加卸載條件下煤樣應變與滲透性的演化特征

祝 捷，王 琪，唐 俊，陳霽月，姜耀東，唐 迪，蘭天翔

(中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

隨著開采深度的增大，高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井，相繼發生沖擊地壓[1]或發生兼具沖擊地壓和煤與瓦斯突出特征的煤巖瓦斯復合動力災害[2-4]。隨著礦井開采深度的增加，兼具沖擊地壓、煤與瓦斯突出特征的煤巖復合動力災害成為煤礦動力災害的重要形式[5]。

佩圖霍夫最早提出應建立沖擊地壓、煤與瓦斯突出的統一理論[6]。章夢濤等[7]將沖擊地壓、煤與瓦斯突出均視為煤(巖)突然破壞過程中發生的失穩動力過程，建立了沖擊地壓、煤與瓦斯突出的統一失穩理論。李鐵等[8]研究表明沖擊地壓與瓦斯在一定條件下具有相關性。潘一山等[9]指出大采深和復雜的地質構造是阜新礦區高瓦斯礦井沖擊地壓多發的重要因素;煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，從本質上影響了煤體的穩定性;瓦斯的大量抽放導致瓦斯災害向沖擊地壓轉變。李化敏和付凱[10]認為河南躍進礦及平煤、焦作等礦區的沖擊地壓和煤與瓦斯突出災害相互疊加、相互作用、相互誘發，產生“共振”效應。李世愚等[11]認為瓦斯流體對沖擊地壓有觸發作用，尤其超臨界流體的特殊性質在沖擊地壓發生中發揮重要作用。李忠華[12]、崔乃鑫[13]、祝捷[14]等針對瓦斯對巷道和工作面的應力分布、鉆屑量指標以及煤層失穩條件的影響進行了研究。

近年來，袁亮[5]、齊慶新等[15]、潘一山[16]、竇林名等[17]、尹光志等[18]將煤巖復合動力災害作為新的災害類型，對其進行分類，研究了不同類型煤巖復合動力災害的破壞特征、影響因素和致災條件。袁瑞甫[19]指出煤巖體性質、瓦斯壓力、應力條件和開采擾動等是發生復合動力災害的必備要素。朱麗媛等[20]研究分析了瓦斯對煤巖體力學性質和沖擊傾向性的影響。研究表明隨著煤礦開采深度的增加，煤層應力、瓦斯賦存和開采技術發生了變化，出現了原巖高地應力、高采動次生應力、高瓦斯吸附壓力及含量、低滲透性煤巖體等新的開采環境，由此提升了深部采動巖體力學行為的復雜程度，同時圍巖對開采擾動和外部動力響應的敏感度也隨著增加。

煤層開采過程中，工作面回采方向水平應力卸除、垂直應力陡增，導致煤層內部高瓦斯內能與煤巖系統地應力、支承壓力疊加形成了發生復合動力災害的力學條件[21]。為此筆者設計了軸向應力加載、徑向應力卸載的實驗方案，模擬煤礦開采過程中支承壓力和水平應力的變化特征，進行了加卸荷條件下含氣煤樣的變形和滲透性同步試驗，研究采動應力和氣體壓力對煤巖變形破壞以及煤中瓦斯運移的影響機制。

1 樣品制備與實驗方案

1.1 樣品制備

實驗煤樣取自于沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，該礦西三上采區702綜采工作面、北二采區707 工作面和西二1204 工作面均出現了沖擊地壓、應變巖爆等動力學現象。本文樣品取自紅陽三礦12-1號煤層(突出煤層)，取樣深度895 m。絕對瓦斯涌出量為69.4 m3/min，相對瓦斯涌出量為8.15 m3/t。煤樣制成直徑為25 mm，高為50 mm規格的圓柱體試樣。

1.2 實驗方案

試驗設備采用中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的煤巖變形-滲透性同步測試實驗系統，主要包括加載控制系統、樣品腔、氣體壓力控制系統、煤樣應變和氣體流量實驗數據采集系統等。該實驗系統可用于軸壓、圍壓和流體(液體、氣體)壓力變化條件下的含氣煤巖樣品變形和滲透性測試，實驗系統如圖1所示。

圖1 煤巖變形-滲透性同步測試實驗系統Fig.1 Synchronous testing device of coal rock deformation and permeability

煤樣在實驗前經24 h烘干處理(95 ℃)，在烘干箱中冷卻后，放入樣品腔內;連接氣體壓力控制系統、應變和氣體流量實驗數據采集系統等，檢查設備氣密性。開啟溫度控制系統，保證實驗在恒溫(25 ℃)條件下進行。

為了模擬開采過程中工作面前方支承壓力增高，水平應力降低的采動影響，筆者設計了如圖2所示的加卸載實驗方案，即在煤樣初始軸壓和圍壓12 MPa的基礎上，實施軸壓增大、圍壓降低的實驗過程。煤樣的單軸抗壓強度一般為15～30 MPa。本文設計的軸向和徑向應力差最大值為8 MPa，其目的是保證煤樣不破壞，并且盡量控制煤樣的變形以彈性變形為主。在每一級氣體壓力條件下測量煤樣的軸向應變、徑向應變，以及出口處的氣體流量，且在每個氣體壓力測點實驗結束后都將煤樣靜置一段時間，再進行下一級氣體壓力的實驗，這樣有利于煤樣變形的恢復。

實際煤層瓦斯主要成分是甲烷，此外一般含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微量的惰性氣體。本文采用CO2氣體作為實驗氣體，模擬瓦斯氣體與煤巖的相互耦合作用。實驗具體步驟如下:

(1)如圖2所示，將軸壓和圍壓設置為初始值(12 MPa)，打開真空泵，對煤樣進行不小于2 h的脫氣，通入規定壓力的氣體，維持氣體壓力不小于24 h，保證氣體充分進入煤樣內部。待變形穩定不變后，電腦采集煤樣的徑向應變和軸向應變數據，打開樣品腔出口，保持出口壓力為大氣壓(0.1 MPa)，記錄出口處穩定的氣體流量。

圖2 實驗設定的軸壓、圍壓值Fig.2 Axial pressure and confining pressure set in the experiment

(2)將軸壓和圍壓逐級調整為下一級應力值，同時采集煤樣的徑向應變、軸向應變和出口氣體流量等數據，直到完成所有軸壓、圍壓測點的測試。

(3)完成所有軸壓、圍壓測試的樣品，將其軸壓、圍壓重新設置為初始值12 MPa。將氣體壓力調整至下一級氣體壓力(預設進口氣體壓力測點共3個:2.0，1.5和1.0 MPa)。重新按照步驟(1)和步驟(2)進行樣品測試，直到所有預設氣體壓力測點完成后，結束實驗。

2 實驗結果

筆者在不同氣體壓力下對實驗樣品進行了加卸載條件下煤樣應變和出口氣體流量測試。實驗樣品共3個，分別按照1號，2號和3號表示。3個實驗煤樣在完成測試之后，樣品表面沒有宏觀裂紋，也沒有局部破碎。測得了煤樣的軸向應變εz、徑向應變εr和出口處氣體流量Q(圖3)，圖3中應變曲線以壓縮為正，膨脹為負。其中分圖名按樣品編號-氣體壓力值表示，如“1-2.0”表示1號煤樣在氣體壓力為2.0 MPa的實驗結果。

由圖3可知，在軸壓增大、圍壓降低的實驗條件下，隨著軸向應力和徑向應力之差σz-σr增大，煤樣出口處的氣體流量呈現先降低后升高的變化趨勢;在應力相同條件下，氣體壓力越大，出口處氣體流量越大。隨著軸向應力和徑向應力之差σz-σr增大，煤樣產生軸向壓縮變形和徑向膨脹變形，但是不同煤樣的變形響應特征有所區別。1號煤樣在1.5 MPa和1.0 MPa氣體壓力下，其軸向應變εz和徑向應變εr隨σz-σr增大，應力、應變之間基本符合線性增加的關系。其他實驗結果顯示在σz-σr較低時，軸向應變εz和徑向應變εr與σz-σr之間滿足線性的關系;當σz-σr增大到某一個值之后，軸向應變和徑向應變的增幅加大。這說明在軸向和徑向應力差增大過程中，煤樣開始產生塑性變形。

圖3 煤樣變形和滲透性同步試驗結果Fig.3 Synchronous test results of coal samples deformation and permeability

根據體應變的定義，筆者依據式(1)計算了不同應力差和氣體壓力下的煤樣體應變εV:

εV=εz+2εr

(1)

煤樣在σz-σr增大過程中產生體積膨脹(3-2.0，3-1.5和2-1.0)或者先收縮后膨脹(1-2.0，1-1.5，1-1.0，2-2.0，2-1.5，3-1.0)，即擴容現象。圖4(a)為在氣體壓力1.0 MPa條件下，3號煤樣(3-1.0)軸向加載、徑向卸載實驗過程中的體應變和出口氣體流量的實驗結果。由圖4(a)可知，隨著軸向和徑向應力差σz-σr增大，煤樣體積出現由壓縮轉為膨脹的拐點，即擴容起始點。擴容起始點與煤樣出口氣體流量由下降轉為升高的拐點有較好的對應關系。圖4(b)為在氣體壓力1.0 MPa條件下，2號煤樣(2-1.0)的體應變和出口氣體流量的實驗結果。由圖4(b)可知，產生持續體積膨脹的煤樣存在體應變增幅加大的轉折點，該轉折點與出口氣體流量拐點也存在對應關系。圖4中的體應變以壓縮為正，膨脹為負。

圖4 煤樣體應變與出口氣體流量的相關性分析Fig.4 Correlation analysis of coal samples volumetric strain and outlet gas flow

以往研究顯示，擴容是巖石內部微裂隙擴展的結果[22]，煤樣發生擴容之后，微破裂發展出現質的變化[23]。體應變轉折點反映了煤樣的擴容點或體應變幅度增大(剛度下降)的拐點，為此煤樣加卸荷過程中的力學響應分為2個階段：

(1)當軸向應力與徑向應力之差較低時，煤樣變形較小，以壓縮變形為主，其出口處氣體流量下降。

(2)當軸向應力與徑向應力之差增大到某一值之后，煤樣出現擴容或剛度下降，出口處的氣體流量逐漸回升。

3 分析與討論

筆者利用軸向加載、徑向卸載的實驗條件模擬煤礦開采過程中支承壓力和水平應力的變化，得到了隨著軸向和徑向應力之差增大，煤樣變形和氣體流量的變化特征。實驗表明兩者具有相關性，氣體流量回升與煤樣擴容密切相關。本節將重點分析氣體壓力對煤樣變形-氣體流動相關性的影響特征。

3.1 氣體壓力對煤體膨脹的影響

依據煤樣擴容后體積膨脹的體應變與軸向應變實驗數據，按照式(2)計算了煤樣體積膨脹的變形角β[24]:

(2)

其中，ΔεV為體積應變增量，10-3;Δεz為軸向應變增量，10-3。β越大，意味著在有效應力差相同的條件下煤樣體積膨脹越大[24]。

表1為煤樣體積膨脹變形角β的計算結果,β隨氣體壓力的變化總體趨勢是氣體壓力越高,β越大?？梢姎怏w壓力對受載煤樣的膨脹變形也產生影響。因此在煤樣有效應力差相同的條件下，氣體壓力越高，煤樣膨脹應變越顯著。

表1 煤樣的體積膨脹變形角Table 1 Deformation angle of coal swelling

3.2 煤樣體應變與氣體流量變化的拐點

筆者采用一次函數對氣體流量和體應變數據進行了分段擬合，擬合公式和結果見表2。由表2可知，分段擬合函數對實驗數據的擬合相關系數均大于0.91，擬合效果良好。擬合結果與實驗數據的對比如圖5所示，隨著軸向應力σz與徑向應力σr之間的應力差增大，煤樣出口處氣體流量出現先降后升的V形變化，而煤樣體應變的變化呈現倒V形。對于出現擴容現象的煤樣，倒V形的拐點即為煤樣由體積收縮變為膨脹的擴容起始點。對于加卸荷過程中只出現體積膨脹的煤樣，倒V形的拐點前后煤樣體應變增大幅度不同，拐點之后煤樣變形幅度增大，煤樣耐受變形的能力(剛度)降低。

表2 煤樣的分段擬合結果Table 2 Subsection fitting results of coal samples

圖5 煤樣體應變和氣體流量實驗值與擬合值Fig.5 Experimental and fitting results of coal samples volumetric strains and gas flow

依據煤樣體應變實驗數據，分段擬合得到的擴容起始點對應的軸向應力與徑向應力之差記為Δσε。同理擬合得到氣體流量由降轉升的拐點對應的軸向應力與徑向應力之差記為ΔσQ。Δσε和ΔσQ的擬合結果見表3。

表3 不同氣體壓力下煤樣體應變和氣體流量拐點對應的應力差Table 3 Stress deviator corresponding to the inflexion of coal strain and gas flux at different gas pressures MPa

表3中氣體流量和煤樣體應變拐點對應的應力差ΔσQ和Δσε與氣體壓力之間具有負相關的關系，即氣體壓力越高，氣體流量和煤樣體應變的拐點對應的應力差ΔσQ和Δσε越小。當煤中氣體壓力由1.0 MPa增大至2.0 MPa時，氣體流量由降轉升拐點對應的ΔσQ平均值由2.975 MPa降低為2.028 MPa，降幅為31.8%;煤樣擴容起始點(或剛度下降)對應的Δσε也由3.664 MPa降低為2.130 MPa，降幅達到41.9%。可見隨著氣體壓力的增大，煤樣擴容起始點和氣體流量由降轉升的拐點對應的差應力降低了。

比較表3的ΔσQ和Δσε可知,大部分煤樣在軸向加載、徑向卸載過程中，出現氣體流量由降轉升的拐點之后才出現擴容或剛度下降，即ΔσQ≤Δσε;這表明擴容之前，煤樣內部微裂縫已經開始延伸或者擴展。當氣體壓力較高(2.0 MPa)時，氣體流量拐點所對應的差應力ΔσQ接近于煤樣擴容起始點對應的差應力Δσε，即氣體流量拐點和煤樣擴容幾乎同時出現。

本文得到的應變數據反映了煤樣整體變形特征，出口氣體流量體現了煤樣內部孔裂隙開度、形狀、連通性的變化。實驗表明煤樣發生擴容之前出現氣體流量拐點，可見擴容之前，煤樣內部的微裂縫已經開始延伸或者擴展。氣體壓力較高(2.0 MPa)時，擴容起始點和氣體流量拐點對應的應力差平均值僅相差0.102 MPa，氣體流量拐點和煤樣擴容幾乎同時出現。這一實驗結論可以與沖擊地壓、瓦斯突出以及2者同時出現的復合動力災害的孕災過程建立聯系。

3.3 煤樣擴容與煤巖動力失穩的相關性

煤礦開采過程中，煤巖體在地應力、瓦斯壓力和采動應力共同作用下產生變形，微破裂不斷發生擴展。當煤巖體變形系統達到臨界狀態時，遇到開采等擾動后，煤巖變形系統失穩，蓄能的彈性變形區煤巖體釋放能量，發生沖擊地壓;當塑性變形區內儲存的瓦斯及其周圍煤巖體孔裂隙大量解吸瓦斯迅速噴出時，發生煤與瓦斯突出;當蓄能的彈性變形區煤巖與儲存的瓦斯同時或先后釋放能量時，發生復合動力災害[16]。

承受初始圍壓的含氣煤樣在加卸載過程中產生變形，透氣性隨之變化。當加卸載造成的差應力達到一定數值時，出現氣體流量由降轉升的拐點，同時或隨后出現煤樣擴容。巖石擴容對應的差應力大致等于剪切面上滑動所需的差應力，巖石擴容時，其內部微裂紋已具備面間滑動的差應力條件[25]?？紤]到，煤巖擴容之后將發生塑性變形，逐漸弱化直至破壞，因此實際工程中，將擴容視作巷道底臌的重要原因[26]或者沖擊地壓發生的重要先兆信息[23]。

實驗表明煤樣中氣體壓力越高，煤樣擴容起始點對應的差應力越低，因此高瓦斯壓力導致采動影響下煤體擴容的門檻降低。同時高瓦斯壓力條件下，擴容起始點與氣體流量拐點幾乎同時發生。這進一步表明含高壓瓦斯的煤巖體在采動應力影響下，蓄能的彈性變形區極有可能在瓦斯氣體還未大量析出時，迅速轉變為耗能的塑性變形區。一旦開采擾動引起煤巖變形系統失穩，附近的彈性變形區煤巖體釋放能量，集聚、儲存在塑性變形區和鄰近區域內的瓦斯同時涌出，即可觸發復合動力災害。

4 結 論

(1)加卸載初期，煤樣以彈性壓縮變形為主，煤樣透氣性降低;當加卸載造成的差應力達到一定數值時，氣體流量出現由降轉升的拐點，繼而出現煤樣擴容。煤樣擴容之后發生塑性變形，煤中氣體析出，煤樣透氣性變大。

(2)差應力是促使煤中氣體流動狀態變化和煤樣擴容的主要原因。加卸載條件下煤樣擴容起始點和氣體流量拐點對應的差應力隨著氣體壓力的升高而降低?？梢姼咄咚箟毫е虏蓜佑绊懴旅后w擴容的門檻降低。

(3)氣體壓力較高時，煤樣擴容起始點和氣體流量拐點幾乎同時出現。由此推斷高瓦斯煤巖體在采動應力影響下，蓄能的彈性變形區極有可能在瓦斯氣體還未大量析出時，迅速轉變為耗能的塑性變形區。一旦煤巖變形系統失穩，蓄能的彈性變形區煤巖與塑性變形區瓦斯可同時釋放能量，煤巖體顯現復合動力災害的破壞特征。