高應(yīng)力下煤巖破壞特征試驗(yàn)研究

高應(yīng)力下煤巖破壞特征試驗(yàn)研究

1煤巖加、裝卸力學(xué)特性的研究隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源需求的不斷增長(zhǎng)，中國(guó)在很大時(shí)期內(nèi)堅(jiān)持以煤炭為主體的全面能源戰(zhàn)略。然而，由于我國(guó)煤炭在-1000m以下資源量占總資源量的53%，儲(chǔ)藏埋深大、地應(yīng)力高，加之采動(dòng)作用破壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)，引起煤體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)重新分布，尤其在工作面回采過(guò)程中，采掘卸壓作用和超前支承壓力的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致煤體承載力發(fā)生改變，使煤體始終處于加、卸載狀態(tài)。這對(duì)開(kāi)采中出現(xiàn)的沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤礦動(dòng)力災(zāi)害防治帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，也對(duì)頂煤冒落、支架受力、煤巷維修等有直接影響。因此，在開(kāi)采深度日趨加深的今天，為探索深部煤炭資源的可采性、對(duì)煤礦災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行科學(xué)預(yù)判，開(kāi)展高地應(yīng)力環(huán)境下煤巖加、卸載力學(xué)行為研究，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)三軸條件下煤巖的加、卸載力學(xué)特性已進(jìn)行了較深入的研究。在加載條件下，早在20世紀(jì)60年代，D.W.Hobbs就研究了圍壓對(duì)煤樣的強(qiáng)度和應(yīng)力–應(yīng)變特征的影響；R.H.Atkinson和H.Ko則對(duì)美國(guó)6個(gè)州的煤巖強(qiáng)度特征進(jìn)行了研究；T.P.Medhurst和E.T.Brown采用大試件對(duì)煤巖的強(qiáng)度準(zhǔn)則和從軸向劈裂向剪切過(guò)渡的破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。在國(guó)內(nèi)，孟召平等對(duì)不同圍壓條件下煤樣的變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究；王宏圖等對(duì)單一及復(fù)合煤巖在三軸不等壓應(yīng)力狀態(tài)下的變形及強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究；許江等則對(duì)含瓦斯煤巖的變形特性和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。而在卸荷條件下，蘇承東等研究了煤巖的變形破壞及其聲發(fā)射特性；尹光志等研究了不同卸圍壓速度對(duì)含瓦斯煤巖力學(xué)特性的影響；蔣長(zhǎng)寶等研究了含瓦斯煤巖分級(jí)卸圍壓變形特征；黃啟翔等則研究了煤樣軸向力學(xué)參數(shù)隨圍壓的變化過(guò)程；呂有廠和秦虎對(duì)含瓦斯煤巖卸圍壓力學(xué)特性及能量耗散進(jìn)行了分析。不言而喻，這些研究成果有力地豐富了三維應(yīng)力狀態(tài)下煤巖的加、卸載力學(xué)理論。將其歸納起來(lái)，不難發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)試驗(yàn)試件有原煤樣和型煤樣2種，但由于加工困難、均質(zhì)性差等原因，采用原煤樣的研究總體較少。(2)試驗(yàn)大多是在中低圍壓條件下進(jìn)行，尤其采用型煤樣的試驗(yàn)，圍壓大多小于10MPa。(3)對(duì)煤樣力學(xué)特性研究比較單一，或散而不聚，系統(tǒng)性不足?？梢?jiàn)，采用原煤樣進(jìn)行高應(yīng)力條件下煤巖三軸壓縮、卸荷力學(xué)特性方面的系統(tǒng)性研究尚不多見(jiàn)。然而，這對(duì)于實(shí)際處于高地應(yīng)力環(huán)境下的深部采動(dòng)煤層可采性研究卻凸顯了難得之處?；谶@一思路，本次研究以淮南礦區(qū)望峰崗井-780m標(biāo)高的B10煤層為研究對(duì)象，對(duì)高應(yīng)力條件下煤巖三軸壓縮力學(xué)特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為深部高應(yīng)力壞境下煤炭資源的安全、高效開(kāi)采及煤與瓦斯突出災(zāi)害防治提供理論依據(jù)及關(guān)鍵數(shù)據(jù)。2試驗(yàn)條件和試驗(yàn)計(jì)劃2.1ts815.4巖石三軸力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)高應(yīng)力下煤巖三軸力學(xué)試驗(yàn)是在長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS815.04巖石三軸力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)上進(jìn)行的。該系統(tǒng)是電液伺服控制的專(zhuān)門(mén)進(jìn)行巖石及混凝土試驗(yàn)的多功能剛性壓力裝置，配有伺服控制的全自動(dòng)三軸加壓和測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)中圍壓采用應(yīng)力控制，軸壓采用位移(LDVT)控制。2.2制件標(biāo)準(zhǔn)試件的準(zhǔn)備試驗(yàn)煤樣取自淮南礦區(qū)謝一礦望峰崗井-780m水平B10煤層的原狀塊煤。對(duì)原煤已進(jìn)行的考慮層理面方向效應(yīng)的巴西劈裂及單軸壓縮試驗(yàn)研究結(jié)果表明：B10煤層在垂直和平行于層理面方向的抗拉強(qiáng)度均具有比較明顯的離散性，但前者離散程度更大；而在垂直和平行于層理面方向的單軸壓縮特性均具有一定的離散性，但后者離散性更大。可見(jiàn)，B10煤層在不同層理方向上力學(xué)特性的離散性不同。因此，為保持煤樣力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定，盡可能減少其離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，針對(duì)B10煤層以水平層理為主、層理性較強(qiáng)的特點(diǎn)。加工、選取試驗(yàn)試件時(shí)，采取以下幾項(xiàng)措施：(1)先采用ZS–100型巖石鉆孔機(jī)，盡可能在取自同一位置的大塊原煤上鉆取煤芯，以確保煤樣宏觀煤巖成分穩(wěn)定；(2)采取劉愷德等采用的方法，使鉆取煤芯的軸向與層理面垂直，并根據(jù)煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法，對(duì)鉆取的軸向與層理面垂直的煤芯進(jìn)行切割、打磨，精加工成uf06650mm×100mm原煤標(biāo)準(zhǔn)試件(見(jiàn)圖2);(3)對(duì)加工好的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行察驗(yàn)，初選，為盡量降低其離散性，盡可能剔除肉眼可見(jiàn)缺陷及結(jié)構(gòu)不均勻的煤樣；(4)對(duì)初選好的標(biāo)準(zhǔn)試件再進(jìn)行密度計(jì)算及聲波測(cè)試(見(jiàn)圖3,4)，盡量選擇密度、縱波速率相近的煤樣(見(jiàn)表1)，進(jìn)一步降低煤巖力學(xué)性質(zhì)的離散性可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。2.3煤樣的壓壓試驗(yàn)采用常規(guī)三軸全過(guò)程試驗(yàn)方法，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，為避免試驗(yàn)過(guò)程中液壓油進(jìn)入煤樣內(nèi)，使煤巖力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)定受到影響，首先將煤樣用熱縮膠套包裹好；然后，對(duì)煤樣施加圍壓，使uf0731=uf0732=uf0733；再采用軸向沖程控制(0.001～0.003)mm/s，加載至試樣破壞為止。試驗(yàn)初步選取煤樣10個(gè)，預(yù)定圍壓分別為10,20,30,40,50MPa，先按每個(gè)圍壓下進(jìn)行2次試驗(yàn)計(jì)劃，針對(duì)2次試驗(yàn)效果均差的情況，再次補(bǔ)做。3試驗(yàn)結(jié)果與分析試驗(yàn)得到不同圍壓下典型煤樣的三軸壓縮偏應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線如圖5所示，圖中，分別表示軸向、側(cè)向、體積應(yīng)變。需說(shuō)明，圖5(a)所示的應(yīng)力–應(yīng)變曲線是由與本次試驗(yàn)試件取自同一煤層的煤樣SW–5，在RMT–150C巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)所得的結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果如表1所示，表1中，D為煤樣直徑；H為煤樣高度；為初始圍壓；ρ為煤樣密度；VP為縱波波速；為峰值強(qiáng)度；為峰值軸向應(yīng)變；為峰值側(cè)向應(yīng)變；E為三軸彈性模量；為泊松比；E50為變形模量；為峰值體應(yīng)變；為斷口破裂角。4圍壓下煤巖常三軸壓縮曲線為清晰顯示圍壓變化對(duì)煤巖變形特性的影響機(jī)制，將圖5給出的6種圍壓下的煤巖常三軸壓縮曲線，繪制在同一坐標(biāo)系下(見(jiàn)圖6)進(jìn)行對(duì)比分析，圖6中數(shù)字表示圍壓的值，單位為MPa。4.1圍壓對(duì)煤巖脆延性轉(zhuǎn)化的影響分析圖5,6所示不同圍壓下煤巖的偏應(yīng)力–應(yīng)變曲線形態(tài)可知：(1)對(duì)于曲線，單軸壓縮狀態(tài)下，明顯呈現(xiàn)出壓密、彈性、屈服和破壞4個(gè)階段，其中，壓密段較長(zhǎng)。而三軸條件下，除較低圍壓(=10MPa)下存在較短的壓密段(見(jiàn)圖5(b))，隨著圍壓的升高，壓密段不再明顯，幾乎與彈性階段難以區(qū)分，能夠清晰分辨的主要有彈性、屈è服E、破壞或峰后軟化段3個(gè)階段。顯然，高圍壓對(duì)煤巖的壓密作用是明顯的，初始?jí)好茏饔迷谑┘訃鷫哼^(guò)程中已經(jīng)基本完成。(2)偏應(yīng)力–軸向應(yīng)變曲線峰前彈性段很長(zhǎng)，屈服段則較短，且彈性段的陡緩程度受?chē)鷫河绊戯@著，圍壓越大，峰前曲線越陡，彈性模量越大。這一點(diǎn)從彈性模量與圍壓關(guān)系的回歸曲線(見(jiàn)圖7)中也可以看出。(3)單軸荷載條件下，煤巖脆性破壞特征明顯，峰后應(yīng)力跌落迅速，殘余強(qiáng)度幾乎為0，而三軸壓縮條件下，除較低圍壓(σ3=10MPa)時(shí)，煤巖峰后脆性破壞特征比較明顯外，其余曲線隨著圍壓升高，峰后應(yīng)力跌落幅度依次減弱，且陡降趨勢(shì)逐漸收斂得光滑圓融，開(kāi)始呈現(xiàn)出延性破壞特征，且圍壓越高，峰后延性特性越明顯，當(dāng)圍壓達(dá)到50MPa時(shí)，峰后uf0651幾乎呈現(xiàn)塑性流動(dòng)狀態(tài)。可見(jiàn)，圍壓對(duì)煤巖脆延性轉(zhuǎn)化有明顯的影響，原因在于，脆性和延性變形破壞模式存在著相應(yīng)的物理機(jī)制。其中，與脆性破壞對(duì)應(yīng)的是破裂、摩擦(指接觸摩擦)，以及碎裂流動(dòng)(顆?；驂K體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互擠碎)；與延性破壞對(duì)應(yīng)的則是塑性流動(dòng)，包括由位錯(cuò)、擴(kuò)散、超塑性等機(jī)制所引起的固體流動(dòng)。當(dāng)圍壓由低到高變化時(shí)，煤巖脆–延性轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)是變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過(guò)程有利于煤樣產(chǎn)生非彈性變形，而非彈性變形組分的增加，反映在宏觀變形性態(tài)上，則表現(xiàn)為非彈性屈服變形。也即通過(guò)對(duì)脆性破裂的抑制，限制了以破裂方式消耗變形能，轉(zhuǎn)而在能量方面為煤介質(zhì)的活化和塑性成分效應(yīng)的增強(qiáng)提供了必要條件。顯然，圍壓升高對(duì)煤巖脆–延性轉(zhuǎn)變的影響也在一定程度上反映了構(gòu)造煤形成過(guò)程中，構(gòu)造應(yīng)力在煤層發(fā)生碎裂或強(qiáng)烈的韌塑性變形及流變遷移過(guò)程中的作用。(4)峰值軸向應(yīng)變隨著圍壓的增加呈拋物線趨勢(shì)增加(見(jiàn)圖8)，表明圍壓的增加強(qiáng)化了煤樣在軸向上承受更大壓縮變形的能力。(5)由圖6可見(jiàn)，在不同圍壓條件下，煤樣峰前側(cè)向應(yīng)變曲線幾乎均為線彈性；峰值側(cè)向應(yīng)變隨圍壓的增加呈線性增加趨勢(shì)(見(jiàn)圖9)；峰后側(cè)向應(yīng)變變化，除單軸條件下呈水平線增長(zhǎng)，其余曲線變化趨勢(shì)與軸向應(yīng)變基本相同，但增速緩慢。4.2圍壓對(duì)煤巖宏觀形態(tài)的影響圖10為不同圍壓下煤巖的差應(yīng)力–體積應(yīng)變曲線，其中，體積應(yīng)變按公式確定。結(jié)合圖5容易發(fā)現(xiàn)，在常三軸條件下，煤巖與中硬巖的擴(kuò)容機(jī)制相比有明顯差別。根據(jù)朱杰兵等對(duì)砂巖、花崗巖的三軸壓縮力學(xué)特性研究，中硬巖的體應(yīng)變曲線不論圍壓大小，均從峰前屈服段即開(kāi)始擴(kuò)容，峰后表現(xiàn)更加劇烈。而煤巖的體應(yīng)變曲線則具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)除在單軸條件下具有壓密階段外，其他圍壓下，在峰前基本呈線彈性段向右延伸變化。(2)在單軸條件下，在接近峰值前曲線已開(kāi)始向左拐，呈現(xiàn)出擴(kuò)容機(jī)制，到達(dá)峰值后擴(kuò)容則更加明顯。為凸顯整體布局，圖10中略去了單軸壓縮曲線的部分峰后段。(3)當(dāng)圍壓為10MPa時(shí)，曲線則幾乎在到達(dá)峰值時(shí)才向左拐，開(kāi)始擴(kuò)容，表現(xiàn)出擴(kuò)容受?chē)鷫褐萍s而滯后的特點(diǎn)，峰后擴(kuò)容亦較單軸時(shí)減慢。(4)在圍壓升高至20MPa或更大時(shí)，從峰前至峰后破壞，曲線始終向右延展，且峰后變化加劇。表明，在高圍壓下煤巖受到壓縮時(shí)不僅無(wú)擴(kuò)容表現(xiàn)，反而體積在不斷收縮。從圖11所示的峰值體應(yīng)變與圍壓的關(guān)系曲線同樣可以看出，隨著圍壓的增加，峰值體應(yīng)變呈二次拋物線形式增加，且均為正值。表明，峰值軸向應(yīng)變明顯大于2倍橫向峰值應(yīng)變，且圍壓的增加使峰值體應(yīng)變進(jìn)一步加劇，但增大速率逐漸減弱。這反映了煤巖的微細(xì)觀多孔裂隙結(jié)構(gòu)有別于其他巖石。原因在于，煤中裂隙(包括內(nèi)生和外生裂隙，對(duì)于完整煤樣，這里主要指內(nèi)生裂隙，即割理，割理是煤中天然存在的裂隙，一般呈相互垂直的面、端割理2組出現(xiàn)，且與煤層層理面垂直或高角度相交)的存在，將煤分成若干基質(zhì)塊，基質(zhì)塊中含有大量的微小孔隙，但與割理相比孔隙率明顯趨低，加之層理為煤層的主要構(gòu)造標(biāo)志。分析認(rèn)為，高應(yīng)力下軸向壓縮至煤樣破壞時(shí)，由層理和割理共同組成的割理系統(tǒng)被破壞，壓密是導(dǎo)致體積收縮的內(nèi)因；從宏觀表現(xiàn)上看，在高應(yīng)力環(huán)境下煤樣受力時(shí)，高圍壓對(duì)側(cè)向擴(kuò)容的抑制作用強(qiáng)于孔隙骨架的支撐作用。5對(duì)強(qiáng)度和破壞的特征分析5.1煤樣的破壞方向分析煤樣在三軸壓縮條件下的破壞形態(tài)如圖12所示。其中，單軸壓縮條件下煤樣SW–5的破壞時(shí)，同時(shí)含有剪切和劈裂2種破壞模式，屬剪張復(fù)合型破壞；而三軸條件下，煤樣的破壞斷口清晰，明顯以宏觀單一破壞面的剪切破壞為主。且圍壓較低時(shí)，宏觀破裂面達(dá)到或接近煤樣的兩端，隨著圍壓的增大，主斷口方向有從端部向側(cè)面過(guò)渡的趨勢(shì)。對(duì)斷口破裂角，即破斷角q(斷口方向與最大主應(yīng)力方向的夾角)的實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在10～50MPa五種初始圍壓下，大小為23°～35°(見(jiàn)圖12)，且隨著圍壓的增加，以二次拋物線趨勢(shì)增加(見(jiàn)圖13)，二者關(guān)系的擬合曲線為5.2圍壓對(duì)煤巖三軸壓縮強(qiáng)度的影響由于煤樣的破壞模式以剪切破壞為主，根據(jù)Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，其抗剪強(qiáng)度τm可由黏聚力c和內(nèi)摩擦角確定，表示為式中：為破壞面上的正應(yīng)力。當(dāng)以主應(yīng)力形式表示時(shí)，Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則變?yōu)槭街校簃為圍壓對(duì)軸向承載力的影響系數(shù)；b為單軸壓縮條件下，煤樣完全剪切破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。二者與黏聚力c和內(nèi)摩擦角的關(guān)系可分別表示為由式(4)可得式(3)表明，單個(gè)給定煤樣承受的最大軸向應(yīng)力與圍壓呈線性關(guān)系。由試驗(yàn)結(jié)果回歸分析，可得到煤樣的峰值強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)圍壓的關(guān)系。需要說(shuō)明的是，由于單軸條件下煤樣的破壞模式屬剪脹型破壞，其單軸壓縮強(qiáng)度并非完全由剪切破壞所致，明顯偏低。因此，為了盡可能真實(shí)反映圍壓對(duì)煤樣三軸壓縮強(qiáng)度的影響特征，在確定煤樣強(qiáng)度準(zhǔn)則的回歸計(jì)算中，單軸壓縮強(qiáng)度不宜納入。為此，根據(jù)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別以為縱、橫坐標(biāo)(見(jiàn)圖14)進(jìn)行擬合回歸分析。分析表明，峰值強(qiáng)度對(duì)圍壓的敏感性很強(qiáng)，且的增加呈線性增加，相關(guān)性良好，二者關(guān)系曲線為于是，將Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則包絡(luò)線式(3)與式(1)對(duì)比，可得m,b分別為：m=2.3816,b=39.3289，將其代入式(5)可求得煤巖的c，φ值分別為12.74MPa,24.11°。同時(shí)，還可根據(jù)煤樣三軸試驗(yàn)結(jié)果，以剪切面上的正、剪應(yīng)力分別為橫、縱坐標(biāo)，先繪制初始圍壓分別為10,20,30,40,50MPa時(shí)的Mohr應(yīng)力圓(見(jiàn)圖15，圖中括號(hào)外數(shù)字表示圍壓，括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)分別為圓心橫坐標(biāo)、半徑，單位均為MPa)，再繪制Coulomb強(qiáng)度曲線和包絡(luò)線。強(qiáng)度曲線表示煤巖臨界破壞時(shí)剪應(yīng)力與正應(yīng)力的關(guān)系，其與軸的夾角為內(nèi)摩擦角，在軸上的截距為黏聚力c，從而可得煤巖三軸壓縮抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，值分別為12.70MPa,24.13°。顯然，2種方法計(jì)算得到的煤巖強(qiáng)度參數(shù)c，值非常吻合，事實(shí)上，2種方法都是以剪切面剪、正應(yīng)力與軸、圍壓關(guān)系為基礎(chǔ)的，2種方法求得的強(qiáng)度參數(shù)本質(zhì)上應(yīng)該是一致的。出現(xiàn)偏差的原因主要在于2種方法在數(shù)據(jù)處理上的差異。處理時(shí)，可以取二者的平均值為宜，由此可得c，值分別為12.72MPa,24.12°。5.3．不同圍壓下的m根據(jù)<CBoulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，可得破斷角為于是，由已求得的值可得=32.94°，顯然，是一個(gè)定值，即不隨圍壓變化而變化。這一角度值處于試驗(yàn)煤樣破斷角大小范圍的偏大部位，并不能全面反映試驗(yàn)中破斷角的變化情形，與式(1)表示的破斷角隨初始圍壓的變化規(guī)律相悖。原因在于，無(wú)論在主應(yīng)力坐標(biāo)下表示的Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，其包絡(luò)線均為一條直線，最終求得的內(nèi)摩擦角是唯一的，因而破斷角值是唯一的。而事實(shí)上，根據(jù)M