基于應變測量的煤吸水膨脹變形特征實驗研究

解北京，嚴 正，張詩蕾

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京 100083）

近年來我國煤炭產量日益增大，煤炭開采深度日益加深，在深部開采的條件下，巖體所處的地質環境更加復雜，即處于高地應力、高滲透水壓、高地溫和工程開挖擾動的地質環境[1]。深部軟巖在天然狀態下較為完整、堅硬、力學性能良好，但是遇水后迅速膨脹、崩解和軟化，從而造成巖體力學性質大幅度降低[2]。研究表明，泥巖泡水后，手搓即碎，強度大大減弱，降低幅度達90%左右[3]，導致巖體損傷明顯，甚至造成軟巖巷道發生大變形、底鼓和塌方等現象[4]。

深部煤系地層在水和高應力、高地溫條件下發生的物理、化學和力學作用過程是導致其發生形變破壞的根本原因[5]。因此，煤巖和水的相互作用的研究引起了科技工作者的高度關注。為了更好、更合理的解釋水與煤巖相互作用過程，國內外學者從水-煤巖化學效應[6-7]、力學效應[8]及煤巖遇水軟化機制[9]等方面進行了大量的工作。在國內外的研究中，煤巖的吸水測試所采用的方法主要是煤巖吸水法。煤巖吸水膨脹性實驗包括自由膨脹率[10]、側向約束膨脹率[11]、飽和吸水率[12]、膨脹壓力實驗[13]。

自由膨脹率測量方法是將試件放入膨脹測定儀內，上下放置透水板，上部和四側對稱安裝千分尺，記錄初讀數，加入潔凈水至淹沒上透水板，并在48 h內按規定的讀數時間讀取千分尺讀數[14]。由測得的膨脹值和試件原始尺寸分別計算軸向和徑向自由膨脹率。目前大部分測量煤巖吸水自由膨脹的方法都是用千分尺，這種方法原則上可以得到結果，但是實際操作卻十分困難。針對目前這種用千分尺測量煤巖吸水膨脹的實驗，指出具體的幾個缺點：①千分尺測量軸向或者徑向應變時需要保持高度的垂直，要做到十分精準很困難；②千分尺與試件接觸時，為了避免千分尺陷進試件中需要將1塊較硬的板事先貼在試件表面，在測徑向時就比較困難；③煤巖吸水膨脹實驗需要持續48 h，而千分尺需要及時讀數，在實驗后期需要每小時讀1次數，不能間斷，需要投入大量的時間和精力；④容錯率低，人工讀數本身就很容易出現誤差，實驗的準確性很難保證；⑤煤巖膨脹過程獲取的數據較少，不能詳細體現煤巖吸水膨脹變形的全過程。

針對千分尺測量煤巖吸水自由膨脹的缺點，提出了1種利用應變片代替千分尺，用高速采集儀代替人工讀數和處理數據的方法，克服了目前使用千分尺間接測量存在的操作要求高、時間長等缺點，解決了實驗中測量的問題，并測試分析了煤吸水膨脹的變形特征。

1 實驗系統設計

1.1 實驗原理

遇水膨脹的巖石一旦侵入水中，由于水分子的滲透作用，增加了巖石的含水率，造成結晶格架膨脹隆起，產生一定的膨脹變形和膨脹壓力，且短時間較為劇烈，但隨著時間的增長其膨脹變形和膨脹壓力增加速率變緩，趨于相對穩定[15]。煤巖孔隙吸收水分膨脹發生形變，在煤巖表面貼應變片，測量煤巖吸水膨脹發生的應變變化，用高速采集儀代替人工讀數和處理數據。

1.2 實驗裝置

煤巖吸水膨脹變形特征實驗系統由煤巖吸水裝置、應力應變儀、信號采集系統3部分組成，實驗系統結構圖如圖1。

1.3 數據采集系統

本實驗同步采集了應變，應變測試實驗中共布置了4路應變片，應變片分別沿軸向和環向貼在煤巖高度中間位置。

1）應變儀與應變片。應變信號采集系統使用的DY2102E動靜態應變儀，共4路通道，橋路電阻適用于 1～60 kΩ，供橋電壓按照 2、4、6 V 分檔，供橋電壓精度±0.1%，應變系數K=2.00，自動平衡時間為2 s，能夠保持平衡48 h。應變片采用了北京一洋應振測試技術有限公司的BX120-5AA應變片，靈敏系數為2.08，敏感柵5 mm×3 mm，基底9.4 mm×5.7 mm。

圖1 實驗系統結構圖

2）存儲記錄儀。應變信號采集系統使用的HIOKI 8842存儲記錄儀，滿足應變輸入單元存儲記錄，可以同時實現高速記錄與實時記錄，測試中采樣為1 kS/s。

1.4 煤樣參數

本實驗選擇的4個2種不同層理類型的原煤，1#、2#煤樣為層理垂直軸向，3#、4#煤樣為層理平行軸向的圓柱體，煤試樣基本參數見表1，煤樣如圖2。

表1 煤試樣基本參數

圖2 煤樣

1#、2#煤樣層理平行于軸向，3#、4#煤樣層理垂直于軸向，研究層理對煤吸水膨脹變形的影響。

2 煤巖吸水膨脹變形特征實驗及結果分析

2.1 應變片防水性及靈敏度測試

電阻應變片是一種電阻式的敏感元件，它一般由基底、敏感柵、覆蓋層和引線4部分組成。當試件發生變形，應變片就會跟隨一起變形，這時應變片中的電阻絲就會因其機械變形而導致電阻絲的電阻發生變化，電阻的變化也就反應了結構的變形情況，這是電阻應變片測量應變的基本原理[16]。

應變片的防水處理不佳可能是制約煤吸水膨脹變形應變測量的1個重要因素，因此分別采用了704硅橡膠（單組分室溫硫化硅橡膠）和9030全透明環氧樹脂AB膠對粘貼的應變片進行防水處理。靈敏系數是指應變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單項應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件表面應變片粘貼區域的軸向應變之比。實驗室溫度變化幅度不大，水溫也是室溫，溫度對應變片的影響很小；粘貼應變片用704硅橡膠和9030AB膠，電絕緣性好、化學性質穩定，蠕變小、粘貼強度高。

實驗采用704硅橡膠防水處理4個粘貼在鋁片上的應變片，驗證應變片防水處理效果和靈敏度，鋁片吸水膨脹實驗如圖3。

圖3 鋁片吸水膨脹實驗

鋁片浸泡在水中應變變化曲線如圖4，應變片初始應變值為0，隨著鋁片的吸水，應變值穩定增加，在20 h時趨于到穩定，應變值僅增加0.03‰，應變片可以檢測到很微小的形變，靈敏度高，其靈敏度滿足實驗的要求，3#、4#應變片可能因防水材料未貼好，導致采集到的信號斷裂且不穩定。

2.2 煤巖吸水形變實驗結果分析

在1#、2#煤巖中間軸向和環向用704硅橡膠粘貼應變片，在3#、4#煤巖中間軸向和環向用9030全透明環氧樹脂AB膠覆蓋粘貼好應變片，吸水形變測量結果如圖5和圖6。

圖4 鋁片浸水應變曲線

圖5 1#、2#煤吸水膨脹橫向、環向應變曲線

由圖5和圖6中4個煤試樣應變曲線可見，整個煤吸水膨脹變形應變曲線全過程可以分為3個階段：初始壓應變作用、拉應變急劇上升、拉應變緩慢增大。

首先，應變儀預熱階段應變數值近似直線，在水加入燒杯與煤巖接觸瞬間，煤巖受到不平衡水壓影響（煤巖各方向水分子滲透速率不同），使得應變片粘貼處的煤巖處于壓縮狀態，應變值為負值表現出壓應變狀態，煤巖迅速吸水產生膨脹力，壓應變增長速率迅速減小，初始壓應力作用時間很短大約5 min左右，1#煤巖的最大軸向壓應變為-0.5‰，環向為-0.5‰，2#煤巖的最大軸向壓應變為-0.5‰，環向為-0.9‰，3#煤巖的最大軸向壓應變為-1.2‰，環向為-1.1‰，4#煤巖的最大軸向壓應變為-1.0‰，環向為-1.2‰。

其次，隨著水在煤巖里持續迅速滲透，膨脹力持續劇烈增大，直至1.5 h左右時膨脹力增長速率變緩，煤吸水膨脹處于拉應變急劇上升階段。由于煤樣層理的影響，上升階段軸向和環向應變曲線形式表現出明顯的差異。此時1#煤巖軸向拉應變最大值為6.8‰，環向為5.4‰，2#煤巖軸向拉應變最大值為6.6‰，環向為5.4‰，3#煤巖軸向拉應變最大值為5.9‰，環向為6.8‰，4#煤巖軸向拉應變最大值為5.8‰，環向為6.2‰。

最后，隨著水的滲透速率變緩，膨脹力慢速穩定增加，在48 h后膨脹應變趨于穩定，煤吸水膨脹變形處于拉應變緩慢增大階段。1#煤巖最大軸向拉應變為8.2‰，最大環向拉應變為6.4‰，2#煤巖最大軸向拉應變為6.9‰，最大環向拉應變為5.6‰，3#煤巖最大軸向拉應變為8.8‰，最大環向拉應變為7.8‰，4#煤巖最大軸向拉應變為7.8‰，最大環向拉應變為6.9‰。

對比分析圖5和圖6中1#、2#、3#和4#煤軸向和環向膨脹應變，層理平行軸向的1#、2#煤樣，軸向應變增長速率比環向應變增長速率快；層理垂直于軸向的3#、4#煤樣，環向應變增長速率比軸向應變增長速率快，說明水沿著層理方向滲透速率快，層理對煤吸水膨脹影響較大。4組煤巖的軸向最大拉應變比環向最大拉應變僅大1‰左右，數值上相差不大。

3 結論

1）應變測量可以體現煤巖吸水膨脹變形的全過程，可以更加細致的分析煤巖吸水膨脹階段特性。

2）通過對煤巖吸水應變曲線分析發現，煤巖剛浸入水中受到不平衡水壓作用，初始應變階段表現為短暫的壓應變，隨后煤巖迅速吸水膨脹，拉應變急劇增大，隨著煤巖吸水速率的減小，拉應變穩定緩慢增加，在48 h后拉應變趨于最大值。

3）煤巖的軸向最大拉應變比環向最大拉應變大1‰左右，數值上兩者相差不大，水沿層理方向滲透速率快，層理對煤吸水膨脹影響較大。