煤岩破坏过程弹性能与瓦斯膨胀能演化特性试验研究

张庆贺，李 宁，段昌瑞

（1.安徽理工大学 省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南232001；2.淮南矿业集团深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南 232001）

煤与瓦斯突出是困扰煤炭安全开采的重大灾害，突出机理的研究是解决此灾害的重要课题。在机理研究方面，煤与瓦斯突出的力学模型构建困难重重，而用能量的方法可以突破应力-应变分析的局限，已成为行之有效的定量化研究方法[1-2]。在能量模型研究方面，国内外学者开展了卓有成效的研究工作[3-7]。这些能量模型实现了煤岩弹性能和瓦斯膨胀能的定量计算。然而，这些方法得出的能量是状态量，不能揭示煤与瓦斯突出孕育发生的能量演化过程。基于此，对煤岩试件在不同损伤状态下的弹性能和瓦斯膨胀能开展试验研究，借助煤岩试件破坏过程中的能量演化和转化特征，揭示弹性能与瓦斯膨胀能的转化和释放机制，这对于丰富煤与瓦斯突出的灾变演化机理具有十分重要的意义。

1 弹性能和膨胀能测定方法

某一特定状态下，煤岩弹性能和瓦斯膨胀能都稳定不变，当煤岩破坏时，这2种能量将同时变化。目前，已有研究测定了岩体试件的弹性能[8-9]，也有相关研究测定了含瓦斯煤粉的膨胀能[10-11]。但是，目前实验室尚无法同时测定这2种能量。为此，针对煤岩试件破坏过程，分别单独测定煤岩弹性能和瓦斯膨胀能，再将得到的试验结果叠加分析，得出了煤岩破坏过程中弹性能与瓦斯膨胀能的演化规律。

1.1 煤岩弹性能测定方法

受载煤岩体能量转化分能量输入、集聚、耗散、释放4个过程。能量输入时，一部分能量以弹性能的形式储存在煤岩体内，另一部分能量以表面能、热能等形式消耗掉。煤岩体破坏前，输入的总能量转化为弹性能和耗散能，可用式（1）表示：

式中：W为外界对煤岩所做的功，即能量输入；Ee为积聚在煤岩内的能量，即弹性能；Ed为煤岩受载过程中消耗的能量，即能量耗散。

式（1）中，煤岩的耗散能是不可逆的，而弹性能是可逆的。因此，可根据煤岩弹性能的可逆性，利用煤岩试件的循环加卸载应力-应变曲线对煤岩弹性能进行计算[8-9]。

1.2 瓦斯膨胀能测定方法

密闭空间内存在吸附平衡的煤和瓦斯，密闭空间打破后，气体膨胀做功。瓦斯膨胀能符合式（2）～式（4）[12]：

式中：W1为各时刻的瓦斯膨胀能，J/s；m为喷口处的瓦斯质量流量，kg/s；v 为瓦斯流速，m/s；p′为临界瓦斯压力，Pa；p为各时刻煤样罐内瓦斯压力，Pa；R为瓦斯气体常数，J/（kg·K）；T为各时刻煤样罐内瓦斯温度，K；p2为大气压力，Pa；γ为绝热指数，甲烷取 1.314；s为喷口截面积，m2。

2 试验材料

煤样试件强度性质和吸附解吸性质稳定且相同是试验成功的关键，为此自主研制了新型含瓦斯煤相似材料。材料以混合煤粉为骨料，以腐植酸纳水溶液为胶结剂，在15 MPa压力下成型。100余组试件的物理力学参数试验表明相似材料容重、孔隙率、吸附性与原煤相近、单轴抗压强度高且调节方便[13]。

首先依据文献[13]确定胶结剂浓度配比，然后按照配比工艺压制尺寸为φ50 mm×100 mm标准试件。制作的标准试件外形完好，表面平整，无裂隙，完整性和均匀性良好。采用深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室的伺服万能试验机进行常规单轴压缩试验。

3 煤岩弹性能试验

采用循环加卸载试验测定煤岩试件的弹性能。选择0.5 kN作为1个加载循环，按照0→0.5→0→1.0→0→1.5 kN…的加载顺序进行加载，直到试件发生破坏。5个试件的循环加卸载曲线如图1。

按照弹性能密度与耗散能密度的试验计算方法，可得到每个卸载点处的弹性能密度ue与耗散能密度ud，卸载点处试件的弹性能密度与耗散能密度见表1。

4 瓦斯膨胀能试验

为建立瓦斯膨胀能与煤体应力状态的关系，以φ50 mm×100 mm圆柱状标准试件、不同损伤程度的标准试件、相同质量煤粉（粒径0～3 mm）作为研究样品。其中，不同损伤程度的试件依据应力-应变曲线选取，分别为20%、60%、100%峰值强度各取1个，峰后破坏试件取1个，试验样品选取依据如图2。

吸附时间是保证煤样充分吸附的关键因素，在一定压力下只有吸附饱和的煤样才能代表该平衡压力下的膨胀能。实测了密闭空间内煤样的吸附历程，瓦斯吸附时间如图3。图3表明，煤样在4 h以内吸附速率较快，4 h以后逐渐放缓，22 h可达到吸附平衡。因此，试验吸附时间均取24 h。

试验测定了6组样品在0.8 MPa压力下的初始瓦斯膨胀能，按照式（4）～式（6）计算，6组样品的初始瓦斯膨胀能见表2。

5 弹性能和膨胀能演化特性分析

将表1得出的试验结果进行整理可得到ue、ud随应力变化的演化规律。弹性能密度与应力关系如图4。由图4可知，弹性能密度随应力的增加承非线性增长。压密阶段增长缓慢；应变能密度达到2 000 J/m3时，增长速率基本稳定。峰值应力时，弹性能密度最大，可达5 150 J/m3。按照型煤试件质量230 g、体积196.25 cm3换算可知，单位质量煤体最大弹性能约为4.39 mJ/g。

图1 循环加卸载曲线

表1 卸载点处试件的弹性能密度与耗散能密度

图2 试验样品选取依据

图3 瓦斯吸附时间

表2 不同破坏程度煤样初始膨胀能 mJ/g

图4 弹性能密度与应力的关系

弹性能占总能量的比例如图5。由图5可知，压密阶段，初始微孔隙闭合、摩擦等消耗了较多能量，弹性能占比低；进入弹性阶段后弹性能占比达到了50%左右，随后一直增长，最大占比约为70%。

图5 弹性能占总能量的比例

对2个煤岩试件进行峰后加卸载试验，获取了峰后应变能密度，应变能密度与应力的关系如图6。可见，峰值以后型煤试件弹性能急剧释放。峰值强度是煤岩弹性能演化的突变点。

图6 应变能密度与应力的关系

瓦斯膨胀能与煤体破坏的关系如图7（图7中横坐标表示煤样破坏程度，见表2）。可以发现，煤样初始瓦斯膨胀能与煤的破碎程度也有较大关系。标准试件在峰值强度之前瓦斯膨胀能变化不大，峰值强度处骤然增大25%以上，而同质量煤粉的膨胀能则比标准试件高了3倍以上。

图7 瓦斯膨胀能与煤体破坏的关系

0.8 MPa下，完好的型煤试件瓦斯膨胀能为79 mJ/g，约为煤体弹性能的18倍；破坏后试件的瓦斯膨胀能为109 mJ/g，为煤体弹性能的24.8倍。可见，型煤试件的瓦斯膨胀能远大于煤体弹性能。

6 结论

1）对型煤试件施加单轴荷载时，输入的总能量一部分转换为弹性能，一部分转换为耗散能。弹性阶段末期，煤岩弹性能占比约80%，微破裂阶段后，弹性能占比逐步降低，峰值强度处弹性能占比约70%。峰值强度后能量释放，弹性能急剧减小。

2）0.8 MPa气体压力下，型煤试件在峰值强度处，瓦斯膨胀能增大25%以上；峰值强度以后，瓦斯膨胀能增大30%以上。

3）峰值强度是弹性能和瓦斯膨胀能突变点。峰值强度处弹性能急剧降低；瓦斯膨胀能却突增25%以上。由于瓦斯膨胀能是主要能量，这种能量的突变对煤与瓦斯突出的影响是巨大的。