丁言露岳中琦

1.北京大學(xué)工學(xué)院,北京 100871;2.北京大學(xué)北京天然氣水合物國(guó)際研究中心,北京 100871;3.香港大學(xué)土木工程系,香港特別行政區(qū) 999077

0 引言

煤巖破裂造成的動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重威脅著采礦和隧道開(kāi)挖工程,如巖爆、沖擊地壓和煤與瓦斯突出等。煤巖在深部地下形成過(guò)程中伴隨著氣體運(yùn)移,如甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)等。巖爆、沖擊地壓和煤與瓦斯突出是煤巖特殊的動(dòng)力破壞形式,其深層機(jī)理尚未被完全揭示。在煤巖體開(kāi)挖形成臨空面后,煤巖體內(nèi)外形成氣壓差,可能引起煤巖的變形破壞。當(dāng)煤巖體內(nèi)封閉氣體含量較多時(shí),開(kāi)挖后產(chǎn)生的較大氣體壓強(qiáng)差可能誘發(fā)沖擊地壓和巖爆現(xiàn)象。陳宗基和康文法(1991)提出了“封閉應(yīng)力”的概念,指出巖石工程災(zāi)害是由于巖石內(nèi)“封閉應(yīng)力”導(dǎo)致的。岳中琦(2014,2015)進(jìn)一步提出“封閉應(yīng)力”的能量來(lái)源于巖石內(nèi)部封閉的微細(xì)氣體包裹體。這些微細(xì)氣體包裹體在高壓強(qiáng)時(shí)具有較大的膨脹能力。同時(shí),當(dāng)煤巖體內(nèi)氣體含量很大時(shí),煤巖體可在高壓氣體的作用下發(fā)生變形和破壞,導(dǎo)致煤與瓦斯突出現(xiàn)象(He et al., 2010; Yang et al., 2018)。煤巖體動(dòng)力破壞過(guò)程復(fù)雜,通常是由多種因素的綜合作用產(chǎn)生的,這些因素包括氣體壓強(qiáng)、煤巖體地應(yīng)力和煤巖體強(qiáng)度等(Hyman, 1987;Hu et al., 2015;Yin et al., 2016;Wang et al., 2018)。因此,在煤巖體開(kāi)挖過(guò)程中,煤巖體不僅受到地應(yīng)力等外部載荷作用,而且還受到內(nèi)部載荷作用。

迄今為止,完整煤巖在準(zhǔn)靜態(tài)載荷和動(dòng)載荷作用下的力學(xué)行為已經(jīng)進(jìn)行了很多試驗(yàn)和測(cè)試(Evans and Pomeroy, 1966;Huang et al., 2010;Zhang and Zhao, 2014;Zhao et al., 2016;王成虎等, 2020)。但是很少有考慮內(nèi)部載荷作用下的煤巖體變形破壞特性。當(dāng)煤巖內(nèi)部含有氣體時(shí),煤巖的變形破壞機(jī)理也會(huì)受到內(nèi)部氣體的影響。含氣(如N2、CH4或CO2)煤樣的力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明,氣體的存在會(huì)導(dǎo)致煤巖的物理性質(zhì)(如膨脹)和力學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度)發(fā)生變化,使得煤巖滲透率增大、強(qiáng)度降低(Ates and Barron, 1988;Viete and Ranjith, 2006,2007; Pan and Connell, 2007;Pini et al., 2009; Ranjith et al., 2010; Kong et al.,2015; Hu et al., 2016)。因此,煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)同時(shí)取決于煤巖固體骨架和內(nèi)部孔隙氣體。已有的煤與瓦斯突出的機(jī)理和假說(shuō)主要從能量角度基于災(zāi)害發(fā)生的全過(guò)程進(jìn)行研究,包括煤巖體的破碎階段、瓦斯涌出和破碎煤巖的搬運(yùn)等。雖然地應(yīng)力等作用對(duì)煤巖體的破碎有較大影響,但是煤巖體的破碎劇烈程度在沖擊地壓等沒(méi)有高壓氣體作用時(shí)的煤巖動(dòng)力災(zāi)害小于有氣體作用的煤巖動(dòng)力災(zāi)害。因此,有必要研究高壓氣體對(duì)煤巖體的破碎誘發(fā)機(jī)制,為煤與瓦斯突出等氣體參與的煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象提供深刻認(rèn)識(shí)。雖然已有相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究氣體的泄壓作用與煤巖破壞關(guān)系的實(shí)驗(yàn),但是,實(shí)驗(yàn)中的研究參數(shù)很少,并沒(méi)有監(jiān)測(cè)煤巖變形破壞的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)等(Litwiniszyn, 1994;Guan et al., 2009; Wang et al., 2015; Ding and Yue, 2018)。為了更好地揭示煤巖體內(nèi)部高壓氣體作用下誘發(fā)的巖爆、沖擊地壓和煤與瓦斯突出等動(dòng)力破壞機(jī)理,有必要對(duì)含高壓氣體煤巖的變形破壞響應(yīng)進(jìn)行深入的研究。

文章設(shè)計(jì)制造了一種新的含高壓氣體煤巖的實(shí)驗(yàn)裝置,可以定量研究高壓氣體快速泄壓產(chǎn)生的內(nèi)部載荷作用下煤巖的變形破壞行為。通過(guò)對(duì)煤巖試樣的環(huán)向、軸向和體積應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量和分析,獲得了高壓氣體產(chǎn)生的變形與內(nèi)部載荷之間的定量關(guān)系。最后,確定了煤巖試樣在內(nèi)部氣體作用下的破壞強(qiáng)度與氣體壓強(qiáng)的關(guān)系。

1 煤巖高速泄壓實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究高壓氣體驅(qū)動(dòng)作用下巖石的變形破壞作用,文章中設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試了一套新型實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由透明腔體、泄壓裝置、二氧化碳?xì)馄亢蛿?shù)據(jù)采集儀組成,如圖1所示。圓柱形腔體內(nèi)徑為50 mm,高度為120 mm,壁厚約5 mm,可承受至少2 MPa氣壓。在圓柱形腔體的頂部,共設(shè)計(jì)兩個(gè)出口,一個(gè)用于注入氣體,另一個(gè)連接到氣壓傳感器用于采集并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中使用的是二氧化碳?xì)怏w,易于存儲(chǔ)并且安全,氣瓶的調(diào)節(jié)閥可控制氣體壓強(qiáng)。高速泄壓裝置由鋼化玻璃片和破碎裝置組成,用于控制高壓氣體的釋放。鋼化玻璃厚度為3 mm,耐壓超過(guò)2 MPa。

圖1 含高壓氣體煤巖實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental apparatus for the coal and rock with high-pressure gas

1.2 煤巖試樣

實(shí)驗(yàn)中使用的煤粉從山西省長(zhǎng)治市屯留煤礦三號(hào)煤層采樣獲得。為實(shí)現(xiàn)更好的重復(fù)性,實(shí)驗(yàn)中的煤巖試樣由煤粉與水泥混合得到煤巖相似材料。試樣由尺寸小于600 μm的煤粉顆粒制成,煤粉與水泥的混合質(zhì)量比為19∶1,水與固體質(zhì)量比為1∶5。試樣的直徑為35 mm,高度為35 mm。試樣的抗壓強(qiáng)度約為3.2 MPa。煤巖相似試樣具有與煤巖相似的力學(xué)性能 (Wang et al., 2017;Skoczylas et al., 2014)。實(shí)驗(yàn)中采用應(yīng)變片測(cè)量在高壓氣體作用下試樣的變形。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 試樣固定

將貼有應(yīng)變片的試樣放入圓柱腔體中,并固定在腔體中央。為了避免高壓氣體泄壓過(guò)程中腔體的不穩(wěn)定,將圓柱腔體固定在如圖1的框架中。數(shù)據(jù)采集儀每0.2 ms記錄一次數(shù)據(jù),記錄頻率為5000 Hz。

1.3.2 氣體充入與平衡

在充入氣體之前,使用真空泵對(duì)圓柱腔體進(jìn)行抽真空,以使得試樣內(nèi)充入高純度氣體。由于試樣的滲透率低,氣體在試樣中的流動(dòng)和擴(kuò)散非常緩慢。氣體滲透到試樣內(nèi)部孔隙達(dá)到平衡狀態(tài)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中室溫為25 ℃。在氣體擴(kuò)散和流動(dòng)緩慢完成過(guò)程中,保持恒定的氣壓以使氣體進(jìn)入試樣內(nèi)部孔隙并達(dá)到平衡,最終試樣內(nèi)外氣體具有相同壓強(qiáng)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)試樣,氣體在試樣內(nèi)擴(kuò)散所需時(shí)間可以由t=r2/D估算,其中r是試樣的半徑,D為氣體在煤巖中的擴(kuò)散系數(shù),取2×10-5cm2/s,氣體充入至完全滲透進(jìn)入試樣時(shí)間約為42小時(shí)(Saghafi et al., 2007)。

1.3.3 氣體釋放

當(dāng)試樣內(nèi)孔隙氣體壓強(qiáng)與試樣外圓柱腔體內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到平衡狀態(tài)后,快速釋放腔體內(nèi)氣體壓強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中采用2種泄壓方式:第1種通過(guò)充氣管道緩慢泄壓;第2種使用千斤頂推著破碎裝置向上破碎鋼化玻璃,連通腔體內(nèi)外,實(shí)現(xiàn)快速泄壓。試樣周圍圓柱腔體內(nèi)氣體由高壓強(qiáng)迅速下降至大氣壓強(qiáng)。但是,由于試樣滲透率低,試樣內(nèi)部孔隙的氣體壓強(qiáng)比試樣外腔體內(nèi)氣體壓強(qiáng)的降低速度慢。因此,試樣內(nèi)孔隙氣體壓強(qiáng)比煤巖外氣體壓強(qiáng)大,這種氣體壓強(qiáng)差會(huì)引起試樣內(nèi)部孔隙氣體膨脹,形成內(nèi)部載荷,導(dǎo)致試樣的變形和破壞。

2 實(shí)驗(yàn)組別和宏觀結(jié)果

針對(duì)不同的充入氣體壓強(qiáng)和泄壓速率條件,共進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用應(yīng)變片測(cè)量了試樣的變形破裂過(guò)程,包括氣體滲透和氣體釋放的完整過(guò)程。實(shí)驗(yàn)A和實(shí)驗(yàn)B采用了緩慢泄壓,而實(shí)驗(yàn)C和實(shí)驗(yàn)D的試樣采用了快速泄壓。對(duì)試樣吸附過(guò)程中的變形和應(yīng)變變化進(jìn)行了測(cè)量和分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果Table 1 Summary of the experimental data and results

實(shí)驗(yàn)A和實(shí)驗(yàn)B中的氣壓分別為0.5 MPa和1.0 MPa,平均氣體泄壓速率為0.3～0.4 MPa/s,在試樣經(jīng)歷氣體泄壓后,未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋。實(shí)驗(yàn)C中的充入氣壓為0.5 MPa,平均氣體泄壓速率為6.6 MPa/s,氣體泄壓后試樣出現(xiàn)了明顯裂縫,如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)鋼化玻璃破碎后腔體與外部連通,試樣周圍氣壓快速下降,此時(shí)試樣內(nèi)部氣體無(wú)法快速排出而產(chǎn)生壓強(qiáng)差,導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生并擴(kuò)張。試樣中裂縫的總擴(kuò)張時(shí)間約為30 ms。

圖2 充入氣體壓強(qiáng)為0.5 MPa時(shí)快速泄壓引起的試樣破裂(時(shí)間間隔16.7 ms)Fig.2 Specimen fracture caused by the gas decompression of 0.5 MPa (time interval between two video images is 16.7 ms). (a)Intact specimen. (b) Fractures initiate when the gas pressure gradient occurs. (c) Fractures continue growing with the gas pressure gradient increases. (d) Fractures stop when the gas pressure gradient decreases

在實(shí)驗(yàn)D中,試樣內(nèi)部氣壓為1.0 MPa,平均泄壓速率為8.2 MPa/s,如圖3所示。在氣體泄壓過(guò)程中,試樣發(fā)生劇烈破碎。試樣在泄壓后約30 ms內(nèi)破碎。

圖3 充入氣體壓強(qiáng)為1.0 MPa時(shí)快速泄壓引起的試樣破裂(時(shí)間間隔16.7 ms)Fig.3 Specimen fragmentation caused by the gas decompression of 1.0 MPa (time interval between two video images is 16.7 ms).(a) Intact specimen. (b) Fractures and fragmentation initiate when the gas pressure gradient occurs. (c) Fragmentation continues growing with the gas pressure gradient increases. (d) Fragmentation stops when the gas pressure gradient decreases

3 分析與討論

3.1 充氣過(guò)程中煤巖的膨脹

煤巖中存在各種孔隙,CH4、CO2等氣體可以填充在這些孔隙中。煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)不僅與煤巖固體介質(zhì)有關(guān),而且還與煤巖內(nèi)部的孔隙氣體相關(guān)。首先,當(dāng)氣體滲透并擴(kuò)散到煤巖體內(nèi)部時(shí),煤巖試樣出現(xiàn)膨脹。氣體不僅存在于固體孔隙中,還可以被吸附在煤巖的內(nèi)表面上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中記錄試樣的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變,可以通過(guò)下式計(jì)算試樣的體積應(yīng)變:

其中,εV表示體積應(yīng)變,εa表示軸向應(yīng)變,εh表示環(huán)向應(yīng)變。

試樣在氣體充入過(guò)程中的環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變隨時(shí)間的變化如圖4所示。試樣的環(huán)向應(yīng)變和軸向變化并不一致,說(shuō)明試樣呈現(xiàn)輕微的各向異性特征。在氣體吸附過(guò)程中,軸向應(yīng)變大于環(huán)向應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)中試樣的應(yīng)變表現(xiàn)出與原煤相似的特征 (Majewska et al., 2010;Zang and Wang, 2017)。

圖4 四組試驗(yàn)的試樣在氣體滲入和吸附過(guò)程中的應(yīng)變變化Fig.4 Change in strain of specimens during the gas penetration and adsorption

在實(shí)驗(yàn)A和實(shí)驗(yàn)B中,試樣在0.5 MPa氣壓下平衡,應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。氣體可以滲透、擴(kuò)散進(jìn)入煤巖試樣,并被吸附在試樣的內(nèi)表面上。由氣體滲透和吸附引起的應(yīng)變變化主要發(fā)生在前10小時(shí)內(nèi),如圖4所示。

3.2 氣體泄壓過(guò)程中煤巖變形與破壞特性

實(shí)驗(yàn)A中,試樣在0.5 MPa氣壓下平衡,此時(shí)測(cè)量的最大環(huán)向應(yīng)變?yōu)?000,軸向應(yīng)變1472,體積應(yīng)變4944。之后,以低泄壓速率緩慢釋放氣體。氣體泄壓持續(xù)時(shí)間約為1200 ms,平均泄壓速率約為0.4 MPa/s,見(jiàn)圖5a。在氣體緩慢泄壓過(guò)程中,相對(duì)于平衡時(shí)的應(yīng)變,環(huán)向應(yīng)變降低了約300,軸向應(yīng)變降低了686,體積應(yīng)變降低了1286。軸向應(yīng)變變化大于環(huán)向應(yīng)變,這表明試樣具有各向異性。在氣體泄壓過(guò)程中,沒(méi)有明顯的裂紋出現(xiàn),說(shuō)明氣體緩慢泄壓時(shí)未達(dá)到試樣破裂條件。試樣內(nèi)部氣體壓強(qiáng)隨著氣體逸出而降低,試樣內(nèi)外的氣體壓強(qiáng)差較小,無(wú)法使試樣破壞。

實(shí)驗(yàn)B中,試樣在1.0 MPa氣壓下平衡,此時(shí)測(cè)量的最大環(huán)向膨脹應(yīng)變?yōu)?274,軸向膨脹應(yīng)變2844,體積膨脹應(yīng)變7392。之后,以低泄壓速率進(jìn)行,整個(gè)泄壓過(guò)程的平均速率為0.3 MPa/s,見(jiàn)圖5b。在泄壓開(kāi)始的600 ms內(nèi),與氣體泄壓前試樣內(nèi)外氣體平衡時(shí)相比,試樣的環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變逐漸減小了36、 88和160。在接下來(lái)的幾千毫秒內(nèi),環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變分別下降了648、808和2104。實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)A的結(jié)果相似,試樣由于氣體排出而產(chǎn)生收縮。

實(shí)驗(yàn)C中,試樣在0.5 MPa氣壓下平衡,此時(shí)測(cè)得最大環(huán)向膨脹應(yīng)變?yōu)?656,軸向膨脹應(yīng)變1800,體積膨脹應(yīng)變5112。之后,以高泄壓速率釋放氣體。在氣體泄壓過(guò)程中,平均氣體泄壓速率為6.6 MPa/s,最大泄壓速率達(dá)到20.0 MPa/s,氣體泄壓持續(xù)時(shí)間為60 ms,見(jiàn)圖5c。在氣體泄壓過(guò)程中,試樣的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變都會(huì)發(fā)生變化。試樣的環(huán)向和軸向應(yīng)變相對(duì)于平衡時(shí)增加了大約1600。在接下來(lái)的10 ms中,試樣應(yīng)變保持在較低的值。然后,試樣的環(huán)向、軸向和體積應(yīng)變急劇增加。試樣的體積應(yīng)變變化達(dá)到最大值7680,持續(xù)時(shí)間為20 ms。最后,應(yīng)變降低到較低水平,此時(shí)試樣的破裂過(guò)程已經(jīng)完成。實(shí)驗(yàn)C的充入平衡氣壓與實(shí)驗(yàn)A相同,但是氣體泄壓速率不同。實(shí)驗(yàn)A中氣體的緩慢泄壓使得試樣內(nèi)部氣體緩慢地從試樣內(nèi)部排出,試樣內(nèi)外壓強(qiáng)差較小,試樣無(wú)法破裂。實(shí)驗(yàn)C中氣體的快速泄壓使得試樣內(nèi)部高壓氣體不能快速排出,因此試樣內(nèi)部氣體膨脹將引起試樣的破裂。

為了與實(shí)驗(yàn)C進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)D中的試樣在1.0 MPa的氣壓下平衡,這時(shí)測(cè)量得到的最大環(huán)向膨脹應(yīng)變?yōu)?340,軸向膨脹應(yīng)變2664,體積膨脹應(yīng)變7344。之后,再以高泄壓速率進(jìn)行試驗(yàn),最大泄壓速率約為30.0 MPa/s,見(jiàn)圖5d。應(yīng)變變化曲線與實(shí)驗(yàn)C的相似,在氣體泄壓開(kāi)始時(shí)(8 ms),相對(duì)于氣壓平衡時(shí)的應(yīng)變,體積應(yīng)變達(dá)到其第一個(gè)峰值(3015)。此后,應(yīng)變立即降低,甚至低于零。這意味著試樣由于氣體泄壓而膨脹,隨著游離氣體和解吸氣體的逸出而相對(duì)收縮,低應(yīng)變狀態(tài)保持約40 ms。隨著氣體的泄壓,試樣開(kāi)始迅速膨脹,從而導(dǎo)致應(yīng)變急劇增加。最大的環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變發(fā)生在大約78 ms處(12015)。試樣破裂后,應(yīng)變降低到較低水平。

圖5 試樣在氣體泄壓過(guò)程中的應(yīng)變變化Fig.5 Change in strain of specimens during the gas decompression

試樣破裂過(guò)程中氣體泄壓速率隨時(shí)間變化關(guān)系圖如圖6所示。對(duì)于緩慢泄壓的實(shí)驗(yàn)A和實(shí)驗(yàn)B,實(shí)際的氣體泄壓速率分別在前150 ms和500 ms中迅速增加(圖6a、6b)。試樣的軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和體積應(yīng)變隨周圍氣壓的降低而降低,應(yīng)變的減小表明試樣收縮。由于試樣的滲透性比真實(shí)煤巖大,試樣內(nèi)部氣體更容易逸出。氣體泄壓之前,由于試樣中氣體的存在,使得煤巖試樣發(fā)生膨脹。在氣體泄壓過(guò)程中,由于試樣中存在連通的孔隙,氣體逸出后煤巖試樣恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài),相對(duì)于泄壓之前試樣產(chǎn)生收縮現(xiàn)象。最終,隨著試樣周圍氣壓的降低,試樣的應(yīng)變降低。對(duì)于實(shí)驗(yàn)C和實(shí)驗(yàn)D,氣體泄壓速率在開(kāi)始時(shí)便達(dá)到最大值,試樣內(nèi)外部氣體出現(xiàn)較大的壓強(qiáng)差(圖6c、6d),導(dǎo)致試樣的破裂甚至破碎現(xiàn)象。

圖6 氣體泄壓速率隨時(shí)間變化圖Fig.6 Gas decompression rate versus time

在氣體泄壓過(guò)程中,氣體壓強(qiáng)與應(yīng)變的關(guān)系如圖7所示。對(duì)于緩慢泄壓的實(shí)驗(yàn)A和實(shí)驗(yàn)B,試樣的環(huán)向、軸向和體積應(yīng)變的變化趨勢(shì)會(huì)隨著氣體壓強(qiáng)的下降而降低。緩慢泄壓條件下試樣不會(huì)出現(xiàn)明顯破壞。此外,由于實(shí)驗(yàn)B的壓強(qiáng)高于實(shí)驗(yàn)A,實(shí)驗(yàn)B試樣在氣體泄壓前的膨脹大于實(shí)驗(yàn)A試樣,因此實(shí)驗(yàn)B的試樣在氣體泄壓期間的收縮率也比實(shí)驗(yàn)A試樣大(圖7a、7b)。對(duì)于快速泄壓的實(shí)驗(yàn)C和實(shí)驗(yàn)D(圖7c、7d),試樣的環(huán)向、軸向和體積應(yīng)變隨氣體壓強(qiáng)的下降而增加。試樣應(yīng)變的急劇增加預(yù)示著破裂的開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)C試樣僅發(fā)生破裂,而實(shí)驗(yàn)D試樣發(fā)生劇烈碎裂。此后,隨著氣體壓強(qiáng)的下降,試樣的破裂繼續(xù)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)C和實(shí)驗(yàn)D中的試樣應(yīng)變分別在340 kPa和960 kPa的壓強(qiáng)下達(dá)到了最高值7680和12015。根據(jù)試樣在泄壓過(guò)程中的破壞程度,說(shuō)明了試樣在約340 kPa處發(fā)生破裂,而在約960 kPa處發(fā)生破碎。

圖7 氣體壓強(qiáng)和應(yīng)變變化關(guān)系Fig.7 Relationship between gas pressure and strain change

3.3 高壓氣體誘發(fā)煤巖變形與破裂機(jī)制

在氣體充入過(guò)程中,煤巖體內(nèi)的微孔隙和微裂紋進(jìn)入高壓氣體而產(chǎn)生膨脹,使得煤巖體骨架結(jié)構(gòu)改變,最終煤巖體產(chǎn)生膨脹。在氣體釋放過(guò)程中,煤巖體內(nèi)高壓氣體逐漸排出,微孔隙和微裂紋隨著氣體的排出而相對(duì)收縮,使得煤巖體產(chǎn)生相對(duì)收縮,如圖8所示。

圖8 充氣過(guò)程與放氣過(guò)程對(duì)煤巖體孔隙影響Fig.8 Influences of the gas injection and release on the pore of the specimen

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于含有高壓氣體的煤巖試樣,當(dāng)煤巖內(nèi)外氣體壓強(qiáng)平衡時(shí),煤巖處于穩(wěn)定狀態(tài)并不會(huì)發(fā)生破裂。當(dāng)煤巖外部氣體壓強(qiáng)降低時(shí),由于煤巖的滲透率低,內(nèi)部氣體無(wú)法與外部氣體壓強(qiáng)同步降低,此時(shí)煤巖內(nèi)外氣體出現(xiàn)壓強(qiáng)差,當(dāng)氣體壓強(qiáng)差超過(guò)煤巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí),煤巖體將發(fā)生破裂甚至破碎。煤巖內(nèi)部存在很多微孔隙和微裂紋,煤巖破碎過(guò)程是煤巖體內(nèi)部大量微孔隙和微裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中煤巖試樣破碎的動(dòng)力源全部來(lái)自煤巖體內(nèi)的高壓氣體,當(dāng)高壓氣體可以有效作用于微孔隙和微裂紋的擴(kuò)展時(shí),煤巖體將產(chǎn)生破裂和破碎。煤巖體的破碎程度表明高壓氣體膨脹能對(duì)煤巖體的作用大小,同時(shí)煤巖孔隙率、滲透率、力學(xué)強(qiáng)度等對(duì)高壓氣體誘發(fā)煤巖體的破碎都有影響。根據(jù)裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則,微孔隙和微裂紋的擴(kuò)展需要達(dá)到臨界應(yīng)力。氣體泄壓過(guò)程中,煤巖體內(nèi)外氣體壓強(qiáng)差決定了微孔隙和微裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力,而維持臨界應(yīng)力的時(shí)間決定了微孔隙和微裂紋擴(kuò)展的長(zhǎng)度,因此可以說(shuō)明煤巖體的破裂與高壓氣體引起的內(nèi)部載荷具有直接關(guān)系。

4 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)和制造了針對(duì)含高壓氣體的煤巖實(shí)驗(yàn)裝置,研究了氣體快速和緩慢泄壓作用下煤巖材料的變形破裂特性,測(cè)量分析了煤巖材料在實(shí)驗(yàn)中的氣體吸附和泄壓引起的應(yīng)變變化。

(1)實(shí)驗(yàn)證明該實(shí)驗(yàn)裝置可以有效地利用高壓氣體誘發(fā)煤巖動(dòng)力破壞現(xiàn)象,同時(shí)記錄氣體壓強(qiáng)、煤巖應(yīng)變變化等。

(2)氣體滲透和吸附可以引起煤巖的環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變的變化,而煤巖材料在氣體吸附過(guò)程中出現(xiàn)了各向異性。

(3)氣體泄壓速率和氣體壓強(qiáng)是引起含氣煤巖變形破裂的主要原因。較低的氣體泄壓速率不會(huì)引起破裂,較高的氣體泄壓速率會(huì)使得煤巖發(fā)生破裂甚至破碎。對(duì)于相似的氣體泄壓速率,氣體壓強(qiáng)高的煤巖破壞程度更劇烈。

(4)根據(jù)氣體泄壓過(guò)程中氣體壓強(qiáng)和應(yīng)變之間的關(guān)系,確定了實(shí)驗(yàn)中試樣發(fā)生破裂和破碎的臨界氣體壓強(qiáng)分別為340 kPa和960 kPa。