围压对煤体力学性质影响的实验分析研究

围压对煤体力学性质影响的实验分析研究

作者

(1. 重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030；2. 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400030；3.北京科技大学土木与

环境工程学院北京 100083)

摘要：利用含瓦斯煤三轴伺服渗流系统，对突出型煤试件进行不同围压的三轴压缩试验。试验结果表明：围压对煤样的弹性模量、峰值强度和变形特性都有一定程度的影响；煤样的弹性模量、峰值强度和变形都随围压的增大而增加。根据以上的研究，围压对煤岩体强度的影响规律和煤岩体的变形特性,对进一步认识含瓦斯煤岩的力学性质具有重要的意义。

关键词：三轴压缩试验；围压；峰值强度；弹性模量；体积应变

1 引言

由于浅部煤炭资源的逐步耗竭，煤矿开采向地层深部延伸，同时矿井的各种作业活动都处于一种高应力状态下，从而增加了矿井灾害事故发生的可能性，其中很重要的一个原因就是在高应力下煤岩体表现出来的物理力学性质发生了变化。因此，研究高应力对煤岩体力学性质的影响，对矿井灾害事故防治具有重要的意义。

目前国内外学者在这方面做了大量的研究工作，并取得一定研究成果。文献[1~3]研究了围压和瓦斯压力对煤样强度、弹性模量及变形的影响；文献[4~7]针对不同的岩石做了围压对弹性模量及变形的相关研究，随着实验手段的更新和新仪器的研发，实验中所测量数据的准确性和可靠度都有大幅度的提高。因此，本文将利用含瓦斯煤三轴伺服渗流系统进行不同围压煤样三轴压缩试验，对所得到的结果分析围压对型煤试件力学性质的影响和力学变形破坏性质。

2 煤样制备及试验方法

2.1 煤样制备

由于煤岩体中大量的孔隙裂隙的存在，即使同一煤层取出的煤样，其强度和弹性模量的离散性都比较大，从中很难得出普遍结论。尹光志等[8]认为型煤和原煤两中含瓦斯煤样所得到的变形特性和抗压强度的变化规律是一样的。考虑到原煤煤样的难制作性及其离散性，因此本文将型煤煤样替代原煤煤样用于煤样基本

力学性质的一般性规律探讨是可行的。

突出煤层突出现场。

本次试验的突出煤样取自天府煤业有限公司三汇一矿K

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在型煤煤样的制作过程中，将所取原始煤块用粉碎机粉碎，取40～60目的煤粉颗粒，然后将筛选出来的煤粉与少量纯净水和均匀后置于成型模具中，在200t刚性试验机上以100MPa的压力压制成φ50mm×100mm的标准煤样。最后将制作好的型煤煤样烘干后置于干燥箱内以备实验时用，制做好的煤样如图1所示。

图1制作好的型煤煤样

2.2 试验仪器

煤样的三轴渗流试验是在自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统上进行的，该装置主要由瓦斯罐(施加瓦斯压力)、试验用电脑、数字控压系统(施加轴压和围压)、三轴渗透仪、数字流量计、轴向位移计和径向引伸计等组成，如图2所示。试验设备可以模拟研究在不同地应力(围压和轴压)和瓦斯压力作用下的煤样瓦斯渗透试验。

图2含瓦斯煤三轴伺服渗流系统

2.3 试验方法和步骤

本次三轴压缩试验采用围压分为2MPa、4MPa、6MPa三个等级进行。采用先加围压至预定值,再以0.1mm/min的轴向位移速度加载至煤样破坏的试验方法。。试验步骤如下：

(1)涂硅胶＋安装热缩管 首先从干燥箱内取出煤样，在煤样的侧面均匀地涂上硅胶（上下两端头除外），待硅胶干透后，将试件放置于压力室的上下两个压头之间，让试件与上下两个压头紧密接触，再用一段160mm 左右的热缩管包住煤样，并用电吹风将热缩管均匀吹紧，保证热缩管与煤样侧面紧密接触（不能有气泡）。然后用2个金属箍将上下两端的热缩管分别紧箍在上下2个压头上。

(2)装机 完成第一步后，在煤样中部位置安装好径向引伸计，并调试是否与电脑连接好。然后安装上轴向固定器，将煤样和上下压头固定好，再安装好三轴压力室，拧紧螺丝。

(3)开始实验 完成第二步后，启动液压油泵开始加压，先施加一较小的轴向压力，然后以0.02MPa/s 速率施加围压至设定值，然后开始施加轴向压力直至试件破坏。

3 试验结果及分析

不同围压下三轴压缩试验结果如图3、4及表1所示。

图3 不同围压下的应力-应变曲线 图4 煤样的峰值强度、弹性模量与围压的曲线

煤样编号

屈服强度/MPa 峰值强度/MPa 峰值应变/% 弹性模量/MPa T2

14.18 17.55 5.83 488 T4

20.79 25.47 5.96 588 T6 28.11 33.42 6.42 652

3.1 围压对煤样的峰值强度、弹性模量的影响

突出煤样在不同围压作用下常规三轴压缩试验结果见图3（2、4、6表示围压，εv 为体积应变，ε3为径向应变，σ1-ε1为轴向应力-应变）和表1,通过对比不同围压下的试验结果表明：随着围压的增大，试件的弹性模量E 、峰值强度σc 都随之增

大。围压对峰值强度的影响，分析其原因是由于煤的孔隙裂隙非常发育，在围压2

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的作用下孔隙裂隙被压密闭合，而使煤岩抵抗破坏的能力增大，围压对煤试件裂纹裂缝发生、发展起约束作用，因而提高了煤样的峰值强度；其约束作用的大小与围压的变化具有相同的趋势。围压较小对试件的约束就较小，试件抵抗破坏的能力也较小。因此，在轴向压力的作用下，试件峰值强度σc 也较小；随着围压的增大，其约束作用就越大，煤样的孔隙裂隙闭合更加密实，抵抗破坏的能力也随之增大，煤样的峰值强度σc 也明显的增加。从表1中可以得出，在围压为6MPa 时，煤样的峰值强度分别比围压为2MPa 、4MPa 时的峰值强度大31.2％和90.4％，而围压4MPa 时的煤样峰值强度比2MPa 的峰值强度大45.1％。当围压为2MPa 时，煤样承载能力达到峰值强度后，轴向应力迅速地下降到残余强度，而在4MPa 、6MPa 的围压条件下未出现这种情况，这说明了随着围压的增加，煤样的延展性也随之增大，表现出明显的塑性材料的特征。由图4可知,煤样峰值强度σc 与围压σ3之间具有较好的线性关系回归关系为：

33.48257.0967c σσ=+ 20.9991R = (1)

式(1)是以主应力表示的Coulomb 强度准则。说明在试验的围压范围内，煤岩破坏符合Coulomb 强度准则，其破坏形式一般呈现剪切破坏，如图5。

图5 煤样破坏前后效果对比

关于围压对弹性模量的影响，不同的岩石所得出的实验结果是不同的。岩石的弹性模量随围压的变化情况与岩石内部微结构、缺陷和裂隙度密切相关.一般情况下，石英砂岩、花岗岩、玄武岩等岩石内部孔隙裂隙等缺陷较少。因此，围压对这类岩石试件的压密闭合作用较小，对弹性模量的影响也较小。

但煤岩等岩石含有大量的微结构、孔隙和裂隙，在围压的作用下，各种孔隙裂隙及微结构被压密闭合，根据摩尔库伦定理可知煤岩内部的变形受结构面上的摩擦力影响，而结构面上的正应力与围压有关，因而弹性模量的大小与围压有关。由于煤岩中存在大量的孔隙、裂隙及微结构，在围压的作用下，孔隙裂隙逐渐压密闭合，煤岩的抵抗变形破坏的能力随之增加，因此弹性模量也随之增大。图4剪切面