卸围压下煤体损伤的能量演化和渗透特性

2020-05-20姚彦军罗永豪李泽民

科学技术与工程 2020年9期

姚彦军,王毅,罗永豪,李泽民

(太原理工大学安全与应急管理工程学院，太原 030024)

在煤矿开采中，瓦斯治理一直是制约安全生产的重大难题，尤其是构造软煤发育地带，瓦斯含量高，能量迁移活跃，导致瓦斯治理更加困难。为有效解决瓦斯治理问题，近年来，一些学者对煤层渗透特性及损伤特性进行了研究，发现岩石破坏的根本原因是内部微观颗粒的变形破坏，而岩石内部微观颗粒变形破坏的根本原因在于能量的积聚与耗散[1-3]，因此能量在岩石变形过程中起着决定性的作用。康向涛等[4]研究了不同围压及不同瓦斯压力下的煤体渗流、能耗特征，得出煤体渗透特性的变化与耗散能所占比例相关；蒋长宝等[5]研究了不同含水率条件下的煤体能耗特征；马振乾等[6]、朱泽奇等[7]研究了不同围压下的煤体能耗特征，一致得出围压越大，耗散能的转化速率越快，损伤越剧烈；王向宇等[8]、孙光中等[9]研究了循环加卸载条件下的煤体损伤及渗透特性，得出渗透率的变化与损伤的演变具有一致性。

关于煤体变形过程中的能耗、损伤及渗流特性的研究已有大量报道，但对于煤体损伤及渗透特性关系的研究较少，研究方法也不尽相同[10-13]，能够定量地描述二者之间的关系的研究尚鲜见报道。基于此，以马兰矿8#煤层煤样为研究对象，进行卸围压试验，并基于耗散能量变化，定义煤体损伤变量，研究渗透率与损伤变量之间的关系，这对于含瓦斯煤的瓦斯抽采利用、煤层瓦斯渗透率的提高及煤与瓦斯突出的预防等具有十分重要的理论价值。

1 试验准备

1.1 煤样制备

试验煤样选自马兰矿8#煤层，将煤样磨碎后，筛选出粒径为60～80目的煤粉，煤粉视密度1.36 g/cm3、体积为196.25 cm3，按照煤粉∶水泥∶水=0.9∶0.1∶0.1的比例进行型煤制备，在30 MPa成型压力下作用2 h，得到φ50 mm×100 mm煤样，所制成圆柱型煤的总质量为270 g。

1.2 试验装置

试验所用设备为WYS-800电液伺服试验机(试验装置主机如图1所示)，可以同时进行轴压与围压加卸载，满足三轴试验的需求。实验所需的轴向力通过万能试验机的压杆进行力传递，从而实现垂直方向的加载，最大轴向力为800 kN；围压的加卸载通过三轴室里的高磨液压油的加卸载实现，最大能实现15 MPa围压。装置能够实现试验数据的自动测量记录，精确程度较高，能够满足试验要求。

图1 实验装置主机图Fig.1 Experimental device host diagram

1.3 试验方案

将加工好的煤样，放在三轴室里，然后通入纯度为99%的瓦斯24 h，直至煤体吸附-解吸平衡，对其分别施加围压3、4、5 MPa，并通1.1 MPa的瓦斯压力，进行轴向加载，加载到36 kN时，开始进行卸围压，直至煤体不能承受轴向力开始破碎时为止。

2 三轴卸围压试验

2.1 卸围压下煤体变形及瓦斯渗流特征分析

图2 不同围压下卸围压煤体偏应力-应变-渗透率曲线Fig.2 Deviatoric stress-strain-permeability curve of unloading confined coal under different confining pressures

图2所示为不同围压卸围压条件下煤体偏应力-应变-渗透率关系，经分析可知：①轴向应力加载到18 MPa后开始卸围压时，煤体的轴向变形和径向变形开始迅速发展，但并不是马上破坏，而是经历了一段时间的应变发展，当围压降低到一定值时，此时煤体承载能力达到极限，开始发生大的变形破坏;②煤体渗透率k变化与煤体变形有关，卸围压阶段煤体的变形可分为3个阶段，即屈服前阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段，在卸围压屈服前阶段，煤体产生少量裂隙，但煤体变形速率较小，因此渗透率缓慢增大；在屈服后阶段，煤体变形速率增大，煤体裂隙变多变大，渗透率持续增加且速度变快；在进入破坏失稳阶段后，煤体裂隙之间贯穿，形成大的裂缝，渗透率增加更快，但均没有超过初始渗透率。

经分析，煤样在三轴加卸载过程中，变形模量与泊松比是动态变化的，因此研究卸围压下变形模量及泊松比变化意义重大。引入式(1)[14]来计算加载过程中的变形模量和泊松比：

(1)

式(1)中：μ为三轴压缩下的泊松比；B为单轴压缩下泊松比；σ1为轴压，MPa；σ3为围压，MPa；ε1为轴向应变，MPa；ε3为横向应变，MPa；E为变形模量，GPa。得到不同围压下卸围压变形模量及泊松比随围压变化曲线(图3)。

图3 不同围压下卸围压变形模量及泊松比随围压变化曲线Fig.3 Deformation modulus and Poisson’s ratio of unloading confining pressure with confining pressure under different confining pressures

由图3(a)可知，在卸围压至煤体破碎过程中，随着围压的不断卸载，变形模量先保持基本平稳，而在临近破碎时变形模量急剧减小，这是因为在接近破碎时，围压较小，轴向变形和径向变形均增长较大，因此变形模量减小；初始围压越大，卸载过程中的变形模量越小，这是由于更高的初始围压对孔隙的压密性更强，反之，较大的围压卸除量会有助于孔隙的发育。

由图3(b)可知，随着围压的不断卸除，径向变形增大，泊松比呈现出先缓慢增大后迅速增大的趋势，在围压的约束作用下，其泊松比大小关系为3 MPa<4 MPa<5 MPa。

2.2 采动卸围压条件下煤体能耗特征分析

在恒定轴压为36 kN，围压分别为3、4、5 MPa下进行卸围压，得到煤体变形破坏过程中能耗特征曲线(图4)。煤体邻近破坏时峰值点的能耗如表1所示。

U为煤体吸收总能量，MPa；Ue为弹性能，MPa；Ud为耗散能，MPa图4 不同卸围压初始值下煤体能耗特征曲线Fig.4 Coal body energy consumption characteristic curve under different initial values of unloading confining pressure

分析图4和表1得出：①卸载初始围压越大，煤体破坏时就需要更多的能量；②在三轴卸围压条件下，煤体能量变化可分为3个阶段：弹性阶段卸围压前，煤体在这个阶段吸收的总能量主要转化为弹性能储存在煤体内部；恒轴压卸围压阶段，煤体持续吸收能量，而弹性能基本不变，耗散能增加速率变快，煤体内部开始产生裂隙；峰值破坏阶段，煤体吸收总能量继续增加，弹性能减少，耗散能增加更快，裂隙贯通形成裂纹，煤体破坏。

表1 峰值点煤体能耗Table 1 Peak point coal energy consumption

结合热力学可知，耗散能的变化可引起煤体损伤的变化，因此可利用损伤变量对煤体能耗特征进行分析，基于耗散能量变化[15]定义煤体损伤变量D为

(2)

式(2)中：∑Ud为每一阶段的累计耗散能，MPa；U总为煤体破坏时的耗散能，MPa。

得到煤体损伤变量与渗透率演化关系如图5所示。将卸围压前，煤体损伤缓慢增加期间，作为第Ⅰ阶段；将卸围压时，煤体损伤快速增加期间，作为第Ⅱ阶段；将煤体破坏后，损伤继续增大，直至完全破坏期间，作为第Ⅲ阶段。

图5 不同卸围压值煤体损伤变量与渗透率演化关系Fig.5 Evolution relationship between damage variable and permeability ofcoal with different unloading pressure

分析图5可知：在围压为3、4、5 MPa卸围压时，破坏前后煤体渗透率变化值分别为0.018 2、0.021 6、0.028 3 mD，高围压下卸围压使得煤体破坏更剧烈，内部裂隙越发育，渗透率变化量越大。

以卸围压前后为分界点，将煤体渗透率与损伤变量进行曲线拟合，得到曲线及拟合函数如图6、图7所示。

图6 卸围压前渗透率与损伤变量拟合曲线Fig.6 Fitting curve of permeability and damage variable before unloading confining pressure

图7 卸围压后渗透率与损伤变量拟合曲线Fig.7 Fitting curve of permeability and damage variable after unloading confining pressure

分析图6可知，采动卸围压条件下，卸围压前煤体渗透率k与损伤变量D关系符合对数函数形式，拟合度较高。分析图7可知，采动卸围压条件下，卸围压后煤体渗透率k与损伤变量D关系符合指数函数形式，拟合程度同样较高，且可得出：在卸围压前，煤体渗透率随损伤呈对数函数下降，下降速率逐渐减缓，且损伤变量较小，渗透率在一直降低；开始卸围压后，煤体渗透率随损伤呈指数函数增加，增加速率越来越快，且损失变量开始快速增大，渗透率先缓慢增大后迅速增大。

综上所述，围压对煤体的变形和渗透率有重要影响，煤体变形损伤演化过程又与渗透率关系紧密，并通过对渗透率与损伤变量进行拟合后发现，煤体破坏的损伤变量临界值为0.7左右，且当损伤变量达到0.7之后，渗透率也产生更大的增长，因此在采动卸围压影响下，损伤变量达到0.7是煤体破坏的一个关键点。