单轴压缩条件下不同含水率煤体裂纹扩展及破坏模式研究

卢卫永， 刘琦， 屈丽娜， 张海军

（1. 吕梁学院 矿业工程系，山西 吕梁 033001；2. 吕梁市智慧煤矿工程技术研究中心,山西 吕梁 033001；3. 中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州 451191；4. 山西煤炭运销集团锦瑞煤业有限公司，山西 吕梁 033000）

0 引言

随着浅部煤炭资源枯竭，深井开采势在必行。深部煤层赋存条件复杂多变，煤体呈现出大变形、强流变等失稳现象，导致煤岩动力灾害愈发频繁，不仅造成煤炭资源严重损失，也威胁煤矿井下安全生产[1]。水分是煤体内固有成分，在煤矿生产过程中由于覆岩移动及结构断裂的变化，导致含水层内水分经导水裂隙带流入煤层后引起煤体含水量增加，而水分的侵入势必造成煤岩微观结构及宏观性能发生改变，一定程度上造成煤岩整体结构损伤弱化，从而加剧了煤与瓦斯突出的危险性；同时水分的侵入会对煤体孔裂隙内的瓦斯气体产生驱替作用，造成钻孔积水，为瓦斯压力测定、钻孔瓦斯抽采等防治措施带来技术难题[2-3]。因此，深入研究水分侵入对煤体力学性质的影响机制，对于矿井瓦斯防治、深井安全开采具有重要的现实意义。

目前，众多学者开展了大量关于含水煤体力学性质方面的研究。来兴平等[4]研究了含水煤岩体损伤演化过程中能量释放规律，发现含水率越高，煤体失稳过程中发育的裂隙数就越多，且煤岩体破坏组合形式更为复杂。王凯等[5]开展了不同含水率原煤和型煤试样的单轴压缩试验，对比探讨了2种煤样应力-应变曲线特征及宏观破坏结果，建立了考虑含水率的煤体分段式损伤本构模型。陈春谏等[6]重点分析了不同含水率型煤加载过程中声发射振铃计数变化，结果表明煤体内含水率的增加显著降低了声发射幅值，且湿煤样累计振铃计数变化趋势相对滞后于干燥煤样。秦虎等[7]通过对比干燥煤样和湿煤样加载过程中声发射变化规律，发现湿煤样内部损伤演化与声发射响应之间存在良好的对应关系。Wang Shen等[8]开展了自然饱水状态和强压饱水状态下无烟煤三轴压缩试验，结果表明煤中含水率与抗压强度呈负线性关系，而与弹性模量呈负指数关系，并且在强制含水饱和处理下，煤体宏观破坏形态由脆性破坏向延性破坏模式转变。李波波等[9]通过对不同含水率煤体开展三轴压缩试验，提出了一种能够描述煤岩失稳破坏过程的损伤变量，并构建了水-力耦合作用下煤岩分段损伤本构模型。王文等[10]研究了动静组合加载条件下含水煤样力学性质变化差异，结果表明水分侵入加剧了煤体内裂隙发育演化，并且裂隙扩展模式的差异是导致煤体宏观强度变化的本质原因。此外，也有学者基于声发射监测技术研究含水煤样失稳过程中的能量变化。冯国瑞等[11]发现含水率的增加会提高煤体软化特性并削弱煤体脆性特征，其声发射能率表现为“平静-激增-衰减”的阶段性变化，并且煤体的宏观破坏由剪切向拉张破坏模式转变。李高阳[12]重点分析了水浸泡时间对煤岩体单轴压缩过程中声发射参数的影响，结果表明声发射幅度与载荷呈正比，与水浸泡时间呈反比。Chen Tian等[13]通过开展不同加载速率条件下含水煤岩体力学特性试验及声发射监测，准确预测了煤岩体在裂隙闭合、裂隙萌生和裂纹损伤阶段的声发射累计计数变化。

以往研究多集中于含水煤体力学性质，而不同含水率下煤体裂纹扩展规律及破坏模式有待深入研究。因此，本文在前人研究基础上，通过开展饱水试验分析煤样含水率与饱水时间的关系，获取4个关键饱水时间节点，并对该条件下4组不同含水率煤样开展单轴压缩试验及声发射监测，对比分析水分侵入对煤体宏观力学性能的影响，依据声发射振铃计数变化探讨不同含水率煤体裂纹扩展及破坏模式的转化机制，揭示含水煤体在加载过程中的能量演化规律，以期为含水煤岩稳定性控制及矿井瓦斯灾害防治提供借鉴。

1 试验方案

1.1 试验装置

为研究水分侵入对煤体裂纹扩展和破坏模式的影响，本文开展不同含水率条件下煤样单轴压缩试验及声发射监测，试验方案如图1所示。试验所用煤样取自山西柳林某矿井下9号煤层掘进工作面，煤层埋深为540 m，煤种为无烟煤，煤样基本力学参数测试结果见表1。首先，将采集的煤样加工成直径为50 mm、高为100 mm的标准圆柱形试样。然后，将制备的原煤试样进行饱水处理，选取4种不同含水率煤样备用。最后，利用RMT-150C岩石力学试验系统对不同含水率煤样开展单轴压缩试验，采用位移加载方式，加载速率为0.002 mm/s；在煤样加载过程中，配套采用DS5-8B全信息声发射信号分析仪进行全程监测。

图 1 试验方案Fig. 1 Experimental scheme

表 1 煤样基本力学参数Table 1 Basic mechanics parameters of coal samples

1.2 煤样饱水处理

将制备好的煤样置于恒温干燥箱内，在105 °C条件下进行干燥处理，直至煤样质量保持稳定后记录干燥煤样质量。为避免原煤试样中残留水分对试验结果的影响，预留3个干燥煤样作为对比。将其余干燥煤样放置于密闭饱水容器中，采用真空抽气方式对煤样进行饱水处理，试验期间每隔1 h对煤样称重1次，记录煤样质量变化，直至煤样完全饱和。煤样的含水率由重量分析法测定，即

式中：w为煤样含水率，%；mS为不同饱水时间下湿煤样质量，g；mD为干燥煤样质量，g。

2 试验结果

2.1 煤样含水率变化分析

不同饱水时间下分别取3个煤样计算煤样含水率平均值，得到煤样含水率变化曲线，如图2所示。可看出在饱水初期3 h内，煤样含水率快速增加至6.78%；在其后的8 h内煤样含水率增长相对缓慢，由6.78%增加至9.83%；当煤样饱水时间大于14 h后，煤样含水率基本趋于稳定，最终达11.03%。通过对试验数据进行回归分析，可以发现煤样含水率与饱水时间呈非线性增长趋势，符合负指数分布变化。由此可将煤样含水率变化过程分为饱和加速阶段、饱和减速阶段、饱和稳定阶段。因此，分别从以上3个阶段内选取湿煤样开展单轴压缩试验及声发射监测，并选用干燥煤样作为对比。

图 2 煤样含水率变化曲线Fig. 2 Change curves of coal samples moisture content

图 3 不同含水率煤样应力-应变曲线Fig. 3 Stress-strain curves of coal samples with different moisture content

2.2 不同含水率煤样单轴压缩试验结果对比

不同含水率煤样单轴压缩试验结果见表2。

表 2 不同含水率煤样单轴压缩试验结果Table 2 Uniaxial compression test results of coal samples with different moisture content

从表2可看出，随着煤样内含水率增加，煤体单轴抗压强度与弹性模量均不断降低，而煤体应变则逐渐增加；煤样由干燥状态到饱水状态时，其平均单轴抗压强度由20.75 MPa降低至13.83 MPa，平均弹性模量由1.82 GPa减小至1.33 GPa，煤体应变由1.37%增加至1.55%。结果表明，煤样内水分的侵入会导致煤体宏观力学强度降低，并减小了煤体弹性模量，削弱了煤体抵抗变形的能力；同时，煤体应变的增加说明水分侵入在一定程度上提高了煤体塑性变形能力。

2.3 不同含水率煤样应力-应变特征分析

不同含水率煤样应力-应变曲线如图3所示，根据曲线变化特征可将煤样加载过程划分为4个阶段：压密阶段（ Ⅰ ）、弹性阶段（Ⅱ）、屈服阶段（Ⅲ）和峰后阶段（Ⅳ）。干燥状态下煤样A-1在加载过程中呈现出典型的脆性特征，即达到峰值应力前煤样轴向变形量较小，而弹性阶段相对较大，当达到峰值后应力迅速下降。随着含水率增加，煤样B-1，C-1，D-1在压密阶段内轴向变形量显著增加，而弹性阶段变化范围有所减小，且屈服阶段内曲线波动变大，在峰后阶段内煤体应力下降速率逐渐平缓；特别对于煤样D-1，在峰后阶段内应力-应变曲线出现双峰结构，表现出明显的延性破坏特征。以上结果表明，干燥煤样整体结构相对稳定，抵抗变形能力较强，当煤样达到极限强度后随即破裂，几乎不存在承载能力。然而，水分的侵入加剧了煤体在外力作用下的内部损伤，一定程度上削弱了煤体宏观力学强度，但也增加了煤体变形量。因此，含水率的增加会弱化煤体典型的脆性特征，煤体塑性变形却更加显著。

2.4 不同含水率煤样破坏模式分析

不同含水率煤样破坏模式如图4所示。可看出干燥煤样A-1的破坏是由于1个主导裂纹的快速产生而导致煤样整体发生劈裂破坏，并且该主导裂纹贯穿整个煤样上下两端，导致煤体在峰后阶段承载能力迅速下降。随着含水率增加，煤样表面产生的裂隙数量相应增多，如煤样B-1表现出张拉破坏与剪切滑移的组合破坏特征。随着煤体内水分继续增加，煤样C-1表面未出现明显的劈裂面，而是由1条剪切滑移裂纹的产生导致煤样整体失稳破坏。特别对于煤样D-1，在加载过程中煤样中部环向变形量显著大于两端变形量，煤样塑性特征更为显著，在1条主导剪切裂纹产生的同时，伴随着数条拉张裂纹的共同发育，呈现出明显的剪切-拉张组合破坏特征。上述试验结果产生的原因：一方面，由于煤体内水分的增加会削弱煤体裂隙面晶体颗粒之间的相互摩擦，导致煤体弹性模量降低，所以煤样发生整体劈裂的概率随之减小；另一方面，水分的侵入会导致煤中有机组分发生水解，减小了煤体结构面黏聚力与内摩擦角，从而改变其微观结构及力学性能，导致含水煤样的失稳呈现出组合型破坏特征。由试验结果可以看出，相对于干燥煤样，随着煤体内水分的增加，含水煤样更容易发生剪切破坏，并且含水煤样在峰后阶段由于剪切面之间的再次咬合仍呈现出一定的承载能力。

图 4 不同含水率煤样破坏模式Fig. 4 Failure modes of coal samples with different moisture content

图 5 不同含水率煤样应力和累计振铃计数随时间变化曲线Fig. 5 Change curve with the time of stress and cumulative ring count of coal samples with different moisture content

2.5 不同含水率煤样声发射结果分析

声发射振铃计数可反映煤样加载过程中破裂程度的变化。不同含水率煤样在单轴压缩过程中应力和累计振铃计数随时间变化曲线如图5所示。与煤体应力-应变曲线变化趋势相似，声发射累计振铃计数随时间和载荷的增加而增长。在压密阶段，不同含水率煤样主要表现为内部孔裂隙闭合，声发射活动信号相对有限，因而累计振铃计数增加幅度也相对较小。在弹性阶段，累计振铃计数随着载荷增加几乎呈线性增长趋势，表明煤体在弹性变形过程中应变能的释放持续加大。在屈服阶段，随着载荷增加，不同含水率煤样累计振铃计数均发生不同程度增加，呈幂函数变化规律，说明屈服阶段内煤样内部发育大量新生裂隙，并且伴随着新生裂隙的扩展、贯通，最终在峰后阶段内导致煤样整体失稳破坏。

受载煤体内部能量演化与声发射响应特征密切相关，在单轴压缩条件下，含水煤样内部能量变化一部分以弹性能储存于煤体内部，在抵抗变形破坏方面起到了重要作用；另一部分能量伴随着煤体裂隙的发育进行释放，主要反映了煤岩内部细微观结构损伤、强度衰减的过程[14-16]。不同含水率煤样累计振铃计数对比曲线如图6所示。可看出随着含水率增加，煤样在加载过程中累计振铃计数却逐渐减少，这是因为水分侵入会填充煤体内部大量孔隙，削弱裂隙面晶体颗粒之间的摩擦，从而降低了煤体宏观力学强度。在加载初期阶段，累计振铃计数曲线斜率随含水率增加而增大，这表明在相同应力条件下，含水率越高的煤样释放的总能量越大，同时水分侵入也减小了煤体表面活性能，导致煤样在受载过程中发育新生裂隙的数量也逐渐增多，声发射振铃计数也迅速增加。对于干燥煤样，由于其脆性特征明显，在峰值应力前弹性变形量较小，相应地声发射累计振铃计数也相对较少，当达到峰值应力时干燥煤样则迅速释放出大量能量，此时煤样内的裂隙大量汇合并快速演化为宏观裂纹，导致干燥煤样发生瞬时破坏与坍塌。

图 6 不同含水率煤样累计振铃计数对比曲线Fig. 6 Comparison curves of cumulative ringing counts of coal samples with different moisture content

3 结论

（1） 不同含水率煤样单轴压缩试验结果及应力-应变曲线表明，煤体内水分的增加导致煤样宏观力学强度及弹性模量降低，煤体塑性变形特征更为显著，且峰后阶段内应力-应变曲线波动较大。

（2） 干燥煤样的破坏主要表现为劈裂破坏。随着含水率增加，煤体加载过程中裂隙发育数量显著增加，多以剪切裂纹与拉张裂纹的组合形式出现，煤体破裂形态则由典型的脆性破坏向剪切-拉张组合破坏模式转变。

（3） 声发射监测结果表明，随着含水率增加，煤样累计振铃计数减少，表明水分侵入会降低煤体裂隙发育时的能量释放；但累计振铃计数曲线斜率随含水率增加而增大的变化规律则反映出水分的侵入加剧了煤体内部结构损伤弱化，导致加载过程中煤样新生裂纹的数量相应增多。