不同含水率孔周煤岩体蠕变试验及蠕变模型研究

2022-02-10赵建会许鸿忆

煤矿安全 2022年12期

赵建会，许鸿忆

（西安科技大学能源学院，陕西西安 710054）

大量现场试验研究证明，煤岩体具有的蠕变特性是诱发瓦斯抽采孔密封段失稳破坏的重要因素[1-2]。瓦斯抽采孔的破坏将直接导致钻孔周围煤体产生大量裂隙网络，使抽采孔漏气通道增加，从而降低瓦斯抽采效率[3]。为解决上述工程问题，许多学者对孔周煤岩体蠕变损伤演化规律进行大量研究[4-5]。

郝富昌等[6]建立了钻孔孔周煤岩体黏弹塑性软化模型，并结合数值计算方法，探究孔周煤岩体位移随时间的变化关系；白亚鹏等[7]开展试验探究瓦斯赋存状态和采动应力对抽采钻孔蠕变特性的影响，并建立对应蠕变模型；杨满成等[8]综合运用理论分析和数值模拟方法，基于经典圣维南原理，建立孔周煤岩体蠕变力学模型，分析蠕变前后瓦斯抽采钻孔稳定性；王路军等[9]通过实验室试验对三维蠕变模型参数的时间变化规律进行探究；张建国等[10]利用Kelvin 蠕变模型，开展瓦斯抽采钻孔蠕变变形破坏数值计算实验，分析不同蠕变时间下钻孔孔周应力分布特征。

许多学者关注到含水率会对煤岩体蠕变损伤特性产生影响[11]。李鹏等[12]开展不同含水条件下含孔试样蠕变加载试验，并基于Burgers 模型，阐明水对试样蠕变特性的影响；王俊光等[13]进行了不同含水条件下试样三轴蠕变加载试验，构建三轴条件含水试样损伤蠕变模型，探究水对试样蠕变损伤的影响；王萍等[14]、刘秀敏等[15]开展不同含水率试样蠕变加载试验，探究试样蠕变弹性模量、黏滞系数、蠕变速率与含水率的关系；于超云等[16]在已有模型的基础上，引入含水时效蠕变的概念，建立含水时效蠕变损伤模型并验证其合理性；许腾等[17]、杨秀荣等[18]定义含水损伤的概念，考虑时间、含水损伤2 个因素建立本构模型，并开展相关数值模拟研究。

已有研究基本确定了含孔煤岩体或含水煤岩体蠕变损伤特性，但对不同含水状态下含孔煤岩体蠕变损伤演化规律鲜有研究，尤其是以瓦斯抽采钻孔为背景，探究不同含水状态下钻孔孔周煤岩体蠕变损伤特性这一问题更为少见。为此，在前人研究基础上，开展不同含水率含孔试样分级加载蠕变试验，对加载过程中试样的蠕变曲线进行分析，构建不同含孔含水试样的蠕变损伤本构模型，从试验与理论角度对比验证模型合理性。

1 不同含水率孔周煤岩体蠕变试验

1.1 含水含孔试样制备

将煤粉和水泥以质量比为10∶7 混合浇筑于70 mm×70 mm×140 mm 方形试样盒中，并在盒中中心放置ϕ=10 mm 的预制钻孔装置；试样凝固成型后，脱模常温养护30 d，并修补打磨试样表面，放入恒温恒湿箱进行干燥处理；最后将试样分为4 组，其中1 组为干燥组，其余3 组分别浸泡在密闭水容器中，并根据浸泡时间分为10%含水率组、20%含水率组和30%含水率组；每组包含6 个试样，并按照“试样类型及编号-含水率-加载方式”进行命名（如SH1－0%－U 代表0%含水率1＃含孔试样单轴加载试验，其主要目的为测试含孔试样基本物理力学参数；SH2－30%－C 代表30%含水率的2＃含孔试样蠕变加载试验）。

1.2 单轴加载试验

采用DNS200 电子万能试验机和VIC-3D 观测系统开展单轴加载试验，并获取试样破坏过程中表面位移。加载试验开始前在试样VIC 观测面均匀喷涂位移计算散斑点，作为参考点位坐标进行表面应变计算[19]。试验系统布置如图1。

图1 试验系统布置图Fig.1 Layout of the test system

根据单轴压缩试验结果得出的本研究所制含孔试样基本情况见表1。

表1 试样基本情况Table 1 Basic situation of the samples

1.3 分级加载蠕变试验

采用YYL200 电子持久蠕变试验机，开展不同含水率孔周煤岩体分级加载蠕变试验。

根据单轴加载试验结果，即取各组试样平均应力峰值的50%～90%作为蠕变试验加载的5 级应力水平，设置各级加载时长为10 min，恒定加载时长为2 h。分级加载具体方案见表2。

表2 分级加载各级加载参数Table 2 Loading parameters at all levels

2 分级加载蠕变试验结果分析

2.1 分级加载下不同含水率孔周煤岩体蠕变曲线

根据分级加载蠕变试验结果，考虑试样制备过程中存在的离散性，选取每组中最典型试样，绘制的不同含水率孔周煤岩体轴向应变曲线如图2。

图2 不同含水率孔周煤岩体蠕变曲线Fig.2 Creep curves of coal and rock masses around holes with different water contents

分析图2 可得，试样在低应力水平时仅出现减速蠕变和稳定蠕变阶段，在高应力水平时出现加速蠕变阶段，试验结果可以较好地反应不同含水率孔周煤岩体蠕变特性。

同时对比分析不同含水率含孔试样轴向应变可得，试样蠕变曲线整体呈阶梯状上升变化，在同一水平下，随着含孔试样含水率的增大，试样轴向应变量逐渐增大。达到第5 级应力水平后，干燥试样轴向应变为0.149 时进入加速蠕变阶段，到达加速蠕变阶段的时间也较高于其他组试样。SH2-10%-C试样进入加速蠕变阶段时轴向应变为0.165，SH2-20%-C 试样进入加速蠕变阶段时轴向应变为0.174，SH3-30%-C 试样进入加速蠕变阶段时轴向应变为0.18。

2.2 不同含水率孔周煤岩体蠕变曲线

不同含水率孔周煤岩体轴向应变曲线如图3。

分析图3 可得：在第1～第4 应力水平下，不同含水率孔周煤岩体进入稳定蠕变阶段的时间均在1 h 左右，且蠕变曲线的轴向应变随含水率的增加而增加，其中SH1-30%-C 的应变量是SH3-0%-C 的1.1～2 倍。然而在第5 应力水平下，所有试样轴向应变曲线骤然上升，并且到达加速蠕变时间均不一致，可以看出试样破坏的时间随含水率的增加而降低。

根据分级加载蠕变试验结果，可得含水率对孔周煤岩体试样有物理侵蚀和软化的作用，能浸润煤岩体表面颗粒，降低颗粒间的黏聚力，进而弱化煤岩体的物理力学性质，使得孔周煤岩体抵抗变形的能力变弱，更容易发生变形。

3 不同含水率孔周煤岩体蠕变模型

3.1 不同含水率孔周煤岩体蠕变本构方程

通过对比各组试样蠕变变形特征，组合分析各类蠕变模型[20]，发现改进西原模型能较好反映孔周煤岩体蠕变变形过程中弹性应变阶段、减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段及加速蠕变阶段的力学特性，改进西原模型如图4。

图4 改进西原模型Fig.4 Modified Nishihara model

图4 中：E1、E2为煤岩体弹性模量；η2～η4为试样黏滞系数；σ 为应力；σs、σf为煤岩体恒载强度和破坏强度，且σs＜σf；n 为煤岩体蠕变系数；Ⅰ用来描述试样蠕变加载时变形过程；Ⅱ用来描述试样进入减速蠕变阶段的过程；Ⅲ用来描述试样进入稳定蠕变阶段的过程；Ⅳ用来描述试样进入加速蠕变阶段的过程。

当σ＜σs时，煤岩体仅能表现出瞬时变形和减速蠕变阶段，用Ⅰ和Ⅱ在模型中表示该过程；σs＜σ＜σf时，蠕变变形过程包含蠕变加载变形阶段Ⅰ、减速蠕变阶段Ⅱ、稳定蠕变阶段Ⅲ3 个阶段；σf≤σ 时，蠕变过程包含完整的4 个部分。因此，改进西原模型一维蠕变方程为：

式中：ε 为应变；η2、η3、η4为孔周煤岩体与加载时间相关的黏滞性系数；E1、E2为孔周煤岩体与含水率和时间相关的弹性模量。

孔周煤岩体的含水率、蠕变加载时间及其应力状态，很大程度上会影响孔周煤岩体蠕变损伤性质，因此根据弹性模量损伤理论，引入含水煤岩体损伤变量Dw及时效损伤变量Dt，如式（5）：

式中：Ew为不同含水率孔周煤岩体损伤变量的弹性模量；Et为不同含水率孔周煤岩体加载任意时刻的弹性模量；E0为孔周煤岩体无损状态的弹性模量（假设试样含水率为0 时为无损状态）。

联立式（1）、式（2），可得不同含水率孔周煤岩体蠕变模型为：

3.2 不同含水率孔周煤岩体蠕变模型参数演化规律

根据所建立的不同含水率孔周煤岩体蠕变本构模型，对比实验室分级加载蠕变结果，探究由含水率不同时产生的蠕变模型参数变化特征。在分析讨论蠕变模型之前，根据分级加载蠕变试验结果，定义σs为孔周煤岩体在恒定应力作用下，由减速蠕变阶段过渡到稳定蠕变阶段的应力值，在文中为第3级应力水平应力值；σf为孔周煤岩体在恒定应力作用下，由稳定蠕变阶段过渡到加速蠕变阶段的应力值，在文中为第4 级应力水平应力值。

结合图2、图3 的试验结果及蠕变模型公式（3），计算得到的不同含水率孔周煤岩体蠕变模型参数值见表3；进而绘制含水率与模型参数关系特征曲线，拟合并分析各参数变化规律。蠕变模型参数与含水率的关系曲线如图5。