循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 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 6N o ．2 F e b ．2 0 2 l 循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害 孕育的力学作用机制 张振宇1 ’2 ，钟春林1 ’2 ，薛康生’’2 ，秦其智3 I ．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4 0 0 0 “；2 ．重庆大学G e o n u i d s 。G e o m e c h a n i c sa n dG e o e n e r g y 3 G R e s e a r c hG m u p ，重 庆4 0 0 0 4 4 ；3 ．山东兖矿集团有限公司，山东邹城2 7 3 5 0 0 摘要为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾 害孕育的力学作用机制，开展了不同孔隙压力 1 ，3 和5M P a 与轴向循环应力水平 饱和煤岩三轴 强度的5 0 ％与8 0 ％ 煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现，当最大循环加栽应力水平为三 轴强度的5 0 ％时，煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力lM P a 和3M P a 下变化不显著，表 明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5M P a ，煤岩轴向和径向应变在 循环加栽过程中变化相对显著，说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现，试件的残余 径向应变在循环加载过程中逐渐减小，这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实， 孔隙流体排出所致，且孔隙压力越大，径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度 的8 0 ％时，煤岩在加载过程中发生失稳破坏，且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升 到5M P a ，煤岩试件遭到严重破坏，试件被大裂隙完全贯通。而且，高孔隙压力促使宏观裂隙之间 产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增 加，且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示，距离工作面较远的煤体 首先经受低幅值循环外栽作用，孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形，一方面会减小 煤层局部的渗透性；另一方面会降低煤层水平应力，从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙 流体在煤体中发生局部迁移和富集，当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局 部高孔隙压力，进而改变煤层受力状态，加速煤岩动力灾害的孕育，加剧煤体在动态失稳中粉末化。 关键词煤岩动力灾害；孔隙流体；循环荷载；孔隙压力；损伤演化 中图分类号T D 3 1 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 4 6 6 1 l M e c h a I I i c a lm e c h a I l i s mo fp o r en u i do nc o a ld y n a m i cm s a s t e 璐u n d e r c y c U c1 0 a d i n g Z H A N G Z h e n y u ’”，Z H O N GC h u n l i n l ”，X U EK a n g s h e n 9 1 ”，Q I NQ i z h i 3 1 ．＆m e 研k 6 0 删n 可旷‰f 肘i MD 西∞l “ 咖o m b 口以c o 小r o f ，c o 嘶f ，培‰i m 妙，C 幻，狮i n g4 0 0 0 4 4 ，舶￡M ；2 ．G 吲Z Ⅱ池，G ∞ⅣW n n 缸n n d ＆o 饥e 呦’ 3 C 如s ∞r c G r o 叩，c o n g q i 昭№i 唧s 砂，c o n 钾i 昭4 0 0 0 4 4 ，仇￡M ；3 ．‰n 蠡l l 口昭G r o 叩c o 玎彬n y ‰“e d ，Z o Ⅱ如e 昭 2 7 3 5 0 0 ，c ￡№ A b s t 阳c t T oi n V e s t i g a t et h em e c h a n i c a lr o l eo ft h ep o r en u i dp l a y e di nt h eg e s t a t i o ns t a g eo fc o a ld y n a m i cd i s a s t e r ，a s e r i e so fd r a i n e dt r i a i a lc y c l i cl o a d i n gt e s t su n d e rd i f 亿r e n tp o r ep r e s s u r e s 1 ，3a n d5M P a a n ds t r e s sl e v e l s 5 0 ％ 收稿日期2 0 2 0 1 2 0 3修回日期2 0 2 l 一0 2 - O l责任编辑常明然D o I l O ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．X R 2 0 ．1 8 9 3 基金项目国家自然科学基金面上资助项目 5 1 6 7 4 0 4 7 ；国际 地区 合作研究与交流资助项目 5 1 9 1 1 5 3 0 1 5 2 作者简介张振宇 1 9 8 3 一 ，男，山东兖州人，教授，博士生导师。E m a i l z y z h a n g c q u ．e d u ．c n 引用格式张振宇，钟春林，薛康生，等．循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制[ J ] ．煤炭学 报，2 0 2 l ，4 6 2 4 6 6 4 7 6 ． Z H A N G Z h e n y u ，Z H O N GC h u n l i n ，X U EK a n g s h e n g ，e la 1 ．M e c h a n i c a lm e c h a n i s mo fp o r en u i do nc o a ld y n a m i c d j s a s l e r su n d e rc y c l j cl o a d i n g IJ1 ．J o u m a lo fC h i n aC o a lS o c i e l y ，2 0 2 l ，4 6 2 4 6 6 4 7 6 ． 移动阅读 万方数据 第2 期张振宇等循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制 4 6 7 a n d8 0 ％o ft h et r i a 【l ea x i a ls t r e n g t ho fs a t u r a t e dc o a l w e r ec a r r i e do u to ns a t u r a t e dc o a ls p e c i m e n s ．W h e nt h em a x i m u mc y c l i cl o a d i n gs t r e s si sa tt h e5 0 ％o ft h et r i a x l ea x i a ls t r e n 昏ho ft I l ec o a l ，t h ea x i a la n dr a d i a ls t r e s s - s t r a i nc un r e s o fc o a lh a V en oo b V i o u sc h a n g eu n d e rlM P aa n d3M P a p o r ep r e s s u r e ，i n d i c a t i n gt h a tt h e r ea r en os u b s t a n t i a lc r a c k s p r o d u c e di nc o a l ．W h e nt h ep o r ep r e s s u r ei n c r e a s e st o5M P a ，t h ea X i a la n dr a d i a ls t r a i n so fc o a lc h a n g es i g n i f i c a n t l y w i t ht h ep r o c e e d i n go fc y c l i cl o a d i n g ．T h e r e f o r e ，t h ed i f k r e n c eo fs t r e s s - s t r a i nc u r v e sa b o v ei sa t t r i b u t e dt ot h ep o r en u - i d ．I ti sa l s of o u n dt h a tt h er e s i d u a lr a d i a ls t I ．a i ng r a d u a l l yd e c r e a s e sd u r i n gt h ec y c l i cl o a d i n g ．T h i si sc a u s e db yt h e p o r ea n dc r a c kc o m p a c t i o ni nc o a l ．A sar e s u l t ，t h ep o r en u i di sd i s c h a 唱e dd u “n gt h ec y c l i cl o a d i n g ．W h e nt h em a x i - m u m c y c l i cl o a d i n gp r e s s u r ei n c r e a s e st o8 0 ％o ft h et r i a 】【i a ls t r e n 垂ho ft h ec o a l ，t h ec o a ls p e c i m e nf a i l ，a n dt h i sc o a l f a i l u r er a t ei sp o s i t i V e l yc o n ．e l a t e dw i t ht h ep o r ep r e s s u r e ．W h e nt h ep o r ep r e s s u r ei n c r e a s e st o5M P a ，t h ec o a li ss e V e r e l yd a m a g e dw i t hl a r g eg o i n g - t h r o u g hc r a c k s ．A l s o ，p r o m i n e n ts m a l lc o a ld e b sa n dp o w d e ra r ep r o d u c e da m o n gt h e m a c r oc r a c k s ．M i c r o s t l l J c t u r ea n a l y s i ss h o w st h a tt h ep o r o s i t yo fc o a li n c r e a s e ss i g n i 6 c a n t l ya f t e rc y c l i cl o a d i n g ，a n dt h e g r e a t e rt h ep o r ep r e s s u r e ，t h eg r e a t e rt h ei n c r e a s ei np o r o s i t y ．T h ea b o v er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o a lf a ra w a yf 而mt h e w o r k i n gf a c eu n d e 唱o e sl o wa m p l i t u d ec y c l i cl o a d i n g ，a n dc a u s e st h ec o a ls h r i n k a g eo c c u r sa l o n gt h eh o r i z o n t a ld i r e c - t i o nd u et ot h ed i s c h a r g eo fp o r en u i d ．O no n eh a n d ，s u c hc o a ls h “n k a g eI ．e d u c e st h ep e m e a b i l i t yo ft h ec o a ls e a mI ．e g i o n a l l y ．O nt h eo t h e rh a n d ，i tr e d u c e st h eh o “z o n t a ls t r e s s ，t h e r e b yr e d u c i n gt h et r i a 】【i a lc o m p r e s s i V es t r e n g t h o ft h e c o a l ，f a V o r a b l ef o rc o a lw e a k e n i n g ．M e a n w h i l e ，t h ed i s c h a r g e dp o r en u i dm i g r a t e sa n da c c u m u l a t e sr e g i o n a l l yi nt h e c o a ls e a m ．O n c et h ec o a lo ft h en u i da c c u m u l a t i o nz o n eu n d e r g o e sah i g h - l e v e Is t r e s si nt h el a t e rm i n i n gs t a g e ，h i g h p o r ep r e s s u r ew o u l db ee a s i l yd e v e l o p e d ，w h i c hi nt u mc h a n g e st h es t r e s ss t a t eo fc o a la n ds p e e d su pt h eg e s t a t i o no f d y n a m i cd i s a s t e r s ． K e yw o r d s c o a ld y n a m i cd i s a s t e r ；p o r en u i d ；c y c l i cl o a d i n g ；p o r ep r e s s u r e ；d a m a g ee V o I u t i o n 孑L 隙流体广泛存在于地质岩层中，对岩体强度和 工程稳定性有重要的影响。水是一种常见的地质流 体，富含黏土矿物的岩石遇水会发生水化作用，导致 强度降低。2J ，而黏土成分少的岩石受压时，孑L 隙体 积缩小，孑L 隙水受压生成孔隙压力，减小有效的外载 应力，降低岩体的力学强度口‘4J 。气体是赋存于地下 岩体中常见的另一类地质流体，如瓦斯和二氧化碳。 不同于水，孔隙气体对岩石强度的影响大多仅具有后 者的力学作用。煤是一种有机岩石，具有较低的普氏 硬度系数，孔隙压力的存在能加速孑L 隙裂隙的损伤演 化，在煤炭的井工开采过程中易诱发煤岩动力灾害， 如煤与瓦斯突出”咱J 。因此，研究孔隙流体对煤岩动 力灾害孕育阶段的力学作用机制对指导煤岩动力灾 害的防治具有重要的理论意义和工程价值。 煤与瓦斯突出是由煤的物理力学性质、应力环 境、瓦斯压力等因素综合作用下所发生的一种严重的 矿山工程地质灾害。目前，对煤岩瓦斯动力灾害的研 究取得了理论框架上的一致，掌握了煤岩瓦斯动力灾 害的影响因素及发展过程。煤岩瓦斯灾害动力来源 基本上可以归结为瓦斯主导的理论“ J 、地应力主导 的理论J 、综合作用理论一1 等。综合作用理论考虑 了多因素的影响，被广泛认知，但是煤岩瓦斯动力灾 害包含准静态的灾害孕育、动态的灾害起始、发生和 后期终止4 个阶段，孔隙瓦斯在每个阶段的力学作用 机制不尽相同0 。1 2 】。为了指导煤岩瓦斯动力灾害的 区域重点防治，明晰准静态阶段孔隙压力对煤岩强度 损伤的力学作用机制变得尤为重要。 在煤炭的井工开采中，连续、高强度的工作面回 采打破了煤岩的初始应力平衡，发生应力二次分布， 在工作面前方实体煤中形成支承压力区，并依次形成 应力降低区 卸压区 、应力集中区 增高区 和原岩 应力区【9 ’1 3 】。随着工作面的不断推进和顶板的周期 下沉破断，工作面前方煤体经受周期性的外荷载扰 动，煤体中的水或瓦斯等流体会在循环外载的扰动下 形成孑L 隙压力，并在煤岩动力灾害的孕育过程中扮演 重要角色‘1 4 。‘7 1 。 伴随着工作面的回采，支承压力曲线不断向前方 煤体演化。起初经受支承压力峰值作用的煤体逐步 演化为煤壁近端的卸压区煤体，而之前处于支承压力 峰值区与原岩应力区之间应力增高区的煤体将经受 更高幅值载荷作用，直至达到支承压力峰值。因此， 工作面的回采将导致不同工作面距离处的煤体在不 同时期经受不同幅值循环荷载作用。在靠近工作面 的塑性区，煤体发生损伤破坏，导致应力释放，该区域 煤岩承受较小的支承压力作用引。由于缺少侧向应 力约束，工作面近端的煤体可视为近单轴受力状态。 随着工作面的回采，应力降低区的煤体经受近单轴循 环荷载作用，孔隙流体通过与边界连通性较好的孑L 裂 万方数据 4 6 8 煤炭 学报 隙逐渐排出，孑L 隙流体的及时排出对煤岩动力灾害孕 育的影响较小√⋯。在煤壁深部，煤体由于受到侧向 约束而处于三维应力状态，而日．经受的支承压力幅值 随着与工作面煤壁距离的不同『而变化。目前，对该部 分含孑L 隙流体煤体在循环外荷载扰动作用下的损伤 演化机理的研究比较少，特别是孑L 隙流体对采煤工作 面前方处在不同支承压力区处煤体的损伤演化力学 作用机制缺乏研究。 基于此，为研究循环外载激发下孑L 隙流体对煤岩 动力灾害孕育的力学作用机制，笔者对煤岩试件开展 了不同孔隙门i 力与不同轴向循环应力水平条件下三 轴循环加卸载排水实验，分析讨论了循环外载扰动下 孔隙压力对工作面前方不同支承压力区域煤岩动力 灾害孕育的力’学作用机制。本研究只重点考察孔隙 流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制，孔隙压力 通过孔隙水施加。 l 实验方法 1 ．1 试件准备与实验设备 煤样取自陕西省亭南煤矿4 号煤层的f H I 采工作 面，该煤层埋深4 0 1 ．3 2 ～7 8 8 ．6 0 一n ，煤层倾角3 。～ 7 。，密度为1 ．3 5g ／c m ’。现场取到的煤块在样品加工 室中加工成咖5 0H n ，1 0 0r n r n 圆柱体标准试样，本次 研究一共使用了6 个煤岩试件，如图l a 所示依次 编号为c D l ～c D 6 。三轴循环荷载实验前，采用真空 加压饱和装置对试样进行浸泡使其恢复到饱和的流 体赋存状态 图2 。首先将试件抽真空排f 孔隙中 的空气，再用5M P a 的水压对煤样试件浸泡5h 。与 长时间无压力浸泡饱和相比，抽真空之后加压饱和煤 样所用时间更短，这样可以尽量减少煤样长期浸泡水 对煤样的软化作用，从而集中于孔隙流体的力学作用 机制研究。 煤岩在孔隙压力与循环荷载耦合作用下的三轴 排水实验是在G e o t e c h n i c a lC m s u l t i n g T e s t i n gS y s t e m G c T s 高温高压力学实验机上进行的。该设备 主要包括控制模块、加载模块和数据采集模块，轴向 可施加的最大J 玉力为30 0 0k N ，围压和孑R 卜限为 2 1 0M P a 。如图l b 所示，孔隙压力是通过上下压头 的通道施加在煤样试样两端o _ 试件在循环加载过程 中产生的变形通过轴向和径向变形测量装置来采集。 为了揭示孔隙水压与循环荷载对煤岩孑L 隙裂隙变化 的影响，研究中使用上海纽迈公司生产的 M a c r o M R 】2 一1 5 0 H I 核磁共振系统测量煤样循环加 载实验前后的孔隙度变化和对煤样进行成像观察对 比分析循环加载前后裂隙的演化。 b 试件L j 测量装最安装 图l煤样及变形测f } } 装霞的安装 F i g ．1 I n s l a l l a l i ‘1 J f ‘‘ a ls a n l l l ea n I 1 e r n l a t i o nf n P a s t l l i n g d e v i 、e 【到2真空加压饱和装置 F i g ．2 V d ‘’uL l l l l p 1 1 e s s L l r Ps a “1 1 1 d t i o | 1d e v i c e 1 ．2 实验方法及过程 实验设置了2 组最大轴向循环加载应力，分别为 o ．5 盯．和o ．8 盯。目的是模拟煤体在不同支承压力Ⅸ 域的应力环境。其中∞，为饱和煤岩在围压为8M P a 下的三轴压缩强度。在循环荷载实验前，测试_ r3 个 饱和煤岩试件在围压为8M P a 下的三轴压缩强度， 取3 个煤岩试样的三轴压缩强度平均值作为此煤岩 的二轴压缩强度。由于本实验r 卜只将三轴压缩强度 作为实验方案设计的参考值，闪此，三轴强度测试的 细节不在此作详细的描述。为研究不同流体压力对 煤岩在循环荷载作用下的损伤演化的影响，本次实验 分别包含了l ，3 和5M P a 三种孑L 隙压力情形，具体实 万方数据 第2 期张振宇等循环外绒激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制 验方案见表l 。煤样加压饱和之后，首先采用核磁共 振仪器对其进行孔隙度测最与核磁成像，然后开展循 环加载实验。循环加载实验步骤如图3 所示，本次实 验『f l 将嗣压设定为8M P a 。第l 加载阶段以 o ．1M P a ／s 的加载速率将轴压 盯． 与围压 盯， 仃、 同时加到预定值8M P a ；第2 加载阶段将孔隙压力P n 加载到预定孔隙，『_ { i 力并保持该状态lh ；第3 阶段以 0 ．1M I ’a ／s 的加载速率将轴压加载至循环荷载起始 应力；第4 阶段进行循环加卸载实验。由于外荷载扰 动会有一定的问歇性，为了研究外载扰动暂停期间孔 隙压力及流体的状态在煤体r m 勺变化，分别在循环次 数为2 0 和4 0 0 次时暂停加载lh 。循环加载实验结 束后，将试件冉l f 次进行饱和岁i 测量核磁孔隙度与核磁 成像。 表l 循环加载实验方案 T a b l e1 E x p e r i m e n t a Js c h e m e so fc y c I i cJ o a d i n gt e s t s 图3 循环加载实验办案 F i g ．3【y 。l j 【‘I 1 d I i n gt e s lH c h e l l l P 实验研究中采用恒压排水实验条件，其目的足为 了模拟循环荷载作用时煤岩内部孔隙闭合与张J l 所 导致的孑L 隙流体与周边流体的耦合作用过程。在实 际的煤炭开采中，流体赋存f 煤岩体内部及其周闱。 煤体内部孔隙闭合会导致流体压力升高，流体可以通 过连通的孔隙排到周边，使流体发生局部迁移；当煤 岩产生裂隙损伤时，煤岩孔裂隙体积增大，导致煤岩 蕴含的流体压力减小，此时，周边的流体会在外部恒 定流体压力的驱使下补给煤岩孔裂隙空间。 2 结果及讨论 2 ．1不同子L 隙压力及循环荷载条件下煤岩的变形特 征 图4 为最大循环加载应力为0 ．5 盯．叫‘煤岩在孔 隙』f i 力分别为1 ，3 和5M I ’a 时轴一J 和径阳应力应变 曲线。【叮以看Ⅲ，当孔隙压力为lM I a 和3M P a 时， 煤岩的轴向与径向应力应变曲线几乎没有变化，表明 煤岩内部在加载过程中没有产生大{ l } 损伤裂纹。随 着孔隙压力t 升为5M P a ，煤岩轴向和径向应变在循 环加载过程中发生了较大的变化，但是试件最终没有 被破坏。由图4 a ～ c 径向应变I | j 1 线可以看出煤 样的径向残余J 、逆变的演化特征与孑L 隙压力大小有关， 由图4 1 ， ， c 可以明显看出，煤样的径向残余应变 随着循环加载次数的增加逐渐向正方向 图4 1 ， ， t 中箭头所指的方向 演化，表明煤样的径向 在膨胀到最大值之后便开始逐渐收缩。 图5 为最大循环加载应／J 为0 ．8 吼时煤岩在孔 隙压力分别为l ，3 和5M P a 时轴向和径向应力应变 曲线。当最大循环加载应力为0 ．8 ∞时，所有试件的 轴向和径向应变在加载过程中持续增大，直至试件破 坏。只从轴向和径向应力应变曲线特征不能明显看 出孔隙压力变化对煤岩破坏的影响。 图6 为每次循环加载之后应力卸载到最低水平 时煤样c D l ～C D 6 的残余径向和体积应变。由图 6 a 可以看出，在第1 个循环加载结束时，煤样 c D l ～c I 3 的残余径向应变为负方向的最大值，分别 为一0 ．1 3 2 ％，一0 ．1 0 1 ％和一0 ．0 8 2 ％，表明第1 个循环 加载后煤岩径向发生相应的膨胀变形。在之后的循 环加载过程中，残余径向应变逐渐沿正方向发展，说 明煤样的径向』弋寸在逐渐收缩，这与饱和煤岩往单轴 排水条件下的循环加卸载实验结果致引。在最大 万方数据 4 7 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 图4 最大循环加载应／『J 为o ．5 r 。时煤7 试件轴阳1 j 径向心力应变曲线 F i g ．4A x i a l 川1 1l a 【I i n ls l l ’P s s s m I i l lc u r v r s J ft h P ’ d l w nf 1 1 e1 1 1 捌m u mt ‘y ’l i ’l t ⅢI i l l gs t r e H si s0 ．5 叽 循环加载应力为0 ．5 盯。时出现卜述结果的原闪是煤 岩在第1 次循环加载时，内部较为薄弱的地方发生少 j 盘的破坏，从而导致径向产，卜一定的膨胀变形。因 此，在结束第1 次循环加载时煤岩径向腹变为负值。 随后的循环加卸载中，膨胀效应逐渐减弱。由_ j 本研 究为三轴循环加卸载排水实验，实验【f I 试件两端通人 恒定的孔隙压力。当轴向应力I _ 升，试件内部的孔隙 裂隙收缩导致内部孔隙压力升高，甚至超过试件两端 施加的孔隙压／J ，使充填在煤岩孔隙裂隙中的水被逐 渐排出，孔隙裂隙也逐渐闭合。由于孑L 隙流体排出孔 隙闭合之后要再将流体注人到孔隙中比较困难拉o ， 因此煤岩体径向尺寸随着孔隙水的排出而逐渐减小， H 在第1 次加载之后的每次循环加载过程中，排水导 致的径向收缩量大于煤岩受门i 产生的膨胀量，闪此在 循环加卸载中煤岩整体上表现为沿径向逐渐收缩。 煤样c I l ～c D 3 在结束循环加载后径向应变值分别 为一0 ．0 7 7 ％，一0 ．0 5 2 ％与0 ．0 4 7 ％，与第1 次循环加 载之后的径向应变相比，增蛀分别为0 ．0 5 5 ％， ㈥5 最人循环加载应力为 ．8 盯rl l 寸煤岩试件轴向‘j 径向应力臆变I { | 1 线 p l i g5A 、i d la 1 1 11 ．a I i a ls t r e s s s l I a i n ‘L l r v P so fI h P ‘ ，d lw I l P l l 1 1 1 Pm 2 l x j l l n J l l l ‘。y 。1 i cl n 1 i 1 1 9s I I P H si s0 ．8 盯| 0 ．0 4 9 ％与0 ．1 2 9 ％，这表I j f | 当孔隙压力升高时，径向 与体积收缩效应越明显。甚至当孔隙压力为5M P a 时，煤岩试件的残余径向应变由负数逐渐变为正数， 表明循环加绒之后煤岩径向尺寸要小于加载之前，煤 岩径向发生显著的收缩变形。 如图6 1 ， 所示，当最大循环加载应力为0 ．8 盯， 时，试件的残余应变演化与最大循环加载应力为 0 ．5 c 厂。时相比有明显的差异。在该应力条件下，煤样 最终都被破坏。在加载初期，煤样c D 4 与c D 6 的径 向有小幅度收缩现象，但是随着循环荷载的持续作 用，应变再次往径向膨胀的力‘向积累，而且在破坏阶 段径向膨胀提速。随着孔隙压力增大，试件破坏速度 也增加。冈6 c 1 中C D 4 的体积变化与其他2 个试 件不同，而} l 其径向应变在试件破坏前变化也不明 显，这与其他2 个试件的径向应变演化规律不同。这 是山于试件不均匀性破坏形态导致的，具体解释见第 2 ．4 宵。 万方数据 第2 期张振宇等循环外载激发下孔隙流体刈煤岩动／J 灾害孕f 『的力学作用机制 4 7 图6 煤岩试什径向‘j 体积残余心变演化特征 I ．1 i g ．6n ’ J lL l t i o nt h 叫a 【f e l l i 州 so fr P s i ILJ a lr a ‘№la 1v 川⋯1 1 Ps 【I a i l lI IL o a l 图6 a ， c h I l 示在循环加载衙载暂停之后承新 加载时，煤样的残余径向和体积臆变值发生厂突变， 表明煤岩的体积和径向收缩量突然增加。，产生这一 现象的原冈叮能是在长期的循环外载作用过程- } I ， 煤耢内部孔隙发_ i 周期性地闭合‘j 张开，孔隙水随着 孔隙闭合1 j 张开周期性地排出和充入。在循环衙载 暂停之前，孔隙水的排出1 J 孔隙变形达到平衡，循环 荷载突然暂停时，部分煤岩孔隙中高压力水继续被排 出，导致煤岩试件发生持续的径向收缩变形。在外部 流体压力保持恒定的情况卜．，随着循环外载的晕启， 孔隙水的充入与排2 i j 与早期孔隙变形不同步，轴m 应 力在卸载到最低应力时孑L 隙水不能及时允入孔隙体 积内撑起孔裂隙，冈此导致煤岩的体积和径向尺寸收 缩撤突然增加。孑L 隙水的充入和排出在随后的加卸 载中与孑L 隙体积变形再次达到平衡，孑L 隙水将煤掣孔 隙撑起，所以残余体积和径向应变会逐渐恢复到暂停 加载之前的水平。孔隙水的迁移与循环应力不同步 导致循环荷载暂停之后再次加载时体积‘j 径向J 、证变 产生突变的现象会受到煤村孔隙连通性等因素的影 响，当孑L 隙连通性较好时，孔隙流体能在循环扰动下 及时的排出或补充，孑L 隙流体的迁移与应力波动达到 同步。而当孔隙连通性较筹时，孑L 隙内部的流体在循 环扰动下不能及时排出，局部高压一方面会阻碍孔隙 的闭合从而影响煤岩的体积变形，另一方面，会改变 煤岩的应力状态，减小裂隙之间摩擦强度，促使裂纹 扩展导致煤岩发生破坏，可能刈‘于煤柑动力灾’。茸的孕 育起剑促进作』f J 需要说明的是，煤岩C D 4 ～c D 6 和最大循环加载 应力为0 ．8 盯。时，试件在2 0 0 次循环之前破坏，因此 加载实验中途没有暂停阶段。， 2 ．2 不同孔隙压力及循环荷载条件下煤岩孔隙度演 化特征 在核磁共振中，般通过横向弛豫时问n 与表 面弛豫率P 来计算多孔介质的孔径分布，其中p 为一 个常数。，因此，7 j 与孔径大小景线性关系，7 j 越大， 孔径越大。在p 值未知的情况下，叮以用L 的分布 f | | i 线米定性的捕述该介质的孔径分布引之引。 l 纠7 ，8 分别为最大循环加载应力为0 ．5 盯．．和 0 ．8 盯。时煤岩试件实验前后的7 j 分布曲线。u ，以看 f f { ，当最大循环加载应力为o ．5 盯，时，煤样循环加载 前后的孔径分斫j 情况旗本不变，这与饱和煤岩在单轴 排水条件下的循环加卸载实验结果一致引。而最大 循环加载应力为0 ．8 矿l 时，试件发生宏观破坏，所有 煤样孔径分布都发生』，明显的改变，昕f 1 煤岩内部大 孔的数} I } 增加比较明{ _ _ l l ，说明在循环加载实验中，有 大量的小孔扩展演化为大孑L 。罔9 为循环加载前后 煤样的孔隙度及孑L 隙度增量的对比，“j 图9 可知，循 环加载后所有试件的孔隙度都，t 矗增加趋势，但是最大 循环加载应力为0 ．5 盯l 时，煤岩孔隙度的增量仅有 2 ％～3 ％，而且孔隙度的变化没有表现f h 与孔隙压力 万方数据 4 7 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 人小有明显的相关性。然而当最大循环加载J 、证力为 0 ．8 盯，时，煤岩试件的孔隙度在循环加载后变化比较 明显，而| _ I ．孑L 隙度的增挝‘j 孔隙，压力呈J E 相关，孔隙 压力为l ，3 和5M P a 时，煤岩孔隙度在循环加载后分 别提高r1 4 ．9 ％，2 1 ．6 ％和2 6 ．4 ％。孑L 隙压力越大， 煤岩在加载破坏后的孔隙度越人，说明在该应力状态 下孑L 隙压力对煤岩孑L 隙在循环荷载作用下的损伤演 化具有促进作用。 图7 最大{ 『『『环加载成力为 ．5 盯，时煤7 试件循环 加载前后疋分伽曲线 F i g7孔 1 ㈨’h I I i o n 九l r v P s ，f “m 1 1 e { 0 坩Ⅲ1 Ia n l 。州i c l o a I i | 1 9w h e l lI } l Pm ax j l l l I J I l l ’y l i ‘‘】 a 1 i n g 小P s si s ．5 丁1 _ 图1 0 为煤岩试件c D 2 ，c D 4 ，c D 5 和c D 6 在循环 加载前后的核磁成像图，其中高亮的部分代表水分子 聚集，即孔隙裂隙较多的地方。由图1 0 可知，煤岩均 质性较差，孔隙裂隙分布不均匀。由于最大循环加载 应力为o ．5 ∞时煤岩加载前后的孑L 隙度与孑L 径分布 变化比较小，且孔隙度变化与孔隙压力大小相关性不 强，所以只选择煤样c 1 3 的核磁成像图片来分析最 大循环加载应力为0 ．5 盯．、时孔隙压力对煤岩内部孔 隙演化和裂隙扩展的影响。f ；图1 0 a ， h 町知， O3 5 03 0 争z s 套O ．2 0 塾s 0 1 0 0 0 5 0 U U l0 ．1I1 01 0 0U O Ol UU O U 兀 图8最大循环加载应力为o ．8 ∞时煤岩试件循环 加绒前后孔隙变化情况 g ．8 疋l m l i l u “o l l ‘u r v e s h ㈨l ㈨衍ea n 1a ‰J ’ 。 。 l a I I i n gw h l ll h e1 1 1 d x i l l l u mt ‘y 。l i ‘l J 州j } l gs t I e s si H0 ．8 r 1 4 1 2 1 0 薹s 霎s 4 2 O 2 8 2 4 莲 捌 2 0 磬 1 6 篓 J 1 2 罡 s 霎 。蓬 0 图9循环加载前、厅i 煤岩试件孔隙度埘比 F j g ．9C I l n l I a r i s 1 1 ‘J fp ‘ r o s i t j fc a lb P f i 1 1 ea n t ln f t P rc ’l i 。 l ㈨‰g C I 2 煤样内部孔隙分布是有变化的，有些部位在加载 前孔隙较为聚集，1 _ I _ I 是加载后部分孑L 隙消失了