基于氣體密封的瓦斯煤體力學(xué)指標(biāo)測(cè)定

巖漿巖系統(tǒng)的不穩(wěn)定是巖漿巖磚瓦動(dòng)力災(zāi)害的先決條件。失穩(wěn)破壞是否發(fā)生取決于是否存在含鋯巖的潛在力和力學(xué)反應(yīng)。煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì),天然的吸附體,煤體中可吸附大量的瓦斯。因此,研究煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害應(yīng)首先研究瓦斯對(duì)煤體物理力學(xué)特性的影響,這是研究含瓦斯煤體破壞機(jī)理和本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)。現(xiàn)有的相關(guān)研究主要是在偽三軸的情況下進(jìn)行的。但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中煤巖物理力學(xué)指標(biāo)多是在單軸作用下取得的。因此,如果能測(cè)定含瓦斯煤體單軸作用下的力學(xué)指標(biāo)以便與無(wú)瓦斯情況下煤體力學(xué)指標(biāo)加以對(duì)比分析,則可更進(jìn)一步揭示瓦斯的存在對(duì)煤體物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律,從而更進(jìn)一步揭示災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制。筆者利用瓦斯氣體密封裝置,提出了測(cè)定瓦斯煤體力學(xué)指標(biāo)的類(lèi)單軸實(shí)驗(yàn)方法,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,得到了有效圍壓為零條件下瓦斯對(duì)煤樣力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。1實(shí)驗(yàn)方法和樣品制備1.1實(shí)驗(yàn)裝置的安裝傳統(tǒng)含瓦斯煤體力學(xué)指標(biāo)的測(cè)定都是在偽三軸的情況下進(jìn)行的,即在煤樣周?chē)右愿哂谕咚箟毫Φ挠蛪喊淹咚狗獯嬖诿簶又?。根?jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),力學(xué)指標(biāo)多是對(duì)原煤標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行單軸實(shí)驗(yàn)取得的,而瓦斯的存在,則必須考慮其相應(yīng)的封存方法。本實(shí)驗(yàn)利用瓦斯氣體密封系統(tǒng)(圖1)將原煤試樣封存其中,用真空泵抽真空后,充入一定壓力的高純度瓦斯氣體,吸附氣體濃度為99.9%,直到煤樣吸附飽和為止。飽和的判定是通過(guò)高精度壓力表和精密應(yīng)變儀共同確定,即壓力表指針和應(yīng)變儀讀數(shù)不再發(fā)生變化,一般吸附時(shí)間均保證在48h以上。后將密封系統(tǒng)放在伺服壓力機(jī)上利用密封系統(tǒng)的活塞加載裝置進(jìn)行單軸加壓。由于煤樣的飽和吸附作用,瓦斯壓力作為體積力施加于煤體,使煤體所受到的有效圍壓為零,即其內(nèi)部瓦斯和煤樣周?chē)芊饪涨粌?nèi)的游離瓦斯壓差為零,則類(lèi)似于常規(guī)的單軸加載實(shí)驗(yàn)。如此,則可對(duì)在不同瓦斯壓力吸附飽和的原煤試樣進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)測(cè)定,從而得出瓦斯對(duì)煤體力學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律。1.2煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究煤樣提取于平煤集團(tuán)十二礦己15煤層。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定所取煤樣的f值為0.43,瓦斯吸附常數(shù)a值為22.6368,b值為0.8803?？紤]到實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)腔空間的尺寸,嚴(yán)格按照煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)程要求,將所取煤塊切割為50mm×50mm×50mm的方形試樣。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可靠性和可比性,煤樣加工成型后對(duì)煤樣的外觀仔細(xì)觀察,選取沒(méi)有明顯的節(jié)理及裂紋等缺陷,且兩端的不平行度小于0.05mm的作為實(shí)驗(yàn)試樣,以確保試樣之間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的差異,并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。2瓦斯壓力下煤樣單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的瓦斯條件分為0,1,2MPa3種情況,每種情況至少做3個(gè)試樣。實(shí)驗(yàn)所得的部分煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖34所示。圖2為無(wú)瓦斯作用下煤樣單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線,從圖中可以看出,雖然煤樣取自同一煤塊,并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證了其層理方向的一致性,但原煤試樣所測(cè)數(shù)據(jù)存在的離散性是難以避免的。圖3為不同瓦斯壓力作用下煤樣單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出,孔隙瓦斯不僅改變了煤體塑性變形階段和峰值強(qiáng)度后變形階段的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)響應(yīng),而且改變了煤體的彈性變形特性,使得彈性模量等力學(xué)參數(shù)不再為常數(shù)。即孔隙壓力改變了包括彈性變形階段在內(nèi)的煤體全部變形階段的力學(xué)響應(yīng)特性。3游離瓦斯對(duì)煤b的影響煤體中的瓦斯以游離和吸附兩種狀態(tài)存在,并在一定溫度和瓦斯壓力下保持動(dòng)態(tài)平衡。含瓦斯煤體的物理力學(xué)性質(zhì)同時(shí)受到這兩種狀態(tài)瓦斯的影響。游離瓦斯對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的影響是通過(guò)孔隙壓力作為體積力而產(chǎn)生作用的。吸附瓦斯則是通過(guò)吸附解吸作用使煤的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)響應(yīng)發(fā)生改變,從而對(duì)煤的本構(gòu)關(guān)系產(chǎn)生影響。3.1瓦斯對(duì)煤體強(qiáng)度的影響如圖5所示,煤的單軸抗壓強(qiáng)度隨瓦斯壓力的增加而降低,但降低的速率隨壓力的增加而逐漸變緩。去除有效軸向應(yīng)力的影響,強(qiáng)度的降低主要由瓦斯的非力學(xué)作用產(chǎn)生。瓦斯的存在,減少了煤體內(nèi)部裂隙表面的張力,從而使煤體骨架部分發(fā)生相對(duì)膨脹,導(dǎo)致煤體顆粒間的作用力減弱,被破壞時(shí)所需要的表面能減小,削弱了煤體的強(qiáng)度。同時(shí),瓦斯的存在,阻礙了裂隙的收縮,促進(jìn)其擴(kuò)張,減弱了宏觀裂縫間的摩擦系數(shù),也使得煤體強(qiáng)度降低。3.2煤體抗變形能力煤體的彈性模量隨瓦斯壓力的增加而降低(圖6)。彈模代表了煤體抵抗變形的能力。吸附于煤體顆粒表面和顆粒空間中的瓦斯氣體分子將減弱煤體試樣的黏結(jié)力,宏觀表現(xiàn)即為降低了煤體抵抗變形的能力,即彈模降低。3.3瓦斯的作用機(jī)理從圖7中可以看出,在峰前階段,隨瓦斯壓力的增高,煤樣發(fā)生的塑性變形逐漸減小。分析其原因,由于瓦斯的存在,對(duì)煤體中的孔裂隙起充填作用,填補(bǔ)了煤體中的孔裂隙空間,煤樣在受壓變形的過(guò)程中,瓦斯對(duì)圍壓起反作用,也即瓦斯的存在抵消了部分圍壓的作用(有效應(yīng)力原理)。也就是說(shuō),在煤體破壞前瓦斯的存在阻礙了煤體的變形。因此,對(duì)同樣孔隙度的煤巖來(lái)說(shuō),在破壞前,吸附了高壓瓦斯的煤體,其發(fā)生的塑性變形會(huì)隨瓦斯壓力的增高而減小。3.4煤體延性的影響從圖4可以看出,瓦斯的存在,使得峰后段曲線變緩,尤其是脆性破斷(曲線瞬間降低即比較陡的一段)表現(xiàn)不明顯。這主要表現(xiàn)在吸附瓦斯的存在,增加了煤體的延性,降低了其發(fā)生脆性破斷的幾率。從圖8中也可看出,無(wú)吸附瓦斯作用的試樣發(fā)生破壞后,其破斷為一條比較完整的劈裂線,脆斷破壞的痕跡明顯;而吸附瓦斯作用的試樣破壞后其破壞的程度為一種碎裂形式,破壞后的完整性差。綜合以上分析,還可以看出,煤體力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)響應(yīng)隨吸附瓦斯壓力升高而變化的趨勢(shì)逐漸變?nèi)?也就是說(shuō),在有效圍壓為零的單軸壓縮條件下,瓦斯對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)和響應(yīng)的影響中吸附瓦斯所起的非力學(xué)作用占主導(dǎo)作用。4瓦斯的力學(xué)性質(zhì)筆者利用瓦斯氣體密封系統(tǒng),提出了測(cè)定瓦斯煤體力學(xué)指標(biāo)的類(lèi)單軸實(shí)驗(yàn)方法。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究