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      天然與飽水狀態(tài)下煤樣動靜力學(xué)特性

      2022-08-06 07:07:54甄懷賓徐博瑞陳高杰
      實驗室研究與探索 2022年4期
      關(guān)鍵詞:單軸煤體煤樣

      甄懷賓, 徐博瑞, 袁 樸, 陳高杰

      (中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司;中石油煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100095)

      0 引 言

      煤是一種自身存在大量孔隙和天然裂隙的多相復(fù)合介質(zhì),煤中水的含量對煤在動靜載荷作用下的力學(xué)性質(zhì)有重要影響[1-2]。天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下煤樣的動靜力學(xué)特性有很大的區(qū)別[3]。煤中水的含量對煤的破壞及破壞過程中的微震或聲發(fā)射有重要的影響。飽水煤樣在沖擊作用下的強度和破壞特征研究較少,飽水煤樣的力學(xué)特性有待進一步研究,其研究結(jié)果對預(yù)防沖擊地壓具有重要意義。

      技術(shù)人員和學(xué)者對于天然和飽水狀態(tài)下煤巖的力學(xué)強度和破壞特征進行了研究[4]。蔣長寶等[5]研究了不同含水率煤的孔隙狀態(tài),研究結(jié)果顯示,飽水煤樣和干燥煤樣有顯著的不同,飽水煤樣比干燥煤樣的孔隙增加。張輝等[6]研究了煤樣在飽和狀態(tài)下的巴西破壞特征,總結(jié)了煤在天然和飽水狀態(tài)下煤的抗拉強度和峰值變化成正相關(guān)關(guān)系。蘇承東等[7]研究了煤的浸水不同沖擊傾向性差異,分析對比了飽水時間對煤的沖擊傾向性的影響,得到了飽水下煤的強度、沖擊能量等指標(biāo)存在一定程度的降低。趙毅鑫等[8]通過實驗研究了煤的動態(tài)拉伸過程中能量耗散規(guī)律,在沖擊動載作用下飽水煤樣碎屑大于天然煤樣。王文等[9]通過改進的動載裝置研究了不同含水狀態(tài)下動靜組合試驗,分析了不同含水煤樣的能量特征。侯旭偉等[10]研究了不同飽水壓力在重復(fù)沖擊下的煤樣的敏感特性,重復(fù)載荷次數(shù)增加,煤的敏感性減弱,滲透率降低。

      國內(nèi)外研究者未對煤的動靜載進行系統(tǒng)對比,煤礦巷道和工作面附近經(jīng)常發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象。在此過程中,煤的含水狀態(tài)影響了不同煤層所處應(yīng)變率的破壞現(xiàn)象。為了緩解煤層沖擊地壓,注水提高煤層的軟化性成為解決沖擊傾向性煤層發(fā)生沖擊的一種解決方法。本文對天然和7 d飽水狀態(tài)下煤的動靜載實驗研究,分析了天然和7 d 飽水狀態(tài)下煤樣在單軸和3 軸壓縮與一維動載和圍壓動載作用下的強度特征和損傷形態(tài),研究結(jié)果為煤的力學(xué)特性和煤礦沖擊地壓防治提供理論和工程指導(dǎo)。

      1 試驗準(zhǔn)備

      1.1 試件準(zhǔn)備

      在某礦沖擊傾向性煤層中采集煤樣,為了減少試驗中數(shù)據(jù)的散射,試件從同一工作面采集與切割,試件大小為φ50 mm ×50 mm 圓柱體,不平行度小于0.05 mm,表面均勻度小于0.02 mm,符合國際巖石力學(xué)協(xié)會建議規(guī)范,如圖1 所示。

      圖1 φ50 mm×50 mm煤體試件

      煤是一種復(fù)雜的非均質(zhì)巖石,具有孔隙裂隙和多節(jié)理結(jié)構(gòu),在宏觀和微觀尺度上都不同于石灰?guī)r、花崗巖和砂巖。在試驗過程中,所選樣本分為兩組:天然狀態(tài)和7 d飽水狀態(tài)。為了便于比較,動靜載試驗中使用的試樣尺寸相同。

      1.2 試驗裝置

      靜態(tài)試驗采用液壓伺服試驗機實驗系統(tǒng)進行,如圖2(a)所示。動載試驗利用實驗室75 mm-SHPB 實驗系統(tǒng)進行試驗[11-12],壓桿系統(tǒng)由入射桿、透射桿組成,主要測量入射波、反射波和透射波,入射桿、透射桿均采用相同的高強度合金鋼,如圖2(b)所示。軸向預(yù)壓范圍為0 ~200 MPa,圍壓范圍為0 ~20 MPa,動沖擊載荷范圍為0 ~500 MPa。該系統(tǒng)采用半正弦波加載,以減小波形頻散,并利用異形子彈實現(xiàn)恒定的變形率。

      圖2 動靜載實驗系統(tǒng)

      2 試驗方案

      2.1 飽水煤樣制備

      從制備的試件中選擇裂隙較少的煤樣,在天然環(huán)境中靜置7 d 后,稱其質(zhì)量,并記錄,編號。將煤樣放置在容器中,向容器中注入水,將煤樣放置在水中每隔24 h稱量,直至質(zhì)量之差小于10 mg,7 d后,觀察飽水煤樣的質(zhì)量是否發(fā)生變化。煤樣質(zhì)量不發(fā)生變化后,將煤樣取出進行后續(xù)實驗。

      2.2 試驗過程

      在靜態(tài)壓縮試驗中,分別用5 mm 位移傳感器和1 MN壓縮傳感器測量軸向變形和載荷。在單軸無圍壓試驗過程中,采用位移控制0.02 cm/s 加載方式進行軸向加載。煤在未開采前的狀態(tài)處于三向圍壓狀態(tài),對煤進行三軸圍壓加載試驗中,圍壓分別為3、6 和9 MPa對天然狀態(tài)下和7 d 飽水狀態(tài)下的煤樣進行試驗。

      在SHPB試驗中,無圍壓SHPB 試驗直接進行沖擊,沖擊采用0.3 MPa壓力進行;圍壓SHPB試驗施加5 MPa的圍壓和8 MPa的軸壓,對天然狀態(tài)下和7 d飽水試件進行試驗。公式計算如下[13-14]:

      式中:ε·為應(yīng)變率;ε為軸向應(yīng)變;σ為軸向應(yīng)力,MPa;ε1(t)、ε2(t)、ε3(t)分別為SHPB 的實測入射、反射和透射應(yīng)變;A0為鋼筋的橫截面積,m2;E0為桿的彈性模量,GPa;C0為應(yīng)力波速度,m/s;L1為試件的長度,m;A1為初始橫截面積,m2。

      3 試驗結(jié)果與分析

      3.1 單軸試驗結(jié)果與分析

      如圖3 所示為伺服液壓試驗條件下天然狀態(tài)和7 d飽水狀態(tài)下煤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。煤體試件在天然狀態(tài)下的單軸抗壓強度為15.87 ~20.89 MPa,平均為18.66 MPa。7 d 飽水煤樣的單軸強度為14.48 ~18.18 MPa,平均為15.88 MPa。7 d 飽水煤樣與天然狀態(tài)之間的單軸抗壓強度軟化系數(shù)最大值為0.69。煤的強度表現(xiàn)出一定的分散性,隨著飽和時間的增加,強度呈下降趨勢。由于煤是沉積巖,具有天然裂縫,這些裂縫比其他巖石更發(fā)育,因此,煤的最大軟化系數(shù)高于巖石最大軟化系數(shù)。

      圖3 靜態(tài)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

      煤在單軸抗壓強度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為4 個階段:①壓實階段:煤自身存在的微裂紋和初始裂隙被壓實,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈向上凹形;②彈性階段:該階段的特征是微裂紋繼續(xù)致密閉合,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性增加;③擴展破壞階段:萌生主裂紋,誘發(fā)二次裂紋,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈漲落、下降并達到峰值;④峰值破壞階段:試樣在此階段出現(xiàn)滑移破壞。

      3.2 動載試驗結(jié)果與分析

      對天然狀態(tài)和7 d 飽水狀態(tài)試件進行了一維SHPB加載試驗。圖4 為動態(tài)作用下不同狀態(tài)煤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,天然狀態(tài)煤樣的動態(tài)強度為24.79 ~33.42 MPa,平均為29.98 MPa,7 d飽水煤樣的動態(tài)抗壓強度為19.88 ~22.68 MPa,平均為21.02 MPa。其動態(tài)強度軟化系數(shù)最大為0.59,同一飽和狀態(tài)下的試樣強度也表現(xiàn)出一定的散射性,說明煤樣具有非均質(zhì)性特征。煤在靜態(tài)試驗過程和動載試驗過程中,飽水狀態(tài)與煤的強度成反比。天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的煤樣在靜態(tài)和動載試驗下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線雖然具有相同的趨勢,但在彈性階段仍存在一定的差異。動載沖擊下煤的抗壓強度比靜載下煤的強度均有提高,一般提高了10% ~20%。

      3.3 三軸靜載試驗結(jié)果與分析

      圖4 動載作用下煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

      如圖5 所示為三軸作用下天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)煤樣的加載結(jié)果[15-16]。三軸加載下天然煤樣的強度范圍為42.35 ~46.63 MPa,平均44.35 MPa,變化幅度為5.1%。7 d 飽水煤樣的強度范圍為36.90 ~41.34 MPa,平均39.46 MPa,變化為12%。與天然狀態(tài)下煤樣相比,7 d 飽水煤樣的軟化系數(shù)為0.89。由于煤中含有多空隙和多裂隙,在三軸靜載條件下,飽和條件對煤的強度和變形行為有不同程度的影響,水對裂隙煤試樣有明顯的軟化作用。

      圖5 三軸作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

      3.4 圍壓下動載試驗結(jié)果

      在動載和圍壓相同的三維加載體系下,按照煤礦地應(yīng)力測試結(jié)果,根據(jù)計算,本文采用圍壓為5 MPa,軸壓8 MPa 時進行試驗,天然狀態(tài)煤樣和7 d 飽水煤樣的動載強度如圖6 所示。天然狀態(tài)煤樣的動強度變化范圍為33.23 ~56.34 MPa。7 d飽水狀態(tài)下煤樣的動強度為32.21 ~40.0 MPa。在三維應(yīng)力條件下,軸向壓力對7 d飽水狀態(tài)下煤樣動強度的影響與天然狀態(tài)下煤樣相似。7 d 飽水狀態(tài)下煤樣的動強度比天然狀態(tài)下動強度高7.85% ~18.44%,表明7 d飽水狀態(tài)下煤樣的動強度比天然狀態(tài)下試樣在圍壓動載試驗中有所提高。

      圖6 動載載荷下圍壓為5 MPa應(yīng)力-應(yīng)變曲線

      煤作為多孔介質(zhì),其致密度通常低于普通砂巖和石灰?guī)r,煤層中存在大量不規(guī)則裂隙和孔隙。煤樣在軸向壓縮和圍壓作用下,在三維壓縮應(yīng)力作用下仍處于彈性狀態(tài),隨著裂隙和孔隙的逐漸壓縮,其體積變小。當(dāng)試件保持在彈性范圍內(nèi)時,試件動載強度也隨之增大。軸壓和圍壓對試件動載強度的影響主要表現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)。

      4 破壞模式

      如圖7 所示為天然狀態(tài)下和7 d 飽水狀態(tài)下的破壞模式進行分析比較。在天然狀態(tài)下,煤樣有顯著的壓縮過程,煤樣試件的破壞不是從力的方向進行破壞,而是整個煤體試件整體破壞,說明了天然狀態(tài)下應(yīng)力均勻,天然狀態(tài)下煤體試件從開始破壞到完全破壞的時間較長,破壞的顆粒較大,如圖7(a)所示。

      飽水狀態(tài)下煤樣的破壞出現(xiàn)顯著的裂紋,裂紋較小,隨著時間的推移煤樣的裂紋逐漸擴大,貫穿整個煤樣試件,煤體試件開始出現(xiàn)整體裂紋,隨著時間的推移,試件完全破壞,煤體試件整體性遭到破壞,試件破壞時的煤體試件向外彈出。煤體破壞的時間較短,煤樣破壞顆粒較小,如圖7(b)所示。

      圖7 煤樣典型破壞模式

      對比天然狀態(tài)和7 d 飽水狀態(tài)下煤樣的破壞過程,天然狀態(tài)下煤樣的破壞持續(xù)時間較長,破片量較大,試件的完整性保持時間較長,而7 d飽水狀態(tài)下煤樣的破壞持續(xù)時間較短,破壞顆粒較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是煤樣中存在大量的空隙,天然狀態(tài)下煤樣中的空隙中含有空氣,而7 d 飽水狀態(tài)下煤樣中的空隙中含有水。7 d 飽水狀態(tài)下煤樣含水率增加,孔隙和裂隙均含水。施加靜荷載時,試件處于彈性狀態(tài),孔隙和裂隙受壓。

      在動荷載作用下,應(yīng)力波傳播到裂縫及其含水處,孔隙壓縮變形等效于作用在裂縫壁上的孔隙水壓力,從而縮短了7 d 飽水狀態(tài)下煤樣的破壞時間。同時,飽和水對裂縫黏結(jié)作用減弱,導(dǎo)致裂縫黏結(jié)力降低。因此,與靜態(tài)加載相比,煤樣在應(yīng)力波作用下更容易萌生和擴展裂紋,顆粒破碎尺寸更小。

      5 結(jié) 語

      本文研究了天然狀態(tài)和7 d飽水狀態(tài)煤樣在動靜載荷作用的強度特征。利用液壓伺服試驗機和SHPB系統(tǒng)進行了包括單軸靜態(tài)加載和動態(tài)加載在內(nèi)的靜、動加載試驗,為煤層氣壓裂改造和生產(chǎn)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo),主要結(jié)論如下。

      (1)在單軸壓縮和動態(tài)加載條件下,天然狀態(tài)煤樣強度高于7 d飽水煤樣的強度。

      (2)靜態(tài)單軸壓縮條件下天然狀態(tài)下的單軸抗壓強度為15.87 ~20.89 MPa,平均為18.66 MPa。7 d飽水煤樣的單軸抗壓強度14.48 ~18.18 MPa,平均為15.88 MPa。天然狀態(tài)下煤的動態(tài)抗壓強度范圍為24.79 ~33.42 MPa,平均為29.98 MPa,7d飽水煤試樣的動態(tài)抗壓強度為19.88 ~22.68 MPa,平均為21.02 MPa。在三軸靜態(tài)條件下,7 d飽水煤樣強度低于天然狀態(tài)下煤的強度,而在圍壓動載條件下,7 d 飽水煤樣的強度高于天然狀態(tài)煤樣。

      (3)單軸抗壓強度軟化系數(shù)最大值為0.69,動態(tài)強度軟化系數(shù)最大為0.59。天然狀態(tài)下煤體試件從開始破壞到完全破壞的時間較長,破壞的顆粒較大,飽水狀態(tài)下煤體破壞的時間較短,煤樣破壞顆粒較小。

      (4)在單軸壓縮和一維靜動加載條件下,7 d飽水煤樣的破碎粒徑小于天然試樣,說明飽和對顆粒破碎有顯著影響。但在三軸和三維靜動加載條件下,由于圍壓效應(yīng),飽水對破碎粒徑?jīng)]有明顯影響。

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