干湿循环荷载下煤岩力学性质及破坏形态研究*

邹天民，杜晓丽，张琬昕

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

我国煤矿资源丰富、分布广泛，但煤层普遍具有地质结构复杂、埋深较大的特征。随着开采深度的增加，井下温度逐渐升高，导致井下热环境不断恶化。煤层注水不仅能有效降低煤层温度，还具有降煤尘、防瓦斯、防冲击地压的作用[1]。然而，煤层注水对煤岩体具有溶蚀和软化作用[2]，易造成煤体内部孔隙扩张、煤岩体强度降低及变形增大[3]。已有不少学者开展了煤岩体的水理性研究。闫立宏[4]研究得出：随着含水率的增大，煤岩的单轴抗压强度急剧降低。周翠英等[5]研究发现软岩与水作用后，抗压强度随饱水时间的增加而降低。熊德国等[6]认为煤岩体变形和强度特征易受含水率影响，抗压强度随含水率的增大而降低。杨鑫[7]研究指出：红砂岩在不同含水率下的强度呈分段线性变化，且含水率越大，强度越低。上述研究多考虑注水速度、注水量和注水时间的影响，很少考虑多次间歇性注水对煤岩力学性质的影响。因此，开展干湿循环荷载作用下煤岩力学性质及破坏形态研究具有重要的现实意义。

1 试验材料与方法

本试验煤样取自徐州某煤矿，在机器取样后进行加工处理。按照岩石力学试验性能测试规范要求，利用岩石切割机将试验所用煤样加工成为直径50 mm、高度100 mm的标准圆柱体岩样。本次试验共制作18个试样，选出15个试样平均分为5组，分别进行单轴压缩试验和干湿循环试验。单轴压缩仪器采用WAW-1000微机控制式压力机，加载位移速率为1 mm/s。首先将试样分别标号，称质量并记录；再将试件竖直放置在容器中，缓慢加入自来水，使试样完全被浸泡，24 h后取出，然后用纸巾擦去表面水分，称质量并记录。将试样放置在105 ℃的烘干箱中烘干24 h后取出，冷却至室温，称质量并记录，至此完成1次干湿循环。本次干湿循环试验对试样进行0、1、3、5、7共5个干湿循环等级试验。对完成干湿循环的试样进行单轴抗压强度测定，结果见表1。由表1可知：1、3、5、7次干湿循环后试样的抗压强度相较天然状态下的分别下降了19.8%、24.8%、31.6%、35.6%，弹性模量也分别下降了6.9%、14.7%、24.8%、25.3%；峰值应变随着干湿循环次数的增加呈减小趋势。

表1 试样尺寸及力学参数

2 结果与分析

2.1 煤岩试样单轴压缩应力-应变特征分析

图1为天然状态下煤岩试样的应力-应变曲线。煤岩与大多数岩石的变形特征大致相同，由单轴压缩下的多组煤岩的应力-应变曲线可以看出，煤岩压缩破坏主要分为4个阶段：

图1 天然状态下煤岩试样单轴抗压强度应力-应变曲线及破坏形态

a.原煤压密阶段：受压初始阶段，随着轴压的增大，煤岩裂隙通道被压密闭合，此时具有较大的应变增长，持续过程较短，说明煤岩是一种多孔介质，内部孔隙较多。

b.线弹性阶段：该阶段的应力-应变曲线接近线性变化，原始微孔隙、微裂纹进一步闭合，显示了煤岩材料本身的弹性特征。

c.屈服阶段：由于煤岩微孔隙、微裂纹在弹性阶段基本已被压密，导致随着压力的增大，煤岩颗粒之间产生挤压剪切运动，促使裂纹不断扩展，应变增长速率逐渐变大，产生塑性变形。

d.峰后破坏阶段：在压力作用下，煤岩发生变形，内部裂隙不断扩张，在达到峰值应力后，煤岩破坏。

由图1可以看出：试样破坏形态为单斜面剪切破坏，该类型裂纹主要是在加载过程中，试样的一侧出现破裂崩落，裂纹从上部往下部发展，最终导致试样破坏；试样破坏面平整，无碎屑脱落，在破坏的一瞬间可以听见很明显的炸裂声响，碎块飞溅，表现出了明显的脆性破坏特征。

2.2 干湿循环试验结果分析

图2为不同干湿循环次数下煤岩试样的应力-应变曲线。由图2可以看出，不同干湿循环次数下的煤岩试样应力-应变曲线均经历了压密、弹性、屈服和破坏4个阶段，且随着干湿循环次数的增加，压密阶段区间增大，弹性阶段区间减小，屈服阶段更加明显，峰后应力迅速降低。

(a)1次循环

(b)3次循环

(c)5次循环

(d)7次循环图2 不同干湿循环次数下煤岩试样应力-应变曲线

图3为干湿循环作用下煤岩试样的单轴抗压强度弱化曲线。

图3 干湿循环作用下煤岩试样的单轴抗压强度弱化曲线

从图3可以看出，煤岩试样单轴抗压强度随干湿循环次数的增加而降低，前期峰值强度降低幅度较大，而后期峰值强度降低幅度不断减小，最终峰值强度趋于稳定。

2.3 干湿循环作用下煤岩试样的破坏特性

由于煤岩体结构构造的复杂性，煤岩单轴压缩破坏形式有很多种，包括单斜面剪切破坏、劈裂破坏、多个共轭斜面剪切破坏[8-11]。图4为不同干湿循环次数后煤岩试样的单轴压缩破坏形态。由图4可知：1次干湿循环后煤岩的破坏形式为剪切破坏，破坏面大致与水平呈60°夹角，在主裂缝周围有些许微小细裂纹，与0次干湿循环(见图1)相比裂纹数量明显增加，底座有许多残余碎屑； 5次干湿循环后，试样在轴向应力方向产生1条贯穿主裂缝，裂缝由试样端部产生并快速向底座扩展，底部出现多条斜裂缝； 7次干湿循环后，破坏形态为劈裂破坏，试样出现多条贯穿裂缝，形态趋于复杂，试样发生破坏时的声音小了很多，但施加荷载后仍然有大量碎屑脱落。综上可知，随着干湿循环次数的增加，煤岩试样抗压强度降低，轴向变形增大，主裂纹数量增多，破坏时的声音由巨响逐渐转为低声，受力情况越来越复杂，试样由单斜面剪切破坏发展为劈裂破坏。

图4 干湿循环作用下煤岩试样的单轴破坏形态

3 结论

a.由于水对煤岩的溶蚀和软化作用，其抗压强度、弹性模量、峰值应变均随干湿循环次数的增加而减小：1、3、5、7次干湿循环后试样的抗压强度较天然状态下分别下降了19.8%、24.8%、31.6%、35.6%，弹性模量也分别下降了6.9%、14.7%、24.8%、25.3%。

b.随着干湿循环次数的增加，煤岩斜裂纹的数量增多，破坏时的声音由巨响转为低声，煤岩的破坏形式由单斜面剪切破坏向劈裂破坏演变。