应力-应变曲线在上升阶段会产生小幅度突变，应力-应变曲线先突然下降而后重新上升。

随着侧向渗透水压的增大，煤样压缩破坏应力-应变曲线突变处与峰值处应变的比值所对应峰值强度如图3。

图3 突变处与峰值处应变比值所对应峰值强度散点图Fig.3 Scatter plot of peak strength corresponding to strain ratio at mutation point and peak point

由图3 可见：当侧向渗透水压大于0.05 MPa时，随着水压增大，突变处与峰值处轴向应变比值减小，煤样的峰值强度减小。

根据上述实验结果，绘制平均峰值抗压强度-侧向渗透水压曲线，不同侧向渗透水压下煤样平均峰值强度变化规律如图4。

图4 不同侧向渗透水压下煤样平均峰值强度变化规律Fig.4 Variation of average peak strength of coal samples under different lateral water pressures

图4 中，横坐标-1 处为自然煤样的平均峰值强度， 15.3 MPa，横坐标0 处为饱和状态（0 MPa）下煤样平均峰值强度，12.7 MPa，相较自然煤样，饱和状态下煤样的平均峰值强度降低了17%，随着侧向渗透水压由0 MPa 增大至0.05 MPa，煤样的平均峰值强度缓慢下降，当侧向渗透水压由0.05 MPa 增加到0.06 MPa 时，煤样峰值强度出现陡降，下降幅度为12%，随着侧向渗透水压继续增加，煤样峰值强度又呈现出缓慢下降的趋势。侧向渗透水压下，煤样峰值强度与侧向渗透水压关系为：

式中：Rc为 煤样峰值强度；p为单侧水压力，R0c为自然煤样单轴抗压强度。

不同侧向渗透压力下煤样自由面侧与顶部受力面处的破坏形态如图5 和图6。

图5 不同侧向水压下煤样自由面侧破坏形态Fig.5 Failure patterns of coal samples at free surface under different lateral water pressures

图6 不同侧向水压下煤样顶部受力面破坏形态Fig.6 Failure modes of loading surface at the top of coal samples under different lateral water pressures

由图5 和图6 可见：侧向渗透-轴向承载下煤样破坏形态总体上呈非对称形态，主要原因是孔隙水压分布不均匀，孔隙水压随着与渗水侧距离的增大而减小，使试件在压缩过程中出现偏载现象；孔隙水压力与加载压力共同作用使煤样破坏总体上呈现出非对称的形态，且随着侧向水压的增大，煤样自由侧的横向变形增大，破坏严重、产生的裂纹数目增多。

2.2 煤样失稳过程中的水-力耦合作用机制

通过对煤样不同侧向渗透水压下应力-应变与电阻率-应变曲线进行分析，发现煤样在压缩过程中，应力-应变曲线可依次分为压密-弹性-裂隙稳定扩展-非稳定扩展-峰后破坏5 个阶段，对应阶段电阻率-应变曲线呈现出迅速上升-缓慢上升-缓慢下降-迅速下降-最后趋于稳定的变化趋势。煤样应力-应变与电阻率-应变曲线如图7。

图7 煤样应力-应变与电阻率-应变曲线Fig.7 Stress-strain and resistivity-strain curves of samples under ideal conditions

1）阶段Ⅰ—压密阶段。随着轴向应力逐渐增加，煤样内的裂隙被压紧实，原本处于饱水状态的煤样，在裂隙压实过程中水被挤出，此时煤样的电阻增大，导致电阻率曲线迅速上升。

2）阶段Ⅱ—弹性变形阶段。煤样中孔隙受压变形，使孔隙内的水被挤出，此时煤样处于一种均匀的变形状态，由于孔隙中水分含量已不多，电阻缓慢增大，对应电阻率曲线缓慢上升。

3）阶段Ⅲ—裂隙的稳定扩展阶段。在持续轴向应力的加载下，煤样上裂隙开始稳定的发育扩展，体积膨胀，水再次浸入到裂隙中，使煤样电阻减小，电阻率曲线开始缓慢下降。

4）阶段Ⅳ—裂隙的非稳定扩展阶段。此时煤样内形成几个较大的裂纹，煤样内侧向水渗透的定向通道基本形成，煤样电阻快速减小，对应的电阻率曲线迅速下降。

5）阶段Ⅴ—峰后破坏阶段。此时煤样发生明显破坏，沿破裂面发生滑动剪切，此时煤样的孔隙率基本不变，电阻也保持稳定，对应的电阻率曲线趋于平稳。

同时对煤样的应力-应变曲线进一步观察，发现当侧向渗透水压大于0.05 MPa 时，在应力-应变曲线上会产生小的突变。不同侧向渗透水压下煤样达到最大电阻率时对应的轴向应变曲线如图8 。

图8 不同侧向渗透水压下煤样达到最大电阻率时轴向应变Fig.8 Axial strain of specimens at maximum resistivity under different unilateral osmotic pressures

由图8 可见：随着单侧水压力增大，煤样在达到最大电阻率时的轴向应变呈现出减小的趋势，即单侧水压越大的煤样越容易破坏；单侧水压在0.05 MPa 与0.06 MPa 之间时，轴向应变迅速减小，减小幅度为59.1%。因此，当侧水压力大于0.05 MPa 时，对煤样试件的强度会产生显著的影响。侧水压力发挥作用的时机在裂隙稳定扩展阶段的起点处，即产生小突变的位置。

小突变的产生正是侧水压力作用造成的。将煤样中的孔隙简化为无限大板中的椭圆形孔，孔隙中的水压q均匀作用于椭圆孔边，无限大板中椭圆形孔隙渗透水压作用示意图如图9 。

图9 无限大板中椭圆形孔隙渗透水压作用示意图Fig.9 Schematic diagram of seepage water pressure of elliptical pores in infinite plate

计算得到边界上最大正应力σmax和最小正应力σmin分别为：

式中：σφ为孔边应力；φ为应力与x轴的夹角；q为孔隙水压；a为椭圆孔的长轴；b为椭圆孔的短轴；l为关于x轴的应力矢量分量；m为关于y轴的应力矢量分量。

由式（2）可知：当椭圆形长轴a远远大于短轴b时，即便是微小的孔隙水压力也会在椭圆形的尖端产生非常大的正应力。根据格里菲斯强度理论，孔隙水压力在椭圆形尖端附近产生很大的应力集中，当所积聚的能量达到一定时，裂纹开始扩展。对于煤样试件来说内部存在孔隙，当侧水压力大于0.05 MPa 时，在轴向荷载的作用下，椭圆形孔隙尖端产生应力集中，当达到起裂条件时使原本弹性阶段中煤样孔隙产生新的裂隙，随着轴向荷载增加使新产生的裂隙压实，于是在应力-应变曲线上会产生小突变，随着轴向荷载继续增大，轴向应力发挥主要作用，试件的变形进入裂隙稳定扩展阶段。

侧向渗透-轴向承载下，煤样试件一方面受轴向荷载的作用产生裂隙，一方面受侧水压力的作用降低了试件的强度。轴向加载过程中，侧向水压力的存在加速了裂隙的发育，降低裂隙间的摩擦力，在轴向应力与侧水压力的相互作用下导致试件强度下降明显，这就是煤样失稳过程中的水-力耦合作用机制。当侧水压力大于0.05 MPa 时，试件在变形的弹性阶段孔隙会发展成为裂隙，从而改变了煤样试件的结构，而侧水压力低于0.05 MPa 时，弹性阶段无法使孔隙发育成为裂隙，或者说较低的孔隙水压对煤样孔隙发育的能力是有限的。

3 结 语

1）侧向渗透-轴向承载情况下煤样破坏总体上呈非对称形态，原因是孔隙水压力在煤样中不均匀，孔隙水压力随渗水侧距离的增大而减小，使试件在压缩过程中出现偏载现象，且随着侧向水压的增大，煤样自由侧的横向变形增大，破坏严重、产生的裂隙数目增多。

2）煤样中裂隙的发育与扩展，一方面来自侧向渗透孔隙水压作用，另一方面来自轴向加载作用；当侧水压力大于0.05 MPa 时，由于孔隙水压作用，使得煤样内裂隙在压密阶段与弹性阶段发育扩展；当轴向压力继续增大时，将孔隙水压力产生的裂隙压密闭合，因此在煤样的应力-应变曲线上产生了小的突变，这个小突变的位置在弹性阶段的终点，裂隙稳定发育阶段的起点处。

3）侧向渗透-轴向承载下，侧向水对煤样强度的主要影响在于煤样力学性质的弱化上。煤样在饱和水（水压0 MPa）时的峰值强度相对于自然煤样（无水状态）的峰值强度降低了17%；随着侧水压力不断增大，煤样峰值强度逐渐下降，在较小的轴向应变下，电阻率就能达到最大值，同时水也能在较小轴向应变下再次进入煤样内部空隙中，使煤样脆性增加，加速煤样破坏。