不同孔隙率對含瓦斯煤體的破壞機制及數值分析*

劉業嬌 ，邢輝，李沐，崔一諾，滕婷

(1.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭市 014010；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作市 454000；3.中鐵十二局第四工程有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

含瓦斯煤是一種特殊的巖石類型，由煤巖固體顆粒骨架、游離態瓦斯氣體和準液態吸附瓦斯組成的典型的非均勻多相介質。在礦井開采過程中，由于煤和瓦斯作用，導致資源的浪費和煤體的損壞。相關學者認為，含瓦斯煤是由于瓦斯和煤體物理性質共同作用的結果[1-4]，其主要與煤層突出所處的地應力狀態、煤層中的瓦斯及煤巖物理學特性3 個因素有關。瓦斯氣體與煤的固體表面存在著很強的氣固反應，且大部分瓦斯氣體是以吸附的形態賦存于煤的孔隙系統內。大量研究成果表明：煤吸附瓦斯將使得煤的物性力學參數發生改變，并伴隨產生不同程度的變形[5-9]。

目前，國內學者在此領域開展了大量研究，其成果主要集中在孔隙率理論模型[9-15]的建立和有效應力規律及其影響因素分析等方面[16-22]。針對煤吸附瓦斯過程中孔隙率演化特征進行研究，并在煤吸附瓦斯過程與變形、孔隙演化規律方面取得了豐富的成果，為進一步揭示煤與瓦斯氣體間的吸附作用對煤孔隙結構的影響奠定了堅實的基礎。本文擬根據采動含瓦斯煤體所受軸向壓力實際演化規律，開展含瓦斯煤體損傷模擬試驗，分析不同孔隙率對含瓦斯煤體的破壞機制，旨在加深對含瓦斯煤體破壞失穩機制及煤與瓦斯突出機理的認識。

1 孔隙率對含瓦斯煤巖體變形特征的影響

通常采用宏觀方法來描述含瓦斯煤體的孔隙率，定義為材料中孔隙體積與材料在自然狀態下總體積的百分比，即：

式中，n為含瓦斯煤體的孔隙率，無量綱；vp為含瓦斯煤體中孔隙、裂縫所占的體積；vs為含瓦斯煤體實體體積；v為含瓦斯煤體本身總體積。

多孔介質固體實體體積用vs表示，其變化用Δvs表示；多孔介質外觀總體積用vb表示，其變化用Δvb表示；多孔介質孔隙體積用vn表示，其變化用Δvn表示。

由孔隙率定義（1）式，可得：

式中，εv為體積應變，無量綱；vn0為多孔介質孔隙體積初始值；vb0為多孔介質外觀總體積初始值；Δvs為煤本體變形；Δvs為煤本體變形初始值。

令Δvs=ε為煤吸附變形,可得：

將式（3）代入式（2）可得:

式中，εn為單位體積膨脹變形，無量綱。

2 孔隙率對含瓦斯煤巖體變形破壞機制的數值模擬研究

2.1 數值模型及計算參數的確定

建立平面應變計算模型，模型尺寸為50 mm×100 mm，劃分為90×180 個單元，數值計算模型如圖1 所示。模型的上下邊界為不透氣巖層，上下瓦斯流量為零，左邊瓦斯壓力為1 MPa，右面瓦斯壓力為5 MPa，內部瓦斯為3 MPa。全程在豎直方向使用位移加載的加載方式，采用滲流邊界條件。建立孔隙率分別為n=5%、10%、20%、40%時的4 種模型，改變其位移加載增量，共做8 個模型。多個模型進行對比分析，可以更加直觀顯示不同孔隙率下瓦斯煤體的變形破壞機制。煤體力學參數見表1。

圖1 數值計算模型

表1 煤體材料力學參數

2.2 數值計算結果分析

2.2.1 不同孔隙率最終宏觀破裂圖分析

不同孔隙率最終宏觀破裂圖如圖2 所示。由圖2 可知，不同孔隙率條件下的破裂圖差異較大，孔隙率為10%和20%的差異不大。圖2（a）和圖2（d）裂縫幾乎貫穿了整個試樣，但圖2（d）比圖2（a）試樣破壞的裂紋更多、更寬，伴有更多雜亂的其他裂紋衍生；圖2（b）從中間向上斷裂，圖2（d）從最下面向上整個斷裂，可以看出孔隙率大的試樣破壞的更加全面，破裂的單元更多，對煤巖的損壞更大；圖2（b）可以看出裂紋還沒有完全形成，就已出現大面積損壞，圖2（a）則是完全破壞幾乎沒有其余裂紋產生；圖2（b）裂紋比圖2（a）覆蓋的少，但裂紋相對更加寬大，主裂紋還沒完全成型就已經衍生其他裂紋，隨著孔隙率的增大，含瓦斯煤體的破壞速度加快。

圖2 不同孔隙率最終宏觀破裂

2.2.2 不同孔隙率最終宏觀聲發射破裂圖分析

不同孔隙率最終宏觀破裂圖如圖3 所示，可知聲發射的最終分布與破裂圖的裂紋基本一致。隨著孔隙率的增大，含瓦斯煤體的破壞速度加快，微裂紋開始形成大裂紋或擴展更多的裂紋。由于試樣的突然破裂導致強烈的聲發射現象，聲發射數量顯著增加。隨著裂紋的再一次擴大和增加，模擬試樣最終展現出宏觀上的主裂紋，聲發射數量達到最大增幅。直到含瓦斯煤體破壞，仍能產生少量聲發射現象。

圖3 不同孔隙率最終宏觀聲發射破裂

2.2.3 不同孔隙率最終宏觀瓦斯流量圖分析

不同孔隙率最終宏觀破裂圖如圖4 所示，由圖4（a）、圖4（b）可知，孔隙率5%和40%時所產生的裂縫幾乎貫穿了整個試樣，但圖4（d）比圖4（a）試樣破壞的裂紋更多更長，且伴有更多雜亂的其他裂紋衍生；孔隙率10%見圖4（b）從中間向上斷裂，圖4（d）從最下面向上整個斷裂，可以看出孔隙率大的試樣破壞的更加全面，破裂的單元更多，對煤巖的損壞更大；圖4（b）可以看出裂紋還沒有完全形成，就已出現大面積損壞，孔隙率20%見圖4（c）則是完美破壞幾乎沒有其余裂紋產生；隨著孔隙率的增大，含瓦斯煤體的破壞速度加快。煤層的瓦斯在較高的瓦斯壓力梯度下，逐漸向最低的瓦斯壓力梯度下運移，最終匯聚成一條直線。且瓦斯運移的方向從模型底部開始，由非穩定狀態變成穩定流動狀態，最終定型。

圖4 不同孔隙率最終宏觀瓦斯流量

2.2.4 不同孔隙率應力曲線圖分析

通過不同孔隙率應力-加載步曲線如圖5 所示，由圖5 可知孔隙率越大，煤體的極限抗壓強度越小，且孔隙率與煤體的極限抗壓強度表現出明顯的線性相關性。其中孔隙率10%達到屈服狀態所需加載步最多，反之，孔隙率40%達到屈服狀態所需加載步最少。孔隙率5%隨著加載步增加應力波動最大，孔隙率20%隨著加載步增加應力波動最平緩。孔隙率越大，含瓦斯煤體破壞時需要的應力值就越小，極限破壞應力越小。含瓦斯煤體從內部一點點向外開裂，且應力大小先從低到高再到低，最后完全破壞時在零附近徘徊。

圖5 不同孔隙率應力-加載步曲線

3 結論

（1）由于含瓦斯煤巖在破壞時還受到瓦斯的作用，因此含瓦斯煤巖破壞時產生的能量更多，破壞損傷程度更大。煤巖受到載荷作用時，一般表現出抗剪破壞，含瓦斯煤巖則是拉壓破壞，且在相同載荷下后者變形更明顯。

（2）孔隙率越大的含瓦斯煤體，破壞的范圍更大，裂紋的擴展更多。且損壞加快，達到破壞時所用的時間最少。孔隙率能改變含瓦斯煤體本身的體積變形，且孔隙率越大越明顯。

（3）最大的孔隙率其應力峰值最低，達到破壞時需要的位移加載最小，說明煤巖體更容易損壞，煤巖體強度最低。該模擬結果可以在煤巖開采過程中減少對煤巖的損傷和破壞，研究成果對礦井災害防治具有一定的指導和借鑒意義。