劉業(yè)嬌 ，邢輝，李沐，崔一諾，滕婷

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭市 014010；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南焦作市 454000；3.中鐵十二局第四工程有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

含瓦斯煤是一種特殊的巖石類型，由煤巖固體顆粒骨架、游離態(tài)瓦斯氣體和準(zhǔn)液態(tài)吸附瓦斯組成的典型的非均勻多相介質(zhì)。在礦井開采過程中，由于煤和瓦斯作用，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和煤體的損壞。相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，含瓦斯煤是由于瓦斯和煤體物理性質(zhì)共同作用的結(jié)果[1-4]，其主要與煤層突出所處的地應(yīng)力狀態(tài)、煤層中的瓦斯及煤巖物理學(xué)特性3 個(gè)因素有關(guān)。瓦斯氣體與煤的固體表面存在著很強(qiáng)的氣固反應(yīng)，且大部分瓦斯氣體是以吸附的形態(tài)賦存于煤的孔隙系統(tǒng)內(nèi)。大量研究成果表明：煤吸附瓦斯將使得煤的物性力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變，并伴隨產(chǎn)生不同程度的變形[5-9]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者在此領(lǐng)域開展了大量研究，其成果主要集中在孔隙率理論模型[9-15]的建立和有效應(yīng)力規(guī)律及其影響因素分析等方面[16-22]。針對(duì)煤吸附瓦斯過程中孔隙率演化特征進(jìn)行研究，并在煤吸附瓦斯過程與變形、孔隙演化規(guī)律方面取得了豐富的成果，為進(jìn)一步揭示煤與瓦斯氣體間的吸附作用對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文擬根據(jù)采動(dòng)含瓦斯煤體所受軸向壓力實(shí)際演化規(guī)律，開展含瓦斯煤體損傷模擬試驗(yàn)，分析不同孔隙率對(duì)含瓦斯煤體的破壞機(jī)制，旨在加深對(duì)含瓦斯煤體破壞失穩(wěn)機(jī)制及煤與瓦斯突出機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

1 孔隙率對(duì)含瓦斯煤巖體變形特征的影響

通常采用宏觀方法來描述含瓦斯煤體的孔隙率，定義為材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比，即：

式中，n為含瓦斯煤體的孔隙率，無量綱；vp為含瓦斯煤體中孔隙、裂縫所占的體積；vs為含瓦斯煤體實(shí)體體積；v為含瓦斯煤體本身總體積。

多孔介質(zhì)固體實(shí)體體積用vs表示，其變化用Δvs表示；多孔介質(zhì)外觀總體積用vb表示，其變化用Δvb表示；多孔介質(zhì)孔隙體積用vn表示，其變化用Δvn表示。

由孔隙率定義（1）式，可得：

式中，εv為體積應(yīng)變，無量綱；vn0為多孔介質(zhì)孔隙體積初始值；vb0為多孔介質(zhì)外觀總體積初始值；Δvs為煤本體變形；Δvs為煤本體變形初始值。

令Δvs=ε為煤吸附變形,可得：

將式（3）代入式（2）可得:

式中，εn為單位體積膨脹變形，無量綱。

2 孔隙率對(duì)含瓦斯煤巖體變形破壞機(jī)制的數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)的確定

建立平面應(yīng)變計(jì)算模型，模型尺寸為50 mm×100 mm，劃分為90×180 個(gè)單元，數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示。模型的上下邊界為不透氣巖層，上下瓦斯流量為零，左邊瓦斯壓力為1 MPa，右面瓦斯壓力為5 MPa，內(nèi)部瓦斯為3 MPa。全程在豎直方向使用位移加載的加載方式，采用滲流邊界條件。建立孔隙率分別為n=5%、10%、20%、40%時(shí)的4 種模型，改變其位移加載增量，共做8 個(gè)模型。多個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析，可以更加直觀顯示不同孔隙率下瓦斯煤體的變形破壞機(jī)制。煤體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 煤體材料力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 不同孔隙率最終宏觀破裂圖分析

不同孔隙率最終宏觀破裂圖如圖2 所示。由圖2 可知，不同孔隙率條件下的破裂圖差異較大，孔隙率為10%和20%的差異不大。圖2（a）和圖2（d）裂縫幾乎貫穿了整個(gè)試樣，但圖2（d）比圖2（a）試樣破壞的裂紋更多、更寬，伴有更多雜亂的其他裂紋衍生；圖2（b）從中間向上斷裂，圖2（d）從最下面向上整個(gè)斷裂，可以看出孔隙率大的試樣破壞的更加全面，破裂的單元更多，對(duì)煤巖的損壞更大；圖2（b）可以看出裂紋還沒有完全形成，就已出現(xiàn)大面積損壞，圖2（a）則是完全破壞幾乎沒有其余裂紋產(chǎn)生；圖2（b）裂紋比圖2（a）覆蓋的少，但裂紋相對(duì)更加寬大，主裂紋還沒完全成型就已經(jīng)衍生其他裂紋，隨著孔隙率的增大，含瓦斯煤體的破壞速度加快。

圖2 不同孔隙率最終宏觀破裂

2.2.2 不同孔隙率最終宏觀聲發(fā)射破裂圖分析

不同孔隙率最終宏觀破裂圖如圖3 所示，可知聲發(fā)射的最終分布與破裂圖的裂紋基本一致。隨著孔隙率的增大，含瓦斯煤體的破壞速度加快，微裂紋開始形成大裂紋或擴(kuò)展更多的裂紋。由于試樣的突然破裂導(dǎo)致強(qiáng)烈的聲發(fā)射現(xiàn)象，聲發(fā)射數(shù)量顯著增加。隨著裂紋的再一次擴(kuò)大和增加，模擬試樣最終展現(xiàn)出宏觀上的主裂紋，聲發(fā)射數(shù)量達(dá)到最大增幅。直到含瓦斯煤體破壞，仍能產(chǎn)生少量聲發(fā)射現(xiàn)象。

圖3 不同孔隙率最終宏觀聲發(fā)射破裂

2.2.3 不同孔隙率最終宏觀瓦斯流量圖分析

不同孔隙率最終宏觀破裂圖如圖4 所示，由圖4（a）、圖4（b）可知，孔隙率5%和40%時(shí)所產(chǎn)生的裂縫幾乎貫穿了整個(gè)試樣，但圖4（d）比圖4（a）試樣破壞的裂紋更多更長(zhǎng)，且伴有更多雜亂的其他裂紋衍生；孔隙率10%見圖4（b）從中間向上斷裂，圖4（d）從最下面向上整個(gè)斷裂，可以看出孔隙率大的試樣破壞的更加全面，破裂的單元更多，對(duì)煤巖的損壞更大；圖4（b）可以看出裂紋還沒有完全形成，就已出現(xiàn)大面積損壞，孔隙率20%見圖4（c）則是完美破壞幾乎沒有其余裂紋產(chǎn)生；隨著孔隙率的增大，含瓦斯煤體的破壞速度加快。煤層的瓦斯在較高的瓦斯壓力梯度下，逐漸向最低的瓦斯壓力梯度下運(yùn)移，最終匯聚成一條直線。且瓦斯運(yùn)移的方向從模型底部開始，由非穩(wěn)定狀態(tài)變成穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，最終定型。

圖4 不同孔隙率最終宏觀瓦斯流量

2.2.4 不同孔隙率應(yīng)力曲線圖分析

通過不同孔隙率應(yīng)力-加載步曲線如圖5 所示，由圖5 可知孔隙率越大，煤體的極限抗壓強(qiáng)度越小，且孔隙率與煤體的極限抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性。其中孔隙率10%達(dá)到屈服狀態(tài)所需加載步最多，反之，孔隙率40%達(dá)到屈服狀態(tài)所需加載步最少?？紫堵?%隨著加載步增加應(yīng)力波動(dòng)最大，孔隙率20%隨著加載步增加應(yīng)力波動(dòng)最平緩。孔隙率越大，含瓦斯煤體破壞時(shí)需要的應(yīng)力值就越小，極限破壞應(yīng)力越小。含瓦斯煤體從內(nèi)部一點(diǎn)點(diǎn)向外開裂，且應(yīng)力大小先從低到高再到低，最后完全破壞時(shí)在零附近徘徊。

圖5 不同孔隙率應(yīng)力-加載步曲線

3 結(jié)論

（1）由于含瓦斯煤巖在破壞時(shí)還受到瓦斯的作用，因此含瓦斯煤巖破壞時(shí)產(chǎn)生的能量更多，破壞損傷程度更大。煤巖受到載荷作用時(shí)，一般表現(xiàn)出抗剪破壞，含瓦斯煤巖則是拉壓破壞，且在相同載荷下后者變形更明顯。

（2）孔隙率越大的含瓦斯煤體，破壞的范圍更大，裂紋的擴(kuò)展更多。且損壞加快，達(dá)到破壞時(shí)所用的時(shí)間最少?？紫堵誓芨淖兒咚姑后w本身的體積變形，且孔隙率越大越明顯。

（3）最大的孔隙率其應(yīng)力峰值最低，達(dá)到破壞時(shí)需要的位移加載最小，說明煤巖體更容易損壞，煤巖體強(qiáng)度最低。該模擬結(jié)果可以在煤巖開采過程中減少對(duì)煤巖的損傷和破壞，研究成果對(duì)礦井災(zāi)害防治具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。