滇东黔西松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征*

侯连浪，刘向君，梁利喜，张 平，谢 斌，李丹琼

(1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中联煤层气有限责任公司，北京 100015)

0 引言

煤岩的物理力学性质是煤岩体的基本属性，反映煤岩体的物理状态和承受外界作用的能力[1]，准确认识煤岩岩石力学特性对防治煤炭开采过程中可能发生的煤与瓦斯突出事故[2-4]及煤层气井钻井过程中可能发生的井壁坍塌事件至关重要[5]。国内外学者针对煤岩岩石力学特性开展了大量研究，其中，弱结构面对煤岩力学特性的影响受到了很多关注，裂隙几何形态、裂隙产状、张开度、起伏度等因素都会对煤岩岩石力学特性产生一定的影响[6]；部分学者从不同围压[7]、不同加载速率[8]以及不同煤岩类型的角度[9]，开展室内力学试验以分析不同条件下煤岩的力学特性；唐辉明等[10]以理论推导及数值分析方法，依据等效应变原理，推导了煤岩的等效岩石力学参数计算模型。这些研究成果促进了我国煤炭资源的安全高效开发。现有关于煤岩力学特性的研究多数集中在中硬煤及硬煤领域，部分针对松软煤岩开展的研究，只重点分析煤样尺寸及含水率对煤岩强度的影响[11]。松软煤层在煤体强度、变形特征、破裂特征等方面与中硬及硬煤层具有显著差异[12]。因此，有必要以松软煤岩为研究对象，分析松软煤岩的力学特性及能量演化特征。

以取自滇东黔西SH矿区及LC矿区普氏系数小于0.5的松软煤岩为研究对象，开展不同围压下的三轴压缩试验，以探究松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征，取得的认识对松软煤层煤炭资源安全高效开发具有指导意义。

1 试验内容、方案及过程

1.1 试验内容及方案

为了解试验煤样的力学特性及能量演化特征，使用GCTS-1000型高温高压岩石力学测试系统开展不同围压下的三轴压缩试验。综合考虑样品数量及埋深，开展3个不同围压下的三轴试验，每个围压条件下3块煤岩样品。围压确定方式为：煤岩取样深度约719 m，以密度测井资料计算上覆压力为19.14 MPa，以静水压力近似储层压力为7.19 MPa，即煤岩所承受的有效应力为11.95 MPa，最终，确定本次三轴试验围压分别为0，6和12 MPa。

1.2 试验过程

本次试验的流程为：

1)在试验系统里输入煤岩样品的基本信息(编号、长度、直径)，设置好应变规参数；

2)将煤岩样品用热塑管包裹后安装轴向应变规及径向应变规，并将煤岩样品置于样品台；

3)放下釜体，采用围压与轴压逐级交替增大的方式缓慢加载围压至目标值(单轴试验不需要加载围压)，单级增加的围压、轴压为2 MPa；

4)将伺服控制系统中轴压清零后，采用位移控制加载方式施加轴向压力，加载速率为0.2 mm/min，并同时记录差应力-应变曲线数据；

5)待煤岩样品破坏后结束试验，卸载围压，取出破坏后煤岩样品并拍照记录。

2 试验结果分析

2.1 应力应变曲线特征

煤岩在压缩试验前后的形状如图1所示。由图1(a)和图1(b)可见，岩心SH15-1-2和SH15-1-15试验前无明显裂隙。由于煤岩质软，压缩过程中径向变形迅速增大，并未快速失去纵向上的承压能力，轴向差应力-应变曲线没有迅速跌落(见图2(a))。由图1(c)可见，岩心SH15-1-4试验前存在明显裂隙。尽管围压相对较大，当轴向压力增大到一定程度时，岩心内部裂隙勾通，岩心沿裂隙发生剪切破坏而表现出类似于脆性岩石破坏时的轴向差应力-应变曲线陡降现象(如图2(a))。由图1(d)～(i)可知，对于LC矿区煤岩出现该现象的原因亦是如此(图2(b)),即裂隙的存在会增大松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率。

注：每组照片中，左侧为试验前，右侧为试验后。图1 煤岩压缩试验压前压后对比Fig.1 Comparisons of coal and rock compression tests before and after compression

图2 不同围压下煤岩差应力-应变曲线Fig.2 Differential stress-strain curves of coal and rock under different confining pressure

SH矿区及LC矿区煤样在不同围压下的差应力-应变曲线如图2所示，图2中差应力-应变曲线上标注的数值为对应曲线的试验围压值。由图2(a)和图2(b)可知，单轴条件下，差应力-应变曲线呈现出较明显的压密、弹性、屈服及破坏4个阶段。相关研究[13]表明，随着围压逐渐增大，取自淮南煤矿的原煤轴向差应力-应变曲线峰后应力跌落幅度逐渐减小，陡降趋势逐渐收敛，开始呈现出延性特征，且围压越高，峰后延性特性越明显。由图2(a)和图2(b)可知，对于SH矿区和LC矿区煤岩，围压越高,差应力-应变曲线峰后阶段更陡。

由图2(c)和图2(d)可知，SH矿区及LC矿区9块煤岩岩心中，围压为6 MPa下的岩心SH15-1-15在达到峰值强度后应力-体积应变曲线向右延伸，表现出体积收缩的现象；其他8块岩心的差应力-体积应变曲线均从峰前屈服阶段开始转向左拐，开始表现出扩容的现象，在达到峰值强度后扩容现象愈加剧烈。

2.2 强度特征

2.2.1 围压与峰值强度的关系

对试验数据进行分析，可得到煤岩抗压强度(σ1m+σ3)与围压的关系，如图3所示。由图3可知，整体上，煤岩的抗压强度分布在5.9～54.1 MPa之间，之前的研究[1]成果表明，中硬煤峰值强度约是软煤的1.11倍，硬煤的强度约是软煤的1.68倍。随着围压增大，煤岩样品抗压强度增大，表明围压增强了煤岩在轴向上承压能力。

图3 抗压强度与围压的关系Fig.3 Relationship between compressive strength and confining pressure

2.2.2 抗剪切强度

由图1和图2可知，煤岩三轴压缩试验破坏模式主要为剪切破坏，由图3可知围压与抗压强度呈现为较好的线性关系，抗压强度σc与围压σ3的线性关系为：

σc=3.986 1σ3+6.386 7

(1)

式中：σc为抗压强度，MPa；σ3为围压，MPa。即煤岩抗压强度符合Coulomb强度准则，可用Coulomb强度准则来计算其抗剪切强度。计算得到煤岩的黏聚力为1.60 MPa，内摩擦角为36.81°。

2.3 变形特征

图4为杨氏模量及泊松比与围压的关系。由图4可知，试验煤岩的杨氏模量分布范围为6 452～10 706 MPa。前人研究[1]成果表明，中硬煤的杨氏模量约是软煤的47.1%，硬煤的杨氏模量约是软煤的4.86倍。随着围压的增大，煤岩杨氏模量逐渐增大，利于裂缝长度方向上的扩展，宽度方向上则受到抑制[12]。试验煤岩泊松比的分布范围为0.308～0.400。随着围压增大，煤岩泊松比逐渐减小，表明围压对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显。

图4 杨氏模量及泊松比与围压的关系Fig.4 The relationship between Young's modulus, Poisson ratio and confining pressure

2.4 破坏特征

观察图1可知，煤岩在不同围压下表现出不同的破坏特征：1)单轴条件下，煤岩破坏形式复杂，张剪并存，碎裂程度较高；2)围压分别增大至6 MPa和12 MPa时，煤样主要发生剪切破坏；3)整体上，随着围压增大，煤样破碎程度降低，即围压条件下松软煤岩破坏模式符合Coulomb强度准则。

图5为煤岩破坏形态示意图，图中所标明的角度为煤岩破裂面与端面的夹角。煤岩的黏聚力为1.60 MPa，内摩擦角为36.81°。按照Coulomb强度准则，计算可知破裂面与岩样端面的夹角约为63°。由图5可知，三轴条件下煤岩破裂面与端面的夹角均分布在63°左右，符合Coulomb强度准则。单轴压缩条件下，图5(a)和(e)对应的2块煤样破裂面与端面的夹角与63°相差相对较大；图5(d)对应的煤样出现X型剪切缝面。单轴条件下岩石破坏形式复杂，三轴条件下煤样只会产生剪切破坏，二者有本质上的区别[14]。实际工程中，松软煤岩均受一定围压的作用。因此，工程应用中Coulomb强度准则仍适用于松软煤岩。

2.5 能量演化特征

岩石受力变形过程中，整体系统能量变化主要可分为能量输入、能量聚集、能量耗散和能量释放4个阶段。

图5 煤岩破坏形态示意Fig.5 Diagram of failure form of coal and rock

忽略实验过程中的热交换，由热力学第一定律可知，外力所做功在单位体积内产生的能量U可分为弹性能Ue和耗散能Ud2部分。图6为不同围压下部分三轴压缩试验能量-应变关系。文中能量均指能量密度，即单位体积包含的能量。由图6(a)～(e)可知，随着轴向应力增加，试样吸收的总能量、存储的弹性能和损伤耗散能都在不断增加。加载初期，试验处于压密阶段，总能量和弹性能都增加缓慢；随着试验进入线弹性阶段，总能量和弹性能都稳定增加，耗散能变化较小，煤样损伤程度较低；当轴向应力进一步增加时，弹性能增加速率降低，耗散能加速增加，该阶段为裂纹稳定扩展和加速扩展阶段，煤样内部微裂隙逐渐扩展、连通，煤样结构发生较大损伤；随着轴向应力继续增大，煤样存储的弹性能继续增大，耗散能亦逐渐增加，内部结构损伤加剧，当储存的弹性能及煤样结构损伤达到一定程度时，弹性能瞬间释放，煤样破坏。将不同围压下的弹性能-应变、耗散能-应变分别绘制到同一张图(见图6(f)～(i))，破坏点用空心星号点进行了标注。由图6(f)和图6(g)可知，不同围压下，弹性能整体上增长的速率相近，这表明在实验条件下煤样弹性能的增加速率几乎不受围压的影响；随着围压的增大，煤样破坏点的弹性能越高，这表明围压增强了煤样储存弹性能的能力。有研究成果[15]表明，破坏点耗散能随着围压的增大而增大。由图6(h)和图6(i)可知，破坏点耗散能与围压无明显关系。这是因为煤样原有的割理等裂隙发育程度不同，相同围压下从受压开始到完全破坏所需用于损伤煤样内部结构的耗散能差异较大，耗散能便呈现出与围压无明确相关关系的特点。

图6 不同围压下弹性能、耗散能与应变的关系Fig.6 Relationship between elastic energy, dissipative energy and strain under different confining pressures

3 结论

1)围压增强了煤岩在轴向上承压能力；随着围压的增大，煤岩杨氏模量逐渐增大，泊松比逐渐减小，围压对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显。

2)裂隙的存在会增大松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率，差应力-体积应变曲线从峰前屈服阶段开始左拐，表现出扩容的现象，在达到峰值强度后扩容现象愈加明显。

3)围压条件下，松软煤岩的抗压强度、破坏模式及破坏角均符合Coulomb强度准则，Coulomb强度准则适用于松软煤层的工程应用；围压几乎不影响弹性能的增长速率，但提高了煤样储存弹性能的能力，受割理等裂隙影响，耗散能与围压无明确相关关系。