分級(jí)加載速率對(duì)無(wú)煙煤蠕變特性的影響規(guī)律試驗(yàn)研究

郭澤雄，張東峰，王 開(kāi)，張小強(qiáng)，岳少飛，2

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

隨著我國(guó)淺層煤炭資源和優(yōu)質(zhì)煤炭資源的減少，房柱式[1]、刀柱式等舊式采煤方法殘留的煤炭資源的復(fù)采受到了高度重視[2]，這些資源以遺留煤柱[3]的形式被遺留在地下，現(xiàn)被稱(chēng)為殘采煤柱。殘采煤柱常年支撐上覆巖層，在地應(yīng)力及采空水的長(zhǎng)期作用下，表現(xiàn)出明顯的流變特性。殘煤復(fù)采巷道掘進(jìn)擾動(dòng)及工作面回采動(dòng)壓等不同加載速率的載荷使得殘采煤柱的應(yīng)力環(huán)境和力學(xué)特性更趨復(fù)雜，對(duì)不同分級(jí)加載速率條件下煤樣的蠕變特性展開(kāi)試驗(yàn)及理論研究對(duì)殘煤復(fù)采煤柱穩(wěn)定性及復(fù)采圍巖控制有重要意義。紀(jì)文棟等[4]對(duì)鹽巖開(kāi)展不同加載速率下的三軸壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為圍壓越高加載速率對(duì)鹽巖力學(xué)性質(zhì)的影響越明顯；周爾康、李海琪等[5-6]對(duì)砂巖和石灰?guī)r進(jìn)行不同加載速率的壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為其彈性模量隨加載速率減小而減?。惶平ㄐ碌萚7]研究了不同加載速率對(duì)破碎巖樣力學(xué)特性的影響；張?zhí)燔姷萚8]對(duì)含孔試樣開(kāi)展了不同加載速率的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明隨加載速率增大，抗壓強(qiáng)度逐漸增加，彈性模量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；孫林等[9]開(kāi)展不同加載速率下花崗巖巷道巖爆模擬試驗(yàn)，認(rèn)為加載速率的增加促進(jìn)了巷道圍巖損傷破壞；王煜等[10]借助PFC 顆粒流平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)加載速率對(duì)裂隙體模型峰值應(yīng)力有強(qiáng)化效應(yīng)；王曉東等[11]對(duì)不同加載速率下花崗巖損傷變形的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了探討；辛亞軍等[12]對(duì)2 種加載速率下9 個(gè)紅砂巖樣進(jìn)行了峰后增量加載單軸蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明加載速率對(duì)巖樣瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變均有影響；李俊等[13]采用改變加載速率法進(jìn)行單試件逐級(jí)增量加載試驗(yàn)，研究表明加載速率與受力調(diào)整時(shí)間呈負(fù)相關(guān)；李福林、范振華等[14-15]通過(guò)對(duì)泥巖在不同加載速率下進(jìn)行的分級(jí)蠕變?cè)囼?yàn)，得出隨著加載速率的增大，蠕變變形量和蠕變速率逐漸增大且泥巖的蠕變速率隨著時(shí)間的推移逐漸衰減的結(jié)論；李建中等[16]研究了低含水量黏土的加載速率效應(yīng)與蠕變變形；彭芳樂(lè)等[17]分析研究了加載速率變化條件下砂土的黏塑特性。分級(jí)加載蠕變是常見(jiàn)的蠕變?cè)囼?yàn)手段，分級(jí)加載尤其是不同加載速率條件下，試件在不同應(yīng)力水平的損傷程度不同，這對(duì)其力學(xué)特性及蠕變特征會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，目前關(guān)于分級(jí)加載速率對(duì)煤樣力學(xué)特性和蠕變特性的影響規(guī)律方面的研究較少。為此，對(duì)無(wú)煙煤試樣進(jìn)行不同分級(jí)加載速率下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，分析分級(jí)加載速率和應(yīng)力水平對(duì)煤樣瞬時(shí)應(yīng)變、蠕變應(yīng)變及蠕變速率的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為掘進(jìn)擾動(dòng)及回采動(dòng)壓影響下的殘采煤柱穩(wěn)定性控制提供參考。

1 無(wú)煙煤分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)

1.1 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)用無(wú)煙煤樣取自山西沁水煤田海天煤業(yè)3#煤，沿垂直層理方向鉆取相鄰位置上煤心，加工成?50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，煤樣兩端用雙端面磨石機(jī)打磨，兩端面不平行度不大于0.05 mm。為減小煤樣離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在試驗(yàn)前剔除明顯含有節(jié)理或裂紋等缺陷的煤樣[18]，并對(duì)試件進(jìn)行聲波速度測(cè)試，選取聲波速度相近的7 個(gè)煤樣分別進(jìn)行基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測(cè)定和分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)[19-20]，其中H5～H7 試件進(jìn)行基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測(cè)定，H1～H4 試件進(jìn)行分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)所用煤樣如圖1，對(duì)煤樣進(jìn)行基礎(chǔ)力學(xué)測(cè)試所得的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)所用煤樣Fig.1 The coal samples in the test

表1 無(wú)煙煤基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of anthracite

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備為課題組與江蘇華安聯(lián)合研發(fā)的LDHJ-Ⅲ型巖石高溫三軸蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，它主要由軸壓控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和三軸壓力室5 大部分組成。軸向力加載范圍0～600 kN，壓力分辨率為0.001 kN，位移分辨率為0.001 mm；圍壓加載范圍0～20 MPa；溫度可控制在5～80 ℃；力和位移傳感器具有穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)過(guò)程的軸向應(yīng)力應(yīng)變以及徑向應(yīng)變數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)機(jī)有恒力與恒位移2 種加載方式，采用計(jì)算機(jī)全伺服控制，實(shí)時(shí)顯示，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加載速率的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，軸壓及圍壓可長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，滿(mǎn)足試驗(yàn)對(duì)加載速率和長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)壓的需求。

1.3 試驗(yàn)方案及過(guò)程

對(duì)H1～H4 4 個(gè)試件進(jìn)行三軸分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)，圍壓設(shè)置為2.0 MPa，初始軸壓取30%Rc（4.5 MPa），分級(jí)加載梯度設(shè)置為2.0 MPa，每級(jí)加載24 h后進(jìn)行下一級(jí)加載，如此循環(huán)加載直至煤樣破壞。H1～H4 煤樣分級(jí)加載速率分別為0.02、0.05、0.1、0.2 kN/s，試驗(yàn)全過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集完成，三軸壓力室內(nèi)及試驗(yàn)室溫度均控制在（25±0.5）℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果

分級(jí)加載條件下4 個(gè)煤樣蠕變均呈現(xiàn)明顯的蠕變特性，應(yīng)力水平較低時(shí)，煤樣均呈現(xiàn)衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變階段，在應(yīng)力水平接近抗壓強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)加速蠕變階段。4 個(gè)無(wú)煙煤試樣分級(jí)加載蠕變?nèi)^(guò)程的應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)如圖2，各級(jí)瞬時(shí)應(yīng)變、蠕變應(yīng)變及蠕變時(shí)間等特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由圖2 可知：各煤樣的破壞應(yīng)力為14.5～16.5 MPa，與煤樣抗壓強(qiáng)度15.21 MPa 相比波動(dòng)范圍為-4.67%～8.48%；煤樣峰值應(yīng)變?yōu)?.911 0%～1.151 5%，各試件峰值應(yīng)力及應(yīng)變波動(dòng)較小，可進(jìn)行有效對(duì)比分析。

圖2 無(wú)煙煤蠕變曲線(xiàn)Fig.2 Creep curves of anthracite specimens

表2 蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Creep test data

3 結(jié)果分析與討論

3.1 分級(jí)加載速率和應(yīng)力水平對(duì)瞬時(shí)應(yīng)變的影響

在初始軸壓4.5 MPa 的作用下，H1～H4 煤樣的瞬時(shí)應(yīng)變分別為0.437 1%、0.417 7%、0.407 0%和0.389 2%，煤樣此時(shí)處于壓密階段，內(nèi)部微裂隙在外力作用下發(fā)生閉合，煤樣瞬時(shí)應(yīng)變與加載速率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。加載梯度為2.0 MPa 時(shí)，不同煤樣的瞬時(shí)應(yīng)變隨應(yīng)力水平的變化曲線(xiàn)如圖3，不同應(yīng)力水平下煤樣瞬時(shí)應(yīng)變與分級(jí)加載速率的關(guān)系如圖4。

圖3 煤樣瞬時(shí)應(yīng)變與應(yīng)力水平關(guān)系Fig.3 Relationship of instantaneous strain and stress level

圖4 煤樣瞬時(shí)應(yīng)變與分級(jí)加載速率關(guān)系Fig.4 Relationship of instantaneous strain and graded loading rate

從圖3 可以看出，在不同的分級(jí)加載速率條件下，H1～H4 煤樣曲線(xiàn)相似，煤樣瞬時(shí)應(yīng)變均隨著應(yīng)力水平的升高呈現(xiàn)先降低后緩慢升高的趨勢(shì)。從圖4 可以看出，在同一應(yīng)力等級(jí)下，煤樣瞬時(shí)應(yīng)變均隨著分級(jí)加載速率的升高呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

應(yīng)力水平從4.5 MPa 提升至12.5 MPa，H1～H4煤樣的瞬時(shí)應(yīng)變分別減少至0.101 4%、0.092 9%、0.087 4%和0.080 5%，煤樣瞬時(shí)應(yīng)變呈減小趨勢(shì)，且減小趨勢(shì)逐漸變緩，煤樣此時(shí)處于線(xiàn)彈性階段，并符合同一應(yīng)力等級(jí)下瞬時(shí)應(yīng)變隨分級(jí)加載速率增大而減小的規(guī)律；應(yīng)力水平從12.5 MPa 提升至14.5 MPa，H1 ～H4 煤樣的瞬時(shí)應(yīng)變分別增加至0.102 4%、0.096 4%、0.089 9%和0.084 1%，煤樣瞬時(shí)應(yīng)變呈增加趨勢(shì)，表明隨著應(yīng)力持續(xù)增大，煤樣內(nèi)部壓密后出現(xiàn)新的微小裂隙導(dǎo)致應(yīng)變?cè)黾樱簶哟藭r(shí)處于塑性階段，且同一應(yīng)力等級(jí)下分級(jí)加載速率越大，瞬時(shí)應(yīng)變?cè)叫。粦?yīng)力超過(guò)14.5～16.5 MPa 之后，煤樣內(nèi)部裂隙形成速度增快，密度加大，微裂隙逐漸貫通，煤樣破壞。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著應(yīng)力水平的提高，煤樣瞬時(shí)應(yīng)變表現(xiàn)為快速減小—緩慢減小—增加的整體減小趨勢(shì)，且在同級(jí)應(yīng)力水平下，分級(jí)加載速率越小，瞬時(shí)應(yīng)變?cè)酱?。這是因?yàn)榉旨?jí)加載速率低，達(dá)到相同應(yīng)力水平所需的時(shí)間便會(huì)增長(zhǎng)，煤樣內(nèi)部便有充足的時(shí)間進(jìn)行自我結(jié)構(gòu)調(diào)整，這會(huì)直接導(dǎo)致瞬時(shí)應(yīng)變的增大。

3.2 分級(jí)加載速率和應(yīng)力水平對(duì)蠕變應(yīng)變的影響

加載梯度為2.0 MPa 時(shí)，不同煤樣的蠕變應(yīng)變隨應(yīng)力水平的變化曲線(xiàn)如圖5，不同應(yīng)力水平下煤樣蠕變應(yīng)變與分級(jí)加載速率的關(guān)系如圖6。

圖5 煤樣蠕變應(yīng)變與應(yīng)力水平關(guān)系Fig.5 Relationship of creep strain and stress level

圖6 煤樣蠕變應(yīng)變與分級(jí)加載速率關(guān)系Fig.6 Relationship of creep strain and graded loading rate

從圖5 可以看出，在不同的分級(jí)加載速率條件下，H1～H4 煤樣曲線(xiàn)相似，煤樣蠕變應(yīng)變均隨著應(yīng)力水平的升高呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。從圖6 可以看出，在同一應(yīng)力等級(jí)下，煤樣蠕變應(yīng)變均隨著分級(jí)加載速率的升高呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但增加的趨勢(shì)逐漸放緩。

從圖5 可以看出，在前2 級(jí)應(yīng)力水平下，隨著應(yīng)力水平的提高，H1～H4 煤樣蠕變應(yīng)變均基本保持不變；在6.5～12.5 MPa 應(yīng)力水平下，隨著應(yīng)力水平的提高，H1～H4 煤樣的蠕變應(yīng)變均緩慢增加；在12.5～14.5 MPa 應(yīng)力水平下，隨著應(yīng)力水平的提高，H1～H4 煤樣的蠕變應(yīng)變均快速增加；應(yīng)力超過(guò)14.5～16.5 MPa 之后，煤樣發(fā)生蠕變破壞。從整體上來(lái)看，當(dāng)分級(jí)加載速率相同時(shí)，隨著應(yīng)力水平的提高，煤樣蠕變應(yīng)變表現(xiàn)為基本不變—緩慢增加—快速增加的整體增大趨勢(shì)。

從表2 可以得出，相較于H1 煤樣在4.5 MPa 應(yīng)力下的蠕變應(yīng)變，H2～H4 煤樣相應(yīng)的蠕變應(yīng)變分別提高了17.14%、28.57%和34.29%，分級(jí)加載速率越大，蠕變應(yīng)變?cè)酱螅幌噍^于H1 煤樣在10.5 MPa 應(yīng)力下的蠕變應(yīng)變，H2～H4 煤樣相應(yīng)的蠕變應(yīng)變分別提高了15.66%、26.51%和31.33%，仍表現(xiàn)為分級(jí)加載速率越大，蠕變應(yīng)變?cè)酱?；相較于H1 煤樣在14.5 MPa 應(yīng)力下的蠕變應(yīng)變，H2～H4 煤樣相應(yīng)的蠕變應(yīng)變分別提高了12.20%、18.70%和26.83%，蠕變應(yīng)變?nèi)噪S分級(jí)加載速率的增加而變大。

從圖6 可以看出，在同級(jí)應(yīng)力水平下，隨著分級(jí)加載速率變大，蠕變應(yīng)變逐漸增加，但增加的趨勢(shì)逐漸放緩，分級(jí)加載速率超過(guò)0.1 kN/s 之后，對(duì)蠕變應(yīng)變的影響越不敏感。對(duì)比4.5、10.5、14.5 MPa 應(yīng)力水平下H2～H4 煤樣相較H1 的蠕變應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)量，可以看出隨著應(yīng)力水平的提高，分級(jí)加載速率對(duì)蠕變應(yīng)變的影響逐漸變小，這是由于分級(jí)加載時(shí)未來(lái)得及完成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整在蠕變階段完成，分級(jí)加載速率越快，蠕變階段調(diào)整越多，所以蠕變應(yīng)變?cè)酱?，而隨著應(yīng)力水平的提高，煤體內(nèi)部越密實(shí)，可調(diào)整的變形減小，所以分級(jí)加載速率的影響減小。

3.3 分級(jí)加載速率對(duì)蠕變速率的影響

為了研究分級(jí)加載速率對(duì)蠕變速率的影響，可對(duì)不同分級(jí)加載速率下同一級(jí)蠕變變形進(jìn)行分析。H1～H4 煤樣各個(gè)等級(jí)的蠕變速率變化均表現(xiàn)為先急速衰減后逐漸趨于穩(wěn)定，此處取應(yīng)力水平為10.5 MPa 時(shí)蠕變曲線(xiàn)進(jìn)行分析。應(yīng)力水平為10.5 MPa 時(shí)不同分級(jí)加載速率下蠕變速率隨時(shí)間變化關(guān)系如圖7，因120 min 后變形基本穩(wěn)定，蠕變速率變化較小，圖中只顯示120 min 前蠕變速率變化。應(yīng)力水平為

圖7 不同分級(jí)加載速率下煤樣蠕變速率變化曲線(xiàn)Fig.7 Creep rates of coal samples at different loading rates

10.5 MPa 時(shí)煤樣最大蠕變速率與分級(jí)加載速率關(guān)系如圖8。

圖8 煤樣最大蠕變速率與分級(jí)加載速率關(guān)系Fig.8 Relationship of maximum creep rate and graded loading rate

從圖7 可以看出，隨著時(shí)間的進(jìn)行，蠕變速率的變化可以分為3 個(gè)階段：①急速衰減階段：在0～10 min 之 內(nèi)，H1 ～H4 煤 樣 蠕 變 速 率 分 別 減 小 了86.21%、90.58%、93.48%和95.50%，呈現(xiàn)急劇減小的變化規(guī)律；②緩慢衰減階段：在10～60 min 之間，H1～H4 煤樣蠕變速率分別減小了7.88%、5.70%、3.67%和2.06%，呈現(xiàn)緩慢減小的變化規(guī)律；③穩(wěn)定階段：60 min 之后，蠕變速率衰減越來(lái)越慢，最終趨于穩(wěn)定?？梢园l(fā)現(xiàn)，分級(jí)加載速率對(duì)蠕變速率的衰減快慢影響較大，分級(jí)加載速率越快，蠕變速率衰減越快，到達(dá)穩(wěn)定階段所需時(shí)間就越短，但無(wú)論分級(jí)加載速率大小，蠕變速率最終都會(huì)到達(dá)穩(wěn)定階段。

H1～H4 煤樣最大蠕變速率分別為0.015 23、0.020 17、0.024 55、0.026 68 mm/min，從圖8 可以看出，最大蠕變速率隨著分級(jí)加載速率的變大而增加，但增加的趨勢(shì)逐漸平緩，說(shuō)明分級(jí)加載速率超過(guò)0.1 kN/s 之后，對(duì)最大蠕變速率的影響逐漸減小。

4 結(jié) 論

1）隨著應(yīng)力水平的提高，煤樣瞬時(shí)應(yīng)變表現(xiàn)為快速減小—緩慢減小—增加的整體減小趨勢(shì)，且在同級(jí)應(yīng)力水平下，分級(jí)加載速率越小，瞬時(shí)應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

2）隨著應(yīng)力水平的提高，煤樣蠕變應(yīng)變表現(xiàn)為基本不變—緩慢增加—快速增加的整體增大趨勢(shì)。當(dāng)分級(jí)加載速率相同時(shí)，應(yīng)力水平越高，蠕變應(yīng)變?cè)酱螅划?dāng)應(yīng)力水平相同時(shí)，分級(jí)加載速率越大，蠕變應(yīng)變?cè)酱?，但增加的趨?shì)逐漸放緩，且隨著應(yīng)力水平的提高，分級(jí)加載速率對(duì)蠕變應(yīng)變的影響逐漸變小。

3）蠕變速率的變化過(guò)程可分為急速衰減、緩慢衰減和穩(wěn)定3 個(gè)階段。同級(jí)應(yīng)力水平下，分級(jí)加載速率越大，最大蠕變速率越大，蠕變速率衰減越快。研究成果對(duì)掘進(jìn)擾動(dòng)及回采動(dòng)壓影響下殘采煤柱的穩(wěn)定性控制具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。