含瓦斯煤样的三轴抗压力学性能试验研究

含瓦斯煤样的三轴抗压力学性能试验研究

煤炭和砖瓦的突出是对煤炭安全生产的重大威胁。目前对突出机理还存在一些不同的观点,但大都认为突出是地应力、瓦斯和煤体的物理力学性质共同作用的结果。研究煤在地应力和孔隙瓦斯作用下的力学性质有助于进一步理解突出机理。本文在实验室试验的基础上,研究了含瓦斯煤的力学性质。含瓦斯煤的力学试验国内有煤科院抚顺研究所王佑安等在60年代用倾斜压模剪切法测定了含瓦斯煤的抗剪强度,国外主要是日本的氏平增之用三轴试验装置测定了含瓦斯煤的三轴抗压强度与变形,我国煤科院的李中成在日本作为访问学者期间也做了类似的试验。上述试验,因受试验方法或试验装置的限制,所做的试样较少,试验所采用的侧压也小,难以分析煤的力学性质在瓦斯介质中的变化规律。本文通过大量的试验结果,并应用数理统计理论,分析煤在瓦斯介质中,强度与弹性模量的变化规律,使结果更为准确可靠,以期对突出机理的了解和防突措施的制订有所裨益。一、试验系统及试样1.试验装置由三轴压力室、测量系统、侧压系统、瓦斯供给系统等几部分组成。因现有的三轴试验仪体积大、价格贵,且不能做含瓦斯煤样的试验,故专门设计了一简易的三轴压力室,它的额定工作压力是50MPa,结构如图1所示。测量系统包括位移传感器和载荷传感器、动态应变仪、函数记录仪。载荷传感器输出的讯号经动态应变仪放大后送至函数记录仪,位移传感器输出的讯号可直接送至函数记录仪。轴向压力由普通材料试验机提供。试验时,载荷、位移均由函数记录仪自动记录,因此可以稳定的速度连续施加轴向载荷。侧压由手动高压泵产生。为保证试验时压力室内的压力不发生波动,采用皮囊式蓄能器稳压,效果很好。小钢瓶中的瓦斯经四通接头可同时对三个试样进行充气吸附。整个试验系统如图2所示。2.试验采用的煤样有原煤样、成型煤样与热压型煤三种。原煤样是在焦作矿务局的朱村、焦东两矿用自制的取芯钻制取的。所取得的试样直径为26mm,高度48～51mm不等。成型煤样是将鹤壁六矿的瘦煤,破碎成粒度小于0.4mm的煤粉后,再在150MPa的压力下直接压制成型,它的规格是φ24.8×15mm。为提高成型煤样的强度,尝试了新的人工煤样制作方法。将鹤壁瘦煤的煤粉(为提高煤粉的粘结力,加入了7.5%的煤焦油),在10MPa的压力下加热到300℃左右,制得了热压型煤。它的规格也是φ24.8×51mm。热压型煤颗粒间具有明显的粘结力,虽然它的成型压力只有成型煤样的7%,但它的单轴抗压强度却比成型煤样提高70%。它是一种较好的模拟煤体的材料。二、瓦斯压力下的煤强度变化规律1.在同一试验水平下,重复试验三次,结果取其平均值,并计算表示结果离散程度的变异系数。成型煤样结果的变异系数均小于4%,热压型煤的变异系数小于12%,原煤样结果的离散性较大,最高为43%,大部分小于30%。三种煤样均测定了不含瓦斯时与含有CO2时的三轴抗压强度,成型煤样还测定了吸附N2与CH4时的强度。试验的最高侧压是20MPa,孔隙瓦斯压力最高是6MPa。图3至图5给出了部分煤样的试验结果。从图中可以看到,对成型煤样和热压型煤来说,在第二个试验点后,强度与侧压呈现很好的线性关系,因此采用分段线性回归是合适的。回归方程的形式为σ1=mσ3+b,回归系数m、b取决于煤的力学性质、孔隙瓦斯种类和瓦斯压力。回归值与实测值的偏差绝大部分小于3%,回归方程的相关系数均大于0.99,是高度显著的。原煤样的强度随侧压的变化波动较大,表面看线性关系并不好,但用F检验可以证明,用线性回归也是可以的,回归方程也是显著的。利用t检验,可进一步证明,在第二个试验点后,成型煤样与热压型煤在不同充气压力下得到的σ1-σ3回归直线均可认为是平行的,原煤样的两条σ1-σ3回归直线也可认为是平行的。即对同一煤样来说,回归方程中的m值可看作相等。煤中的孔隙压力越高,侧压越小,它的强度就越低。如果煤样在不同瓦斯压力下分别有σ1=mσ3+b1,σ1=mσ3+b2,则由瓦斯压力不同所引起的煤强度变化量为b1-b2,这是一个定值。即只要瓦斯压力一定,在一定的侧压区间内,煤强度变化量的绝对值不变。令,式中表示充瓦斯后煤强度下降的相对值,下角标表示孔隙气体是N2,上角标表示N2的压力是6MPa,σ1与分别表示在相同的侧压下,煤样吸附N2前后的强度。从图6中可以看到,当瓦斯压力一定时,K值随侧压的增加而减少,即随着侧压与瓦斯压力之差的增加,瓦斯对煤强度的影响变小。若侧压保持不变,则瓦斯压力越高,K值越大,煤强度下降得越多。当瓦斯压力和侧压相等时,K达最大值。试验结果表明,在同样的瓦斯压力和侧压下,,这反映了吸附瓦斯的作用。成型煤样的最大为0.78,热压型煤的最大为0.72,原煤样的最大为0.5。2.孔隙瓦斯压力为0时,煤强度与侧压的关系符合σ1=A+Bσ3,当瓦斯压力为P时,根据有效应力理论,如果孔隙瓦斯的作用仅仅是力学的,应有σ1-P=A+B(σ3-P)。即若仅仅只有游离瓦斯的作用,煤强度与侧压和瓦斯压力的关系应符合上式。利用二元线性回归,可得到表示煤强度与侧压和瓦斯压力关系的方程式σ1-P=A0+A1(σ1-ηP)。表1给出了三种煤样的回归系数,热压型煤与成型煤样其强度实测值与回归值的偏差约小于4%,F检验表明各回归方程式均是显著的。从表1中可以看到,同一煤样吸附不同的气体时,η值是不同的,最大。成型煤样的略大于1。考虑到N2也有一定的吸附作用,可以认为如果只有游离瓦斯的作用,则η为1。η为1表明游离瓦斯确实是抵消了一部分主应力,抵消的应力值就等于瓦斯压力。这意味着孔隙瓦斯是作用在煤的整个断面上的,而不仅仅是空隙率涉及到的那部分面积。因此在暴露的煤壁上,由瓦斯压力梯度所造成的指向巷道空间方向的推力,应该是瓦斯压力和巷道断面的乘积,而不需考虑孔隙率的影响。这个力无疑会给突出起到推波助澜甚至决定性的作用。不同煤样即使吸附的是同一种气体,其η值也是不同的,这反映了煤的吸附能力。η大于1的那部分反映了吸附瓦斯的作用。η越大,吸附瓦斯对煤强度的影响就越大。如对热压型煤来说,吸附瓦斯对煤强度的影响甚至超过了游离瓦斯。因此在考虑瓦斯对煤的强度影响时,不仅要考虑游离瓦斯的作用,吸附瓦斯也是一个不可忽略的因素。二元线性回归方程在三维空间中是一个平面,它反映了试样的极限应力条件,若试样内某点的应力落在这个平面上,就满足破坏条件。图7是含瓦斯煤样的极限应力平面的图形。平面ABCD即是含瓦斯煤样的极限应力平面。3.根据已经得到的σ1-σ3关系曲线的回归方程,可得到煤样极限应力圆莫尔包络线的回归方程,也就可得到相应的内摩擦角与粘聚力。因为同种试样在不同试验条件下的σ1-σ3回归直线可认为是相互平行的,所以同种试样的莫尔圆包络线也可认为是相互平行的,图8是部分成型煤样的强度包络线。从图8中可以看到,煤吸附瓦斯后,莫尔圆包络线发生平移,平移的距离取决于孔隙压力和孔隙气体。孔隙压力越大,平移的距离就越大,越易使煤进入破坏状态。在同样的孔隙压力下,吸附CO2煤样包络线平移的距离要大些。平移的结果使包络线在τ轴上截距变小,但斜率不变。所以煤吸附瓦斯后粘聚力变小,内摩擦角可看作不变。4.煤是具有巨大比表面积的多孔介质,因此表面张力的改变对煤的力学性质会有重要的影响。据伯克海姆等人试验,多孔介质吸附气体后产生的膨胀变形与其表面张力的减小量成正比,ε=λ·π。式中ε是多孔介质的应变,π是表面张力减小量,λ据伯克海姆假设λ=∑·ρ/E,∑是介质的比表面积,ρ是介质的密度,E是介质的弹模。因此对于给定的煤样,充气压力越高,吸附的气体就越多,由此造成煤表面张力的下降也就越多,煤的变形也越大。若煤的表面张力减小量不变,则比表面积大、弹模小的煤具有较大的变形量。如果煤在吸附瓦斯时限制其变形,则由此产生附加应力σ附=∑·ρ·π÷(1-2μ),μ是煤的泊松比。煤的比表面积越大,吸附的瓦斯越多,产生的附加应力也越大。在煤层中抽放瓦斯,一是减小了突出的能源;二是减小了由游离瓦斯引起的孔隙压力和由吸附瓦斯引起的附加应力;三是提高了煤的强度。这些对防治突出都是非常有利的。综上所述,煤吸附瓦斯后强度下降是由游离瓦斯和吸附瓦斯共同作用造成的。游离瓦斯抵消了一部分主应力,使得剪切面两侧固体接触部分的正压力减小,因而煤的抗剪强度下降。在σ-τ图上,表现为莫尔圆平移,更接近破坏极限。吸附瓦斯使煤的表面张力减小,煤粒子间的作用力减弱,破坏时所需要的表面能减小,同样削弱了煤的强度。三、残余变形与残余变形相联系1.煤样承载后发生的变形及破坏形态与其所承受的有效侧压的大小有关。试验结果表明,在相同的有效侧压下,同种煤样有类似的应力-应变曲线。成型煤样在单轴压缩时为张性裂缝所破坏。当有效侧压大于3MPa后,试样便进入剪切破坏阶段。有效侧压大于9MPa后,试样进入塑性状态,轴向应变可达到18%,试样呈鼓状而承载能力仍不下降。热压型煤的破坏形态与成型煤样类似。焦作无烟煤在试验的侧压范围内均为脆性破坏,破坏时发出较大的声响和震动。2.煤承载后发生的变形包括弹性变形和残余变形。与弹性变形相联系的是弹性变形能,它对突出的发生有促进作用。与残余变形相联系的是非恢复变形能,它消耗于岩石中形成新裂隙所需的表面能及颗粒间摩擦引起的热能、声能等。图13、14、15是试样在重复加载时得到的应力-应变曲线,它的包络线的形状与试样在单调加载时的应力-应变曲线相类似。从图13中可以看到,成型煤样的残余变形是很大的。在轴向应力很小时,试样就已产生了残余变形。在试样的不同变形阶段,残余变形占总变形的50%以上,当试样进入塑性状态后,残余变形甚至可占总变形的90%以上。热压型煤在加载过程中,残余变形占总变形的40%左右,试样进入塑状状态后,残余变形也可占80%以上。焦作无烟煤具有硬而脆的特点,从图15中可以看到,它只在加载的初期产生较小的残余变形直到试样进入屈服阶段以前不再产生新的残余变形。若在试样进入屈服阶段后,立即卸载测量它的残余变形,可发现其值最大也达58%。煤样吸附瓦斯与否对残余变形无明显影响。由此看来,决定煤残余变形量大小的主要因素是煤本身的力学性质。若煤强度大,质硬而脆,则在进入屈服阶段前,残余变形是较小的,近似把它看成线弹性体也是可以的。但当它进入屈服阶段后,就必须考虑到残余变形的影响。揉皱松软的煤,无论它处于怎样的应变阶段,残余变形都占有很大的比例,因此也必须考虑由此带来的影响。软煤分层的煤,弹模小,若认为是弹性体,则在同样的应力条件下,它可积聚较大的弹性能。但考虑到它一是强度小,易于破坏,难以承受较高的应力,二是残余变形大,因此它能否积聚较大的弹性潜能是有疑问的。松软煤层易导致突出的主要原因可能在于它抵抗突出的阻力小,且易于释放瓦斯潜能之故。四、煤体抗剪性能1.三向应力状态下,煤的破坏形态既决定于本身的力学性质,也受到有效侧压的控制。松软煤体在不很高的有效侧压下,即可进入塑性变形状态。2.在瓦斯介质中、煤样强度基本服从σ1-P=A0+A1(σ3-ηP)。在吸附瓦斯后,煤的粘聚力变小,内摩擦角基本不变,在σ-τ图上,表现为莫尔圆平移,使之更接近破坏极限。3.煤吸附瓦斯后强度降低,这是游离瓦斯和吸附瓦斯共同作用的结果。游离瓦斯使剪切面两侧固体接触部分的正应力减小,吸附瓦斯使煤粒子间的作用力减弱,破坏时所需的表面能减小。4.煤样在破坏前的应力-应变关系基本符合,其弹模是有效侧压的函数。5.煤的残余变形取决于煤本身的力学性质。松软煤体有较大的残余变形,在计算其弹性潜能时,应考虑到残余变形的影响。6.热压型煤具有较高的强度与弹模,是一种有发