天然与饱水状态下煤样动静力学特性

甄怀宾， 徐博瑞， 袁 朴， 陈高杰

（中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司；中石油煤层气有限责任公司，北京 100095）

0 引 言

煤是一种自身存在大量孔隙和天然裂隙的多相复合介质，煤中水的含量对煤在动静载荷作用下的力学性质有重要影响［1-2］。天然状态和饱水状态下煤样的动静力学特性有很大的区别［3］。煤中水的含量对煤的破坏及破坏过程中的微震或声发射有重要的影响。饱水煤样在冲击作用下的强度和破坏特征研究较少，饱水煤样的力学特性有待进一步研究，其研究结果对预防冲击地压具有重要意义。

技术人员和学者对于天然和饱水状态下煤岩的力学强度和破坏特征进行了研究［4］。蒋长宝等［5］研究了不同含水率煤的孔隙状态，研究结果显示，饱水煤样和干燥煤样有显著的不同，饱水煤样比干燥煤样的孔隙增加。张辉等［6］研究了煤样在饱和状态下的巴西破坏特征，总结了煤在天然和饱水状态下煤的抗拉强度和峰值变化成正相关关系。苏承东等［7］研究了煤的浸水不同冲击倾向性差异，分析对比了饱水时间对煤的冲击倾向性的影响，得到了饱水下煤的强度、冲击能量等指标存在一定程度的降低。赵毅鑫等［8］通过实验研究了煤的动态拉伸过程中能量耗散规律，在冲击动载作用下饱水煤样碎屑大于天然煤样。王文等［9］通过改进的动载装置研究了不同含水状态下动静组合试验，分析了不同含水煤样的能量特征。侯旭伟等［10］研究了不同饱水压力在重复冲击下的煤样的敏感特性，重复载荷次数增加，煤的敏感性减弱，渗透率降低。

国内外研究者未对煤的动静载进行系统对比，煤矿巷道和工作面附近经常发生冲击地压现象。在此过程中，煤的含水状态影响了不同煤层所处应变率的破坏现象。为了缓解煤层冲击地压，注水提高煤层的软化性成为解决冲击倾向性煤层发生冲击的一种解决方法。本文对天然和7 d饱水状态下煤的动静载实验研究，分析了天然和7 d 饱水状态下煤样在单轴和3 轴压缩与一维动载和围压动载作用下的强度特征和损伤形态，研究结果为煤的力学特性和煤矿冲击地压防治提供理论和工程指导。

1 试验准备

1.1 试件准备

在某矿冲击倾向性煤层中采集煤样，为了减少试验中数据的散射，试件从同一工作面采集与切割，试件大小为φ50 mm ×50 mm 圆柱体，不平行度小于0.05 mm，表面均匀度小于0.02 mm，符合国际岩石力学协会建议规范，如图1 所示。

图1 φ50 mm×50 mm煤体试件

煤是一种复杂的非均质岩石，具有孔隙裂隙和多节理结构，在宏观和微观尺度上都不同于石灰岩、花岗岩和砂岩。在试验过程中，所选样本分为两组：天然状态和7 d饱水状态。为了便于比较，动静载试验中使用的试样尺寸相同。

1.2 试验装置

静态试验采用液压伺服试验机实验系统进行，如图2（a）所示。动载试验利用实验室75 mm-SHPB 实验系统进行试验［11-12］，压杆系统由入射杆、透射杆组成，主要测量入射波、反射波和透射波，入射杆、透射杆均采用相同的高强度合金钢，如图2（b）所示。轴向预压范围为0 ～200 MPa，围压范围为0 ～20 MPa，动冲击载荷范围为0 ～500 MPa。该系统采用半正弦波加载，以减小波形频散，并利用异形子弹实现恒定的变形率。

图2 动静载实验系统

2 试验方案

2.1 饱水煤样制备

从制备的试件中选择裂隙较少的煤样，在天然环境中静置7 d 后，称其质量，并记录，编号。将煤样放置在容器中，向容器中注入水，将煤样放置在水中每隔24 h称量，直至质量之差小于10 mg，7 d后，观察饱水煤样的质量是否发生变化。煤样质量不发生变化后，将煤样取出进行后续实验。

2.2 试验过程

在静态压缩试验中，分别用5 mm 位移传感器和1 MN压缩传感器测量轴向变形和载荷。在单轴无围压试验过程中，采用位移控制0.02 cm/s 加载方式进行轴向加载。煤在未开采前的状态处于三向围压状态，对煤进行三轴围压加载试验中，围压分别为3、6 和9 MPa对天然状态下和7 d 饱水状态下的煤样进行试验。

在SHPB试验中，无围压SHPB 试验直接进行冲击，冲击采用0.3 MPa压力进行；围压SHPB试验施加5 MPa的围压和8 MPa的轴压，对天然状态下和7 d饱水试件进行试验。公式计算如下［13-14］：

式中：ε·为应变率；ε为轴向应变；σ为轴向应力，MPa；ε1（t）、ε2（t）、ε3（t）分别为SHPB 的实测入射、反射和透射应变；A0为钢筋的横截面积，m2；E0为杆的弹性模量，GPa；C0为应力波速度，m/s；L1为试件的长度，m；A1为初始横截面积，m2。

3 试验结果与分析

3.1 单轴试验结果与分析

如图3 所示为伺服液压试验条件下天然状态和7 d饱水状态下煤的应力-应变曲线。煤体试件在天然状态下的单轴抗压强度为15.87 ～20.89 MPa，平均为18.66 MPa。7 d 饱水煤样的单轴强度为14.48 ～18.18 MPa，平均为15.88 MPa。7 d 饱水煤样与天然状态之间的单轴抗压强度软化系数最大值为0.69。煤的强度表现出一定的分散性，随着饱和时间的增加，强度呈下降趋势。由于煤是沉积岩，具有天然裂缝，这些裂缝比其他岩石更发育，因此，煤的最大软化系数高于岩石最大软化系数。

图3 静态荷载作用下应力-应变曲线

煤在单轴抗压强度的应力-应变曲线可分为4 个阶段：①压实阶段：煤自身存在的微裂纹和初始裂隙被压实，应力-应变曲线呈向上凹形；②弹性阶段：该阶段的特征是微裂纹继续致密闭合，应力-应变曲线呈线性增加；③扩展破坏阶段：萌生主裂纹，诱发二次裂纹，应力-应变曲线呈涨落、下降并达到峰值；④峰值破坏阶段：试样在此阶段出现滑移破坏。

3.2 动载试验结果与分析

对天然状态和7 d 饱水状态试件进行了一维SHPB加载试验。图4 为动态作用下不同状态煤的应力-应变曲线，天然状态煤样的动态强度为24.79 ～33.42 MPa，平均为29.98 MPa，7 d饱水煤样的动态抗压强度为19.88 ～22.68 MPa，平均为21.02 MPa。其动态强度软化系数最大为0.59，同一饱和状态下的试样强度也表现出一定的散射性，说明煤样具有非均质性特征。煤在静态试验过程和动载试验过程中，饱水状态与煤的强度成反比。天然状态和饱水状态下的煤样在静态和动载试验下的应力-应变曲线虽然具有相同的趋势，但在弹性阶段仍存在一定的差异。动载冲击下煤的抗压强度比静载下煤的强度均有提高，一般提高了10% ～20%。

3.3 三轴静载试验结果与分析

图4 动载作用下煤样的应力-应变曲线

如图5 所示为三轴作用下天然状态和饱水状态煤样的加载结果［15-16］。三轴加载下天然煤样的强度范围为42.35 ～46.63 MPa，平均44.35 MPa，变化幅度为5.1%。7 d 饱水煤样的强度范围为36.90 ～41.34 MPa，平均39.46 MPa，变化为12%。与天然状态下煤样相比，7 d 饱水煤样的软化系数为0.89。由于煤中含有多空隙和多裂隙，在三轴静载条件下，饱和条件对煤的强度和变形行为有不同程度的影响，水对裂隙煤试样有明显的软化作用。

图5 三轴作用下应力-应变曲线

3.4 围压下动载试验结果

在动载和围压相同的三维加载体系下，按照煤矿地应力测试结果，根据计算，本文采用围压为5 MPa，轴压8 MPa 时进行试验，天然状态煤样和7 d 饱水煤样的动载强度如图6 所示。天然状态煤样的动强度变化范围为33.23 ～56.34 MPa。7 d饱水状态下煤样的动强度为32.21 ～40.0 MPa。在三维应力条件下，轴向压力对7 d饱水状态下煤样动强度的影响与天然状态下煤样相似。7 d 饱水状态下煤样的动强度比天然状态下动强度高7.85% ～18.44%，表明7 d饱水状态下煤样的动强度比天然状态下试样在围压动载试验中有所提高。

图6 动载载荷下围压为5 MPa应力-应变曲线

煤作为多孔介质，其致密度通常低于普通砂岩和石灰岩，煤层中存在大量不规则裂隙和孔隙。煤样在轴向压缩和围压作用下，在三维压缩应力作用下仍处于弹性状态，随着裂隙和孔隙的逐渐压缩，其体积变小。当试件保持在弹性范围内时，试件动载强度也随之增大。轴压和围压对试件动载强度的影响主要表现在弹性范围内。

4 破坏模式

如图7 所示为天然状态下和7 d 饱水状态下的破坏模式进行分析比较。在天然状态下，煤样有显著的压缩过程，煤样试件的破坏不是从力的方向进行破坏，而是整个煤体试件整体破坏，说明了天然状态下应力均匀，天然状态下煤体试件从开始破坏到完全破坏的时间较长，破坏的颗粒较大，如图7（a）所示。

饱水状态下煤样的破坏出现显著的裂纹，裂纹较小，随着时间的推移煤样的裂纹逐渐扩大，贯穿整个煤样试件，煤体试件开始出现整体裂纹，随着时间的推移，试件完全破坏，煤体试件整体性遭到破坏，试件破坏时的煤体试件向外弹出。煤体破坏的时间较短，煤样破坏颗粒较小，如图7（b）所示。

图7 煤样典型破坏模式

对比天然状态和7 d 饱水状态下煤样的破坏过程，天然状态下煤样的破坏持续时间较长，破片量较大，试件的完整性保持时间较长，而7 d饱水状态下煤样的破坏持续时间较短，破坏颗粒较小。产生这种现象的原因是煤样中存在大量的空隙，天然状态下煤样中的空隙中含有空气，而7 d 饱水状态下煤样中的空隙中含有水。7 d 饱水状态下煤样含水率增加，孔隙和裂隙均含水。施加静荷载时，试件处于弹性状态，孔隙和裂隙受压。

在动荷载作用下，应力波传播到裂缝及其含水处，孔隙压缩变形等效于作用在裂缝壁上的孔隙水压力，从而缩短了7 d 饱水状态下煤样的破坏时间。同时，饱和水对裂缝黏结作用减弱，导致裂缝黏结力降低。因此，与静态加载相比，煤样在应力波作用下更容易萌生和扩展裂纹，颗粒破碎尺寸更小。

5 结 语

本文研究了天然状态和7 d饱水状态煤样在动静载荷作用的强度特征。利用液压伺服试验机和SHPB系统进行了包括单轴静态加载和动态加载在内的静、动加载试验，为煤层气压裂改造和生产优化提供了理论指导，主要结论如下。

（1）在单轴压缩和动态加载条件下，天然状态煤样强度高于7 d饱水煤样的强度。

（2）静态单轴压缩条件下天然状态下的单轴抗压强度为15.87 ～20.89 MPa，平均为18.66 MPa。7 d饱水煤样的单轴抗压强度14.48 ～18.18 MPa，平均为15.88 MPa。天然状态下煤的动态抗压强度范围为24.79 ～33.42 MPa，平均为29.98 MPa，7d饱水煤试样的动态抗压强度为19.88 ～22.68 MPa，平均为21.02 MPa。在三轴静态条件下，7 d饱水煤样强度低于天然状态下煤的强度，而在围压动载条件下，7 d 饱水煤样的强度高于天然状态煤样。

（3）单轴抗压强度软化系数最大值为0.69，动态强度软化系数最大为0.59。天然状态下煤体试件从开始破坏到完全破坏的时间较长，破坏的颗粒较大，饱水状态下煤体破坏的时间较短，煤样破坏颗粒较小。

（4）在单轴压缩和一维静动加载条件下，7 d饱水煤样的破碎粒径小于天然试样，说明饱和对颗粒破碎有显著影响。但在三轴和三维静动加载条件下，由于围压效应，饱水对破碎粒径没有明显影响。