瓦斯压力对突出煤层煤样力学特征影响规律的研究

李回贵，王 军,，李晓龙，高保彬

(1.贵州工程应用技术学院 矿业工程学院，贵州 毕节 551700；2.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083；3.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000)

近些年来，随着开采深度的日益加深，煤炭开采需要应对的问题也随之变得复杂。地应力增大、煤与瓦斯突出、顶板冒顶、离层片帮、冲击地压等问题严重影响到煤矿企业的正常生产，甚至可能会影响到国家煤炭能源的正常供给，这一系列复杂的问题也是学者们关注的焦点[1-3]。贵州位于我国西南地区，素有“西南煤海”之称，是西南地区能源的重要保障基地，煤炭产量位于全国第五，但是该区域地质条件非常复杂，近年来煤矿事故发生率位居全国前列，尤其以煤与瓦斯突出、透水和顶板事故为主。其中，煤与瓦斯突出的发生主要与煤层所处的地应力状态、瓦斯压力及煤岩物理力学性质有关。因此，研究瓦斯压力对突出煤层力学特征的影响规律，有助于进一步了解该地区煤与瓦斯突出过程中煤层力学特征的变化规律，具有重要的理论和实用价值[4-6]。

近年来，瓦斯在煤岩体受载过程中表现出的力学响应特征、变形特征、渗透率变化规律等已成为学者们研究的重点。李祥春等[7]研究了不同瓦斯压力下煤岩三轴加载时蠕变规律，研究表明轴向应变与瓦斯压力呈正相关关系；祝捷等[8]以开滦赵各庄煤矿9号煤层煤样为研究对象，对含瓦斯煤渗透率进行了研究，研究表明渗透率随瓦斯压力增大呈现逐渐增大和先减小后增大两种规律；赵华天[9]对渗流规律进行了研究，研究表明随围压增大煤样三轴抗压强度呈线性增大的趋势，在相同轴向载荷作用下，煤样所受围压越大，渗透率则越小；高保彬等[10]对不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性进行了研究，结果表明随着瓦斯压力的增大，煤样的峰值强度和抗压强度及弹性模量降低，泊松比增大；高保彬[11]、杨丹等[12]研究了瓦斯压力对煤样冲击倾向性的影响，结果表明随着瓦斯压力的增大，煤样所含能量降低，瓦斯会影响煤样的力学性质，导致弹性模量、抗压强度、冲击能指数下降且煤样由脆性向延性转变；王祖洸等[13]在单轴压缩条件下对含瓦斯煤样力学性质进行了研究，研究表明随着瓦斯压力的逐渐增大，煤的抗压强度和弹性模量逐渐降低；吴强等[14]探究了不同围压条件下含瓦斯气体及水合物煤体的力学性质，研究表明随着围压增加，煤样的应力—应变呈现由软化向硬化转变的趋势。除此之外，还有学者对含瓦斯煤岩在不同温度、含水状态、粒径大小等条件下的力学特性进行了研究[15-24]，研究表明温度、含水状态、粒径、加载路径和瓦斯等因素对煤岩的力学特性有很大影响，并可能因此引发冲击地压、瓦斯突出等灾害。

通过总结前人的研究成果后发现，目前研究含瓦斯煤岩的力学特征大都是基于三轴条件下开展的，但对煤与瓦斯突出事故发生时三轴状态的研究相对较少。鉴于此，笔者自行设计了1套含瓦斯煤岩单轴压缩试验装置，并利用该装置结合RMT-150C力学试验机对瓦斯压力为0、0.5、1.0、1.5和2.0 MPa的煤样进行单轴压缩试验，分析含瓦斯煤岩的力学特征及破坏特征，以期找出影响规律。

1 煤岩单轴压缩力学试验设备及方案

1.1 试验设备

为了研究不同瓦斯压力条件下的煤岩力学性质，笔者设计了1套含瓦斯单轴压缩煤岩破坏试验装置，该装置搭载真空泵及供气系统、加载系统、伺服控制加载系统。单轴压缩试验装置结构如图1所示。

1—上压头；2—顶盖；3—密封舱；4—进气阀；5—排气阀；6—抽真空泵；7—瓦斯气罐；8—试验控制中心。图1 含瓦斯煤岩的单轴压缩试验装置

1.2 试验方案

1.2.1 煤样制备

试样采集于贵州省大西南矿业有限公司贵源煤矿2号井9#煤层，该煤层为煤与瓦斯突出煤层，根据GB/T 23561.7—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》的要求[25]制备煤样，在单轴压缩试验中每组加工3个煤样，如图2所示。煤样的基本参数如表1所示。

图2 部分成型煤样

表1 煤样基本参数测定结果

1.2.2 试验方法及步骤

1)将加工好的煤样分为A、B、C、D、E 5组，每组3个，对其进行编号并记录各煤样的直径、质量、高度、密度等原始物理数据。A、B、C、D、E 5组煤样的瓦斯压力分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。

2)检查试验装置的气密性，将煤样放入试验装置内，然后将装置密封好置于RMT-150C力学试验机上。用导气管连接瓦斯气罐和进气阀，对装置进行充气，直至其内部瓦斯压力达到0.5 MPa，保持0.5 MPa瓦斯压力12 h。然后，打开力学试验系统进行单轴压缩试验，试验过程中采用位移控制方式，加载速率为0.05 mm/s。试验结束后打开排气阀，排空瓦斯气体，记录试验数据。重复上述步骤，完成B2、B3煤样的试验。

3)依次将瓦斯压力设置为1.0、1.5和2.0 MPa，重复步骤2)完成C1～E3煤样的试验。

2 煤样在不同瓦斯压力条件下的力学性质

2.1 应力—应变曲线试验结果及分析

不同瓦斯压力条件下的应力—应变曲线如图3所示。

(a)瓦斯压力0 MPa

由图3可以看出，不同瓦斯压力条件下煤样的应力—应变曲线基本可以划分为4个阶段：初始压密阶段(OA)、线弹性阶段(AB)、塑性变形破坏阶段(BC)、峰后破坏阶段(CD)。

1)初始压密阶段(OA)。随着瓦斯压力逐渐增大，应力—应变曲线上凹现象越来越不明显，并且大部分试样出现了应变发生量很小、应力上升很快的现象，这是由于缸体内的瓦斯压力造成的。

2)线弹性阶段(AB)。随着瓦斯压力逐渐增大，应力—应变曲线直线段的长度逐渐减小，并且直线段的斜率也逐渐减小。这说明煤样内部瓦斯压力的存在会导致其弹性模量逐渐减小，煤样发生变形所需要的应力会减小，对煤与瓦斯突出事故的发生有促进作用。

3)塑性变形破坏阶段(BC)。煤样内部的大量微裂隙快速汇集贯通形成宏观破裂面，出现扩容现象，部分试样应力—应变曲线出现小突变。但是随着瓦斯压力逐渐增大，这种小突变现象逐渐消失，峰值应力附近曲线更加光滑。

4)峰后破坏阶段(CD)。此阶段不含瓦斯煤样的应力—应变曲线下降很快；含瓦斯煤样的应力—应变曲线下降相对较慢，峰值应力之后依然存在一定的承载力。

2.2 瓦斯压力对含瓦斯煤样峰值应力的影响规律

煤样峰值应力随瓦斯压力的变化曲线如图4所示。煤样力学参数测定结果如表2所示。

图4 煤样峰值应力随瓦斯压力的变化曲线

表2 煤样力学参数测定结果

由图3、图4及表2可知，随着瓦斯压力的增大，含瓦斯煤岩的抗压强度逐步降低，由脆性向延性转变。当瓦斯压力为0.5 MPa时，B组煤样的平均抗压强度为19.37 MPa，与A组煤样的平均抗压强度24.37 MPa相比，下降了20.52%；当瓦斯压力为1.0 MPa时，C组煤样的平均抗压强度为12.78 MPa，与A组煤样相比下降了47.56%，与B组煤样相比下降了34.02%；继续加大瓦斯压力至1.5 MPa时，D组煤样的平均抗压强度为10.40 MPa，与A组煤样相比下降了57.32%，与B组煤样相比下降了46.31%；当加大瓦斯压力至2.0 MPa时，E组试样的平均抗压强度为7.35 MPa，与A组煤样相比下降了约69.84%，与B组煤样相比下降了约62.05%。

2.3 瓦斯压力对含瓦斯煤样弹性模量的影响规律

煤样弹性模量与瓦斯压力的关系如图5所示。

图5 煤样弹性模量随瓦斯压力的变化曲线

结合图5和表2可以看出，煤样弹性模量随着瓦斯压力的增大而逐渐减小，两者呈负相关关系。不含瓦斯煤样的弹性模量为3.088～3.577 GPa，平均为3.388 GPa；瓦斯压力为0.5 MPa的B组煤样的平均弹性模量为3.359 GPa，较瓦斯压力为0 MPa情况下降了0.86%；瓦斯压力为1.0 MPa的C组煤样的平均弹性模量为2.614 GPa，较瓦斯压力为0、0.5 MPa时分别下降了22.85%、22.18%；当煤样瓦斯压力增加至1.5 MPa时，D组煤样平均弹性模量为2.124 GPa，较瓦斯压力为0、0.5、1.0 MPa时，分别下降了37.31%、36.77%、18.75%；当瓦斯压力增加至2.0 MPa时，E组煤样的平均弹性模量为1.143 GPa，较瓦斯压力为0、0.5、1.0、1.5 MPa时，分别下降了66.26%、65.97%、56.27%、46.19%。分析表明，瓦斯压力的存在导致煤样抵抗外力变形的能力变差，当瓦斯压力增大至1.0 MPa以上时容易导致煤与瓦斯突出。

3 不同瓦斯压力条件下煤样破坏形式

不同瓦斯压力条件下煤样的破坏特征图如6所示。

(a)瓦斯压力0 MPa

从图6可以看出，不含瓦斯煤样破坏时出现的裂纹相对单一，基本上以一条主裂纹为主，并且裂纹呈竖直状态，以拉伸破坏为主；含瓦斯煤样破坏时出现的裂纹相对较多，主裂纹上存在多条纵向裂纹，部分煤样破坏相当严重，形成了较大的破坏面，部分煤体脱落或爆裂，并且随着瓦斯压力的逐渐增大，这种煤体脱落和爆裂的现象愈加严重。分析表明，在高瓦斯压力下，煤岩的破坏会更加严重；破坏过程存在拉伸和剪切作用，且两种作用较强。这主要是因为在煤岩体破坏过程中，瓦斯压力越大，瓦斯气体使煤岩体破坏时形成裂纹的拉应力也越大，会加速煤岩体的破坏过程并使煤岩破坏程度加剧。

4 结论

1)煤岩的峰值应力、弹性模量与瓦斯压力呈负相关关系。瓦斯压力的存在导致煤样抵抗外力变形的能力变差；当瓦斯压力增大至1.0 MPa以上时容易导致煤与瓦斯突出。

2)随着瓦斯压力逐渐增大，含瓦斯煤岩破坏过程受拉伸和剪切作用，会加速煤岩破坏，破坏程度加剧。

3)煤岩随着瓦斯压力的增大由脆性向延性转变，其弹性能也随之降低，致使含瓦斯煤岩的冲击性降低。