煤巖破壞過程彈性能與瓦斯膨脹能演化特性試驗研究

張慶賀，李 寧，段昌瑞

（1.安徽理工大學 省部共建深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南232001；2.淮南礦業集團深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232001）

煤與瓦斯突出是困擾煤炭安全開采的重大災害，突出機理的研究是解決此災害的重要課題。在機理研究方面，煤與瓦斯突出的力學模型構建困難重重，而用能量的方法可以突破應力-應變分析的局限，已成為行之有效的定量化研究方法[1-2]。在能量模型研究方面，國內外學者開展了卓有成效的研究工作[3-7]。這些能量模型實現了煤巖彈性能和瓦斯膨脹能的定量計算。然而，這些方法得出的能量是狀態量，不能揭示煤與瓦斯突出孕育發生的能量演化過程。基于此，對煤巖試件在不同損傷狀態下的彈性能和瓦斯膨脹能開展試驗研究，借助煤巖試件破壞過程中的能量演化和轉化特征，揭示彈性能與瓦斯膨脹能的轉化和釋放機制，這對于豐富煤與瓦斯突出的災變演化機理具有十分重要的意義。

1 彈性能和膨脹能測定方法

某一特定狀態下，煤巖彈性能和瓦斯膨脹能都穩定不變，當煤巖破壞時，這2種能量將同時變化。目前，已有研究測定了巖體試件的彈性能[8-9]，也有相關研究測定了含瓦斯煤粉的膨脹能[10-11]。但是，目前實驗室尚無法同時測定這2種能量。為此，針對煤巖試件破壞過程，分別單獨測定煤巖彈性能和瓦斯膨脹能，再將得到的試驗結果疊加分析，得出了煤巖破壞過程中彈性能與瓦斯膨脹能的演化規律。

1.1 煤巖彈性能測定方法

受載煤巖體能量轉化分能量輸入、集聚、耗散、釋放4個過程。能量輸入時，一部分能量以彈性能的形式儲存在煤巖體內，另一部分能量以表面能、熱能等形式消耗掉。煤巖體破壞前，輸入的總能量轉化為彈性能和耗散能，可用式（1）表示：

式中：W為外界對煤巖所做的功，即能量輸入；Ee為積聚在煤巖內的能量，即彈性能；Ed為煤巖受載過程中消耗的能量，即能量耗散。

式（1）中，煤巖的耗散能是不可逆的，而彈性能是可逆的。因此，可根據煤巖彈性能的可逆性，利用煤巖試件的循環加卸載應力-應變曲線對煤巖彈性能進行計算[8-9]。

1.2 瓦斯膨脹能測定方法

密閉空間內存在吸附平衡的煤和瓦斯，密閉空間打破后，氣體膨脹做功。瓦斯膨脹能符合式（2）～式（4）[12]：

式中：W1為各時刻的瓦斯膨脹能，J/s；m為噴口處的瓦斯質量流量，kg/s；v 為瓦斯流速，m/s；p′為臨界瓦斯壓力，Pa；p為各時刻煤樣罐內瓦斯壓力，Pa；R為瓦斯氣體常數，J/（kg·K）；T為各時刻煤樣罐內瓦斯溫度，K；p2為大氣壓力，Pa；γ為絕熱指數，甲烷取 1.314；s為噴口截面積，m2。

2 試驗材料

煤樣試件強度性質和吸附解吸性質穩定且相同是試驗成功的關鍵，為此自主研制了新型含瓦斯煤相似材料。材料以混合煤粉為骨料，以腐植酸納水溶液為膠結劑，在15 MPa壓力下成型。100余組試件的物理力學參數試驗表明相似材料容重、孔隙率、吸附性與原煤相近、單軸抗壓強度高且調節方便[13]。

首先依據文獻[13]確定膠結劑濃度配比，然后按照配比工藝壓制尺寸為φ50 mm×100 mm標準試件。制作的標準試件外形完好，表面平整，無裂隙，完整性和均勻性良好。采用深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室的伺服萬能試驗機進行常規單軸壓縮試驗。

3 煤巖彈性能試驗

采用循環加卸載試驗測定煤巖試件的彈性能。選擇0.5 kN作為1個加載循環，按照0→0.5→0→1.0→0→1.5 kN…的加載順序進行加載，直到試件發生破壞。5個試件的循環加卸載曲線如圖1。

按照彈性能密度與耗散能密度的試驗計算方法，可得到每個卸載點處的彈性能密度ue與耗散能密度ud，卸載點處試件的彈性能密度與耗散能密度見表1。

4 瓦斯膨脹能試驗

為建立瓦斯膨脹能與煤體應力狀態的關系，以φ50 mm×100 mm圓柱狀標準試件、不同損傷程度的標準試件、相同質量煤粉（粒徑0～3 mm）作為研究樣品。其中，不同損傷程度的試件依據應力-應變曲線選取，分別為20%、60%、100%峰值強度各取1個，峰后破壞試件取1個，試驗樣品選取依據如圖2。

吸附時間是保證煤樣充分吸附的關鍵因素，在一定壓力下只有吸附飽和的煤樣才能代表該平衡壓力下的膨脹能。實測了密閉空間內煤樣的吸附歷程，瓦斯吸附時間如圖3。圖3表明，煤樣在4 h以內吸附速率較快，4 h以后逐漸放緩，22 h可達到吸附平衡。因此，試驗吸附時間均取24 h。

試驗測定了6組樣品在0.8 MPa壓力下的初始瓦斯膨脹能，按照式（4）～式（6）計算，6組樣品的初始瓦斯膨脹能見表2。

5 彈性能和膨脹能演化特性分析

將表1得出的試驗結果進行整理可得到ue、ud隨應力變化的演化規律。彈性能密度與應力關系如圖4。由圖4可知，彈性能密度隨應力的增加承非線性增長。壓密階段增長緩慢；應變能密度達到2 000 J/m3時，增長速率基本穩定。峰值應力時，彈性能密度最大，可達5 150 J/m3。按照型煤試件質量230 g、體積196.25 cm3換算可知，單位質量煤體最大彈性能約為4.39 mJ/g。

圖1 循環加卸載曲線

表1 卸載點處試件的彈性能密度與耗散能密度

圖2 試驗樣品選取依據

圖3 瓦斯吸附時間

表2 不同破壞程度煤樣初始膨脹能 mJ/g

圖4 彈性能密度與應力的關系

彈性能占總能量的比例如圖5。由圖5可知，壓密階段，初始微孔隙閉合、摩擦等消耗了較多能量，彈性能占比低；進入彈性階段后彈性能占比達到了50%左右，隨后一直增長，最大占比約為70%。

圖5 彈性能占總能量的比例

對2個煤巖試件進行峰后加卸載試驗，獲取了峰后應變能密度，應變能密度與應力的關系如圖6。可見，峰值以后型煤試件彈性能急劇釋放。峰值強度是煤巖彈性能演化的突變點。

圖6 應變能密度與應力的關系

瓦斯膨脹能與煤體破壞的關系如圖7（圖7中橫坐標表示煤樣破壞程度，見表2）。可以發現，煤樣初始瓦斯膨脹能與煤的破碎程度也有較大關系。標準試件在峰值強度之前瓦斯膨脹能變化不大，峰值強度處驟然增大25%以上，而同質量煤粉的膨脹能則比標準試件高了3倍以上。

圖7 瓦斯膨脹能與煤體破壞的關系

0.8 MPa下，完好的型煤試件瓦斯膨脹能為79 mJ/g，約為煤體彈性能的18倍；破壞后試件的瓦斯膨脹能為109 mJ/g，為煤體彈性能的24.8倍。可見，型煤試件的瓦斯膨脹能遠大于煤體彈性能。

6 結論

1）對型煤試件施加單軸荷載時，輸入的總能量一部分轉換為彈性能，一部分轉換為耗散能。彈性階段末期，煤巖彈性能占比約80%，微破裂階段后，彈性能占比逐步降低，峰值強度處彈性能占比約70%。峰值強度后能量釋放，彈性能急劇減小。

2）0.8 MPa氣體壓力下，型煤試件在峰值強度處，瓦斯膨脹能增大25%以上；峰值強度以后，瓦斯膨脹能增大30%以上。

3）峰值強度是彈性能和瓦斯膨脹能突變點。峰值強度處彈性能急劇降低；瓦斯膨脹能卻突增25%以上。由于瓦斯膨脹能是主要能量，這種能量的突變對煤與瓦斯突出的影響是巨大的。