真三軸條件下深部煤巖試樣力學特性研究*

趙杰

(山西三路安環保能源開發股份有限公司,山西 長治市 046000)

0 引言

大量降雨和地下水轉移現象的發生,對煤礦采空區穩定性的變化產生重要影響,煤礦采空區賦水,給礦山安全生產帶來了重大隱患,同時,地層中的巖石在地質構造作用下往往處于三向不等壓狀態,常規的巖石力學試驗無法研究巖石在實際應力條件下的力學特性[1-2],開展與現場實際情況更接近的真三軸試驗研究能夠更加準確地模擬巖體實際受力狀態,為分析深部煤巖體浸水作用前后煤巖體的穩定性提供技術指導。

隨著技術的進步,越來越多的學者通過真三軸試驗機開展巖體試件在三向應力狀態下的力學特性試驗研究。DU 等[3]利用英國GDS真三軸儀對騰格里沙漠風積沙進行了排水剪切試驗研究。GAO等[4]采用三維離散元法(DEM)研究節理大理巖中間主應力和節理傾角對宏觀力學特性的影響。SHEN 等[5]對“x向位移固定、y向加載、z向卸載”真三軸應力路徑下的沖擊危險煤樣進行了試驗和數值研究。DUAN 等[6]系統分析了各主應力循環對煤體變形、能量演化及損傷特征的影響。CHEN等[7]研究了真三軸應力作用下原煤水力壓裂誘發的聲發射參數變化規律和聲發射事件的時空分布規律。CHANG 等[8]提出了一種考慮微裂紋引起的微觀損傷和先存缺陷引起的宏觀損傷的損傷模型來描述含單一缺陷巖石試件在真三軸壓縮下的破壞行為。LI等[9]對砂巖進行了一系列真三軸試驗,研究了裂隙巖石的破裂特征和破壞機制。ZHENG 等[10]對硬巖在常規和真三軸應力狀態下的破壞進行了對比分析研究。WANG 等[11]基于自主研發的真三軸多功能流固耦合試驗系統開展砂巖損傷力學特性研究。馮帆等[12]探討了不同含水狀態紅砂巖試樣在動靜組合狀態下的失穩破裂特征,從能量轉化、力學、物理以及化學的角度初步揭示了真三軸卸載-動力擾動下水弱化巖爆機制。王凱等[13]進行了5 種不同真三軸應力路徑下含瓦斯復合煤巖體滲流特性及力學破壞特征試驗研究。許文松等[14]通過真三軸試驗發現動力事故發生的主要原因是巖體內部能量的積聚釋放,巖體次生各向異性對巖體自身極限儲存能存在很大影響。楊成祥等[15]利用真三軸加載系統和聲發射監測系統,對3種蝕變巖的變形、強度、破裂演化過程及微觀破壞機制進行了分析。

本文利用真三軸力學試驗裝置,對現場取樣制得的5組煤巖試件分別進行真三向應力力學試驗與真三向應力浸水作用下的力學特征研究,試樣標準尺寸:100 mm×50 mm×50 mm,分析深部煤巖體變形、強度變化、巖石破壞模式以及巖石破裂失穩全過程,為現場采空區賦水情況分析提供技術指導。

1 試驗概述

1.1 試驗設備

采用的試驗裝置為實驗室自主研發的集成了壓縮-拉伸-電磁卸荷的高剛性真三軸實驗機,系統外觀及結構如圖1所示?？蛇M行符合儲層應力條件的真三軸巖石力學試驗,該裝置可以通過三方向剛性加載實現3個主應力方向的獨立加載,其中,真三軸加載裝置在中間主應力σ2、最小主應力σ3方向兩端加載軸均為主動加載,在最大主應力σ1方向一端加載軸為主動加載,另外一端為隨動加載。

圖1 高剛性軟巖真三軸實驗機

1.2 煤巖體真三軸力學試驗

首先依據煤層應力條件確定真三軸巖石力學試驗的應力水平。依據取樣附近地應力測試結果,確定了室內真三軸巖石力學試驗的應力水平。按照自重應力場計算,取樣附近地層最小水平地應力值為5～6 MPa,最大水平地應力值為10～12 MPa,豎直向地應力值為9～10 MPa,見表1。同時,圖2為煤層與巖性真三軸巖石力學特性試驗應力水平示意圖。設定不同層位及巖性真三軸巖石力學試驗最小水平應力σ3=15 MPa、垂向應力σ2=20 MPa,最大水平應力σ1為加載破壞力。

表1 現場地應力測試應力水平值

煤巖體真三軸巖石力學特性試驗均采種混合的加載方式。在加載初期,最大主應力方向主動加載軸以力控為主,隨動加載軸以位移控為主,通過隨動加載軸跟隨主動加載軸位移進行加載。圖3為煤巖體真三軸巖石力學特性試驗應力路徑。首先,σ2與σ3以恒定的應力加載速率4 kN/min加載,σ1以恒定的應力加載速率2 kN/min 同步增壓至σ3設定的目標值,即σ3=σ2=σ1=5 MPa。在這個過程中,3個主應力方向應力始終以靜水壓力的形式增長。然后,保持σ3不變,以恒定的速率4 kN/min增加σ2,同時以恒定的速率2 kN/min增加σ1至σ2設定的目標值,即σ2=σ1=12 MPa。在這個過程中,σ1和σ2始終保持相等。最后,保持σ2與σ3不變,巖樣最大主應力方向以恒定變形速率0.01 mm/min進行加載。此時,主動加載軸和隨動加載軸均以位移控為主,主動加載軸通過伺服反饋保持巖樣變形速率恒定,而隨動加載軸始終跟隨主動加載軸位移。當巖樣強度達到峰值強度后,根據巖樣變形的增大幅度調整變形速率,直到最終達到殘余強度。

圖3 真三軸力學試驗應力路徑

2 試驗結果及分析

2.1 巖樣力學特性及破壞模式

通過實驗室真三軸試驗機開展5組煤巖層巖樣的力學試驗測試,具體效果如圖4所示,圖4為5組煤層巖樣在真三向應力作用下的全應力-應變曲線,通過圖4中1#、3#和5#巖樣全應力-應變曲線可以總結出以下3點。

圖4 1#、3#和5#巖樣全應力-應變曲線對比

(1) 煤層1#總體上表現出較強的延性,其應力-應變曲線可以分為裂紋壓密階段、彈性壓縮階段、裂紋穩定擴展階段、裂紋非穩定擴展階段和宏觀裂紋形成階段。

(2)3#巖樣總體上表現出較強的延性,其應力-應變曲線可以分為裂紋壓密階段、彈性壓縮階段、局部裂紋穩定擴展階段、局部裂紋壓密、裂紋穩定擴展階段、裂紋非穩定擴展階段和宏觀裂紋形成階段。

(3)5#巖樣總體上表現出較強的脆性,其應力-應變曲線表現出階段性特征,即裂紋壓密階段、彈性壓縮階段、裂紋穩定擴展階段、裂紋非穩定擴展階段和宏觀裂紋形成階段。

通過圖5中2#和4#煤層巖樣為在浸水前后真三向應力作用下的全應力-應變曲線可以總結出以下2點。

圖5 2#和4#巖樣浸水前后全應力-應變曲線對比

(1)2#巖樣表現出理想彈塑性和較強的延性,巖樣浸水后的應力-應變曲線表現出階段性特征,第一階段巖石變形隨應力近乎線性增加,到達一定應力后,變形快速增加,應力-應變曲線近水平。2#巖樣浸水后表現為理想彈塑性,當巖石強度超過其峰值強度4.14 MPa時,巖石發生破壞,其后強度幾乎無變化。巖石在發生浸水及應力破壞后,峰值強度降低了55.3%,力學性質弱化,巖石平行層理方向膨脹變形量大于垂直層理方向膨脹變形量,巖石在浸水以及應力破壞后沿層理方向持續發生滑移,該層位巖石在真三向應力和地層浸水后的變形受層理影響較大。浸水后,2#巖樣彈性模量降低了33.5%,變形能力增加。

(2)4#巖樣總體上仍然表現出較強的脆性,巖樣的密度為1.402 g/cm3,巖樣浸水后的階段性強度特征與未浸水試樣一致,可以看出,浸水后仍具有較高的峰值強度,且巖石在發生破壞后,其仍然具有殘余強度,4#巖樣浸水前后力學性質對比,浸水后4#巖樣峰值強度降低了16.4%,力學性質弱化。巖石在垂直層理方向的變形能力較強,該層位巖石在真三向應力及浸水條件下的變形受結構影響較大。浸水后,4#巖樣彈性模量降低了8%,變形能力增加。

2.2 真三向應力下巖石的表觀破壞模式及破裂失穩全過程

通過觀察5組試件表觀破裂模式,研究該試樣在巖石真三軸條件下的破裂模式,如圖6所示,同時使用聲發射設備監測真三向應力下巖石破裂失穩全過程,獲得如圖7所示的巖樣聲發射破裂特征。

圖6 1#、2#、3#、4#和5#巖樣表觀破裂模式

圖7 1#、2#、3#、4#和5#巖樣聲發射破裂特征

1#巖樣的峰值強度為9.266 MPa且破裂模式表現為結構控制型剪切破壞,以層理方向剪切滑移為主;2#巖樣浸水前的峰值強度為4.140 MPa,浸水后,峰值強度降低了55.3%,其破壞模式表現為結構控制型和應力控制綜合控制型剪切破壞,煤巖體浸水后的破壞受層理結構和應力的綜合控制;3#巖樣的峰值強度為10.042 MPa且破壞模式表現為結構和應力綜合控制型剪切破壞,當煤體層理不發育時,煤巖體的破壞受層理結構和應力的控制;4#巖樣浸水前峰值強度為11.714 MPa,浸水后峰值強度降低了16.4%,其破壞模式主要表現為結構控制型剪切破壞,該試樣巖石剪切破壞表現主要為結構控制,結構面受到水的潤滑作用,裂紋多沿著結構面擴展,巖石易沿結構面產生滑移;5#巖樣的峰值強度為12.378 MPa且破壞模式表現為結構控制型剪切破壞為主,以層理方向剪切滑移為主。

通過對比巖石破裂特征圖和聲發射破裂特征圖,發現無水煤巖體在裂紋壓密階段,其原始裂隙被壓密;進入彈性變形階段后,巖石不會產生次生裂隙;當進入巖石塑性階段,即達到巖石的損傷強度時,巖石內部裂隙由穩定擴展進入到非穩定擴展;當巖石達到峰值強度以及峰后階段,巖石隨即產生宏觀裂隙。浸水煤巖體在裂紋壓密階段,產生較多聲發射信號,初始原生裂隙由于水的進入,層理膠結程度減弱,水作用后產生的初始裂隙被壓密;進入彈性變形階段后,巖石不會產生次生裂隙;當進入巖石塑性階段,即達到巖石的損傷強度時,巖石內部裂隙由穩定擴展進入到非穩定擴展;當巖石達到峰值強度以及峰后階段,巖石隨即產生宏觀裂隙。

獲得真三向應力下煤巖體無水和浸水條件下煤巖體的破壞形式,以上試驗結果與現象為力學模型的開發提供了基礎數據,進而對老舊采空區由于氣候變化造成的采空區再次賦水影響礦區穩定問題的研究提供了研究基礎。對礦區工程巖體穩定性分析有著重要意義。

3 結論

本文基于真三軸煤巖體力學特性試驗,以現場原位煤巖體為模板制成標準試驗試件,對煤巖體浸水前后的破壞模式進行模擬研究,得到以下結論。

(1) 浸水與否不會影響煤巖體變形方向,煤巖體巖石均沿第二主應力方向(垂直層理方向)、第三主應力方向(平行層理方向)發生膨脹變形,但是未浸水煤巖體在垂直層理方向的變形能力較強,而浸水后煤巖體平行層理方向膨脹變形量大于垂直層理方向。層位巖石存在受層理影響、受層理和應力同時影響以及受結構影響3種形式。

(2) 通過研究浸水前后煤巖體真三向應力下的力學特征發現,浸水前煤巖體層位巖石存在受層理影響、層理+應力同時影響和結構影響3種形式;在發生浸水后,2#巖樣峰值強度降低了55.3%,4#巖樣峰值強度降低了16.4%,力學性質弱化。更加真實地證明了浸水作用會極大地降低煤巖體的穩定性。