基于应变测量的煤吸水膨胀变形特征实验研究

2019-03-20解北京张诗蕾

煤矿安全 2019年2期

解北京，严正，张诗蕾

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 100083）

近年来我国煤炭产量日益增大，煤炭开采深度日益加深，在深部开采的条件下，岩体所处的地质环境更加复杂，即处于高地应力、高渗透水压、高地温和工程开挖扰动的地质环境[1]。深部软岩在天然状态下较为完整、坚硬、力学性能良好，但是遇水后迅速膨胀、崩解和软化，从而造成岩体力学性质大幅度降低[2]。研究表明，泥岩泡水后，手搓即碎，强度大大减弱，降低幅度达90%左右[3]，导致岩体损伤明显，甚至造成软岩巷道发生大变形、底鼓和塌方等现象[4]。

深部煤系地层在水和高应力、高地温条件下发生的物理、化学和力学作用过程是导致其发生形变破坏的根本原因[5]。因此，煤岩和水的相互作用的研究引起了科技工作者的高度关注。为了更好、更合理的解释水与煤岩相互作用过程，国内外学者从水-煤岩化学效应[6-7]、力学效应[8]及煤岩遇水软化机制[9]等方面进行了大量的工作。在国内外的研究中，煤岩的吸水测试所采用的方法主要是煤岩吸水法。煤岩吸水膨胀性实验包括自由膨胀率[10]、侧向约束膨胀率[11]、饱和吸水率[12]、膨胀压力实验[13]。

自由膨胀率测量方法是将试件放入膨胀测定仪内，上下放置透水板，上部和四侧对称安装千分尺，记录初读数，加入洁净水至淹没上透水板，并在48 h内按规定的读数时间读取千分尺读数[14]。由测得的膨胀值和试件原始尺寸分别计算轴向和径向自由膨胀率。目前大部分测量煤岩吸水自由膨胀的方法都是用千分尺，这种方法原则上可以得到结果，但是实际操作却十分困难。针对目前这种用千分尺测量煤岩吸水膨胀的实验，指出具体的几个缺点：①千分尺测量轴向或者径向应变时需要保持高度的垂直，要做到十分精准很困难；②千分尺与试件接触时，为了避免千分尺陷进试件中需要将1块较硬的板事先贴在试件表面，在测径向时就比较困难；③煤岩吸水膨胀实验需要持续48 h，而千分尺需要及时读数，在实验后期需要每小时读1次数，不能间断，需要投入大量的时间和精力；④容错率低，人工读数本身就很容易出现误差，实验的准确性很难保证；⑤煤岩膨胀过程获取的数据较少，不能详细体现煤岩吸水膨胀变形的全过程。

针对千分尺测量煤岩吸水自由膨胀的缺点，提出了1种利用应变片代替千分尺，用高速采集仪代替人工读数和处理数据的方法，克服了目前使用千分尺间接测量存在的操作要求高、时间长等缺点，解决了实验中测量的问题，并测试分析了煤吸水膨胀的变形特征。

1 实验系统设计

1.1 实验原理

遇水膨胀的岩石一旦侵入水中，由于水分子的渗透作用，增加了岩石的含水率，造成结晶格架膨胀隆起，产生一定的膨胀变形和膨胀压力，且短时间较为剧烈，但随着时间的增长其膨胀变形和膨胀压力增加速率变缓，趋于相对稳定[15]。煤岩孔隙吸收水分膨胀发生形变，在煤岩表面贴应变片，测量煤岩吸水膨胀发生的应变变化，用高速采集仪代替人工读数和处理数据。

1.2 实验装置

煤岩吸水膨胀变形特征实验系统由煤岩吸水装置、应力应变仪、信号采集系统3部分组成，实验系统结构图如图1。

1.3 数据采集系统

本实验同步采集了应变，应变测试实验中共布置了4路应变片，应变片分别沿轴向和环向贴在煤岩高度中间位置。

1）应变仪与应变片。应变信号采集系统使用的DY2102E动静态应变仪，共4路通道，桥路电阻适用于 1～60 kΩ，供桥电压按照 2、4、6 V 分档，供桥电压精度±0.1%，应变系数K=2.00，自动平衡时间为2 s，能够保持平衡48 h。应变片采用了北京一洋应振测试技术有限公司的BX120-5AA应变片，灵敏系数为2.08，敏感栅5 mm×3 mm，基底9.4 mm×5.7 mm。

图1 实验系统结构图

2）存储记录仪。应变信号采集系统使用的HIOKI 8842存储记录仪，满足应变输入单元存储记录，可以同时实现高速记录与实时记录，测试中采样为1 kS/s。

1.4 煤样参数

本实验选择的4个2种不同层理类型的原煤，1#、2#煤样为层理垂直轴向，3#、4#煤样为层理平行轴向的圆柱体，煤试样基本参数见表1，煤样如图2。

表1 煤试样基本参数

图2 煤样

1#、2#煤样层理平行于轴向，3#、4#煤样层理垂直于轴向，研究层理对煤吸水膨胀变形的影响。

2 煤岩吸水膨胀变形特征实验及结果分析

2.1 应变片防水性及灵敏度测试

电阻应变片是一种电阻式的敏感元件，它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引线4部分组成。当试件发生变形，应变片就会跟随一起变形，这时应变片中的电阻丝就会因其机械变形而导致电阻丝的电阻发生变化，电阻的变化也就反应了结构的变形情况，这是电阻应变片测量应变的基本原理[16]。

应变片的防水处理不佳可能是制约煤吸水膨胀变形应变测量的1个重要因素，因此分别采用了704硅橡胶（单组分室温硫化硅橡胶）和9030全透明环氧树脂AB胶对粘贴的应变片进行防水处理。灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单项应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面应变片粘贴区域的轴向应变之比。实验室温度变化幅度不大，水温也是室温，温度对应变片的影响很小；粘贴应变片用704硅橡胶和9030AB胶，电绝缘性好、化学性质稳定，蠕变小、粘贴强度高。

实验采用704硅橡胶防水处理4个粘贴在铝片上的应变片，验证应变片防水处理效果和灵敏度，铝片吸水膨胀实验如图3。

图3 铝片吸水膨胀实验

铝片浸泡在水中应变变化曲线如图4，应变片初始应变值为0，随着铝片的吸水，应变值稳定增加，在20 h时趋于到稳定，应变值仅增加0.03‰，应变片可以检测到很微小的形变，灵敏度高，其灵敏度满足实验的要求，3#、4#应变片可能因防水材料未贴好，导致采集到的信号断裂且不稳定。

2.2 煤岩吸水形变实验结果分析

在1#、2#煤岩中间轴向和环向用704硅橡胶粘贴应变片，在3#、4#煤岩中间轴向和环向用9030全透明环氧树脂AB胶覆盖粘贴好应变片，吸水形变测量结果如图5和图6。

图4 铝片浸水应变曲线

图5 1#、2#煤吸水膨胀横向、环向应变曲线

由图5和图6中4个煤试样应变曲线可见，整个煤吸水膨胀变形应变曲线全过程可以分为3个阶段：初始压应变作用、拉应变急剧上升、拉应变缓慢增大。

首先，应变仪预热阶段应变数值近似直线，在水加入烧杯与煤岩接触瞬间，煤岩受到不平衡水压影响（煤岩各方向水分子渗透速率不同），使得应变片粘贴处的煤岩处于压缩状态，应变值为负值表现出压应变状态，煤岩迅速吸水产生膨胀力，压应变增长速率迅速减小，初始压应力作用时间很短大约5 min左右，1#煤岩的最大轴向压应变为-0.5‰，环向为-0.5‰，2#煤岩的最大轴向压应变为-0.5‰，环向为-0.9‰，3#煤岩的最大轴向压应变为-1.2‰，环向为-1.1‰，4#煤岩的最大轴向压应变为-1.0‰，环向为-1.2‰。

其次，随着水在煤岩里持续迅速渗透，膨胀力持续剧烈增大，直至1.5 h左右时膨胀力增长速率变缓，煤吸水膨胀处于拉应变急剧上升阶段。由于煤样层理的影响，上升阶段轴向和环向应变曲线形式表现出明显的差异。此时1#煤岩轴向拉应变最大值为6.8‰，环向为5.4‰，2#煤岩轴向拉应变最大值为6.6‰，环向为5.4‰，3#煤岩轴向拉应变最大值为5.9‰，环向为6.8‰，4#煤岩轴向拉应变最大值为5.8‰，环向为6.2‰。

最后，随着水的渗透速率变缓，膨胀力慢速稳定增加，在48 h后膨胀应变趋于稳定，煤吸水膨胀变形处于拉应变缓慢增大阶段。1#煤岩最大轴向拉应变为8.2‰，最大环向拉应变为6.4‰，2#煤岩最大轴向拉应变为6.9‰，最大环向拉应变为5.6‰，3#煤岩最大轴向拉应变为8.8‰，最大环向拉应变为7.8‰，4#煤岩最大轴向拉应变为7.8‰，最大环向拉应变为6.9‰。

对比分析图5和图6中1#、2#、3#和4#煤轴向和环向膨胀应变，层理平行轴向的1#、2#煤样，轴向应变增长速率比环向应变增长速率快；层理垂直于轴向的3#、4#煤样，环向应变增长速率比轴向应变增长速率快，说明水沿着层理方向渗透速率快，层理对煤吸水膨胀影响较大。4组煤岩的轴向最大拉应变比环向最大拉应变仅大1‰左右，数值上相差不大。