瓦斯突出煤力学特性的试验研究

瓦斯突出煤力学特性的试验研究

1含瓦斯煤的地球化学特性煤炭和砖瓦的突出是土壤应力、砖瓦和煤炭物理力学性质综合作用的结果。研究含瓦斯煤的变形和力学响应的特征规律,对煤和瓦斯突出发生的防治以及采动影响下煤层瓦斯的抽放具有重要的意义。国内外学者在此方面做了一些相应的研究工作,并取得了一定的成果,如:林柏泉等研究了气体压力、气体吸附性和煤体变形间的关系,煤体变质程度以及孔隙率和煤体变形之间的关系;姚宇平和周世宁采用自制的可做含瓦斯煤样的三轴试验装置,分析了煤强度与弹性模量在瓦斯介质中的变化规律;靳钟铭等通过对山西沁水永红煤矿无烟煤含高瓦斯的渗透、变形和强度试验,得出了轴压、侧压、瓦斯压对含瓦斯煤层特性的影响规律;许江等利用特制的气–固两相三轴仪对含瓦斯煤在三轴应力状态下的变形特性及其强度特征进行了系统的实验研究;梁冰等通过不同围压、不同孔隙瓦斯压力下煤的三轴压缩试验结果,阐述了瓦斯对媒体的力学变形性质及力学响应的影响;曹树刚和鲜学福分析了煤与瓦斯延迟突出机制,讨论了煤层瓦斯流动特性,认为游离瓦斯和吸附瓦斯、突出空洞内的瓦斯和突出空洞附近煤体中的瓦斯均在煤与瓦斯突出过程中起重要作用;卢平等根据含瓦斯煤变形特征,提出了控制煤与瓦斯突出的途径和方法;徐涛等根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟;韩光对含瓦斯煤体的物理力学性质进行了深入研究,通过试验分析了煤体变形与瓦斯流动的气固耦合作用,建立了含瓦斯煤体的气固耦合数学模型;何学秋等在打通煤样流变试验基础上,研究了含瓦斯煤岩在不同的孔隙压力下不同应力级别的变形与时间关系;姜耀东等以混合物理论的Truesdell公式为基础,采用理论推导的方法构建含瓦斯煤的本构方程;李忠华通过实验室试验测定了试验矿井煤样的视密度、抗压强度、弹性模量等物理力学参数,测定瓦斯渗透率、水渗透率、峰值强度与瓦斯含量的关系、弹性模量与瓦斯含量的关系;张春华研究了含瓦斯煤岩破裂过程中瓦斯气体与煤岩固体的耦合作用机制;尹光志等利用自行研制的三轴蠕变瓦斯渗流装置和材料试验机组成含瓦斯煤样三轴压缩试验装置,对型煤煤样和原煤煤样进行含瓦斯三轴试验,系统地研究含瓦斯煤样两种煤样在三轴应力条件下的变形特性和抗压强度。但目前国内外对含瓦斯煤特别是突出煤在围压和瓦斯压力共同作用下的三轴压缩力学性质试验研究报道较少,基于这一思路,本文以松藻矿务局打通一矿7#突出煤层为研究对象,进行了不同围压(地应力)和瓦斯压力(孔隙压力)下突出煤的三轴压缩试验。试验的结果可为类似条件下突出矿井采动影响下煤层瓦斯抽放、煤与瓦斯突出防治及预测提供理论依据。2试验设备和试验方法2.1试验构件的制作试验煤样取自重庆市松藻矿务局打通一矿7#突出煤层,煤层质软、易碎,煤矿开采中曾发生过多次煤与瓦斯突出事故。严格按照相关试验方法要求,将所取突出煤块在实验室加工制作成φ=50mm,h=100mm的圆柱体标准型煤试件。试验中成型试验机的压力为200kN,煤样粒径大小为20~40目。为保证试验结果可靠和可比性,煤样加工成型后对煤样的外观仔细观察,确定没有明显的节理及裂纹等缺陷,且两端的不平行度<0.05m的作为试验试样,以确保试样之间没有出现明显的差异,并对其进行编号。2.2轴瓦斯渗流仪的研制含瓦斯突出煤的三轴压缩试验是在岛津AG–250伺服材料试验机和重庆大学“985”工程自行研制的三轴瓦斯渗流仪上进行的。岛津AG–250伺服材料试验机是由日本生产并在中国的岛津工厂组装生产,如图1(a)所示。该试验机最大轴向载荷为100kN,可进行高速数据采集,高精度测量,可进行拉伸、压缩、3/4点弯曲、撕裂、摩擦、蠕变、松弛、剥离拉伸循环、压缩循环、3/4点弯曲循环试验,是目前最为先进的国产自组装生产的材料试验机。重庆大学“985”工程自行研制的三轴瓦斯渗流仪主要由瓦斯罐(施加瓦斯压力)、数字控压系统(施加轴压、围压)、三轴渗透仪、数字流量计等组成,如图1(b)所示。试验设备可以模拟研究在不同地应力(围压、轴压)和瓦斯压力作用下的煤样瓦斯渗透试验。2.3含瓦斯突出煤的三轴压缩试验本次含瓦斯突出煤的三轴压缩力学试验采用气体为纯浓度达到99.99%的甲烷,试验分为围压一定时瓦斯压力分为0.25,0.50,1.00,1.50和2.00MPa这5个等级和瓦斯压力一定时围压为0,1.00,2.00,4.00和6.00MPa这5个等级2种情况进行。具体试验步骤如下:(1)取加工成型的圆柱体标准突出型煤煤样30个,进行统一编号,按照编号顺序,先进行瓦斯压力一定时不同围压下的突出煤的三轴压缩试验,后进行围压一定时不同瓦斯压力下的突出煤的三轴压缩试验,每个等级瓦斯压力和围压下重复3个型煤试件。(2)试验前先对试件进行真空处理,抽去试件孔隙中的空气,将所要进行压缩试验的煤样用热缩胶套裹好,并用吹风机将热缩胶加热使其紧贴煤壁,以保证其良好的密封性。检查完毕煤样密封性后,将煤样安装在自行研制的三轴瓦斯渗透仪上。(3)为了保证试验过程中围压恒定,采用稳压装置来达到此目的,并通过瓦斯钢瓶上的平衡阀来保持试验过程中瓦斯压力的稳定。试验时先对煤样略加轴压,将试件压住,然后分级由低至高施加围压和瓦斯压力至设定值。试验过程中始终保持围压不小于瓦斯压力,以防止试件内的瓦斯由于较大的孔隙压力而溢出,并适时对系统的密闭和透气性进行检测,待检测其密闭和透气性完好后再在AG–250伺服材料试验机进行压缩试验,(4)含瓦斯突出煤的三轴压缩试验采用位移控制方式进行,加载速率为0.02mm/s,并由AG–250伺服机自动记录试验结果。(5)改变瓦斯压力或者围压的大小,重复上述步骤,进行新的压缩试验。注意:试验过程中,对突出煤施加瓦斯压力至恒定后,让其充分吸附8h后再进行试验。3试验结果及分析3.1围压对突出煤非线性变形的影响根据试验测试结果,图2列出瓦斯压力一定(本次试验所取瓦斯压力为0.25MPa),围压分别为0,1.00,2.00,4.00和6.00MPa这5种不同等级情况下,含瓦斯突出煤样三轴压缩下应力–应变曲线图。由图2可知,瓦斯压力一定时,5种不同围压下,突出煤样的承载能力、强度、极限应变和弹性模量整体上随围压的增大而增加。在初始压密阶段,突出煤的应力–应变曲线具有较大差异,这是由于突出煤体具有强度小、抵抗外力破坏能力差特点。一般突出煤经地质构造作用的揉搓,与非突出煤相比具有结构松软,节理、层理较发育的特点,在相同的外界应力下更易于发生失稳破坏,且不同突出煤样所具有的节理、层理相差较大,因而造成各种围压下或者同一围压下其应力–应变曲线在初始压密阶段的较大不同。在弹性变形阶段,突出煤的应力–应变曲线因受压密阶段不重合的影响而不重合,并随围压的增大而变大,但整体上在同一围压下的各突出煤样基本保持平行。这说明在弹性变形阶段,突出煤试件的应力–应变曲线整体形状不随围压的变化而变化,但由于突出煤内部结构中裂隙和孔隙空间相对较大,在围压的作用下会发生闭合,因此其弹性模量会随围压的增加而变大。进人非线性变形阶段后,突出煤样的应力–应变曲线随围压的变化而剧烈改变。随着围压的增大,其应力–应变曲线出现明显的屈服硬化,峰值强度值随围压的增高而增高,达到峰值强度时的变形也随围压增加而增加。由于突出煤变形过程是其内部裂纹和空隙结构发生、发展起主导作用的过程,围压对突出煤体变形破坏的影响表现在对其裂纹和空隙结构发生、发展的影响。弹性变形阶段是突出煤体原生裂纹和空隙空间经过压密段已经被压密,而新裂纹又没有进入到大量发生、发展的阶段,因此在弹性变形阶段可以认为没有新的裂纹发生和扩展,仅为其原生裂隙和空隙空间被压实闭合。在非线性变形阶段,新的裂纹裂缝开始大量产生,特别是临近峰值强度时微裂纹密集、相互搭接和并合,以致进一步形成宏观裂缝。围压对裂纹裂缝发生、发展起阻碍作用,围压大阻碍就大,围压小阻碍就小。因而围压的不同对突出煤非线性变形的影响很大,即突出煤体的非线性变形随围压高低而改变。围压越大,突出煤结构的原始裂隙和孔隙空间被压缩得越厉害,煤样的密实程度和摩擦特性得到提高,其强度、承载能力得以改善,力学性质被强化。此外,从图2中可以看出,瓦斯压力一定时,突出煤在围压为0和2MPa时几条应力–应变曲线在经历压缩阶段后有一个往下凹的部分,分析其原因可能是突出煤样内部存有原始的节理或原始损伤弱面以及煤样两端不平所引起压力机端头摩擦所致。3.2瓦斯压力对突出煤体力学和非力学作用的影响根据试验测试结果,图3列出围压一定(本次试验所取围压大小为1.00MPa),瓦斯压力分别为0.25,0.50,1.00,1.50和2.00MPa这5种不同等级情况下,含瓦斯突出煤样三轴压缩下应力–应变曲线图。由图3可知,经过饱和吸附瓦斯后的突出煤样,在固定围压一定时,瓦斯压力对其力学和变形特性有着显著的影响。随着瓦斯压力的增加,其应力–应变曲线明显向下弯曲,突出煤样在弹性变形阶段的弹性模量和其塑性硬化后的承载强度随瓦斯压力的增加而降低,而峰值应变量却单调增大。这主要是瓦斯对煤体的力学和非力学共同作用造成的。瓦斯压力对突出煤的力学作用与围压对其作用恰好相反,瓦斯压力有促进裂纹发生、发展的作用,使得突出煤样的力学性质得到恶化。同时瓦斯对煤来说是活泼流体,它对突出煤体除了有力学作用外,还有非力学的附加作用,即煤体对瓦斯的吸附和解析作用,而且这种附加作用与瓦斯压力大小密切相关。突出煤体颗粒吸附瓦斯气体分子后,使其附着于煤体颗粒表面,从而煤固体之间的联结力小于没有吸附瓦斯时的联结力,而且吸附的瓦斯分子还将由于被煤体颗粒吸引而挤入2个接触很近的颗粒之间,使其间的距离增加,也使黏结力减小,因而宏观上表现为突出煤体抵抗变形的能力降低,即弹性模量和强度的降低。同时,突出煤样吸附瓦斯后容积加大,吸附应力使其煤样产生向外膨胀变形、变形量增加,因此瓦斯压力越大其峰值应变越大。瓦斯的力学和非力学作用对煤体力学和变形特性的影响均随瓦斯压力的增加而变大,宏观表现为,瓦斯压力越大,突出煤样的弹性模量和峰值强度降低越多,而峰值应变增加越多。3.3突出煤样弹性模量和出煤体应力对试验结果进行整理分析,拟合得到固定瓦斯压力(试验中为0.25MPa),5种不同围压下,突出煤样三轴抗压强度、峰值应变以及弹性模量与围压关系曲线,分别如图4(a)~(c)所示。从图4(a),(c)可以看出,突出煤样的三轴抗压强度和弹性模量在围压为0,1.00,2.00,4.00和6.00MPa下的平均值分别为:8.21MPa,1.12GPa;9.67MPa,1.69GPa;12.35MPa,2.21GPa;16.34MPa,2.57GPa;20.42MPa,3.15GPa。其三轴抗压强度和弹性模量随围压增加后的平均增大率分别为:17.80%,50.44%;27.64%,30.76%;32.32%,16.44%;24.99%,22.54%;整体平均相对增加率分别达到25.69%和30.05%。瓦斯压力固定下,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量与围压呈良好的线性关系,随着围压的增加,突出煤样的三轴抗压强度和弹性模量均呈线性单调增加。对试验数据进行进一步整理分析,拟合得到三轴抗压强度和弹性模量与围压之间的关系表达式分别为式中:σc为三轴抗压强度(MPa),σ3为围压(MPa),E为弹性模量(GPa),P为瓦斯压力(MPa)。由图4(b)可以看出,试验曲线与拟合曲线除少数点外(围压为0时),基本吻合。突出煤样的峰值应变在围压为0,1,2,4和6MPa下的平均值分别为:8.52%,7.79%,7.99%,9.27%和10.45%。其峰值应变随着围压增加后的平均增大率分别为:-8.58%;2.65%;15.92%和12.69%;整体平均相对增加率达到5.67%。瓦斯压力固定下,突出煤样的峰值应变与围压整体上呈线性关系,随着围压的增加,突出煤样的峰值应变呈线性单调增加。二者之间的关系为式中:εs为峰值应变(MPa)。从图4(b)还可以发现,试验曲线存在异常点,即突出煤样在围压为0时的峰值应变值明显偏高。结合图2应力–应变曲线可以得出其原因可能是,试验的突出煤样存在原始的损伤结构如节理、弱面等,在突出煤样的初期分线性变形阶段,在围压和轴压的作用下,突出煤体在损伤结构面有一个明显的滑移失稳变形过程,在此期间煤体的承载能力主要由颗粒间的摩擦支撑,经过一段时间的调整后,进入正常的弹性变形阶段,从而使得其达到峰值应变的值比正常情况下大。同时,突出煤样两端不平整度以及端面与试验机间的摩擦也会加剧图中滑移失稳的发生。图5(a)~(c)列出了固定围压下(试验中为1MPa),5种瓦斯压力下,突出煤样三轴抗压强度、峰值应变以及弹性模量与瓦斯压力关系拟合曲线图。从图5(a),(b)可以看出,突出煤样的三轴抗压强度和峰值应变在瓦斯压力分别为0.25,0.50,1.00,1.50和2.00MPa下的平均值分别为:8.57MPa,10.05%;7.17MPa,10.20%;5.56MPa,10.23%;4.08MPa,10.38%和3.74MPa,10.55%。其三轴抗压强度和峰值应变随围压增加后的平均减小率和增加率分别为:16.34%,1.49%;22.45%,0.29%;15.83%,1.47%和20.09%,1.64%;整体平均减小和增加率分别达到18.68%和1.22%。围压固定下,突出煤样的三轴抗压强度、峰值应变与瓦斯压力呈良好的线性关系,随着瓦斯压力的增加,突出煤样的三轴抗压强度呈线性单调递减;而峰值应变则呈线性单调增加。对试验数据进行整理分析,拟合得到三轴抗压强度和峰值应变与瓦斯压力之间的关系表达式分别为由图5(c)可以看出,突出煤样的弹性模量在围压为0,1,2,4和6MPa下的平均值分别为:1.61,1.20,1.07,0.91和0.67GPa。其弹性模量随围压增加后的平均减小率分别为:25.47%;10.83%;19.45%和26.37%;整体平均减小率达到19.41%。在瓦斯压力固定条件下,突出煤样的弹性模量与瓦斯压力整体上呈二次非线性对数关系,随着瓦斯压力的增加,突出煤样的弹性模量单调减小,二者之间的关系为3.4固定围压与瓦斯压力下的煤中瓦斯的有效应力试验结果突出煤体中的瓦斯以游离和吸附2种状态存在,并在一定温度和瓦斯压力下保持动平衡。含瓦斯突出煤的变形破坏同时受到这2种状态瓦斯的影响。游离瓦斯对煤体变形破坏的影响是通过孔隙压力作为体积力而作用的。吸附瓦斯通过吸附解吸作用使煤的力学性质发生改变。从宏观说来,突出煤样受轴压、围压和瓦斯压力综合作用,可用一个抽象的宏观应力来表述,称为有效应力。由于突出煤具有结构松软,内部含有较多的弱面和原始损伤,强度小、抵抗外力破坏能力差,在应力作用下易于发生失稳破坏的特点,与松散度较大的土介质较为近似。因此,有效应力可表示为突出煤外部正应力和内部瓦斯(孔隙)压力的简单差值。根据T.W.Lambe,R.V.Whiteman,J.C.Jaeger和N.G.W.Cook的相关研究成果,有效应力可以表示为式中:σi′j为有效应力(MPa),σij为应力张量(MPa),δij为Kronecker函数。对试验测试结果作进一步分析整理,将图2和3中5组固定围压和瓦斯压力下的突出煤样瓦斯三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变取平均值,经整理分析(去除异常点)得到固定围压和瓦斯压力2种情况下,突出煤样平均三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变与有效应力的关系曲线图,分别如下图6(a)~(f)所示。由图6可以看出:瓦斯压力固定条件下,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变在有效应力为7.96,10.42,14.10,20.09和26.17MPa下的平均值分别为:8.21MPa,1.12GPa,8.52%;9.67MPa,1.69GPa,7.79%;12.35MPa,2.21GPa,8.00%;16.34MPa,2.57GPa,9.27%和20.42MPa,3.15GPa,10.45%。其三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变随有效应力增加后的平均增加率分别为:17.80%,50.44%,8.58%;27.64%,30.76%,2.65%;32.32%,16.44%,15.92和24.99%,22.54%,12.69%;整体平均增加率分别达到25.69%,30.05%和5.67%。围压固定条件下,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变在有效应力为3.74,5.18,6.56,8.67和10.32MPa下的平均值分别为:8.57MPa,0.67GPa,10.05%;7.17MPa,0.91GPa,10.20%;5.56MPa,1.07GPa,10.23%;4.08MPa,1.20GPa,10.38%和3.74MPa,1.61GPa,10.55%。其三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变随有效应力增加后的平均增加率分别为:16.34%,26.37%,1.49%;22.45%,19.45%,0.29%;15.83%,10.83%,1.47%和20.09%,25.45%,1.64%;整体平均增加率分别达到18.68%、19.41%和1.22%。无论是固定围压还是固定瓦斯压力情况下,有效应力对含瓦斯突出煤力学性质影响规律基本一致。有效应力对含瓦斯突出煤的力学性质具有强化和改善的作用。随着有效应力的增加,含瓦斯突出煤的弹性模量、三轴抗压强度和峰值应变均单调增加,三者与有效应力的理论关系表达式可表示为式中:σ′为有效应力(MPa);a,b,c,d,m,n均为拟合系数。注意:固定瓦斯压力P=0.25MPa;围压σ3=1.00MPa。4瓦斯压力试验突出煤是一种多孔介质,一般其内部中都含有含量不等的瓦斯,它给开采带来很多不利因素和事故隐患。且煤和瓦斯突出是煤体与瓦斯气固耦合作用下煤岩体发生失稳破坏所造成的动力破坏现象,因而在试验研究不同应力(围压)和孔隙压力(瓦斯压力)下含瓦斯突出煤的力学特性,对煤与瓦斯突出的发生机制、防治措施和预测预报深入研究具有重要意义。一般地说,突出煤的变形量较大,结构比较松散,裂隙较为发育,瓦斯吸附量也会较高。但是突出煤的强度却较低,因而突出煤体较易受到破坏,使突出发生的危险性和突出的强度都有很大的提高。根据现场的观察,突出煤层多具有软分层,而且软分层愈厚则突出的危险性愈大。在突出煤的孔隙、裂隙空间中充满流体时,流体对孔隙、裂隙周边产生法向压力,这种压力称为孔隙压力。对于突出煤层来讲,这种流体即为瓦斯,孔隙压力也可称为瓦斯压力。在煤炭开采或瓦斯抽放过程中煤体变形引起煤体内瓦斯在其空隙空间中流动形态改变,瓦斯(孔隙)压力将发生变化。瓦斯(孔隙)压力的变化不仅直接改变煤岩体的应力状态,而且引起煤体吸附瓦斯量的变化。煤体吸附瓦斯量的变化,又使煤体的物理力学性质、应力状态及变形发生改变。同时,煤体吸附瓦斯量的变化又影响瓦斯的流动形态。如此反复相互影响、相互作用。含瓦斯突出煤体的变形破坏过程受有效应力控制,这从试验图6中可以看出。在有效应力作用下,煤体的裂纹发生发展,当局部有效应力超过峰值强度时,此局部区域的煤体成为应变软化的非稳定区,此时如遇外界扰动将很容易发生失稳破坏,从而发生煤与瓦斯突出。瓦斯压力以体积力形式作用于煤体层,瓦斯压力增加,阻碍了煤体的收缩程度,促进煤体内部裂纹发生、发展,减弱了宏观裂缝面间的摩擦因数,也使得煤体的强度和弹性模量降低,这是瓦斯对煤的力学作用。而由于瓦斯是可压缩气体,且煤对瓦斯的吸附解吸作用十分强烈,短时间内吸附解吸量就有剧烈变化,因此瓦斯对煤体的作用不是单纯力学作用,还有非力学的吸附和解析作用。瓦斯压力增大,增强了煤样吸附性,煤吸附瓦斯后减小了煤的表面张力,使