煤岩地层岩石的力学特性分析(初稿)

煤岩地层岩石的力学特性分析摘要：煤岩地层岩石的力学特性包括变形特征和强度特征。

本文对煤岩的力学特性进行了系统的分析，探讨了岩石试件在各种载荷作用下的变形规律和开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，为煤矿的开采和煤层气的开发提供理论依据。

关键词：煤岩力学特性变形特征强度特征1、煤岩的结构构造特征岩石的组成成分、结构构造特征造成了岩石物质成分的非均质性、物理力学性质的各向异性和结构构造的不连续性。

这是区别于其他力学材料的最突出特征，而煤岩层的这些特征尤为显著。

煤岩的非均质性和各向异性突出表现在其组成成分在同一煤层中纵向（垂直层理）和横向不同方向和深度上的差异，以及在其生成过程中所形成的明显层状构造和孔隙结构所体现出的差异。

通常煤岩中存在有两组近于垂直的割理，主要裂隙组面割理发育较完善延伸可至数百米，而端割理发育在面理之间，沟通了面割理。

两组割理与层理面近于垂交或陡角相交。

由于煤岩层状构造发育，空隙结构特殊，构造作用对后期的改造或产生裂隙，都充分体现出了煤岩结构构造的不连续性。

2、煤岩地层岩石的强度特征2．1单轴压缩条件下煤岩的强度特征对鲍店矿3煤31个煤样和新河矿3煤48个煤样在MTS815.03岩石伺服试验机上采用s15-⨯的轴向应变加载速度进行10mm/单轴压缩试验(加载方向均垂直于煤层层面),得出的详细力学参数见论文第3章表.33和.34,结果汇总在表4.1中。

煤岩强度较低且离散性大的原因除与试验条件、取样制样技术等外在因素有关外,第2章的研究结果表明,主要与其微组分、微孔隙裂隙、微结构等内在因素有关。

对煤岩单轴抗压强度的试验结果表明,煤岩强度与其容重、空隙率、含水率、煤体结构以及煤岩变质程度等有关。

具体来讲,煤块的单轴抗压强度随其容重的增加而增加;随其孔隙率的增加而减小;煤体节理裂隙越发育,其强度越低;受火成岩影响,煤的变质程度越高,其强度越高。

2．2三轴压缩条件下煤样的强度特征岩石在三轴压缩条件下的最大承载能力称三轴极限强度或三轴压缩强度氏,恒定围压下岩样破坏后,应力应变曲线中不随压缩变形增大而变化的轴向应力称残余强度氏。

煤样中含有大量的裂隙,其变形将受到摩擦力的影响,而裂隙面上的正应力与围压有关,增加围压,相当于增加了裂隙面上的正应力,裂隙面的滑移受到增大了的摩擦力的抑制而减小,因而提高了煤样的极限强度。

因此,煤样的三轴压缩强度σ和残余强度sσ均随围压的增大而增大。

图4.12和图4.13分别为鲍店矿3 r煤和新河矿3煤常规三轴压缩强度和残余强度与围压关系试验结果。

可以看出,煤样三轴强度及残余强度均与围压呈近似正线性相关关系。

3煤岩地层岩石的变形特征3.1单轴压缩条件下煤岩的变形特征煤岩的弹性模量也与其单轴抗压强度一样,与煤样的微组分!微结构等密切相关,具体与其物理性质有关,如煤岩的孔隙率、含水率、煤体结构等。

煤岩孔隙率、含水率愈高,煤岩弹性模量愈小,煤岩孔隙裂隙越发育,其弹性模量越小。

另外,本次试验结果还表明,对于同一种煤岩,虽然其强度和弹性模量离散性较大,但两者之间具有明显的正线性相关性。

图4.1为两矿3煤煤样单轴抗压强度与弹性模量之间关系的实测结果,由图可见,煤岩单轴抗压强度与弹性模量之间总体上呈线性相关关系。

两矿3煤弹性模量与其单轴抗压强度实测结果的回归关系式分别为:鲍店矿3煤:E=89.865σ+1285.5(相关系数0.832)(4.1)c新河矿3煤:E=87.398σ+1002.9(相关系数0.813)(4.2)c3.2单轴压缩条件下煤岩变形破坏演化过程为了分析煤样内部裂隙的产生、发展、连通等演化及破坏过程,在进行单轴压缩试验时,对部分煤样同时进行了煤岩压缩破坏过程的声发射试验。

岩石在载荷作用下产生的声发射主要和其内部裂纹的产生、扩展和连通有关。

当岩石受力变形时,岩石中原来存在的和新产生的裂缝周围出现应力集中,应变能较高,当外力增加到一定大小时,在裂隙缺陷位置发生了微观屈服或变形,裂隙扩展,从而使得应力松驰,一部分贮存的能量将以应力波(声波)的形式释放出去,形成声发射。

声发射时能量的释放代表了损伤的产生,声发射的强弱代表了损伤的程度"所以,声发射信息能够反映岩石内部的损伤破坏情况。

反映声发射特性的参数有多个,本文采用声发射率和能率两个参数来分析煤样压缩变形破坏过程中的声发射特性"声发射率CNT(N/S)为单位时间内所观测到的振铃计数,也称振铃记数率,声发射率反映了声发射发生的频度,同时在一定程度上反映了声发射信号的幅度,因而涉及声发射能量152〕;声发射能率ENE(mV)是指单位时间内所观测的全部事件的发射能的总和,与所观测到的事件所在波形的幅度值的平方成正比,反映了声发射的强弱。

煤、岩压缩破坏过程的声发射试验方法见论文第7章7.1,鲍店矿3煤和新河矿3煤典型煤样单轴压缩全应力应变过程中的声发射试验结果见图4.2、4.3。

从煤样单轴压缩全应力应变曲线和相应的声发射试验结果可以看出,一般情况下,煤岩受压变形破坏演化过程可划分为如图.44所示的五个阶段。

(1)OA段为压密阶段"煤体中含有大量的孔隙!裂隙!层理!节理等缺陷,在载荷作用下,这些缺陷被压密闭合,表现在应力应变曲线上,OA段曲线向上凹,应变速率大于应力速率。

由于煤体强度比较低,孔隙裂隙闭合时,粗糙的壁面附件的部分煤体会发生变形和微破裂,从而引起声发射的产生,不过该阶段声发射频率较小且能量较低。

(2)AB段为表观线弹性变形阶段。

从宏观上讲,该阶段近似为线弹性,应力一应变曲线呈线性连续,但从微观上看,煤体的变形和破裂是非连续的、阵发性的,因此,煤体变形和破裂过程中产生的声发射也是阵发性的,而不是连续性的。

只有当煤体中的变形能聚积到一定程度,才能引起破裂,而每一次的破裂均会引起弹性能的释放,产生声发射。

当煤体中裂纹尖端附近的能量不足以引起微裂纹继续扩展时,裂纹扩展中止,煤体中继续积累能量,此过程声发射平静。

在该阶段,煤体中的变形大部分为可逆变形,卸载后大部分变形会将恢复,但仍有一小部分残余变形,即存在小部分塑性变形,这是由于颗粒之间和颗粒内部的位错滑移等造成的,因此,该阶段严格来讲不是线弹性变形,可称为表观线弹性变形阶段。

在该阶段,煤体微破裂随变形增大呈逐步增强趋势,声发射频率和强度总体上也呈逐步增强趋势。

中硬的新河矿3煤该阶段声发射率及能率呈现典型的脉冲式逐渐增强趋势;而坚硬致密的鲍店矿3煤该阶段声发射相对沉寂,只出现了数量较少。

强度较低但也是逐渐增强的声发射现象,说明在该阶段只出现了数量较少。

尺度较小的裂隙,这与坚硬岩石在该阶段的声发射特性类似。

(3)BC段为加速非弹性变形阶段,经过表观线弹性变形阶段后,煤体中开始出现了数量较多和尺度较大的裂纹,使煤体的承载能力降低,该阶段中煤体积累了足够的能量,变形开始加速,载荷上升相对较缓慢,煤体中产生的大量微裂纹汇合、贯通,并最终发生破坏失稳。

在该阶段后期,即使保持载荷不变,煤体也会发生变形。

该阶段声发射事件数急剧增加,能率急剧增大。

部分煤样声发射事件率及能率峰值出现在该阶段强度峰值附近。

(4)CD段为破裂及其发展阶段。

煤体失稳破坏后,应力逐渐降低,变形增大,裂隙加密贯通,此时声发射事件数很大且能率很高,大部分煤样的声发射率及能率最大值出现在该阶段的强度峰值附近。

继续加载,煤体处于残余破碎或碎块体挤压变形过程,声发射率逐渐减少,且能率逐步降低。

(5)DE段为塑性流动阶段。

随着塑性变形的持续发展,煤体最终达到松动、破碎的残余强度阶段,此阶段声发射事件逐渐消失。

可见,煤体的受压变形破坏过程与其内部原生裂隙的压密,新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,其声发射特征较好地反映了煤岩体的变形破坏和损伤演化特性。

因此,可以通过煤岩压缩破裂过程中的声发射特征预测其变形破坏状态。

单轴压缩条件下,岩石的实际破坏形式较复杂。

本次试验结果表明,煤样最终的破坏均是呈现沿轴向或接近轴向的劈裂破坏形式。

图4.5为部分煤样在单轴压缩条件下的破坏形态。

3.3常规三轴压缩条件下煤岩的变形特征3.3.1试验方法及煤样条件(l)试验方法煤样常规三轴压缩试验在山东科技大学MTss15.03岩石伺服试验机上进行。

采用先加围压至预定值,再以s10⨯5.15-/mmmm/的轴向应变速度加载至煤样破坏的试验方法。

(2)煤样条件三轴试验采用的煤样与单轴试验相同,为鲍店矿3煤和新河矿3煤"因三轴压缩需对比分析不同围压作用下的强度及变形特征,为减少盲目试验和尽可能降低因煤样力学参数离散性对试验结果的影响,试验前对两种煤岩同时加工了大量煤样,最后从两矿煤中各选取相邻位置两个大块煤上加工的且纵波速度相近!表面无明显缺陷的8个煤样参与三轴压缩试验。

由于两矿3煤煤样的纵波速度与其单轴抗压强度之间具有很强的指数关系,根据第3章回归得出的煤样力学参数与纵波速度的回归关系及实测的超声波速度可以预计煤样的单轴抗压强度及弹性模量,参与三轴压缩试验的煤样条件见表.42。

鲍店矿3煤和新河矿3煤常规三轴压缩条件下的主应力差一轴向应变曲线分别见图.46和.47,试验结果的特征数值分别见表.43和.44"4.2.2三轴压缩条件下煤岩的变形破坏过程由图4.6、4.7可见,同单轴压缩应力应变过程类似,煤岩三轴压缩变形破坏过程也可分为5个阶段:压密阶段、表观线弹性变形阶段、加速非弹性变形阶段、破裂及发展阶段、塑性流动阶段。

煤岩是一种微观不均质体,含有大量的各种各样的天然缺陷(如微孔隙、裂隙、层理、节理等),在每一级围压下,在开始施加轴向压力时,煤岩内部缺陷被压密,部分孔隙裂隙闭合,煤样中的孔隙比减小,应力应变曲线上凹,但在较大的围压作用下,煤样中的微缺陷已在很大程度上被压密闭合,轴向加载时初始压密阶段显得不明显。

继续增加轴向载荷,煤样稳定承载,表现为相对明显的线弹性,正如前面所分析的,本阶段并非严格意义上的线弹性,也称为表观线弹性变形阶段。

之后,增加轴向应力,变形继续增加,煤样中开始出现新的裂隙,并随着应力增加裂隙的数量及尺度逐步增加,大量的裂隙开始连接贯通,最终使煤样承载结构失稳,并沿一定结构面发生剪切滑移,产生贯通的宏观裂隙,煤样失去承载能力,应力应变曲线转为下降,进入破裂发展阶段,裂隙加密贯通,并逐渐发展到煤体残余破碎或破碎块体挤压变形阶段,随着塑性变形的持续发展,煤岩最终达到松动!破碎的残余强度。

参考文献1、《岩石力学与石油工程》，楼一珊、金业权编著2、《煤岩力学性质测试与分析与应用》李同林乌效鸣屠厚泽(中国地质大学工程学院,武汉430074)3、《煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究》，山东科技大学博士学位论文常规三轴压缩条件下煤岩强度及变形特征试验研究，杨永杰。