循环载荷下煤体变形及渗透性变化特征实验研究

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(1.河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191；2.深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室，河南理工大学，河南 焦作 454000；3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；4.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；5 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；6 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

瓦斯是煤层的伴生气体，具有双重特征：一是井下的致灾气体；二是具有洁净、高效和绿色能源的特点。因此，瓦斯的有效开发利用不仅对防治矿井灾害具有重要意义，也对缓解我国能源需求压力具有重要战略意义。煤体在应力变化过程中，渗透性也发生着变化，他们之间具有密切的内在关系。因此，研究煤体力学变形及其渗透性变化特征对瓦斯有效开发利用具有一定指导意义。

在循环载荷下煤岩的力学及渗透性研究方面，李晓泉等[1，2]选择具有突出特性的型煤煤样进行循环载荷实验，分析了煤样的变形及渗透特性，结果显示：煤样渗透性与变形损伤存在直接关系，单次循环加、卸载阶段应力-应变曲线及渗透率变化均形成封闭环，二者封闭环的倾向相反，且封闭环的形态受多种因素的影响；蔡波[3]、周婷[4]以型煤为对象，进行了循环载荷实验研究，综合考虑了多种变量对其力学及渗透性的影响；胡大伟等[5]、孔茜等[6]选择了孔隙结构较为发育的砂岩进行循环载荷实验，分别研究了加、卸载阶段渗透率的变化规律，得到了与煤样相似的结论；李东印等[7]在自制的煤-气耦合试验系统上进行了大尺寸煤样的循环加卸载实验，并结合声发射技术，研究发现首次卸载过程中渗透率发生突变，进而可以推断顶板初次来压期间很可能诱发瓦斯异常；孙光中等[8，9]针对构造煤进行了循环载荷渗透率测试，通过分析加卸载阶段渗透率的变化规律，在两阶段分别引入了不同的渗透率变化因子，建立了渗透率动态演化模型；李波波[10]在研究循环载荷下煤样变形、渗透率变化规律的同时，从能量转化角度分析了煤岩的损伤过程。这些研究对认识煤体力学变形和它的渗透性变化的规律性具有重要指导意义，但这些成果侧重于煤体弹性变形阶段，很少涉及到煤体塑性变形阶段，因此需要更进一步研究煤体产生塑性变形后，煤体变形与渗透率变化的规律性。

本文在上述研究的基础上，利用三轴渗流实验机，采用等幅循环应力加载在煤体上，循环的应力上限大于煤体屈服极限，总结煤体变形与渗透性变化的规律及他们之间的内在关系，对现场瓦斯抽选具有一定的指导。

1 实验方法

1.1 煤样制备

本次实验所用煤样来自山西晋煤集团寺河矿的3#无烟煤，采样地点为西二盘区W2301工作面。在现场采集过程中，为了最大程度的减小开采扰动对煤体原生结构的破坏，采样地点选择在远离工作面的上下工作面巷道处，避开超前支承应力区，同时钻切煤块的体积应尽可能大，以减小煤体结构非均质性造成的实验误差。煤块采出后，由专人运抵地面，搬运过程中要轻拿轻放，然后装箱运至实验室，沿垂直层理的方向进行标准煤样(Φ50mm×100mm)的加工和制备。在煤样加工过程中，为了减小机械振动对煤体原生结构的破坏，采用湿式密集钻芯。同时为了保障煤样端部的平整度，需进行煤样端部的工业研磨，使试件两端面的平整度偏差控制在0.005cm范围内，且上、下端面直径偏差小于0.02cm。煤样加工成型后，进行分组编号，并置于干燥箱内充分干燥，部分煤样加工前后如图1所示。

图1 部分煤样加工前后照片

1.2 实验设备

三轴渗透率实验是在自主研发的三轴应力渗流实验系统上进行，该系统主要由装置夹持器、围压及轴压控制系统、气压控制系统、温度控制系统、负压控制系统、数据采集与处理系统及其他辅助装置等组成。主要技术参数如下：轴压加载范围，0～120MPa；围压加载范围，0～60MPa；瓦斯压力范围，0～10MPa；轴向位移范围，0～100mm；温度控制范围，室温～150℃；负压控制范围，0～100kPa；轴向载荷控制方式，位移控制、应力控制；围压载荷控制方式，应力控制；应力值误差范围，示值的+0.5%；变形量误差范围，示值的+0.5%；(温度控制误差，+0.5℃；负压测量误差，示值的+1%；实验过程相关参数均为全自动采集。

1.3 实验方案及步骤

1.3.1 实验气体及条件

实验所用气体为瓦斯气体，纯度为99.99%，实验时气体进口压力保持为1.1MPa，出口压力0.1MPa。实验中围压保持为2MPa，轴向载荷水平及循环频率与裂隙演化实验保持一致，实验路径和方案均与裂隙演化实验相同，变形量及渗透率测试值系统自动采集保存。

1.3.2 应力加载方案及步骤

应力加载采用等幅三角波循环路径进行循环，具体实验条件为：恒定循环频率0.05Hz，围压2MPa，依据三轴压缩实验结果，分别选择循环上限应力为50MPa、45MPa和40MPa三个水平，下限应力均20MPa。具体实验过程如下：

第一步：采用应力控制方式对围压、轴压进行同时加载，应力加载速率均为0.1MPa/s，应力终点均设定为2MPa；第二步：当轴压、围压同时达到2MPa时，保持围压恒定，改用位移控制方式进行轴压的继续加载，位移速率为0.002mm/s，应力终点为循环上、下限应力均值；第三步：选择三角波形循环，设定循环振幅、循环应力均值、循环频率等相关循环参数，实验系统进行自动循环加卸载过程，直至煤样破坏，此即完成一个完整的循环过程；第四步：更换煤样试件，重复以上3步操作，完成下一组实验。

2 实验结果及讨论

2.1 循环载荷下煤样的力学变形特征

为了研究应力水平对煤样变形规律的影响，分别选择20～50MPa、20～45MPa和20～40MPa三个水平，循环频率均为0.05Hz，实验结果如图2所示。

图2 不同应力水平下煤样的应力-应变曲线

由图2可以看出：不同应力水平循环下煤样的变形特征具明显的三个阶段性，即应力应变曲线整体呈现疏-密-疏的变化规律，这一特点与岩石类材料的循环疲劳破坏过程相似[11-13]。造成这种变形具有明显三阶段特征的原因是：初期阶段应力应变曲线呈现较为不明显的稀疏的原因是煤体初始裂隙在外力作用下被压缩，产生了较大的塑性变形，循环加卸载应力应变曲线形成较大的滞回环，看起来比较稀疏；中间阶段应力应变曲线呈现相对密集的原因是初始裂隙被压缩后，新生裂隙还处在发育阶段，整个过程塑性应变较小，弹性应变占绝对主导地位，因此应力应变曲线形成的较小的滞回环，滞回环之间也更加密集；后期阶段应力应变曲线呈现较为明显的稀疏原因是煤体在外力作用下，新生裂隙处在高度发育、扩展、汇通的阶段，此阶段将产生较大的塑性应变，应力应变曲线形成较大的滞回环，滞回环之间表现得更加稀疏。

实验结果还显示出应力水平对煤样的变形具有明显的影响。随着应力水平上限的提高，煤岩破坏需要的次数不断降低，应力应变曲线也显得更加稀疏。

2.2 循环载荷下煤样渗透率变化特征

为研究渗透率变化规律的影响，提取了单次循环中下限应力点对应的渗透率测试结果进行分析。不同应力水平循环下渗透率与循环次数的关系曲线如图3所示。

图3 不同应力水平条件下煤渗透率与循环次数的关系曲线

由图3可以看出：在不同应力水平下，下限应力点对应的渗透率变化规律整体呈现“U”型，表现出了明显的阶段性：

初始阶段：渗透率逐渐降低。该阶段渗透率随着循环次数的增加呈现降低趋势，这是由于煤样内部的原始孔裂隙在受压后闭合，孔隙度大大减小，降低了渗透性。

中间阶段：渗透率稳定阶段。该阶段煤样的渗透率基本趋于稳定状态，原因可能是：煤样初始孔裂隙压缩后，煤样均质性得到提高，其力学性质得到强化，而新微裂纹产生量较小，且贯通性较差，塑性应变不明显，煤样内部裂纹的闭合和扩展处于相对平衡状态，因此渗透率变化幅度不大。

后期阶段：渗透率逐渐升高阶段。在该阶段前期渗透率呈缓慢升高趋势，后期渗透率则呈现急剧升高。其主要原因在于：新生微裂纹大量发育，并在局部开始汇合、贯通，增加了煤样内部气体的渗流通道，渗透率表现为缓慢增加，当局部主裂纹形成后，单次循环对煤样的损伤增大，裂纹的扩展贯通程度快速提高，渗透率明显升高。

对比不同应力水平循环下煤样渗透率变化规律，可以看出应力水平对渗透率的演化过程具有明显影响：①循环应力水平越低，渗透率变化的各个阶段均需要经历更多的循环次数；②在渗透率发生明显变化的第一阶段和第三阶段差异性明显。应力水平越高，单次循环对渗透率的变化影响越大，说明煤样在循环破坏过程中，渗透率的上升或下降速率与应力水平成正比；③随着应力水平的升高，渗透率的稳定阶段所占比例逐渐减小，渗透率与循环次数间的关系曲线有从“U”型向“V”型发展的趋势。

2.3 循环载荷下煤样力学变形及渗透性变化特征内在关系

上述实验结果表明，煤样的力学变形与渗透性变形具有一定内在联系，这在其他研究成果中也有类似的体现[14，15]。在相同的应力路径下，应变曲线和渗透率变化随着循环次数的增加，具有一一对应的三阶段特征：在载荷循环的初期阶段，应力应变曲线的滞回环较为稀疏，对应渗透率随循环次数增加而逐渐下降；在载荷循环的中间阶段，应力应变曲线的滞回环较为密集，对应渗透率随循环次数增加而处于稳定状态；在载荷循环的后期阶段，应力应变曲线的滞回环非常稀疏，对应渗透率随循环次数增加而逐渐快速升高。这种对应对比关系如图4所示，轴向应变曲线是每循环应变累积量随循环次数增加的变化示意图，而渗透率曲线是每循环得下限应力点的渗透率随循环次数增加的变化示意图。

图4显示：三个应力水平都表现出相同的规律，轴向应变曲线都经历了相同的变化趋势，既循环初期阶段每循环应变增量逐渐减小，中间阶段每循环应变增量稳定，后期阶段每循环应变增量快速上升；而渗透率也经历了相同的变化趋势，既初期阶段逐渐减小，中间阶段稳定，后期阶段快速上升的过程。可见在循环载荷过程中，煤样渗透率的变化趋势与应变累积量增速的变化趋势具有一致性。

图4 不同应力水平下应变、渗透率与循环次数的关系曲线

3 结 论

对煤样进行了不同应力水平循环载荷下的应力应变力学实验和渗透率测试，通过数据分析，得到以下主要结论：

1)煤样应力应变曲线滞回环呈现较为明显的疏—密—疏三阶段特征，应力水平越高，循环的次数越少。

2)煤样的渗透率变化也呈现较为明显的降低—稳定—增长三阶段特征，应力水平对渗透率变化过程影响显著，随着应力水平的升高，渗透率与循环次数的关系曲线有从“U”型向“V”型发展的趋势。

3)煤样的力学变形与渗透性变化具有密切的关系，在循环过程中，煤样渗透率的变化趋势与应变累积量增速的变化趋势具有一致性，都经历了减速—稳定—加速的过程。