三轴循环加卸载下深部煤体损伤的能量演化和渗透特性研究

第37卷第12期岩石力学与工程学报Vol.37No.122018年12月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringDec.，2018收稿日期：2018–06–14；修回日期：2018–08–31基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0600704)；国家自然科学基金资助项目(51674266)SupportedbytheStateKeyResearchDevelopmentProgramofChina(GrantNo.2016YFC0600704)andNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.51674266)作者简介：王向宇(1993–)，女，2016年毕业于太原科技大学工程力学专业，现为博士研究生，主要从事超低渗岩石渗透特性方面的研究工作。E-mail：[e-mail]：10.13722/j.cnki.jrme.2018.0697三轴循环加卸载下深部煤体损伤的能量演化和渗透特性研究王向宇，周宏伟，钟江城，张雷，王超圣，安露(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083)摘要：为了分析煤矿开采过程中煤体损伤的能量演化规律和渗透特性，采用控制围压、加卸载轴压的方式开展三轴循环加卸载渗流试验，分析在不同围压下弹性参数(弹性模量、泊松比)、能量密度随着轴向应变的演化特征，并引入弹塑性材料的损伤变量，进而探讨损伤变量和渗透率的关系。结果表明：在加卸载过程中，进入屈服阶段后，弹性模量开始降低，耗散能密度、耗散能比例以及损伤变量逐渐增大，进入峰后阶段后演化加剧，说明岩石破坏是一个能量耗散的损伤演化过程；以应力屈服点为分界点，屈服前渗透率和损伤变量呈现幂函数关系；屈服后二者具有较好的指数函数关系，并拟合出不同围压下二者的关系公式；渗透率随围压的增加而减小，说明围压对渗透有抑制作用。关键词：采矿工程；循环加卸载；破坏；能量演化；损伤变量；渗透率中图分类号：TD32文献标识码：A文章编号：1000–6915(2018)12–2676–09StudyonenergyevolutionandpermeabilitycharacteristicsofdeepcoaldamageundertriaxialcyclicloadingandunloadingconditionsWANGXiangyu，ZHOUHongwei，ZHONGJiangcheng，ZHANGLei，WANGChaosheng，ANLu(SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)Abstract：Inordertoanalyzetheenergyevolutionandpermeabilitycharacteristicsofcoalduringthecoalminingprocess，thetriaxialcyclicloadingandunloadingtestswerecarriedoutbycontrollingtheconfiningandaxialpressures，andthepermeabilitywasmeasured.Theevolutioncharacteristicsofelasticparameters(elasticmodulusandPoisson′sratio)andenergydensitieswiththeaxialstrainwereanalyzedunderdifferentconfiningpressures.Amodifieddamagevariablewasintroducedforthiselastoplasticmaterialanditscorrelationwiththepermeabilitywasexplored.Theresultsshowthat，duringtheloadingandunloadingprocessesandafterenteringtheyieldphase，theelasticmodulusbeginstodecrease，andthedissipatedenergydensity，dissipatedenergyratioanddamagevariablegraduallyincrease，andthatinthepost-peakperiod，changesoftheseparametersdeveloprapidly.Itisalsodemonstratedthatrockdamageisanenergy-dissipatingdamageevolutionprocess.Takingtheyieldpointasthedemarcationpoint，therelationshipbetweenthepermeabilityandthedamagevariablecanbedescribedbyalogarithmicalfunctionandanexponentfunctionbeforeandafteryielding，respectively，andthefittingformulas第37卷第12期王向宇等：三轴循环加卸载下深部煤体损伤的能量演化和渗透特性研究•2677•wereobtainedunderdifferentconfiningpressures.Thepermeabilitydecreaseswithincreasingtheconfiningpressure，whichindicatesthattheconfiningpressurehasaninhibitoryeffectonpermeation.Keywords：miningengineering；cyclicloadingandunloading；destruction；energyevolution；damagevariable；permeability1引言在岩石变形破坏过程中，伴随着能量的相互交换。外界通过做功对煤体输入能量，一部分转化为弹性应变能储存在煤体内，在卸载条件下可以完全释放，另一部分转化为耗散能，在微观角度表现为煤体内部产生微裂隙，并发育扩展，甚至相互贯通，从而产生宏观裂纹，造成试样结构的完全破坏。因此岩石损伤过程本身是一种能量耗散的不可逆过程[1]，可以从能量积聚、演化和耗散角度分析煤体的破坏过程，将能量和变形联系起来更利于预测岩石的破坏程度。关于岩石破坏的基本特征以及能量演化的研究，周宏伟等[2]综述了深部高地应力环境下岩石变形、强度、破坏等方面的研究；谢和平等[3]指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果；张志镇[4]针对岩石变形破坏过程中的能量演化机制，从能量转化作用、能量演化及分配规律等几个方面研究了岩石在受载过程中的能量行为；彭瑞东等[5]分析了不同围压下煤岩损伤演化过程中的能量机制，得出损伤耗散能随着循环应力增加而增大的结论；邓华锋等[6]进行了砂岩单轴循环加卸载试验，发现岩样在循环加卸载临近破坏时，各能量参数及残余应变明显增大；Q.B.Meng等[7]通过对砂岩进行单轴循环加卸载试验，对比了不同加载速率下岩石的能量演化规律；D.Y.Li等[8]研究了不同加卸载路径下花岗岩的能量演化特征，发现耗散能比例可以用来描述岩石变形和破坏程度。可以发现，目前针对煤体进行三轴循环加卸载全程能量演化规律的研究较少。同时，渗透率作为判断岩石介质传导流体能力的重要参数，有很多学者对其做过研究。胡大伟等[9]对多孔红砂岩进行了三轴压缩试验，得到了在低围压下试样破坏全过程渗透率先减小后增大的演化规律；孟召平等[10]通过加载力学试验研究了煤岩全应力–应变过程中的渗透规律，发现随着围压的增大，初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率均减小；许江等[11]采用加轴压–卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验，得到渗透率随变形成二次递增的演化规律；张春会等[12]模拟了不同围压下渗透演化过程，结果表明峰后剪切破坏带的产生使得渗透率增大。但加载条件和方式只是渗透率演化的外部条件，渗透率变化的本质是岩石损伤的演化。目前也有很多学者研究岩石损伤演化特征及其对渗透性的影响，李晓泉等[13]研究发现煤样的渗透率变化受损伤变量影响较大，其变化率和损伤变量沿正相关变化；C.L.Yan等[14]指出，渗透率的变化规律与页岩的损伤规律一致；孙文吉斌等[15]定性分析认为页岩渗透率变化与损伤作用之间有很强的关联性。但鲜有基于三轴循环加卸载渗流实验对煤体损伤和渗透性关系进行的研究，或者仅局限于对二者的定性分析。本文通过三轴循环加卸载渗流试验，利用煤体的全应力–应变曲线，分析了整个过程中弹性参数、能量密度、以及能量比例的演化规律，并针对煤体的弹塑性特性，引入了修正定义的损伤变量，以此研究了煤体的损伤演化规律，并将损伤变量和渗透率相结合，研究了二者的关系。2试验条件及方案2.1试件制备试验所用煤样取自中国平煤十二矿己15–31030工作面，煤样埋深约1050m。煤样制备标准满足测定方法[16]和岩石常规三轴压缩试验标准，经过钻孔取芯，加工为直径50mm、高度100mm规格的煤样。试验前，将煤样浸泡于水中并抽真空使其达到饱和状态。2.2试验设备和方法本次试验采用的设备是四川大学水利水电实验室MTS815FlexTextGT岩石力学试验系统。该系统的最大围压为140MPa，轴向荷载最大可达4700kN。轴向和环向应变通过对应的引伸计进行测量。如图1所示，本试验按照以下步骤进行：(1)将围压逐渐增加至实验预定值，再施加恒定渗透压3MPa；(2)采用应力控制，以20kN/min的速率加载至预定值，测量渗透率；(3)以0.15mm/min的速率卸载至静水压力，测量渗透率，完成一次循环实验；(4)重复(2)和(3)，直到峰值；(5)峰后按照峰值的80%，60%，……，循环加卸载，同时测量渗透率。需要说明的是，当轴向应力达到峰值的60%时，采用机械位移控制加载的方式，以0.1mm/min的速率达到目标值。 •2678•岩石力学与工程学报2018年 图1加卸载路径示意图Fig.1Diagramofaxialloadingandunloading为研究不同围压下煤体的能量演化规律和渗透特性，本试验分别开展了10，15，25MPa三个围压下的循环加卸载渗流试验。3试验结果与分析3.1全应力–应变曲线各个煤样的加卸载应力–应变曲线如图2所示，可以看出，轴向加卸载应力–应变曲线外包络线和(a)围压10MPa(b)围压15MPa (c)围压25MPa图2不同围压下煤样循环加卸载的应力–应变曲线Fig.2Stress-straincurvesofcyclicloadingandunloadingofcoalunderdifferentconfiningpressures常规三轴压缩曲线一致，亦可分为压密阶段、弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段和残余阶段。无论在峰前还是峰后，再加载曲线仍然沿着原来的单调加载曲线上升，即煤体从开始到残余都有记忆效应。在进入屈服阶段后，岩样的体积应变逐渐减小，试件由体积压缩转化为体积膨胀，即扩容，而且峰后的体积增长速率越来越大，扩容更加明显。3.2弹性参数演化为了研究煤体在循环加卸载条件下的变形特征，需要分析弹性模量、泊松比等弹性参数的演化。根据经验，卸载曲线的平均斜率一般与加载曲线直线段的斜率相同[17]，因此本文采用卸载割线模量(卸载点和静水压力点两点连线即图3直线AB的斜率)来等同弹性模量。需要说明的是，由于滞后效应[18]的存在，在CB段机械仍然对岩样做正功，因此将轴向应变方向改变时的点B作为卸载点。李世平等[19]将泊松比推广到峰后区，称为广义泊松比。假设卸载点B的轴向应变为1ε，卸载至静水压力点A的应图3