煤岩吸附—渗流—力学耦合测试系统教学实践

刘清泉 卢彦飞 王亮 刘嫄嫄 黄文怡

摘  要 搭建煤岩“吸附—渗流—力学”耦合测试系统，可供学生进行煤的基础力学特性探究实验，为矿井瓦斯防治课程实验教学提供设备支持。通过“演示讲解—煤样制备—实验设计—数据采集分析”全流程引导学生主动钻研，从理论和实验两方面加强学生对于煤岩力学特性的理解。将科学研究与实验教学相结合，激发学生科研兴趣，培养学生的科研思维，助力安全科学与工程“一流学科”建设。

关键词 一流学科;煤体力学;力学实验;“吸附—渗流—力学”耦合测试系统

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）10-0018-04

Teaching Practice of Coupling Instrument to Measure Adsorp-tion-Stress-Permeability Parameters of Coal and Rock//LIU Qing-quan， LU Yanfei， WANG Liang， LIU Yuanyuan， HUANG WenyiAbstract The coupling instrument to measure “adsorption-stress-per-meability” of coal and rock is built， which provides equipment supportfor the experiment teaching and exploration of coal mechanical pro-perties. Based on the process of “demonstration， coal sample prepa-ration， test design and data collection and analysis”， the students are guided so that they can change passive learning into active research thinking， enhancing students understanding of the mechanical pro-perties of coal and rock. By combining scientific research with expe-rimental teaching， the students generate a lot of interest in scientific research， and their scientific thinking improves. The teaching prac-tice will contribute to the development of “first-class disciplines” in safety science and engineering.

Key words first-class disciplines; coal mechanics; mechanical test; coupling instrument to measure adsorption-stress-permeability

0  前言

中國矿业大学安全工程实验教学中心经过近几十年的发展，通过深度融合国家重点实验室、国家工程研究中心和教育部重点实验室等实验资源，在实验教学方面获得长足的发展和进步[1]。通过将领域内的科研新进展融入实验教学，鼓励学生在教师的引导下自主设计实验并开展实验分析，培养学生的科研兴趣和自主解决问题的能力，助力安全科学与工程“一流学科”建设[2]。

煤层是经过漫长的地质年代所形成的一种稳定沉积岩体，强度一般远小于岩石。在现场煤矿生产过程中，各种采掘活动会引发煤岩体受力状态发生改变，同时伴随煤体的损伤破坏[3]。当煤岩体承受的应力达到其发生破坏的临界条件时，将会发生破坏损伤，其力学承载能力大幅下降，应力扰动范围将进一步发展，渗透率也随之改变。对煤体的力学特性和损伤破坏机制进行研究，对理论研究和现场采掘工作都具有重要意义[4]。

在实验室开展力学实验，是获得煤岩体力学特征的重要手段[5]。通过亲自动手实验，学生能够对煤体的承载能力与变形特性有更加直观的认识，有助于学生深入理解保护层开采、水力冲孔等现场煤层卸压增透技术的理论依据，引导学生将课堂所学理论应用于实践，激发学生对安全工程专业的学习兴趣。

煤岩“吸附—渗流—力学”耦合测试系统是中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心的重要基础实验设备，该实验装置可以实现煤岩体力学、渗透特性研究，即煤岩体的单轴、三轴力学压缩破坏实验，恒温条件煤体多种气体吸附渗透率测定，以及实验过程中煤岩体力学损伤过程中的声发射信号监测。该实验装置实现了煤岩体力学、渗透性的测试，能够让学生直观地观察和理解煤样破坏裂隙发育的全过程。

1  煤岩“吸附—渗流—力学”耦合测试系统研制

如图1所示，煤岩“吸附—渗流—力学”耦合测试系统按功能可分为四个模块，分别为力学加卸载模块、渗透性测试模块、温度控制模块和声发射监测模块，不同模块的配合使用可以开展不同类型的实验。

1.1  力学加载模块

力学加载模块通过伺服控制系统实现轴压和围压的加卸载，组成部件主要包括单轴加压框架、三轴压力室、伺服系统、轴压柱塞泵、围压柱塞泵及加载控制系统。其中最大设计轴向载荷为600 kN，最大设计围压为50 MPa，二者的控制精度≤±1%。

利用本系统可以开展煤岩的假三轴力学实验，实验过程中煤的变形参数通过轴向和径向应变计记录，二者的最大量程分别为8 mm和4 mm。二者的工作温度范围-55～200 ℃，

工作环境压力最高可达20 kPa，线性误差小于0.25%。实验表明，两种传感器均可实现高温高压下的煤体变形监测。

加载模块是开展力学实验的核心模块，通过改变围压可以模拟不同的地应力状态及不同的应力路径，进而获得不同条件下煤的强度与变形特性。

1.2  声发射监测模块

煤岩破坏过程中由于破裂将产生弹性波信号，利用声发射探头监测该信号实现对煤岩样品内部应力状态和力学特性的测试，主要用于耦合力学加卸载模块，从而实时采集煤岩在应力作用下裂隙发育所产生的声发射信号。利用收集到的信号可以研究煤体内部的损伤破裂情况，并且结合力学加载模块测得的变形数据探究煤体宏观破坏特征。该模块具有24通道高速数据采集通道，采集内容包括声发射的能量、波形、幅值、计数等相关参数，其对信号的接收频率最高可以达到0.1微秒。在实验过程中，为了实现对煤体的全方位监测，采用六个探头均匀布置在煤体上下端，并使用弹簧进行固定，保证探头与煤壁贴合紧密。完整的力学实验中传感器及声发射探头安装示意如图2所示，径向变形和轴向变形传感器用于采集煤体变形数据，声发射探头采集煤体损坏过程中发出的声波信号。

1.3  渗透性测试模块

渗透性测试模块实验装置基于瞬态压力脉冲法设计，通过向煤样的一端施加压力脉冲，测量煤样两端的压力差随时间的变化来计算渗透率。渗透性测试模块包括美国Tele-

dyne ISCO公司生产的高精度计量泵（型号500D）、水浴系统，以及由真空泵、储气罐、气源及耐压管路组成的气路系统。计量泵提供气体压力最大为40 MPa，可对实验气体进行压力控制和流量控制。耐压管路最大可承受压力为100 MPa，可进行CH4、CO2、N2和He等气体的渗流实验。

1.4  温度控制模块

温度控制模块主要用于保持实验过程中三轴压力室及气体管路系统的温度恒定，该模块主要由電阻加热带和恒温水浴系统组成。电阻加热带包裹力学加载模块的三轴压力室，恒温水浴用于浸没实验系统的气体管路系统，保证开展力学或渗透实验时不受温度波动的影响。通过恒温系统控制实验温度，温度控制精度≤±0.2 ℃。

2  煤岩体力学损伤特性实验教学方案

煤岩“吸附—渗流—力学”耦合测试系统可以完成煤样基础力学参数测试、变形与破坏特征测试、裂隙演化监测及煤样渗透性测试等多种实验教学内容。限于篇幅，本文以煤体基础力学特性实验及破坏过程中声发射监测为例，设计完整的煤体变形、强度及裂隙演化探索实验。

2.1  实验材料

实验煤样为圆柱体标准试件，直径50 mm，高度100 mm。

煤样加工精度需满足国标（GB/T 23561.8—2009）要求，即样品两端面不平行度误差不大于0.005 mm，端面不平整度误差不大于0.02 mm;沿煤样高度上直径误差不大于0.3 mm;

端面垂直于试件轴线，最大偏差不大于0.25°。制备完成的煤样如图3所示。

实验设计为煤的常规单轴和三轴压缩实验，获取实验煤体的应力—应变特征，不同应力条件下的煤体抗压强度和变形特征参数，并采用声发射模块监测煤体损伤过程中实时微观裂纹扩展特性。实验方案设计见表1。

2.3  实验步骤

1）在煤样两端对齐实验用压头，用热缩管把煤样密封严实，防止实验过程中煤体碎裂后进入三轴压力室，污染液压油。

2）按顺序依次安装、连接轴向、径向应变计和声发射探头，安装完成后需将传感器调零。缓慢放下三轴压力室腔体（单轴实验忽略此步骤），到达指定位置后将三轴压力室进行密封。

3）施加围压，需将三轴压力室上下游管路同时打开，利用充油泵向压力室泵入液压油，排空空气，待压力室充满液压油后，首先关闭上游阀门，进而关闭下游阀门，防治空气进入压力室。之后，利用围压泵及伺服系统将围压平稳地增至实验所设定的数值。

4）通过电子继电器控制主油缸升起，使煤样上端与压头完全接触，利用轴压泵及伺服系统以200～500 N/s的速度（基于实验样品的强度特性确定）施加轴向载荷，直至煤样被破坏。

5）当施加的应力达到煤样的峰值强度后，煤样产生失稳破坏。

6）加载实验停止后卸除围压与轴压，排出压力室中的液压油，将煤样取出，剪开煤样周围热缩管，观察煤体破碎情况。

3  实验结果分析

3.1  应力—应变与力学强度特征

实验过程中煤体在轴向压缩的作用下发生变形，直至整体发生破坏。在此过程中采集主应力σ1、煤体轴向应变ε1和径向应变ε3，进行统计分析，绘制煤体在不同围压条件下的全应力—应变特征曲线，如图4所示。

由图4可知，煤体在轴向压缩过程中变形特性符合典型的弹塑性变形。随着轴向应力的增加，煤体变形初期近似为直线的弹性变形，在峰前即将破坏时出现峰前硬化的特征，在峰后发生塑性破坏，表现出应变软化的现象[6]。煤体峰前变形在单轴和三轴压缩条件下表现相似，而在峰后阶段，单轴条件下煤体迅速破坏，出现应变软化特征，应力下降进入残余强度阶段[7-8]。对于三轴压缩实验，围压的存在使得峰后应变软化程度减弱，煤体承载强度显著提高。

3.2  变形特征参数

煤体的变形参数是描述煤体变形特性的重要指标，可以通过对应力—应变曲线进行计算获得，主要包括弹性模量E和泊松比μ。弹性模量表示弹性阶段应力与应变的关系，泊松比是试样受压后径向应变与轴向应变之间的关系[9]。单轴实验时的弹性模量和泊松比的计算公式为：

E=σ1/ε1                 （1）

μ=-ε3/ε1                 （2）

式中，σ1为轴向应力，ε1为轴向应变。

三轴实验时的弹性模量和泊松比的计算公式为：

式中，B=ε3/ε1。

依据以上公式，经过计算可得该煤样在单轴和三轴压缩下的弹性模量和泊松比，结果如表2所示。由计算结果可知，单轴压缩条件下的煤体弹性模量显著低于三轴压缩条件下的弹性模量，表明围压的存在能显著增强煤体抵抗应力变形的能力，减弱煤体在轴压加载条件下发生的破坏。

3.3  煤体损伤声发射特征

声发射监测主要通过采集实验过程中煤体破坏的声发射技术和能量进行统计分析，分别用AE计数和AE能量表示，两个指标与煤体损伤成正相關关系。通过对两个指标的分析，能够了解煤体中的裂隙发育及损伤破坏情况[10]。实验结果如图5所示，图中AE能量表示三轴压缩条件下煤样中裂隙发育的强度特征，AE累计计数、能量为三轴压缩煤样过程中监测得到的声发射总计数和总能量。由图可见，AE计数和AE能量随着煤体承受的主应力增加而增加，在煤体进入塑性破坏阶段后开始显著增加，煤样峰值破坏时达到最大值，峰后有所减弱。大量研究表明，煤体在塑性损伤破坏过程中伴随裂隙的发育[11-12]，与声发射监测的结果相符：在最大主应力达到破坏峰值后，AE累计量急剧增加，表明内部裂隙数量大幅增加，煤体破坏加剧。

4  实验教学效果

4.1  理论结合实践，深入学习煤体力学性质

通过煤岩“吸附—渗流—力学”耦合测试系统开展煤岩体力学损伤特性实验，能够使学生从煤岩体宏观破坏和微观裂隙发育两个角度直观了解煤岩体损伤破坏过程，更深入地理解本专业力学知识，引导学生了解煤矿安全领域对力学知识的应用，实现课本与实践的结合。

4.2  规范实验操作，提升科研能力

常规煤岩体力学实验在工程领域发展较为成熟，国家推出大量相关标准指导实验的进行和计算。通过实践操作，引导学生学习相关标准，进行规范操作，培养学生安全精确地开展实验。实验过程中采集大量数据，学生在数据处理分析过程中会完整地学习到MATLAB等处理软件和方法。结合实验后对破坏煤样的直观观察，进一步培养学生分析实验的科学素养，激发科研兴趣，提升科研能力。

5  结论

煤岩“吸附—渗流—力学”耦合测试系统为安全工程专业学生提供了系统探究煤岩体力学性能、渗透性能的重要实验平台。通过不同模块的耦合，完成常规力学加载破坏、煤体变形破坏特征监测和煤体渗透性测试等多个实验教学。通过对该实验装置的实验学习，学生能够直观了解煤岩体损伤破坏过程，理解矿井瓦斯防治卸压瓦斯抽采的理论依据，培养动手能力，激发科研兴趣，提升科研能力。■

参考文献

[1]王亮，王喆，程远平，等.煤与瓦斯突出模拟实验系统研究与教学实践[J].实验技术与管理，2020（2）：82-85，94.

[2]吕念玲，王文锦，殷瑞祥.对当前高校实验教学的观察与思考[J].实验技术与管理，2014（6）：179-182.

[3]张荣.复合煤层水力冲孔卸压增透机制及高效瓦斯抽采方法研究[D].江苏：中国矿业大学，2019.

[4]申卫兵，张保平.不同煤阶煤岩力学参数测试[J].岩石力学与工程学报，2000（S1）：860-862.

[5]赵奎.矿山岩石力学若干测试技术及其分析方法[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[6]徐松林，吴文，王广印，等.大理岩等围压三轴压缩全过程研究Ⅰ：三轴压缩全过程和峰前、峰后卸围压全过程实验[J].岩石力学与工程学报，2001（6）：763-767.

[7]Shan Z， Felix B， Petr N， et al. The effect of par-ticle size on the strength parameters of German brown coal and its chars[J].Fuel，2014（125）：200-205.

[8]D. W H. The Strength and Stress-Strain Characte-ristics of Oakdale Coal under Triaxial Compression[J].Geological Magazine，1960（5）：422-435.

[9]周纪军，单仁亮，王辉，等.细砂岩峰后力学特性和材料强度研究[J].煤炭工程，2011（4）：96-98.

[10]吴文杰.岩石常规三轴峰后加卸载变形破坏声发射规律研究[D].重庆：重庆大学，2015.

[11]杨永杰，王德超，郭明福，等.基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究[J].岩石力学与工程学报，2014（1）：98-104.

[12]陈景涛.岩石变形特征和声发射特征的三轴试验研究[J].武汉理工大学学报，2008（2）：94-96，118.