真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

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2024年2月16日发(作者：)

真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

尹光志;刘玉冰;李铭辉;邓博知;刘超;鲁俊

【摘 要】深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1 ＞σ2 ＞σ3),而采用常规三轴(σ1＞σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态.为此,利用自行研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律.结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响.与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系.真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏.此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响.%During the process of deep coal

mining,coal seams are generally under the true triaxial stress state (σ1 ＞σ2＞σ3),which is influenced by the crustal stress and strong excavation

results of conventional traxial stress tests (σ1 ＞σ2 =σ3)

could not correctly describe the in-situ order to more

accurately replicate the stress environment of coal seams,the self-developed new multi-functional true triaxial fluid-solid coupling

experiment system was applied to investigate the mechanical properties

and permeability evolution of coal under true triaxial loading-unloading

stress results show that the true triaxial loading-unloading stress

path has a great influence on the deformation and failure

behavior,strength characteristics,permeability ed with the

CCT stress path,the LUT and LUUT stress paths reduced the peak strength

of octahedral shear stress and the effective mean normal stress of

coal can be linearly failure modes of coal under different true

triaxial loading-unloading paths were composite tensile-shear

onally,true triaxial stress path has great influence on the

permeability evolution of coal.

【期刊名称】《煤炭学报》

【年(卷),期】2018(043)001

【总页数】6页(P131-136)

【关键词】真三轴加卸载;应力路径;力学特性;渗透率

【作 者】尹光志;刘玉冰;李铭辉;邓博知;刘超;鲁俊

【作者单位】重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学 资源及环境科学学院,重庆

400030

【正文语种】中 文

随着我国煤炭资源开采深度的增加，越来越多的煤矿将进入深部开采阶段[1]。由于构造应力的存在，煤岩在地层中的受力状态为真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3)。此外，由于井下采掘工程的扰动，煤层所处的原岩应力状态经常被打破，反映为多种形式的应力加卸载[2]。因此，开展真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率的影响规律研究，可更真实地反映煤岩体的实际情况。

目前，国内外针对加卸载应力条件下的岩石变形破坏规律进行了较多研究。谢和平等[3]利用常规三轴加卸载试验进行了3种不同开采方式条件下原煤力学特性研究。

YIN G Z等[4]研究了不同卸围压速率对含瓦斯原煤力学特性和渗流规律的影响。

JU Y等[5]利用CT扫描技术研究了不同开采方式条件下原煤内部渗流通道的演化规律。CHEN H D等[6]研究了不同应力卸载路径条件下原煤渗透率的演化规律。徐松林等[7]对大理岩峰前、峰后卸围压条件下的强度与变形特性进行了研究。陈景涛和冯夏庭[8]研究了高应力加卸载条件下花岗岩的变形破坏规律与声发射特征。LI X等[9]研究了卸载最小主应力条件下岩石的破坏规律。MA X和HAIMSON B等[10]通过真三轴应力条件下砂岩的加载试验，研究了真三轴应力条件下砂岩的强度特性。尹立明等[11]进行了三维应力条件下渗透水压对花岗岩渗流规律影响的试验研究。

上述研究加深了对加卸载应力条件下岩石力学响应与渗流规律的认识。但是，由于试验条件等方面的原因，对真三轴加卸载条件下原煤力学特性，特别是渗流规律等方面的研究还少有报道。笔者考虑了多种真三轴加卸载路径，分别模拟井下煤巷开挖掘进、采场工作面前方应力变化等工况，对不同加卸载路径条件下的原煤变形、强度特性和渗透率演化规律进行了研究。研究结果为煤层巷道支护、采场钻孔布置和煤与瓦斯突出防治提供借鉴。

1 试样及装置

1.1 试验煤样

首先使用岩石切割机对完整原煤进行切割，然后使用端面磨平机对其进行打磨，加工成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体原煤试件，控制端面平整度在0.02 mm以内。将加工好的立方体原煤试件放入烘干机中烘干48 h，拿出后用塑料薄膜密封，待实验开始时取出，加工好的立方体原煤试件如图1所示。

图1 试验用立方体原煤试件Fig.1 Cubic coal specimen used in the test

1.2 试验装置与方案

多功能真三轴流固耦合试验系统如图2所示。该系统由框架式机架、真三轴压力室、加载系统、内密封渗流系统、控制和数据测量、采集系统及声发射监测系统等组成。系统采取“两向刚性+一向柔性或刚性”加载方式，可进行多种真三轴加卸载应力路径下煤岩力学特性与流体渗流规律研究。

图2 多功能真三轴流固耦合试验系统[12]Fig.2 Multi-functional true triaxial

fluid-solid coupling experiment system[12]

设置真三轴试验初始三向主应力σ1，σ2，σ3分别为20,15,10 MPa，并采用4种真三轴加卸载应力路径，具体方案如下:

方案1(CCT试验)

(1)加载三向主应力至7 MPa静水压力，固定密封油压为3 MPa，即σ1=σ2=σ3=10 MPa，通入1 MPa的CO2气体，待煤样吸附饱和;

(2)分别加载各向主应力至初始预设应力水平，即σ1=20 MPa，σ2=15 MPa，σ3=10 MPa;

(3)保持σ2，σ3不变，以0.02 mm/s的速率加载σ1至试样破坏。试验时保持加载速率不变。

方案2(LUT试验)

(1)初始应力加载步骤(1),(2)与方案1相同，即σ1=20 MPa，σ2=15 MPa，

σ3=10 MPa;

(2)保持σ2不变，以0.02 mm/s的速率加载σ1，同时以0.02 MPa/s的速率卸载σ3至试样破坏。试验时保持加、卸载速率不变。

方案3(LUUT试验)

(1)初始应力加载步骤(1),(2)与方案1相同，即σ1=20 MPa，σ2=15 MPa，σ3=10 MPa;

(2)以0.02 mm/s的速率加载σ1，以0.02 MPa/s的速率同时卸载σ2，σ3至试样破坏，试验时保持加、卸载速率不变。

方案4(LLUT试验)

(1)初始应力加载步骤(1),(2)与方案1相同，即σ1=20 MPa，σ2=15 MPa，σ3=10 MPa;

(2)以0.02 mm/s的速率加载σ1，分别以0.06，0.02 MPa/s的速率同时加载σ2，卸载σ3至试样破坏，试验时保持加、卸载速率不变加卸载应力路径示意如图3所示。

2 原煤变形特性分析

真三轴加卸载应力路径下原煤的全应力-应变曲线如图4所示。由图4(a)，(b)可见，LUT应力路径下的结果与CCT应力路径下的结果相比，煤样的峰值强度降低，在达到峰值强度时，其ε3从-0.645%减小到-0.809%，即LUT应力路径下的煤样失稳破坏时在ε3方向产生了更大的变形。由图4(a)，(c)可见，LUUT应力路径下的结果与CCT应力路径下的结果相比，煤样的峰值强度降低，在达到峰值强度时，对应ε2，ε3分别从-0.645%，-0.316%减小到-0.706%，-0.382%，即煤样横向膨胀量增大。这是由于σ2和σ3的卸载会导致煤样在σ2和σ3方向上的应变增大。由图4(b)，(d)可见，虽然LLUT应力路径与LUT应力路径中的卸载方式相同，但两者全应力-应变试验过程中ε2的变化规律差异较大。整个试验过程中，LUT应

力路径下煤样的ε2始终小于0，即全程为膨胀状态，而LLUT应力路径下煤样的ε2始终大于0，即全程为压缩状态。这是由于中间主应力的升高，使对应的ε2由向外膨胀变为向内压缩，限制了煤样在该方向的膨胀变形。

图3 加卸载应力路径示意Fig.3 Schematic diagram of loading-unloading

stress paths

图4 真三轴加卸载应力路径下原煤全应力-应变曲线Fig.4 Complete stress-strain curves of coal under true triaxial loading-unloading stress paths

图5为真三轴加卸载应力路径下原煤应力-体积应变曲线。由图5可知，不同真三轴加卸载应力路径下煤样的体积应变差异明显，LLUT应力路径下煤样破坏时的体积应变最大，CCT应力路径下次之，LUUT应力路径下煤样破坏时的体积应变最小。该现象说明中间主应力卸载会降低原煤承载能力，使原煤在较小的变形下即发生失稳破坏。而中间主应力的升高会提高原煤承载能力，限制内部裂纹的发展，延缓原煤发生失稳破坏。

图5 真三轴加卸载应力路径下原煤应力-体积应变曲线Fig.5 Stress-volumetric

strain curves of coal under true triaxial loading-unloading stress paths

3 原煤强度特性分析

目前针对原煤强度的分析主要集中在常规三轴应力条件，其应力状态与强度参数的关系常用Mohr-Coulomb准则描述，但该准则忽略了中间主应力对材料强度的影响，故并不适用于真三轴应力条件下材料强度的描述。MOGI[13]通过岩石真三轴强度实验发现八面体剪应力与有效平均正应力σm,2(σm,2=(σ1+σ3)/2)之间存在单调递增的函数关系(式(1))。ADEL M等[14]通过多种真三轴岩石试验发现该函数关系可以用式(2)所示线性表达式描述。通过计算不同加卸载应力路径下的八面体剪应力与有效平均正应力，发现在不同加卸载应力路径下的原煤强度可用式(2)进行较好的拟合，得到拟合参数a=0.675 3,b=0.854 3，如图6所示。此外，可由

式(3),(4)将拟合参数与原煤内部黏聚力c,内摩擦角φ建立联系[15]，计算得到c

=1.69 MPa，φ=64.97°。

τoct=f(σm,2)

(1)

τoct=a+bσm,2

(2)

(3)

(4)

图6 原煤八面体剪应力与有效平均正应力拟合曲线Fig.6 Fitted curve of the

octahedral shear stress and effective mean normal stress of coal

4 原煤破坏形式分析

在整个加卸载过程中，原煤试样经历初始裂隙压缩、微裂隙发育、相互连通最终产生贯通宏观裂隙的过程。图7给出了各个应力路径下原煤破坏后的形态，可以看出真三轴加卸载应力路径对原煤最终破坏形式影响较大。CCT应力路径下，σ2,σ3恒定，煤样破坏形式为剪切破坏。LUT应力路径和LUUT应力路径下，随着主应力σ2,σ3的卸载，煤样破坏形式逐渐转为拉-剪复合破坏。LUUT应力路径下的煤样与LUT应力路径下相比，破坏后宏观裂隙更多，贯通程度更高。这是由于σ2的卸载使煤样在该方向上的承载能力降低，垂直于σ2方向的裂隙得到更充分地发育。LLUT应力路径下，σ1,σ2升高，与LUT应力路径相比，σ2的加载使煤样在该方向上的承载能力提高，同时会限制垂直σ2方向的裂隙发展，减少原煤破坏时裂隙数目，形成“八字形”的拉-剪复合破坏。

5 原煤渗透率变化分析

基于理想气体等温渗流假设，使用达西定律计算不同真三轴加卸载路径下的原煤渗透率[5]。该公式利用出口端流量及原煤试样两端的气体压力等参数计算原煤渗透率，具体公式为

(5)

式中,k为渗透率,m2;q为标准状况下的气体渗流流量,m3/s;μ为气体动力黏度，L为试样长度,cm;S为试样横截面面积,m2;p2为大气压,Pa;p1为气体进口端气压,Pa。

由于不同原煤试样的初始渗透率差异较大，使用渗透率绝对值难以准确衡量渗透率变化规律。因此定义渗透率归一化系数w，该系数的大小反映原煤的渗透率变化程度大小

w=ka/k0

(6)

式中,k0为原煤初始应力状态下的渗透率;ka为主应力升降后的渗透率。

图7 真三轴加卸载路径下原煤破坏形式Fig.7 Coal failure behaviors under true

triaxial loading-unloading stress paths

表1为真三轴加卸载应力路径下的原煤渗透率绝对值，图8给出了真三轴加卸载应力路径下,原煤渗透率归一化系数w随最大主应力σ1升高的变化情况。从图8可以看出，不同加卸载应力路径下的渗透率变化趋势大致相似，即随着最大主应力σ1的升高，原煤渗透率先缓慢降低而后逐渐上升。区别在于不同加卸载应力路径下的渗透率归一化系数w最小值与最大值差异较大，且煤样破坏后渗透率的上升幅度差别明显。CCT应力路径下，煤样渗透率归一化系数的最小值为0.070，破坏后，煤样渗透率归一化系数升高至1.081。LUT应力路径下，煤样渗透率归一化系数的最小值为0.470，破坏后，煤样渗透率归一化系数升高至1.283。LUUT应力路径下，煤样渗透率归一化系数的最小值为0.523，破坏后，煤样渗透率归一化系

数升高至6.880。LLUT应力路径下，煤样渗透率归一化系数的最小值为0.766，破坏后，煤样渗透率归一化系数升高至5.394。可以看出，σ2,σ3的卸载会使煤样渗透率在整个试验过程中的最小值及其最大值增大。值得注意的是，与其它应力路径下的结果不同，LLUT应力路径下煤样渗透率的上升阶段存在渗透率稳定区，并非持续上升，说明中间主应力σ2的加载或卸载对原煤渗透率演化规律的影响较大，在实际工况中不能忽略。

表1 真三轴加卸载应力路径下原煤渗透率绝对值Table 1 Absolute coal

permeability measuredunder loading-unloading stress paths

10-16 m2加卸载应力路径初始渗透率k0最小渗透率kmin最大渗透率kmaxCCT1.3650.0961.476LUT5.6292.6467.222LUUT2.0771.08614.290LLUT1.7481.3399.429

图8 真三轴加卸载路径下应力-渗透率归一化系数变化曲线Fig.8 Stress-permeability normalized coefficient curves under true triaxial loading-unloading stress paths

6 结 论

(1)真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律影响较大。

(2)与CCT应力路径相比，LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度均降低。

(3)不同真三轴加卸载应力路径下煤样的体积应变差异明显，LLUT应力路径下煤样破坏时的体积应变最大，CCT应力路径下次之，LUUT应力路径下煤样破坏时的体积应变最小。

(4)真三轴加卸载应力路径下的原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系，相关拟合参数可用于计算原煤内部黏聚力和内摩擦角。真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式为拉-剪复合破坏。

(5)不同真三轴加卸载应力路径下的原煤渗透率变化过程大致相似，即随着最大主

应力σ1的升高，原煤渗透率先缓慢降低而后逐渐上升。与CCT应力路径下煤样渗透率相比，LUT，LUUT应力路径下煤样渗透率最小值及渗透率最大值均增大。

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