真三轴条件下深部煤岩试样力学特性研究*

2024-02-26赵杰

采矿技术 2024年1期

赵杰

(山西三路安环保能源开发股份有限公司,山西长治市 046000)

0 引言

大量降雨和地下水转移现象的发生,对煤矿采空区稳定性的变化产生重要影响,煤矿采空区赋水,给矿山安全生产带来了重大隐患,同时,地层中的岩石在地质构造作用下往往处于三向不等压状态,常规的岩石力学试验无法研究岩石在实际应力条件下的力学特性[1-2],开展与现场实际情况更接近的真三轴试验研究能够更加准确地模拟岩体实际受力状态,为分析深部煤岩体浸水作用前后煤岩体的稳定性提供技术指导。

随着技术的进步,越来越多的学者通过真三轴试验机开展岩体试件在三向应力状态下的力学特性试验研究。DU 等[3]利用英国GDS真三轴仪对腾格里沙漠风积沙进行了排水剪切试验研究。GAO等[4]采用三维离散元法(DEM)研究节理大理岩中间主应力和节理倾角对宏观力学特性的影响。SHEN 等[5]对“x向位移固定、y向加载、z向卸载”真三轴应力路径下的冲击危险煤样进行了试验和数值研究。DUAN 等[6]系统分析了各主应力循环对煤体变形、能量演化及损伤特征的影响。CHEN等[7]研究了真三轴应力作用下原煤水力压裂诱发的声发射参数变化规律和声发射事件的时空分布规律。CHANG 等[8]提出了一种考虑微裂纹引起的微观损伤和先存缺陷引起的宏观损伤的损伤模型来描述含单一缺陷岩石试件在真三轴压缩下的破坏行为。LI等[9]对砂岩进行了一系列真三轴试验,研究了裂隙岩石的破裂特征和破坏机制。ZHENG 等[10]对硬岩在常规和真三轴应力状态下的破坏进行了对比分析研究。WANG 等[11]基于自主研发的真三轴多功能流固耦合试验系统开展砂岩损伤力学特性研究。冯帆等[12]探讨了不同含水状态红砂岩试样在动静组合状态下的失稳破裂特征,从能量转化、力学、物理以及化学的角度初步揭示了真三轴卸载-动力扰动下水弱化岩爆机制。王凯等[13]进行了5 种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。许文松等[14]通过真三轴试验发现动力事故发生的主要原因是岩体内部能量的积聚释放,岩体次生各向异性对岩体自身极限储存能存在很大影响。杨成祥等[15]利用真三轴加载系统和声发射监测系统,对3种蚀变岩的变形、强度、破裂演化过程及微观破坏机制进行了分析。

本文利用真三轴力学试验装置,对现场取样制得的5组煤岩试件分别进行真三向应力力学试验与真三向应力浸水作用下的力学特征研究,试样标准尺寸:100 mm×50 mm×50 mm,分析深部煤岩体变形、强度变化、岩石破坏模式以及岩石破裂失稳全过程,为现场采空区赋水情况分析提供技术指导。

1 试验概述

1.1 试验设备

采用的试验装置为实验室自主研发的集成了压缩-拉伸-电磁卸荷的高刚性真三轴实验机,系统外观及结构如图1所示。可进行符合储层应力条件的真三轴岩石力学试验,该装置可以通过三方向刚性加载实现3个主应力方向的独立加载,其中,真三轴加载装置在中间主应力σ2、最小主应力σ3方向两端加载轴均为主动加载,在最大主应力σ1方向一端加载轴为主动加载,另外一端为随动加载。

图1 高刚性软岩真三轴实验机

1.2 煤岩体真三轴力学试验

首先依据煤层应力条件确定真三轴岩石力学试验的应力水平。依据取样附近地应力测试结果,确定了室内真三轴岩石力学试验的应力水平。按照自重应力场计算,取样附近地层最小水平地应力值为5～6 MPa,最大水平地应力值为10～12 MPa,竖直向地应力值为9～10 MPa,见表1。同时,图2为煤层与岩性真三轴岩石力学特性试验应力水平示意图。设定不同层位及岩性真三轴岩石力学试验最小水平应力σ3=15 MPa、垂向应力σ2=20 MPa,最大水平应力σ1为加载破坏力。

表1 现场地应力测试应力水平值

煤岩体真三轴岩石力学特性试验均采种混合的加载方式。在加载初期,最大主应力方向主动加载轴以力控为主,随动加载轴以位移控为主,通过随动加载轴跟随主动加载轴位移进行加载。图3为煤岩体真三轴岩石力学特性试验应力路径。首先,σ2与σ3以恒定的应力加载速率4 kN/min加载,σ1以恒定的应力加载速率2 kN/min 同步增压至σ3设定的目标值,即σ3=σ2=σ1=5 MPa。在这个过程中,3个主应力方向应力始终以静水压力的形式增长。然后,保持σ3不变,以恒定的速率4 kN/min增加σ2,同时以恒定的速率2 kN/min增加σ1至σ2设定的目标值,即σ2=σ1=12 MPa。在这个过程中,σ1和σ2始终保持相等。最后,保持σ2与σ3不变,岩样最大主应力方向以恒定变形速率0.01 mm/min进行加载。此时,主动加载轴和随动加载轴均以位移控为主,主动加载轴通过伺服反馈保持岩样变形速率恒定,而随动加载轴始终跟随主动加载轴位移。当岩样强度达到峰值强度后,根据岩样变形的增大幅度调整变形速率,直到最终达到残余强度。

图3 真三轴力学试验应力路径

2 试验结果及分析

2.1 岩样力学特性及破坏模式

通过实验室真三轴试验机开展5组煤岩层岩样的力学试验测试,具体效果如图4所示,图4为5组煤层岩样在真三向应力作用下的全应力-应变曲线,通过图4中1#、3#和5#岩样全应力-应变曲线可以总结出以下3点。

图4 1#、3#和5#岩样全应力-应变曲线对比

(1) 煤层1#总体上表现出较强的延性,其应力-应变曲线可以分为裂纹压密阶段、弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段和宏观裂纹形成阶段。

(2)3#岩样总体上表现出较强的延性,其应力-应变曲线可以分为裂纹压密阶段、弹性压缩阶段、局部裂纹稳定扩展阶段、局部裂纹压密、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段和宏观裂纹形成阶段。

(3)5#岩样总体上表现出较强的脆性,其应力-应变曲线表现出阶段性特征,即裂纹压密阶段、弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段和宏观裂纹形成阶段。

通过图5中2#和4#煤层岩样为在浸水前后真三向应力作用下的全应力-应变曲线可以总结出以下2点。

图5 2#和4#岩样浸水前后全应力-应变曲线对比

(1)2#岩样表现出理想弹塑性和较强的延性,岩样浸水后的应力-应变曲线表现出阶段性特征,第一阶段岩石变形随应力近乎线性增加,到达一定应力后,变形快速增加,应力-应变曲线近水平。2#岩样浸水后表现为理想弹塑性,当岩石强度超过其峰值强度4.14 MPa时,岩石发生破坏,其后强度几乎无变化。岩石在发生浸水及应力破坏后,峰值强度降低了55.3%,力学性质弱化,岩石平行层理方向膨胀变形量大于垂直层理方向膨胀变形量,岩石在浸水以及应力破坏后沿层理方向持续发生滑移,该层位岩石在真三向应力和地层浸水后的变形受层理影响较大。浸水后,2#岩样弹性模量降低了33.5%,变形能力增加。

(2)4#岩样总体上仍然表现出较强的脆性,岩样的密度为1.402 g/cm3,岩样浸水后的阶段性强度特征与未浸水试样一致,可以看出,浸水后仍具有较高的峰值强度,且岩石在发生破坏后,其仍然具有残余强度,4#岩样浸水前后力学性质对比,浸水后4#岩样峰值强度降低了16.4%,力学性质弱化。岩石在垂直层理方向的变形能力较强,该层位岩石在真三向应力及浸水条件下的变形受结构影响较大。浸水后,4#岩样弹性模量降低了8%,变形能力增加。

2.2 真三向应力下岩石的表观破坏模式及破裂失稳全过程

通过观察5组试件表观破裂模式,研究该试样在岩石真三轴条件下的破裂模式,如图6所示,同时使用声发射设备监测真三向应力下岩石破裂失稳全过程,获得如图7所示的岩样声发射破裂特征。

图6 1#、2#、3#、4#和5#岩样表观破裂模式

图7 1#、2#、3#、4#和5#岩样声发射破裂特征

1#岩样的峰值强度为9.266 MPa且破裂模式表现为结构控制型剪切破坏,以层理方向剪切滑移为主;2#岩样浸水前的峰值强度为4.140 MPa,浸水后,峰值强度降低了55.3%,其破坏模式表现为结构控制型和应力控制综合控制型剪切破坏,煤岩体浸水后的破坏受层理结构和应力的综合控制;3#岩样的峰值强度为10.042 MPa且破坏模式表现为结构和应力综合控制型剪切破坏,当煤体层理不发育时,煤岩体的破坏受层理结构和应力的控制;4#岩样浸水前峰值强度为11.714 MPa,浸水后峰值强度降低了16.4%,其破坏模式主要表现为结构控制型剪切破坏,该试样岩石剪切破坏表现主要为结构控制,结构面受到水的润滑作用,裂纹多沿着结构面扩展,岩石易沿结构面产生滑移;5#岩样的峰值强度为12.378 MPa且破坏模式表现为结构控制型剪切破坏为主,以层理方向剪切滑移为主。

通过对比岩石破裂特征图和声发射破裂特征图,发现无水煤岩体在裂纹压密阶段,其原始裂隙被压密;进入弹性变形阶段后,岩石不会产生次生裂隙;当进入岩石塑性阶段,即达到岩石的损伤强度时,岩石内部裂隙由稳定扩展进入到非稳定扩展;当岩石达到峰值强度以及峰后阶段,岩石随即产生宏观裂隙。浸水煤岩体在裂纹压密阶段,产生较多声发射信号,初始原生裂隙由于水的进入,层理胶结程度减弱,水作用后产生的初始裂隙被压密;进入弹性变形阶段后,岩石不会产生次生裂隙;当进入岩石塑性阶段,即达到岩石的损伤强度时,岩石内部裂隙由稳定扩展进入到非稳定扩展;当岩石达到峰值强度以及峰后阶段,岩石随即产生宏观裂隙。

获得真三向应力下煤岩体无水和浸水条件下煤岩体的破坏形式,以上试验结果与现象为力学模型的开发提供了基础数据,进而对老旧采空区由于气候变化造成的采空区再次赋水影响矿区稳定问题的研究提供了研究基础。对矿区工程岩体稳定性分析有着重要意义。