真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

　第43卷第1期煤　　炭　　学　　报Vol.43　No.1　　2018年1月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJan.　2018　尹光志,刘玉冰,李铭辉,等.真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响[J].煤炭学报,2018,43(1):131-136.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.4500YINGuangzhi,LIUYubing,LIMinghui,etal.Influenceoftruetriaxialloading-unloadingstresspathsonmechanicalpropertyandpermea-bilityofcoal[J].JournalofChinaCoalSociety,2018,43(1):131-136.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.4500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1,2,刘玉冰1,2,李铭辉1,2,邓博知1,2,刘　超1,2,鲁　俊1,2(1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆　400030;2.重庆大学资源及环境科学学院,重庆　400030)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(σ1σ2σ3),而采用常规三轴(σ1σ2=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。关键词:真三轴加卸载;应力路径;力学特性;渗透率中图分类号:　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2018)01-0131-06收稿日期:2017-10-28　　修回日期:2017-12-20　　责任编辑:常明然　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(51434003,51374256);重庆市博士后科研基金特别资助项目(XM2017043)　　作者简介:尹光志(1962—),男,四川西昌人,教授,博士生导师。E-mail:[e-mail]lloading-unloadingstresspathsonmechanicalpropertyandpermeabilityofcoalYINGuangzhi1,2,LIUYubing1,2,LIMinghui1,2,DENGBozhi1,2,LIUChao1,2,LUJun1,2(1.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,ChongqingUniversity,Chongqing　400030,China;2.CollegeofResourcesandEnviron-mentalSciences,ChongqingUniversity,Chongqing　400030,China)Abstract:Duringtheprocessofdeepcoalmining,coalseamsaregenerallyunderthetruetriaxialstressstate(σ1σ2σ3),whichisinfluencedbythecrustalstressandstrongexcavationdisturbance.Theresultsofconventionaltraxialstresstests(σ1σ2=σ3)couldnotcorrectlydescribethein-situcondition.Inordertomoreaccuratelyreplicatethestressenvironmentofcoalseams,theself-developednewmulti-functionaltruetriaxialfluid-solidcouplingexperimentsystemwasappliedtoinvestigatethemechanicalpropertiesandpermeabilityevolutionofcoalundertruetriaxialload-ing-unloadingstresspaths.Theresultsshowthatthetruetriaxialloading-unloadingstresspathhasagreatinfluenceonthedeformationandfailurebehavior,strengthcharacteristics,permeabilityevolution.ComparedwiththeCCTstresspath,theLUTandLUUTstresspathsreducedthepeakstrengthofcoal.Theoctahedralshearstressandtheeffectivemeannormalstressofcoalcanbelinearlyfitted.Thefailuremodesofcoalunderdifferenttruetriaxialloading-unloa-dingpathswerecompositetensile-shearfailure.Additionally,truetriaxialstresspathhasgreatinfluenceontheperme-abilityevolutionofcoal.Keywords:truetriaxialstressloading-unloading;stresspath;mechanicalproperty;permeability煤　　炭　　学　　报2018年第43卷　　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(σ1σ2σ3)。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。YINGZ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。JUY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。CHENHD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。LIX等[9]研究了卸载最小主应力条件下岩石的破坏规律。MAX和HAIMSONB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100mm×100mm×100mm的立方体原煤试件,控制端面平整度在0．02mm以内。将加工好的立方体原煤试件放入烘干机中烘干48h,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　Cubiccoalspecimenusedinthetest1．2　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-functionaltruetriaxialfluid-solidcouplingexperimentsystem[12]设置真三轴试验初始三向主应力σ1,σ2,σ3分别为20,15,10MPa,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7MPa静水压力,固定密封油压为3MPa,即σ1=σ2=σ3=10MPa,通入1MPa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=20MPa,σ2=15MPa,σ3=10MPa;(3)保持σ2,σ3不变,以0．02mm/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=20MPa,σ2=15MPa,σ3=10MPa;(2)保持σ2不变,以0．02mm/s的速率加载σ1,同时以0．02MPa/s的速率卸载σ3至试样破坏。试231第1期尹光志等:真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响验时保持加、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=20MPa,σ2=15MPa,σ3=10MPa;(2)以0．02mm/s的速率加载σ1,以0．02MPa/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=20MPa,σ2=15MPa,σ3=10MPa;(2)以0．02mm/s的速率加载σ1,分别以0．06,0．02MPa/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%减小到图3　加卸载应力路径示意Fig．3　Schematicdiagramofloading-unloadingstresspaths-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4　真三轴加卸载