自然及强制饱和煤样的力学特征试验研究*

杨伟杰，王　文，2，3，李东印，3，王　杰，刘文超

(1．河南理工大学，能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2. 山西煤炭进出口集团有限公司， 山西 太原 030006 3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003)

0　引　言

煤岩材料在受水浸泡的条件下，矿物组成与微细观结构发生改变，出现新的孔隙和裂隙，使煤岩孔隙率变大，而饱水煤岩可以最大程度的引起其物理力学性能的劣化。因此许多学者对饱水煤岩进行了大量的研究。熊德国等[1]利用新安矿煤层顶板3种沉积岩对自然和饱和试样进行巴西劈裂、单轴压缩、三轴压缩试验，表明饱水对泥岩的强度和变形特征的影响较为明显，饱水试样峰值强度对围压的敏感度要大于自然试样。Zhou Z L[2]等通过对不同含水砂岩进行压缩和拉伸试验研究，饱和试样在干燥过程中可以恢复自身力学性能，含水量相同的试样在饱和和干燥过程中，所受的抗拉强度不同，与水分的分布有关。张辉等[3]对自然和饱水煤样进行巴西劈裂试验，并分析了饱水对劈裂强度和能量的影响；于岩斌等[4]利用MTS电液伺服岩石试验系统对煤岩试件进行了饱水与自然2种状态下的单轴压缩与拉伸试验，结果发现，饱水煤样单轴抗压、抗拉强度均有所降低，轴向应变增大；刘玉春等[5]利用自行设计的微震全波形综合监测试验系统对干燥煤岩和含水煤岩变形破裂过程微震信号的变化规律进行研究。结果表明，饱和含水煤岩的峰值强度和煤岩冲击倾向性比自然干燥煤岩都低，且微震信号事件数和信号强度都降低；苏承东等[6]对千秋煤矿2#煤层自然与饱水7～28 d处理后煤样，在 RMT-150B 伺服试验机上进行了冲击倾向性指标测定，分析了饱水时间对煤的力学性质与冲击倾向性指标的影响；王文等[7]利用改进SHPB和RMT-150试验系统对义马矿区二1煤样进行动静组合加载、静载对比试验，分析不同自然饱水煤样在动静组合加载下的力学性质。

上述学者均研究了饱水煤样的力学性质[1-10]，文献[7-8]也只是研究了自然饱和试样，制作自然饱和煤样的方法均是将煤样放在水中自然浸泡直至质量不变即认为完全饱和。虽然该方法被广泛使用，但是忽视了实际工程条件，煤样均是处在应力状态下的，自然饱和并不能达到工程应用的状态，如高压注水等，因此研究应力状态下的含水煤样，即强制饱和煤样具有重要意义。

针对该问题，笔者自行设计研制煤样强制饱和装置，该装置能够使煤样在真空及高水压双重状态下进行强制吸水达到饱和，此为煤样强制饱和状态。使得煤样在浸泡时的吸水状态大致接近实际工程应用的状态，对试验结果有较大的修正，其能够模拟煤样真实受力状况下的浸泡吸水。不同含水状态导致煤样的力学性质发生改变。因此分析不同饱和状态对煤体的力学性质影响，对真实反映煤层注水后煤体力学性质的变化以及工作面支撑压力的变化具有重要的指导意义。

1　实验设备及试样饱水方法

煤样取自沁水煤田3号煤层工作面煤壁处，加工煤样为Φ50 mm×50 mm的圆柱体，煤样两端磨削后不平行度小于0.05 mm，剔除有明显缺陷的煤样。试样A为自然饱和煤样共12个，序号为A(2,3,4,7,8,9,13,14,15,17,18,19)，试样B为强制饱和煤样共12个，序号为B组(4,5,6,7,8,11,12,15,16,17,18,20)。将A组放入盆中，向盆中倒入水至试件的1/4处，每隔2 h注1次水，直至液面高出试件20～30 mm为止；每隔24 h称重1次，直到前后2次称重差不超过0.01 g为止。保持到7 d以后，质量不再发生变化达到自然饱和状态。

根据试验设计并加工B组煤样。强制饱和装置如图1，装置一次可放入6个煤样，首先将煤样固定在密封罐内试件架上，密封盖通过密封垫圈进行密封；启动真空泵抽真空1 h后通过水箱向密封罐内注入清水，启动增压系统打开球阀b关闭球阀a,c，再向密封罐注水过程中增压，至压力达到5 MPa时增压结束，浸泡4 h，试验结束，取出煤样。

试验采用RMT-150B型电液伺服岩石力学试验系统进行常规单轴和三轴压缩试验，采用位移控制，轴向加载速率为0.002 mm/s，围压加载速率0.1 MPa/s，围压控制在5～15 MPa。

1.环状手轮；2.试样饱和罐；3.试样；4.试件架；5.真空泵； 6.水压泵；7.废水回流装置；8.球阀。图1　强制饱和装置Fig.1　Forced saturation device

2　试验结果分析

2.1　煤样吸水特征及波速变化

B组煤样相对A组煤样吸水率提高1.95%。煤样在负压作用下使煤的裂隙更为贯通，且把瓦斯等气体抽出，抽真空促使煤样内部孔、裂隙打开，压力水通过原生连通裂隙通道进入煤体，并克服煤体内部阻力，不断压裂贯通封闭状态的煤样孔隙，因此该装置能在短时间内提高煤样的吸水率。

采用UTA-2001A型超声检测仪对2组煤样进行波速测试：A组煤样浸泡前平均值1 498 m/s，浸泡后平均值1 622 m/s；B组煤样饱水前波速平均值1 397 m/s，饱水后波速平均值2 120 m/s；2组煤样在吸水后，波速均有所提高。A组煤样吸水前后波速绝对变化量124 m/s；B组煤样饱水前后波速绝对变化量723 m/s；A组煤样吸水前后波速变化不大，研究表明，同种煤样在干燥和自然饱和状态下，波速相差较小。B组煤样吸水前后波速变化较大，强制饱和煤样饱水前后波速变化量高于自然饱和煤样5倍。其原因是孔隙中充满水，煤样的孔隙率相对降低，增加煤样的密实程度，超声波发生绕射的次数也相对减少，传播时间变短，波速较高。

2.2　单轴压缩试验结果分析

表1给出了煤样单轴压缩物理参数，图2给出了自然与强制饱和煤样的单轴压缩应力-应变曲线，单轴压缩时强制饱和煤样相对自然饱和峰值强度有明显的软化作用，强制饱和煤样的抗压强度较低，相对自然饱和煤样降低7.61 MPa，降幅为54.83%。一是5 MPa的水压促使煤样强制吸水，水对煤样中矿物软化、溶蚀、风化等作用，使煤样单轴抗压强度降低；二是水压力对煤样有一定的压挤作用，原有裂隙的贯通、新生裂纹的扩展，使煤样强度降低。强制饱和煤样弹性模量相对自然饱和煤样降低了2.21 GPa，降幅81%，表明强制饱水使煤样的抵抗变形的能力大大降低；强制饱和煤样泊松比相对自然饱和煤样提高1.19，增幅65%，表明强制吸水后煤样横向变形更加敏感，体积扩容更加显著，塑性更好。

从图2可以看出，2组煤样的应力-应变曲线大致相似，可分为压密阶段、弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。加载初期，随着轴向应力的增加曲线均向上凹，但2组曲线初期上凹幅度不一致。自然饱和煤样曲线上凹剧烈，原因是煤样内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。强制饱和煤样曲线上凹平缓，原因是强制饱和煤样内部裂隙几乎被水充满，均质性和密实度都优于自然饱和煤样。弹性阶段自然饱和煤样曲线斜率高，持续时间短，强制饱和煤样曲线斜率低，持续时间长。在屈服阶段自然饱和煤样达到最大承载能力的平均时间为240×103ms，强制饱和煤样达到最大承载能力的平均时间为373×103ms，相比强制饱和煤样延长了133×103ms破坏时间，降低了最大承载能力，减缓了煤样弹性势能的突然释放。总的来看，自然与强制饱和煤样相比，强制饱和煤样应力-应变曲线变得平缓，应变增大，应力变小，塑性增加，脆性减小，发生失稳破坏的可能性降低。

目前电子存证还有几个问题需要解决：（1）存证过程中自动化程度不高；（2）存证过程中电子数据存证风险较大；（3）第三方机构法律处理流程繁琐；（4）电子数据安全缺失；（5）双方信任缺失。

图2　煤样单轴压缩应力-应变曲线Fig.2　Stress-strain curve of coal sample under uniaxial compression

表1　煤样单轴压缩物理参数Table 1　Physical parameters of coal sample under uniaxial compression

2.3　三轴压缩试验结果分析

表2给出了自然饱和与强制饱和煤样三轴压缩均值试验结果。煤样均质性差、离散性高。每种含水状态与围压5，10，15 MPa各重复3个煤样。图3，4中给出了自然与强制饱和煤样全应力-应变曲线。可以看出：不同饱水煤样的压密阶段区别较大，自然饱和煤样依然是因外力施加裂隙闭合，导致曲线呈上凹趋势，而强制饱和煤样压密阶段曲线呈斜“Z”形直接过渡到弹性阶段，不再出现上凹的趋势，近似直线表现出短暂的弹性阶段。认为强制饱和煤样在围压作用下内部孔、裂隙被水充满，轴向应力克服孔隙水压的过程，该过程认为是可逆的。强制饱和煤样的弹性阶段变短，屈服阶段明显变长，屈服强度降低，塑性增加。因压力水对煤样内部材料的软化作用更加明显，在围压作用下内部材料相对自然饱和煤样较快达到承载极限而屈服弱化。2种不同饱水煤样峰后差异也较大，自然饱和煤样峰后跌落速度相对强制饱和煤样较快，但仍然具有一定的塑性特征，而强制饱和煤样峰后几乎不出现曲线跌落的现象，直接进入残余强度阶段，塑性特征更加明显。

图3　自然饱和状态三轴压缩应力-应变曲线Fig.3　Stress-strain curves of three axis compression in natural saturated state

图4　强制饱和状态三轴压缩应力-应变曲线Fig.4　Stress-strain curve of three axis compression in forced saturated state

随着围压增加2种饱水煤样峰值强度明显增大，围压的增加降低煤样的离散程度，提高均质程度，加载过程强制饱和煤样的力学劣化性质逐渐明显，表现在不同围压下，自然饱和煤样平均峰值强度均高于强制饱和煤样，强制饱和煤样的峰值强度平均降低19.5 MPa，降幅31.18%。根据Coulomb强度准则：

σs=Q+Kσ3

(1)

式中:Q，K均为材料强度参数。其与内摩擦角和内聚力的关系为：

(2)

(3)

对表2三轴峰值强度与围压进行线性回归，再按(2)、(3)式进行计算，得出自然饱和煤样的内聚力为9.26 MPa，强制饱和煤样的内聚力降低为7.69 MPa，降低幅度为17%。

苏承东、熊德国等[1，11]表明：饱水对材料之间的摩擦特征几乎没有影响。围压影响系数K基本相同，内摩擦角能够表征材料的力学性质。而试验发现强制饱和煤样K值为2.08，自然饱和煤样K值为3.04，摩擦因数发生了明显变化，分析其原因：一是因以往并未使用强制饱和的方法，均是自然浸泡，与本试验有着较大的区别，所以试验结果两者并不矛盾；二是围压增加也会增加在垂直破裂面上的分力，进而增大摩擦力，而强制饱和煤样由于水充分进入孔、裂隙，使微裂隙贯通，接触面没有那么粗糙，相对自然饱和煤样减小了摩擦；三是强制饱和煤样是在真空环境与5 MPa的水压力双重作用下完成的，随着装置内密闭空间压力的增大，温度也有所升高，煤样的内摩擦角减小；四是水分强制进入会使煤样的孔隙增大，颗粒间距增大，咬合摩擦角减小，主要发生滑动摩擦，自然饱和煤样因含水分较少，主要发生咬合摩擦以及颗粒磨碎重组，摩擦力得到充分发挥，内摩擦角也相对较大。综上所述，因试验方法的不同，强制饱和煤样强制吸水的特殊性质，导致强制饱和煤样的K值相对自然饱和煤样降低了。

表2　自然饱和与强制饱和煤样三轴压缩均值试验结果Table 2　Peseudo-triaxiall compression test results of coal samples under natural saturation and forced saturation

2.4　饱水煤样强度特征规律分析

不同饱水状态下的煤样强度满足Mohr-Coulomb准则[12-14]，公式为：

τ=c+σtanφ

(4)

公式(4)是干燥状态的抗剪强度公式，当存在孔隙水压力(uw)时，法向总应力(σ)可分解为2部分，即σ-uw和uw。强度将由2部分组成，一部分为无孔隙压力条件下产生的，认为是完全干燥状态下，仍用公式(4)表示，另一部分由孔隙水压力的作用产生，当煤样孔隙被水完全充满时存在静水压力αp，有效应力表达式为σ′=σ-αp，将此式带入煤岩体破坏准则Mohr-Coulomb公式：

τ=C+(σ-αp)tanφ

(5)

式中：α为等效孔隙压力系数，取决于煤样的孔隙、裂隙的发育程度，0≤α≤1。p为孔隙水压力，MPa。C为煤体黏聚力，MPa。式(5)可写成τ=Cw+σtanφ，式中：Cw为孔隙水压力作用下的黏聚力。

Cw=C-ptanφ

(6)

无孔隙水压时根据Mohr-Coulomb包络线公式：

σ1=ζσ3+σc

(7)

式中：σc为抗压强度值，按2ccosφ/(1-sinφ)求得。ζ为强度线的斜率，按(1+sinφ)/(1-sinφ)求得。可写成：

(8)

有孔隙水压时式(7)可写成：

σ1p-αp=ζ(σ3-αp)+σw

(9)

(10)

整理公式(10)可得：

(11)

由(8)、(10)、(11)公式可得：因孔隙水压引起的抗压强度降低，降低值为：

(12)

以上的推论可知，相对于干燥状态的煤样，根据公式(6)、(12)有水压时煤样黏聚力相对减少αptanφ，抗压强度降低[2αpcosφ+αp(1+sinφ)]/(1-sinφ)。

自然饱和煤样吸水率较低，可忽略水压的影响，且必定小于强制饱和煤样的孔隙水压，干燥煤样的孔隙水压为0，忽略内摩擦角的变化，由(6)、(12)可知孔隙水压与黏聚力、抗压强度大致呈负相关。综上所述，理论推导与试验结果一致。强制饱和煤样的黏聚力小于自然饱和煤样，强制饱和煤样的抗压强度低于自然饱和煤样。

3　结　论

1)自行设计及研制煤样强制饱和装置，解决吸水能力弱的问题，煤样吸水率平均可达4.1%，相对自然饱和煤样在短时间内吸水率提高了1.95%。

2)对煤样饱水前后的波速试验进行测试分析，得出A组煤样吸水后波速提高124 m/s，B组煤样饱水后提高723 m/s。强制饱和煤样饱水前后波速变化量高于自然饱和煤样5倍，表明煤样强制饱和前后波速变化明显，强制吸水后波速增加51.75%

3)强制饱和煤样单轴抗压强度相对于自然饱和煤样降低7.61 MPa，降幅为54.83%，自然与强制饱和煤样相比，强制饱和煤样应力-应变曲线平缓，峰值应变增大，抗压强度变小，从而塑性增加，脆性减小，发生失稳破坏的可能性降低。

4)三轴压缩时，不同围压下强制饱和煤样的峰值强度平均降低19.5 MPa，降幅31.18%，因强制饱和煤样吸水量相对自然饱和煤样吸水量大，导致强制饱和煤样K值降低；基于Mohr-Coulomb准则及有效应力原理，推导出孔隙水压与黏聚力、抗压强度呈负相关，表明强制饱和煤样的黏聚力与抗压强度均低于自然饱和煤样，这与试验结果一致。

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