不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制.pdf

第4 5 卷第1 1 期 2 0 2 0 年1 1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 N O V ． N o ．1 l 2 0 2 0 移动阅读 刘永茜，韩国锋，王维华，等．不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 1 1 3 8 0 6 3 8 1 6 ． L I UY o n g q i a n ，H A NG u o f e n g ，W A N GW e i h u a ，e ta 1 ．E v o l u t i o nm e c h a n i s mo ff r a c t u r es t r u c t u r eo fl o a d e dc o a lu n d e r d i f f e r e n tu n l o a d i n gr a t e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 1 1 3 8 0 6 3 8 1 6 ． 不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制 刘永茜1 ”，韩国锋3 ，王维华1 ’2 ，霍中冈0 1 ’2 ，孟涛1 ’2 1 ．煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 1 0 0 0 1 3 ；3 ，中国科学院力学研究所，北京1 0 0 1 9 0 摘要针对受载煤体卸压过程裂隙发育数据难以捕捉的现状，设计了受载煤体伪三轴瓦斯渗流实 验，完成了受载煤体加载和卸载过程的应力一应变一渗透率动态监测。同时基于能量守恒定理，开 展了卸载过程中不同卸载速率下的能量分配比较，阐释了卸载速率对裂隙发育和渗透率变化的控 制作用，并通过煤样裂隙监测数据对比予以验证。研究结果显示，卸载过程中的煤体裂隙结构受卸 载速率影响，围压卸载速率越高，I 类和I I 类裂隙越发育 所占比率增高 ，I 类裂隙数量较原始数 量增幅甚至超过1 倍，I I 类裂隙数量提高7 4 ．1 3 ％；在卸载过程中渗透率曲线整体可分为3 段线性 段、抛物线段和稳定段，而决定其3 段曲线分布的关键因素是煤体弹性模量大小、加载强度和卸载 速率；随着卸载速率的提高，煤体渗透率加大，线性段斜率和抛物线段曲率半径逐步增加，线性段斜 率由0 ．0 5 48 逐步升高至0 ．0 9 19 ，0 ．1 3 88 和0 ．2 1 64 ，抛物线曲率半径逐步增大，顶点曲率半径分 别达到1 ．2 3 2 ，1 ．3 3 4 ，1 ．8 6 3 和2 ．0 1 4 ，渗透率稳定的应力临界点不断减小，由1 5 ．2 6M P a 降低至 1 4 ．0 8 ，1 3 ．1 4 和1 0 ．8 8M P a ；煤体渗透率的变化可以通过裂隙长度增量进行量化表征，相同实验条 件下，渗透率增量与裂隙长度增量之间呈线性关系；统计数据显示，围压卸载速率越高，弹性能转化 率越低，裂隙发育能耗越高，高速卸载 加卸比1 8 可使煤体破裂能耗超过8 0 ％，而低速卸载 加 卸比l 1 的裂隙能耗仅有2 5 ．6 2 ％；比较研究发现，高速卸载过程中煤体能量释放的主体引发原 有裂隙扩展，而不是导致新裂隙的萌生，裂隙发育能耗与卸载速率之间呈对数关系。 关键词卸载速率；围压卸载；煤体结构；裂隙；孔隙度 中图分类号T D 7 1 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 1 1 - 3 8 0 6 1 l E v o l u t i o nm e c h a n i s mo ff r a c t u r es t r u c t u r eo fl o a d e dc o a lu n d e rd i f f e r e n t u n l o a d i n gr a t e s L I UY o n g q i a n l 一，H A NG u o f e n 9 3 ，W A N GW e i h u a l 一，H U OZ h o n g g a n 9 1 一，M E N GT a 0 1 2 1 ．M i n eS a f e t yT e c h n o l o g y B r a n c h ，c i ，mC o a zR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，幽i n a ；2 ．N a t i o n a fK e yL a bo f C o a fH i g hE f f i c i e n tM i n i n g a n d 讹口nU t i - l i z a t i o n ，C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；3 ．I n s t i t u t eo f M e c h a n i c s ，C h i n e s eA c a d e m yo f S c i e n c e s ，B e i i i n g1 0 0 1 9 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo ft h ef a c tt h a tt h ef r a c t u r ed e v e l o p m e n td a t ai nt h eu n l o a d i n gp r o c e s so ft h el o a d e dc o a lb o d yw a s d i f f i c u l tt oc a p t u r e ，ap s e u d ot h r e e a x i ss e e p a g ee x p e r i m e n tw a sd e s i g n e dt oc o m p l e t et h ed y n a m i cm o n i t o r i n go fs t r e s s s t r a i n p e r m e a b i l i t yi nt h el o a d i n ga n du n l o a d i n gp r o c e s so ft h el o a d e dc o a lb o d y ．A tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h ec o n s e r v a t i o no fe n e r g y ，t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o ns t a t e sa td i f f e r e n tu n l o a d i n gr a t e sd u r i n gt h eu n l o a d i n gp r o c e s sw e r ec o m - 收稿日期2 0 2 0 0 4 - 2 7修回1 3 期2 0 2 0 0 8 - 2 8责任编辑常明然D O I 1 0 ，1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 2 0 ．0 7 1 9 基金项目“十三五”国家科技重大专项资助项目 2 0 1 6 Z X 0 5 0 4 5 0 0 2 - 0 6 ；国家重点研发计划资助项目 2 0 1 8 Y F C 0 8 0 8 0 0 1 - 0 3 ；国家自然科学 基金青年基金资助项目 5 1 5 0 4 1 3 7 作者简介刘永茜 1 9 8 4 一 ，男，河南南阳人，研究员，博士。T e l 0 1 0 8 4 2 6 3 3 8 7 ，E m a i l y q l i u 5 1 8 1 2 6 ．c o r n 万方数据 第1 1 期刘永茜等不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制 3 8 0 7 p a r e d ，a n dt h ee f f e c t o fu n l o a d i n gr a t eO f ff r a c t u r ed e v e l o p m e n ta n dp e r m e a b i l i t ye v o l u t i o nw a se x p l a i n e d ，a n dv e r i f i e d b yc o a ls a m p l ef r a c t u r em o n i t o r i n ga n dc o m p a r i s o nd a t a ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef r a c t u r es t r u c t u r ew a sa f f e c t e db y u n l o a d i n gr a t e s ．T h eh i g h e rt h eu n l o a d i n gr a t e o fc o n f i n i n gp r e s s u r ew a s ，t h em o r eC l a s sIa n dC l a s sI If r a c t u r e sw e r e d e v e l o p e d t h er a t i oi n c r e a s e d ．C o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ln u m b e r ，t h en u m b e ro fC l a s sIf r a c t u r e si n c r e a s e de v e n m o r et h a no n et i m e ，a n dt h en u m b e ro fC l a s sI If r a c t u r e si n c r e a s e db y7 4 ．13 ％．D u r i n gu n l o a d i n g ，t h ep e r m e a b i l i t y c u r v ec a nb ed i v i d e di n t ot h r e es e c t i o n s l i n e a rs e c t i o n ，p a r a b o l i cs e c t i o na n ds t a b l es e c t i o n ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nc h a r - a c t e r i s t i c so ft h o s et h r e ec u r v e sw e r ed e t e r m i n e db yt h ee l a s t i cm o d u l u s ，l o a d i n gs t r e n g t ha n du n l o a d i n gr a t eo fe x p e r i m e n t a lc o a ls a m p l e s ．W i t ht h ei n c r e a s eo fu n l o a d i n gr a t e ，c o a lp e r m e a b i l i t ye n h a n c e d ，t h es l o p eo fl i n e a rs e c t i o na n d c u r v a t u r er a d i u so fp a r a b o l i cs e c t i o ni n c r e a s e dg r a d u a l l y ，t h es l o p eo ft h el i n e a rs e g m e n tg r a d u a l l yi n c r e a s e df r o m 0 ．0 5 48t o0 ．0 9 19 ，0 ．1 3 88a n d0 ．2 1 64 ，a n dt h er a d i u so fc u r v a t u r eo fa p e x e sr e a c h e d1 ．2 3 2 ，1 ．3 3 4 ，1 ．8 6 3a n d 2 ．0 1 4 ，r e s p e c t i v e l y ．W i t ht h ei n c r e a s eo fu n l o a d i n gr a t e ，t h ec r i t i c a l s t r e s sp o i n to fp e r m e a b i l i t ys t a b i l i t yd e c r e a s e d f r o m1 5 ．2 6M P at o1 4 ．0 8 ，1 3 ．1 4a n d1 0 ．8 8M P a ．U n d e rt h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h e r ew a sal i n e a rr e l a - t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n c r e m e n to fp e r m e a b i l i t ya n dt h ei n c r e m e n to ff r a c t u r el e n g t h ．T h es t a t i s t i c a ld a t as h o w e dt h a t t h eh i g h e rt h ec o n f i n i n gp r e s s u r eu n l o a d i n gr a t ew a s ，t h el o w e rt h ee l a s t i ce n e r g yc o n v e r s i o nr a t ew a s ，a n dt h eh i g h e r t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ff r a c t u r ed e v e l o p m e n tw a s ．T h ef r a c t u r ee n e r g yc o n s u m p t i o no fh i g hs p e e du n l o a d i n g 1 0 a d - i n gu n l o a d i n gr a t i o1 8 w a sm o r et h a n8 0 ％，w h i l et h a t o fl o ws p e e du n l o a d i n g 1 0 a d i n gu n l o a d i n gr a t i o1 1 w a s o n l y2 5 ．6 2 ％．A c c o r d i n gt oc o m p a r a t i v es t u d i e s ，i tw a sf o u n dt h a tt h em a i nb o d yo fe n e r g yr e l e a s eo fc o a lb o d yw a s c o n s u m e db yt h ee x p a n s i o ne v e n t so fo r i g i n a lf r a c t u r eg r o u p ，r a t h e rt h a nt h ei n i t i a t i o no fn e wf r a c t u r eg r o u pd u r i n gc o a l m a s sh i g hs p e e du n l o a d i n g ，a n dt h e r ew a sal o g a r i t h m i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e r g yc o n s u m p t i o nf o rf r a c t u r ed e v e l o p - m e n ta n du n l o a d i n gr a t e ，w h i c hp r o v i d e dd a t as u p p o r tf o rt h eq u a n t i t a t i v es t u d yo ne n e r g yc o n s u m p t i o na n df r a c t u r e s g r o w t h ． K e yw o r d s u n l o a d i n gr a t e ；c o n f i n i n gp r e s s u r eu n l o a d i n g ；c o a ls t r u c t u r e ；f r a c t u r e ；p o r o s i t y 受载煤岩孔隙 裂隙 结构损伤程度不但受应力 大小影响，也取决于其加／卸载速率⋯。国内外学者 自2 0 世纪初开始，开展了大量的岩体加／卸载相关理 论研究和实验测试，取得了一系列重要进展，推动了 大量矿山、水利和交通工程的发展‘2 1 ，尤其对地下 工程建设和深部矿山资源开发起到了至关重要的技 术支撑作用。 应力大小决定受载煤岩的破坏形式。 H A N D I N 1 9 5 3 开展室温下的岩盐三轴压缩试验发 现，岩盐在围压低于2 0M P a 条件下会发生脆性～延 性转变现象旧J ，这是岩石力学领域的一项重大发现， 随后P A T E R S O N 1 9 5 8 和M O G I 1 9 6 6 也通过实验 研究发现，当围压增大到某个临界值时，岩石会发生 脆性一延性转变HJ ，H E A R D 1 9 6 0 通过多组实验验 证对脆性一延性转变给出了初步解释如果岩石发生 破坏时的变形达到3 ％一5 ％时，就可视为岩石发生 了脆性一延性转化∞j ，而J A R G E R 1 9 7 9 认为口1 ，只 要试件可以承受永久变形而不失去承载能力，岩石就 处于延性阶段，如果试件随应变增加而承载力下降， 则岩石处于脆性阶段。H A N D I N 和H E A R D 的相关 测试数据已被文献[ 1 ，6 ] 的部分实验结果证实，确定 应力加载大小决定了岩 煤 体的结构完整性和破坏 形式，而J A E G E R 的定性分析在一定程度上降低 了H E A R D 关于试件变形量的要求，甚至在低于 0 ．1 ％的变形条件下煤岩就可能发生脆性一延性转 变，这对煤岩力学实验的加载极值选取提供了理论参 考。 加卸载速率控制下的煤岩裂隙结构发育研究国 内处于起步阶段。受国内测试技术和试验机发展的 影响，直到2 0 世纪8 0 年代末，中国科学院武汉岩土 所和长春朝阳试验机厂开发出了第1 代岩石力学测 试实验系统，国内加卸载实验测试技术才进入标准化 和系统化。然而含气体煤岩的受载破坏实验测试，是 近2 0a 来以何学秋“ J 、梁冰‘8J 、尹光志归1 等为代表的 学者，以煤体和瓦斯气体为实验对象，开展的一系列 的实验研究工作。国内学者们通过受载煤岩渗透率 变化反演煤岩孔隙 裂隙 结构变化规律，在含气体 吸附介质损伤研究方向取得了重要进展。然而，受测 试设备和测试技术影响，煤岩破坏规律的煤岩裂隙结 构监测和细化解释，缺少足量的科学实验数据支撑。 煤岩在不同加／卸载速率下的损伤模型研究和测 试结果证实，煤岩卸载速率差异导致的煤岩破坏模式 不同。不同加卸载速率作用下煤岩力学响应分析是 岩石力学的一个重要分支，变载作用下的煤岩 万方数据 3 8 0 8 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 裂 孔 隙结构发育规律是其中最基础的课题研究方 向之一。上述文献[ 3 ，7 9 ] 等开展的岩体力学性质 测试均是在匀速加卸载条件下开展的。黄润秋和黄 达圳通过三轴卸载试验发现，初始围压和卸载速率 越高，岩石脆性及张l 生断裂特征越明显；邱士利等川 分析了大理岩在不同围压卸载速率下的变形规律，发 现轴向变形和扩容过程受围压卸载速率的影响显著； 吴刚和赵震洋副研究了卸荷速率对裂隙岩体强度的 影响规律，指出随着卸载速率增加，岩石强度不断提 高，这与张凯引和G O W D 【】4o 的研究结论一致。尹光 志等一1 通过开展卸围压速度变化范围为0 ．0 0 4 ～ 0 ．0 0 8M P a ／s 加卸载渗流实验研究发现，围压卸载速 率越大，煤岩维持在应力平台阶段的时间越短，围压 卸载开始后煤岩应力平台阶段的时间与卸围压速率 呈幂函数关系。薛东杰等纠研究发现，加卸载速率 在一定程度上影响了煤体体积变形，煤岩体积扩容现 象局限在一定的加卸载速率条件下，这对受载煤岩渗 透率非线性变化提供了新的认识。杨文东等【l 叫的实 验结果阐释了加卸载速率的时间效应，低速加载导致 的蠕变效应更加显著，这从侧面证实了加载速率对煤 岩孔隙结构的影响差异。何满潮Ⅲj 、马德鹏引等借 助三轴围压卸载实验，发现围压卸载速率越快，煤样 在破裂前后损伤量增量越大，煤体层裂效应显著，并 从能量守恒的角度给出了解释。袁曦和张军伟引通 过煤体卸载实验发现，煤体渗透率变化受卸载速率影 响显著，并从能量角度提出渗透率随能量耗散率的增 大而呈指数增大，但未对能量耗散做出结构分析，没 有对卸载速率与能量耗散之间的关系开展深入阐述。 描述a n ／卸载速率控制下的能量耗散规律，煤岩 孔隙 裂隙 结构变化数据统计是不可或缺的条件。 然而，针对a n ／卸载过程中不同速率下的煤岩裂隙结 构对比分析，国内外学者开展的研究工作相对较少。 张东明等m 1 借助三轴渗透仪完成了应力作用下渗透 率演化规律分析，周松航等心通过应力作用的煤体 孑L 隙结构分析，初步完成了应力对煤体孔隙结构影响 的实验分析，阐释了煤体孔隙 裂隙 发育的应力作 用机制，刘永茜等心2 。2 纠通过循环应力和加卸载作用 下的煤体孔隙结构对比，借助损伤度模型和测试数 据，验证了卸载速率影响弹性势能转化率现象，为理 论分析和实验假设提供了思路。然而，通过三轴渗透 仪研究不同卸载速率下煤岩孔隙结构，在轴压加载与 围压控制方面存在不少的实验技术挑战。笔者通过 多次卸载实验测试，完成平行煤样的极限承载应力测 试，并针对实验煤样制定了合理的加卸载速率和围压 处理措施，实现了加卸速率比1 1 ，1 2 ，1 4 和1 8 的4 组对比实验，分别研究卸载速率对煤岩 裂隙发育影响，通过弹性能转化率予以验证。这是一 种测试技术的新尝试和数据验证方法创新，且对后续 研究煤体裂隙发育 静压层裂 提供了技术引导和数 据支持。 1 受载煤体卸压损伤的力一能关系 煤体受载变形经历弹性应变和塑性变形，多期应 力作用后导致卸载后煤体的体积变形恢复率不断降 低，证实了作为多孑L 介质的煤体，其孔隙结构和裂隙 发育的非均衡性在应力作用下消耗了相当比例的能 量心3 I 。以伪三轴加卸载实验为例 图1 ，煤体卸压 受载过程存在剪切破坏，设煤体破裂面与主应力o r ， 夹角为p ，破坏面的摩擦因数为／，则含瓦斯煤岩破坏 的极限应力平衡方程为 O r 】C O S0 一o r 3 s i n0 八o r l s i n0 o r 3 c o s0 1 其中，盯。为试样围压。在加载过程中，轴压o r ，和围 压o r ，的加载顺序影响煤体变形差异。以轴向加载为 例，式 1 表现为摩擦因数／随轴压升高而提高，围压 加载与之相反。在常规的卸载实验中，通常以围压卸 载实验为主，o r ，的卸载也导致．厂提高，卸载速率不断 增加必然导致．厂的不断提高，直至煤体损伤破裂，煤 体裂隙发育、渗透率提高。在加卸载过程中煤体中除 了可恢复的弹性能做功外，消耗的能量主要用于煤体 破坏。设定实验过程与外界没有热交换，单位体积煤 样实际吸收的总能量U 为 rr u 玑 玑 J o r l 如1 2J o r 3 d 6 3 2 JJ 其中，玑为耗散能；U 。为弹性能；F 。和s ，分别为轴 向应变和径向应变。以轴向应变稳定条件为例，图 1 b 中O A 曲线以下的面积为加载过程中煤样吸收 的总能量，其中面积S 0 ．5 占l i - - 6 。， o r 。一盯， 为弹性 能，其余面积为耗散能。加载或卸载过程中，从一种 状态 c 点 到另一种状态 B 点 ，系统的弹性能和 耗散能会发生变化。 系统能量的变化，可以通过裂隙密度的变化反映 出来。设定单位面积上，应力作用前后裂隙密度变化 量为△，平均长度为m ，裂纹起裂增长的平均能量 为n ，则煤体层裂能量“是砜的主体，且 U A m n 3 系统裂隙增加必然导致煤体渗透率改变，研究发 现⋯，煤岩力学性能劣化导致的孔隙结构变化是其 根本原因，耗散能量所占总能量比例可通过煤体的渗 透率改变验证，因此存在以下函数关系为 ，厂． 昔 ．厂 K ，K o 4 万方数据 第1 1 期刘永茜等不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制 3 8 0 9 a 加卸载关系 么二 一I一} 纛一 一1 ￡s _ 0 s l ‘ 6 “ i j s l i b 加卸载过程做功 图1加卸载过程的能量表征 F i g ．1E n e r g yc h a r a c t e r i z a t i o no fl o a d i n ga n du n l o a d i n gp r o c e s s 其中，K 和‰为煤体实验后和煤体原始渗透率。前 人研究发现，在不同的加卸载速率条件下，由裂隙结 构改变而导致渗透率变化显著，产生了阶段性衰 减‘9 驯、指数型递减m ’2 43 和“v ”型转折变化‘25 | ，这证 实了加卸载过程煤体力学性能劣化而导致了裂隙结 构变化，耗散能量所占总能量比例可通过煤体的渗透 率改变表征。 2 受载煤体卸压实验测试 2 ．1 实验煤样基本参数测试 煤样选取天地王坡煤矿3 号煤层的无烟煤块，制 成标准样 直径5 0m m ，高度1 0 0m m 4 组，同时制备 4 组平行煤样，用于煤的力学性能测试，完成煤密度、 煤体孔隙度、裂隙统计和渗透率等关键参数的测试。 继而开展煤样受载破坏测试，结合煤样的破坏实验测 试 文献[ 1 ] 中岩样破坏应力极限载荷测试方法，在 此不做赘述。 ，4 个平行样的破坏载荷分别为2 2 ．3 4 ， 2 4 ．1 3 ，2 4 ．5 2 和2 3 ．9 4M P a ，为保证样品测试稳定，实 验极限载荷选取一般选择在破坏载荷的7 5 ％～ 8 5 ％旧J ，结合上述测试结果，选择实验极限载荷为 1 8 ．0 0M P a 。 2 ．2 煤样受载测试 在测试温度2 0 ℃条件下，将试件安装在三轴渗 透仪上，完成试件的密封测试后，注入1 ．0 0M P a 甲烷 气体饱和吸附7 2h ，并稳定气源持续供气。随后以 0 ．0 0 5M P a ／s 的加载速率完成围压2 ．0 0M P a 和轴压 2 ．0 0M P a 稳定，保持稳定后，开启气体阀门，甲烷气 体随即排向大气 0 ．1 0 1M P a ，待流速稳定，完成煤 体初始渗透率民测试。继而按照原有加载速 率 0 ．0 0 5M P a ／s 逐步提高轴压至1 8 ．0 0M P a ，稳定 1 ．0h 后，围压匀速升高至1 8 ．0 0M P a ，保持稳定 1 ．0h 。后续开展卸载过程中层裂破坏的应力一应变 和应力一渗透率测试实验。 设定不同的煤样卸载速率，自围压1 8 ．0 0M P a 开 始进行围压的匀速卸载，加卸载速率比分别为1 1 0 ．0 0 5M P a ／s ，1 2 0 ．0 1 0M P a ／s ，1 4 0 ．0 2 0M P a ／s 和1 8 0 ．0 4 0M P a ／s ，最终围压回 稳在2 ．0 0M P a ，同步监测气体渗流速率变化；最后开 展煤样端面裂隙密度和长度前后对比统计、应力应变 数据统计和渗透率变化数据分析。 3 结果分析 3 ．1 煤体应变比较与分析 设定轴向应变为占．，径向应变为占 岛，煤体体 积应变s ，满足 s r 占l 占2 s 3 占I 2 s 2 5 按照上述加载方法，煤体应变可通过煤样长度、 断面周长和断面面积变化计算，4 个煤样3 项应变变 化基本一致 误差小于3 ．0 ％ ，图2 为煤样加载过程 中应变变化过程。研究发现，受初始围 压 2 ．0 0M P a 稳定影响，轴压升高过程中占。表现出 3 段鲜明特征线性增长段、减速增长段和稳定段，其 中煤体在弹性应变阶段表现出应变的线性关系，当主 应力差超过3 ．2 0M P a 轴压超过5 ．2 0M P a 后，占．经 历短暂的波动后，应力敏感性减弱，进入减速缓冲阶 段 主应力差4 ．4 0 1 5 ．6 0M P a ，应变增长依靠煤体 裂隙发育，最终在1 5 ．6 0M P a 以后占．稳定。在此期 间，径向应变占受初期围压影响，在轴向应力增长的 同时，有短暂的受压变化，然而是随着轴向应力的增 加，最终表现出径向膨胀变形，最高达到- 0 ．2 8 8 ％， 煤体的脆性破坏特征显著，应变总体表现出先增后减 的趋势 图2 a 。然而，在围压补给过程中，占。和 岛整体表现出线性膨胀和线性压缩趋势，但煤样的 体积应变已高达0 ．7 8 ％以上。需要指出，轴向增压 至1 8M P a 的过程中，受加载速率影响，试件径向膨 胀可能是导致煤体产生脆性破坏的关键。 比较4 个煤样加载过程中的体积应变发现，相同 的加载条件下有较好的一致性，体应变相对误差在 2 ．5 ％以内，可以认为均质性较好。为比较不同卸载 速率条件下的煤体应变变化规律，同时为了计量方 便，设定围压升高至1 8 ．0 0M P a 稳定后的条件为初始 计量点，分别对比了4 种工况下的轴向应变、径向应 变和体积应变关系，具体如图3 所示。 卸载速率差异性导致煤体应变迥异。比较4 种 万方数据 3 8 l O 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 夏 三 洛 、j ／ ＼／ ⋯s IK ／．m s 2 ／{ X 2 0￡∥．． S I 旦 州 R 型 一 63O3691 2 应变s ／1 0 1 fa 轴压外商过程 氢 4 ＼／ ． ＼1 ／ 茎 鼍 ＼／ 翼 8 ． ＼／ ⋯q 、＼／一＆ 辑 。L ，／ ≮_ 2 63O3691 2 应变￡／1 0 3 b F 嗣J I i 补给过槲 l 到2 加载过程中的应变曲线 1 1 F i g ．2 S t t ‘a i nc u r v t - sd L I I ‘i n gt h el o a d i l l g 1 1 不同卸载速率的3 个应变参量可知，在幽压卸载初 期阶段，煤体轴向应变对主应力差的敏感性较差， 主要是由于围压加载过程中导致的轴向拉伸状态， 在围压卸载开始的调整中形成应变响应滞后；然 而，煤体径向应变对应力敏感性普遍较强。统计发 现，轴向应变s ．与加载过程的变化趋势相反，随卸 压速率的提高，应力敏感性增强；然而径向应变占， 的线性规律在卸压初期表现得比较显著，随着卸压 速率提高应变斜率有整体降低趋势。综合分析可 知，随着围压降低，主应力差增加，煤体应力敏感性 随卸载速率增加而提高，煤体拉伸』、逆变率也自‘提 高，由此导致的煤体孑L 隙度 裂隙度 及其决定的渗 透率变化差异显现。 煤体产生脆性一延性转化是导致煤体孔隙结构 非线性变化的直接原因。通过比较任一组4 条应变 曲线可知，当卸载速率高于加载速率时，煤体的』藏变 曲线表现出整体的差异性，如图3 h ， c 所示，加 卸载速率比1 2 ，1 4 和1 8 的3 条线，与加卸载 速率比1 1 的应变曲线相比，其变化大小有一致的 规律性，3 个应变参量都随着卸载速率的提高，应变 逐步增大。根据式 1 的分析可知，卸压过程中煤体 破裂面 裂隙端面 的摩擦阻力系数／。随卸载速率的 提高而增大，当厂高于某个临界值时，导致裂隙的继 续发育，煤体渗透率提高。 对比分析图3 发现，加卸载速率1 2 的试样在 卸载过程中，主应力差较小时 圳卸城迷j 棼比1 8／i n 卸载速率比1 4 _ I 卸载迷埤比l 2▲脚卸城迷牢比I 1 图6 ／f i 同加卸载速率比的渗透率比较 F i g ．6C o m p a r i s o no fp e t ’m e a b i l i t ys e c t i o n sw i t hd i f f e r e n t l o a d i n ga n du n l o a d i n gr a t er a t i o s 增加，分别为1 ．2 3 2 ，1 ．3 3 4 ，1 ．8 6 3 和2 ．0 1 4 ，拟合曲线 如图6 b 和表1 所示；⑤随着卸载速率提高，渗透 率稳定的应力临界点不断前置 主应力差分别为 1 5 ．2 6 ，1 4 ．0 8 ，1 3 ．1 4 和1 0 ．8 8M P a ，渗透率稳定段逐 步增长 图5 。这与卸载速率导致的渗透率应力敏 感性相关，该实验结果与文献[ 2 0 ，2 3 ] 关于围压控制 渗透率的结论吻合。 煤体的体积应变决定了煤体内部孔隙和裂隙结 构的变化趋势2 6 ，煤体渗透率劣化程度与煤体应变 正相关。与煤体的初始渗透率 3 ．0 6X1 0 。1 6m 2 相 3 3 2，一7一●●O O 隹o一运斟蜊缝 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 比，在加卸载速率1 8 的条件下，煤体渗透率有显著 的提高，升高至3 ．4 2 X1 0 。1 6m 2 ，增幅1 1 ．7 6 ％以上。 上述实验数据证实高速应力释放对煤体有层裂损伤 效应，消耗了煤体中更多的弹性势能。受载煤体在应 力高速释放条件下，煤体裂隙发育规律需借助显微观 测手段完成前后对比分析。 表1 不同卸载速率下渗透率关系 T a b l e1 P e r m e a b i l i t yr e l a t i o n s h i pu n d e rd i f f e r e n tu n l o a d i n gr a t e s 3 ．3 实验煤体前后裂隙结构比较 实验采用2 0 0 倍荧光显微镜观测煤体裂隙密度 发育。在3c m x 3e m 的块煤光片上划分9 个区域，每 个区域尺寸1 0m m x l 0m m 。依据光片裂隙特征尺度 和煤的裂隙结构分布，按长度 L 和宽度 彬 划分为 I L l0 0 0 斗m ，加 l 斗m 、I I 10 0 0 斗m ≥L ≥ 1 0 0 斗m ，w l 斗m 或L 10 0 0 斗m ，加≤l 斗m 和I I I ￡ 10 0 0p m ，加≤l 斗m 的3 个等级心，不同卸载速率 下实验前后裂隙发育统计见表2 。 表2 煤样裂隙密度统计 T a b l e2T e s ts t a t i s t i co ff r a c t u r ed e