煤岩层理结构对单轴力学特性影响研究

郑光

（山东能源集团兖矿能源集团股份有限公司石拉乌素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017299）

0 引言

随着采煤深度越来越深，地温越来越高，地温的升高给煤矿带来两个方面的问题[1]：一是发生煤自燃问题，会对周围煤体力学性质造成影响[2]；二是深部煤层抽采钻孔所处的环境较浅部煤层有较大的不同，其中主要包括深部煤层抽采钻孔所处初始煤层温度高，深部抽采钻孔再抽采过程中，氧气容易进入封堵段周围破碎煤体，从而为钻孔周围破碎煤体长时间氧化反应引起自燃创造条件，钻孔周围煤自燃会引起钻孔暂停抽采，延误煤矿的正常开采，甚至造成抽采管路内瓦斯爆炸，给井下人员带来重大的安全隐患，造成巨大的经济损伤。现今。高温对临近未发火煤的力学特性研究较少，研究高温对煤体力学特性的影响十分必要。

马占国等[3]完成了温度对煤力学特性影响的试验研究，得到了不同温度下煤的应力-应变关系，分析了温度对煤的抗压强度和弹性模量的影响；解北京[4]进行了层理煤岩SHPB冲击破坏动态力学特性实验，研究了层理对煤岩动态力学破坏特征的影响；于鑫等[5]揭示高温下和高温后致密砂岩单轴抗压强度的不同变化规律；张龙等[6]研究了高温对软岩的强度、弹性模量的影响；刘石等[7]通过单轴压缩试验，对经历不同温度下测量大理石的纵波波速、抗压强度、破坏形态以及损伤特性随温度的变化规律进行了研究；赵洪宝等[8]进行了不同温度下含瓦斯煤岩单轴压缩力学试验研究；王登科等[9]对温度冲击前后煤的孔隙裂隙结构的演化发展进行了联合表征，定性定量的分析了煤层的裂隙宽度变化，并统计分析了温度冲击前后煤层中孔隙的比表面积和孔径变化；查文华等[10]对经历不同温度的煤系泥岩的力学型钢进行试验研究，分析不同温度下泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应变、弹性模量、变形模量以及泊松比受温度的影响。

国内外学者煤的物理力学特性展开了一系列研究，但深部煤岩在高温条件下物理力学特性研究少有报道，因此研究高温对深部煤岩力学特性影响因素研究具有极其重要的作用，研究结果对深部煤层钻孔发火后煤岩的动力灾害防治具有一定的指导意义。

1 试验设备及方案

1.1 煤样制备及煤样分类

试验煤样取自平煤股份十矿24100工作面，该面埋深超过1 000 m属于深部煤层，取回来的煤块层理发育良好，如图1所示。根据岩石常规力学性能（将煤样加工成φ50 mm×100 mm的标准圆柱体，表面平行度＜0.05 mm,端面粗糙度＜0.02 mm）将煤块制作成标准试件。

图1 制取煤样及筛选煤样

煤内部原生裂隙结构对于煤力学特性有很大的影响，导致在研究过程中可变因素很多，得出的结果往往差强人意，具有不确定性和不具有说服性。在进行平行试验时，往往需要煤样试件尽可能的保持一致。如图4所示，根据各个煤样的宏观特征，结合非金属超声波测出煤样声速、声时以及波幅筛选出试验所需要的煤样试件。

1.2 试验设备及加载方式

在准备做实验前2 d，将所有实验煤样置于相同环境下进行保存。在做实验过程中，设定电热鼓风干燥箱温度值，实验过程中，将实验煤样试件持续加热2 h，之后冷却煤样至室温；当煤样冷却到室温条件后，将煤样放置于恒温箱中保存。

如图2所示。实验过程中，试验由2人对系统进行操控，首先将万能试验机软件控制系统设定加载位移参数0.1 mm/min，使加载系统对煤样进行加载，然后1人负责三维扫描控制系统，根据万能试验机软件界面上位移加载数值进行扫描，每隔0.1 mm使用三维扫描系统对试样进行扫描，获得煤试件的点云图像，保存一次数据。通过电子万能试验机控制系统进行实时同步连续采样、存储，自动、完整地记录试件受力与变形的全过程；时刻观察煤样破坏情况以及计算机屏幕上应力应变曲线，直至煤样被破坏，停止试验，然后保存数据；根据所测数据，结合研究目的，总结规律。

图2 微机电液伺服材料试验机

2 煤样原生结构对煤岩力学特性影响

2.1 深部矿井裂隙不同煤岩受力破坏情况

按照平煤十矿地温梯度，根据煤样开采深度进行推算，煤样所处环境温度50℃左右（设定常温条件）。再进行不同热冲击对煤样物理力学特性影响试验研究时，必须考虑到煤样试件结构近乎一致，才能减少原生结构对研究结果的扰动程度，因此，选取了层理一致，裂隙、孔隙发育不同的2个煤样进行分析。所选煤样分别为MY14、MY21。对2个煤样试件进行同温度50℃处理。

MY14、MY21端面、侧面均存在一条明显裂缝，由图4（a）、4（b）可以看出，煤样破坏均呈现沿节理和裂隙面进行破坏，沿轴向剪切破坏。煤样破坏状态为1～2条主要的剪切裂隙贯通整个煤样，使其劈裂成2～3个部分，各部分完整性较高，试件整体光滑，次要裂纹分布较少，能量的释放较为集中。由煤样MY14、21破坏后截面进行对比，煤样MY14的致密性要好于MY21。

由图5可知，峰值强度之前，峰前MY14积蓄能量到峰值轴向位移量、轴向总应变要小于MY21，结合破坏后内部截面图可以看出，MY14致密性要好于MY21。而且MY14的单轴抗压强度要大于MY21的单轴抗压强度。MY14峰后曲线下降速度呈现垂直跌落，MY21峰值之后出现曲线反复交替、台阶式降落，下降速度减慢，位移量要大于MY14,表现出塑性破坏特征。综合得出MY14的力学特性要大于MY21。

图4 裂隙破坏图

图5 裂隙不同煤样应力-应变曲线图

因此，得出煤原生裂隙、孔隙对煤岩力学特性的影响程度较大，当煤样孔隙率小、裂隙发育程度不高的情况下，煤岩的物理力学性能较大。

2.2 深部矿井层理对煤破坏变形特征

2.2.1 深部矿井层理方向不同煤样破坏变形特征

层理面是一种弱面结构，层理面发育越好，煤岩的整体性越差，当受到外力作用后，煤岩很容易岩弱面进行断裂和破坏，不同层理的煤样抵抗外界的能力是不同的，层理面结构会显著影响煤样力学特性。设定温度为100℃。由图6所示，对煤样层理方向进行了角度测量，得到MY34、35、6、8、10、11的层理发育角度分别为88°、83°、46°、50°、50°、66°。观察试验后的煤样破坏特征对分析煤的破坏机理有重要的意义。

图6 倾斜层理煤样破坏特征

如图6所示，无论倾斜层理煤样还是近似垂直层理煤样，其破坏类型均为轴向贯通破裂。近似垂直层理煤样MY34的破坏程度要比倾斜层理煤样的破坏程度要大，产生的裂隙会更多，主要以劈裂破坏为主，煤样中部出现挤压胀裂，出现多条裂纹以及碎片块，而倾斜层理煤样主要以剪切破坏为主，破裂面沿层理方向和软弱面剪切滑移形成宏观破坏。

2.2.2 同一温度下煤的力学抗压强度离散性分析

实验过程中，通过对筛选煤样进行加载试验，发现实验煤样在同一温度100℃处理后其峰值破坏强度值具有很大的离散性，结果如图7所示。倾斜层理煤样MY6、8、10其峰值破坏强度收敛性较好，3块煤样的峰值破坏强度分别为6.4、6.2、6.3 MPa,平均峰值破坏强度为6.3 MPa；峰值破坏力分别为12.52、12.04、12.45 kN,平均峰值破坏力12.34 kN。MY11峰值抗压强度为11.9 MPa，峰值破坏力为23.04 kN。

近似垂直煤样MY34、35其峰值破坏强度值比较发散，煤样的峰值破坏强度分别为15.9、13.4 MPa,平均峰值破坏强度为14.65 MPa；峰值破坏力分别为28.99、24.35 kN,平均峰值破坏力为26.67 kN。综述可以得出，倾斜层理煤层的峰值破坏强度总体上要小于垂直层理煤层的峰值破坏强度。根据图7所示，煤样峰值抗压强度随着层理角度的逐渐增大其值也在不断增大。

基于此原因，在做不同温度对煤抗压强度影响研究实验时，筛选煤样必须严格考虑到层理对煤力学特性的影响，尽可能减小层理角度对实验结果造成的较大偏差。

图7 相同温度下不同层理煤样应力应变曲线

2.2.3 同一温度下不同层理煤破坏规律分析

由图7可示，可以得出如下结论：

以做的试件为例。轴向应力作用于层理煤样，可以分解为2个方向的作用力:一是沿层理方向，另一个是垂直于层理方向，随着层理方向角度的不断增大，沿层理方向的分力会越来越大，近似垂直层理煤样受到的沿层理方向的力近乎等于轴向应力，剪切滑移现象减少了。

煤样MY34、35层理角度接近90°时，轴向加载方向与层理方向一致，这时煤样与岩石强度相近，与层理结构的弱面无关。破坏形式为压剪破坏，煤样中部出现挤压胀裂，煤样碎屑增多，脆性较大，这种破碎形式使得能量耗散特别快；煤样峰值强度均较大，峰前积蓄的弹性应变能多，峰后曲线呈现近似垂直跌落，出现煤样碎屑增多的原因是煤样积聚的弹性能突然在极小变形情况下，瞬时释放转化为动能，使得煤样发生严重的破坏，力学特性极强。

煤样MY6、8、10、11层理角度介于60°左右时，受轴向应力作用煤样破坏为沿原有层理方向，肉眼可见层理弱面裂缝宽度显著增加；相较于垂直层理方向煤样抗压强度较小，峰值前积蓄能量较小，因为在峰值之前，出现了应力下降段的原因为剪切滑移导致的，轴向压力超过了层理面的粘结力和摩擦力，煤样内部能量由于层理面的破坏出现能量释放；峰后应力应变曲线呈现台阶式下降趋势，究其原因是煤样发生塑性破坏，导致耗散能量增加，破坏时间增长，单位时间释放的能量较小，物理力学特性变低，这种台阶式下降方式使得煤样破坏受到了阻碍。

通过MY34、35应力应变曲线可知，煤样MY34达到峰值要比MY35达到峰值的应变值要短，通过对2个煤样的结构进行对比，发现MY5的宏观裂隙要比MY34的裂隙要长，而且裂隙宽度大。因为煤样受到轴向应力时，裂隙发育比较好的煤样应变增加量要大于裂隙发育较小煤样的应变增加量，所以煤样MY34到达峰值强度要小于MY35到达峰值强度的应变值。

倾斜层理煤样MY6、8、10层理角度接近，峰值抗压强度值相差极小，但是应变-应力曲线相差较大，分析其原因，煤岩力学特性与多种因素有关，例如煤的密度、煤的孔隙率、煤的内部含水量、煤体的原生裂隙、层理方向等。

3 结论

1）高温使得煤样较常温条件裂隙宽度加大，裂纹演化像树枝状向树枝末进行延伸，无论是裂隙条数还是裂隙张开度都呈现出增大的趋势。

2）无论倾斜层理煤样还是近似垂直层理煤样，其破坏类型均为轴向贯通破裂。近似垂直层理煤样破坏程度要比倾斜层理煤样的破坏程度要大，产生的裂隙会更多，主要以劈裂破坏为主，煤样中部出现挤压胀裂，出现多条裂纹以及碎片块，而倾斜层理煤样主要以剪切破坏为主，破裂面沿层理方向和软弱面剪切滑移形成宏观破坏。煤样峰值抗压强度随着层理角度的逐渐增大其值也在不断增大。

3）煤原生裂隙、孔隙对煤岩力学特性的影响程度较大，当煤样孔隙率小、裂隙发育程度不高的情况下，煤岩的力学特性较大。反之，煤岩力学特性较小。