含瓦斯煤體的沖擊力學特性研究1)

楊 丹 劉 洋

*(大同煤炭職業技術學院，山西大同037000)

?(中煤能源研究院有限責任公司，西安710054)

煤礦沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害與煤體的力學性質和失穩破壞密切相關。煤是一種復雜的多孔介質，天然的吸附體，煤體中可吸附大量的瓦斯。含瓦斯煤體的沖擊力學特性是煤礦安全領域亟待解決的關鍵科學問題之一[1-6]。

目前，國內外學者對含瓦斯煤體力學性質、沖擊傾向性等的研究已取得了大量成果。梁冰[7]分析了瓦斯對煤體的力學性質及力學響應的影響；王振[8]分析了瓦斯對煤體力學性質的影響以及瓦斯滲流和裂隙擴展的規律；宋真龍等[9]分析了不同瓦斯壓力

1 試驗系統與方法

1.1 試驗系統

試驗系統由試驗缸、瓦斯吸附壓力加載系統、試驗機組成。其中試驗缸包括缸體、上端蓋、壓緊螺母、傳力柱、導向筒、上部方錐形壓頭和下部方錐形壓頭等組成部分。試驗缸側面連接進氣孔，能夠實現對氣體的充氣和放氣，利用傳力柱傳遞上部軸向載荷。瓦斯吸附壓力加載系統由瓦斯罐、壓力表、減壓閥和真空泵組成。減壓閥一端接瓦斯罐，另一端通過導氣管與進氣嘴相連，減壓閥上有進氣閥和出氣閥，通過減壓氣閥對瓦斯氣體進行調節以達到所需要的孔隙壓力。試驗采用SANS XYB605C型電液萬能試驗機，其包括軸壓加載裝置、數據記錄及設備控制系統。試驗系統如圖1所示。

1.2 試驗煤樣制備方案

選取大同忻州窯礦煤樣作為試驗樣品，按照層理與加載方向垂直的方式進行取樣，將所取煤樣按照國家標準加工成50 mm×50 mm×100 mm的長方體試樣，然后將加工好的煤樣用磨平機將兩端面磨平，試樣端面平整度誤差為±0.02 mm。試驗所有部分煤樣如圖2所示。

1.3 試驗步驟及方案

(1)將制備好的煤樣試件放入試驗缸，分別在0 MPa，2 MPa，4 MPa，6 MPa四種氣體壓力下進行充分吸附48 h，利用標準氣體方程計算瓦斯吸附量。環境中煤樣單軸壓縮與循環加載過程中能量集聚與耗散關系；尹萬蕾等[10-11]通過室內試驗研究了深部開采條件下高瓦斯壓力對煤力學性質的影響規律；張廣輝等[12]、高保彬等[13]、王祖光[14]對瓦斯對煤體沖擊傾向性的影響開展了研究。

煤體中的瓦斯由吸附瓦斯和游離瓦斯組成，現有研究對含瓦斯煤體力學性質進行測定一般是從試件的上端面施加瓦斯壓力，同時在試件周圍施加高于瓦斯壓力的油壓來實現瓦斯的封存，試驗過程中沒有對吸附瓦斯和游離瓦斯進行區分[15-17]。對含瓦斯煤體的沖擊力學特性研究較少，本文采用試驗和理論相結合的研究方法，在不同瓦斯吸附壓力條件下，研究含瓦斯煤體的沖擊力學特性，研究結果對煤礦動力災害的預測與防治具有指導意義。

圖1 試驗系統

圖2 試驗所用部分煤樣

(2)每組煤樣吸附瓦斯48 h后，將試驗缸內氣體安全釋放，當壓力室內壓力變為0 MPa時進行單軸壓縮試驗。設定加載速率為 0.01 mm/s，試驗結束，記錄好煤巖破裂過程載荷和變形量，瓦斯吸附量在吸附過程中通過吸附壓力的變化即可測定。每種吸附瓦斯壓力至少做三個試件。

(3)加載破壞后，儲存記錄相關數據，對試驗結果進行數據處理。利用單軸壓縮試驗的應力-應變關系測定煤樣相應的力學性質參數，對破壞后的煤體試件進行拍照，觀察其破壞形態。

試驗過程中，由于煤樣的飽和吸附作用，瓦斯壓力作為體積力施加于煤巖體，試驗過程中煤樣內部瓦斯和密封空腔內的游離瓦斯的壓力差為 0，即有效圍壓為0，類似于常規的單軸壓縮試驗。與常規用高于瓦斯壓力的油壓把瓦斯封存在煤樣中的方法相比，本試驗采用類單軸加壓方法，更符合測定煤體力學性質和沖擊傾向性的標準。

2 試驗結果及分析

煤樣力學參數測定試驗均分別在 0 MPa，2 MPa，4 MPa，6 MPa四種吸附壓力下進行。

2.1 吸附瓦斯對煤體力學性質影響規律

試驗測定的煤樣抗壓強度如表 1所示。由表1可得：(1)吸附瓦斯壓力 0 MPa時，即煤體中無瓦斯吸附時，煤樣的抗壓強度在 10～12 MPa之間，平均值為11.38 MPa。(2)吸附瓦斯壓力2 MPa時，煤樣的抗壓強度在 7～9 MPa之間，平均值為8.23 MPa，是無瓦斯吸附的72%。(3)吸附瓦斯壓力4 MPa時，煤樣的抗壓強度在5～7 MPa之間，平均值為6.11 MPa，是無瓦斯吸附的54%，是瓦斯壓力2 MPa的74%。(4)吸附瓦斯壓力6 MPa時，煤樣的抗壓強度在3～5 MPa之間，平均值為4.09 MPa，是無瓦斯吸附的36%，是瓦斯壓力 2 MPa的 50%，是瓦斯壓力4 MPa的67%。

表1 不同吸附瓦斯壓力下煤體抗壓強度

取每種吸附瓦斯壓力下煤樣抗壓強度的平均值，得到吸附瓦斯壓力與抗壓強度的關系 (圖 3)。由圖3可得：煤體抗壓強度隨著瓦斯吸附壓力的增加而減小，二者近似符合線性遞減關系，擬合方程為

式中，σ為煤體抗壓強度，p為吸附瓦斯壓力。

煤體的抗壓強度隨著瓦斯壓力的增加而減小的原因是：瓦斯的存在減小了煤巖體內部裂隙間的摩擦系數，降低了煤體內部裂隙的張力，導致煤體顆粒間的作用力減弱，降低了煤體被破壞時所需要的能量，從而降低了煤體的強度。

圖3 吸附瓦斯壓力與煤體抗壓強度關系

試驗測定的峰值應變如表 2所示。由表 2可得：(1)吸附瓦斯壓力0 MPa時，煤樣的峰值應變平均值為 0.005 0。(2)吸附瓦斯壓力 2 MPa時，煤樣的峰值應變平均值為0.005 6，比無瓦斯吸附時增加了12%。(3)吸附瓦斯壓力4 MPa時，煤樣的峰值應變平均值為0.008 5，比無瓦斯吸附時增加了70%。(4)吸附瓦斯壓力6 MPa時，煤樣的峰值應變平均值為0.014 3，比無瓦斯吸附時增加了186%。

表2 不同吸附瓦斯壓力下煤體峰值應變

取每種吸附瓦斯壓力下煤樣峰值應變的平均值，得到吸附瓦斯壓力與峰值應變的關系 (圖 4)。由圖4可得：煤體峰值應變隨著瓦斯吸附壓力的增加而增大，二者近似符合線性遞增關系，擬合方程為

式中，ε為煤體峰值應變。

煤體的峰值應變隨著瓦斯壓力的增加而增加的原因是：瓦斯的存在填補了煤體中的孔裂隙空間，在煤樣受到壓縮作用變形的過程中，瓦斯會對圍巖產生反作用力，從而對煤體的變形起到了阻礙作用，瓦斯壓力越大，這種阻礙作用就越強。

圖4 吸附瓦斯壓力與煤體峰值應變關系

試驗測定的煤樣彈性模量如表3所示。由表3可得：(1)吸附瓦斯壓力為0 MPa時，煤樣的彈性模量平均值為為1.55 GPa。(2)吸附瓦斯壓力為2 MPa時，煤樣的彈性模量平均值為1.12 GPa，是無瓦斯吸附的72%。(3)吸附瓦斯壓力為4 MPa時，煤樣的彈性模量平均值為0.80 GPa，是無瓦斯吸附的52%。(4)吸附瓦斯壓力為6 MPa時，煤樣的彈性模量平均值為0.49 MPa，是無瓦斯吸附的32%。

表3 不同吸附瓦斯壓力下煤體彈性模量

取每種吸附瓦斯壓力下煤樣彈性模量的平均值，得到吸附瓦斯壓力與彈性模量的關系 (圖 5)。由圖5可得：煤體彈性模量隨著瓦斯吸附壓力的增加而減小，二者近似符合線性遞減關系，擬合方程為

式中，E為煤體彈性模量。

圖5 吸附瓦斯壓力與煤體彈性模量關系

煤體的彈性模量隨著瓦斯壓力的增加而減小的原因是：煤體顆粒吸附瓦斯氣體分子后，瓦斯氣體分子附著于煤體顆粒表面和顆粒空間中，減弱了煤巖體顆粒之間的粘結力，宏觀表現為使煤體彈性模量減小。

試驗測定的沖擊能指數如表4所示。由表4可得：(1)吸附瓦斯壓力0 MPa時，煤樣的沖擊能指數平均值為11.22。(2)吸附瓦斯壓力2 MPa時，沖擊能指數平均值為7.91，是無瓦斯吸附的70%。(3)吸附瓦斯壓力 4 MPa時，沖擊能指數平均值為 4.25，是無瓦斯吸附的39%。(4)吸附瓦斯壓力6 MPa時，沖擊能指數平均值為2.15，是無瓦斯吸附的19%。

表4 不同吸附瓦斯壓力下煤體沖擊能指數

取每種吸附瓦斯壓力下所測的沖擊能指數的平均值，得到吸附瓦斯壓力與沖擊能指數的關系(圖 6)。由圖 6可得：煤體沖擊能指數隨著瓦斯吸附壓力的增加而減小，二者近似符合線性遞減關系，擬合方程為

式中，KE為煤體沖擊能指數。

圖6 吸附瓦斯壓力與煤體沖擊能指數關系

煤體的沖擊能指數隨著瓦斯壓力的增加而減小的原因是：不含瓦斯的情況下，煤體外部的壓力由煤體骨架獨自承擔，而煤體吸附瓦斯后，則由瓦斯壓力和煤體骨架共同來承擔外部的壓力，這就減少了煤體中積聚的彈性能，降低了發生沖擊的可能性。

綜上分析可得，煤體彈性模量、單軸抗壓強度、峰值應變等主要力學參數和沖擊傾向指標 (在此以單軸抗壓強度和沖擊能指數來表征)受吸附瓦斯影響。在一定范圍內，隨著瓦斯吸附壓力的增加，煤體的峰值強度、彈性模量和沖擊能量指數近似呈現線性降低的趨勢，峰值應變呈現線性增加的趨勢。

2.2 吸附瓦斯對煤體破壞特征分析

不同吸附瓦斯壓力下煤體試件破壞過程的應力-應變曲線如圖 7所示。從圖 7可以看出，隨著吸附瓦斯壓力的增大，應力峰值后的破壞形式由突然跌落的脆性破壞轉變為經歷多次應力微降的延性緩慢破壞。

圖7 不同瓦斯吸附壓力下煤樣應力－應變曲線

不同吸附壓力煤樣的破碎形態如圖 8所示。圖8(a)為未進行瓦斯吸附時，煤體的破壞形態。由圖8(a)可知，未進行瓦斯吸附時，煤體破壞既具有斷口參差，也具有較明顯的脆性劈裂破壞，較大尺寸的煤體碎塊也較多，煤體破壞形態屬于《防治煤與瓦斯突出規定》[18]中的I類瓦斯煤巖破碎特征向II類瓦斯煤巖破碎特征過渡的情況。

圖8 不同瓦斯吸附壓力煤體試件破壞形態

圖8(b)和圖8(c)分別為吸附瓦斯壓力2 MPa和4 MPa時煤體的破壞形態。由圖8(b)和8(c)可知，當吸附瓦斯壓力在 2～4 MPa時，煤體的破壞既具有劈裂破壞，也具有部分構造和裂隙系統已不存在的破壞情況，大尺寸的煤體碎塊減少，煤體破壞的脆性特征減弱，軟化特征變強，煤體破壞形態屬于《防治煤與瓦斯突出規定》中的II類瓦斯煤巖破碎特征向III類瓦斯煤巖破碎特征過渡的情況。

圖8(d)為吸附瓦斯壓力6 MPa時煤體試件的破壞形態。由圖8(d)可知，當吸附瓦斯壓力達到較高的6 MPa時，煤樣試件的破壞既具有碎塊狀，也有粉碎破壞出現，破壞時幾乎找不到裂隙擴展現象，多為粉碎破壞，試樣破壞具有較明顯的分選性，煤體破壞形態屬于《防治煤與瓦斯突出規定》中的IV類瓦斯煤巖破碎特征向V類瓦斯煤巖破碎特征過渡的情況。

2.3 吸附瓦斯對煤體力學性質與破壞特征的影響機制分析

根據斷裂力學裂紋擴展相關理論，煤樣吸附瓦斯時，其內部微裂紋的擴張與吸附損傷密切相關，在瓦斯吸附壓力的作用下，煤體內部的原生裂紋會沿著斷裂韌度更低的方向發育，而斷裂韌度主要與受載和材料性質有關。當吸附作用后的煤試樣受載時，裂紋擴展首先會集中于煤體內部的軟弱部位并沿著初始損傷的方向萌生發育新的裂紋。瓦斯吸附壓力增大后，煤試樣損傷加劇，煤巖基質間黏聚力降低，裂紋間摩擦作用增強，必然導致煤體強度降低。

在吸附瓦斯壓力作用下，煤體裂隙發生發展，煤體損傷程度加強，形成新的瓦斯通道，吸附瓦斯解吸為游離瓦斯，同時煤體滲透性加強。當局部煤體骨架的有效應力臨近峰值強度時，產生裂紋裂隙集中區。瓦斯向裂紋裂隙集中區涌入，在裂紋裂隙集中區內的煤體強度降低，損傷程度加強。當煤體應力超過峰值強度時即發生失穩破壞。

從應力-應變關系宏觀特征上表現為：強化和峰后應力階段的應力調整增多，峰后破壞由明顯的脆性特征向延性破壞過渡。從試樣破壞程度分析，必然導致煤試樣的破碎程度加劇，碎塊狀粉末狀煤體碎塊增多。煤礦井下沖擊地壓災害一般發生在較堅硬的煤巖中，煤體破壞形式表現為脆性破壞，且破壞的煤體沒有明顯的分選性。煤與瓦斯突出災害一般發生在煤質較軟或者具有軟分層的煤層中，煤體破壞形式表現為延性破壞，且破壞的煤體具有明顯的分選性。因此，隨著吸附瓦斯壓力的增加，煤巖瓦斯動力災害的類型呈現出由沖擊地壓主導型向煤與瓦斯突出主導型過渡的趨勢。

3 結論

對大同忻州窯礦區煤體開展了不同吸附瓦斯壓力下力學性質和破壞特征的測試，揭示了吸附瓦斯對煤體力學性質和破壞特征的影響。主要結論如下：

(1)吸附瓦斯對煤體力學性質影響顯著，隨著吸附瓦斯壓力的增大，煤體的峰值強度、彈性模量降低，峰值應變增加。煤體沖擊傾向指標如峰值強度，沖擊能指數等均降低。在一定范圍內，各指標與吸附瓦斯壓力均近似呈線性關系，相關系數均大于0.85。

(2)吸附瓦斯對煤體破壞特征影響顯著，隨著吸附瓦斯壓力的增大，煤體破碎程度逐漸增大，破壞類型由脆性破壞向延性破壞轉變。

(3)吸附瓦斯影響煤體力學性質與破壞特征的主要力學機制在于煤體吸附瓦斯過程誘發了煤體的損傷。隨著吸附瓦斯壓力的增加，煤巖瓦斯動力災害的類型呈現出由沖擊地壓主導型向煤與瓦斯突出主導型過渡的趨勢。