1、2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.035浸水煤岩的强度弱化及刚度损伤试验研究郝俊（汾西矿业集团宜兴煤业，山西 吕梁 032300）摘要 为研究不同浸水条件下煤岩受载破坏过程中的强度及刚度演化规律，制备了不同浸水条件的煤样并开展单轴压缩试验，分析煤样强度弱化、刚度损伤与含水效应的内在机理。研究结果表明：随着含水率增高，煤样单轴抗压强度呈线性减小，峰值应变呈线性增大，弹性模量呈指数减小，煤样表现为塑性增强、脆性减弱的特征；水作用下煤样刚度损伤明显，抵抗变形的能力大大减弱；运用刚度-应变-应力曲线，能够较为准确地描述煤样裂
2、隙发育规律。关键词 浸水煤样；单轴压缩；强度弱化；刚度损伤中图分类号TD315文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0113-030引言水-岩作用机理复杂，表现在物理、生物、化学作用等各个方面。诸多学者在该领域广泛开展了大量工作，煤岩体在水作用影响下会发生性质劣化已成为共识1。煤矿开采过程中，一方面，在水作用下煤岩体易于损伤劣化，发生变形破坏，威胁安全生产；另一方面，采用注水软化措施能够弱化煤岩体的力学性能，降低煤岩体的应力集中程度，在冲击地压防治中可有效减弱冲击危险性2。现有研究表明，浸水环境的变化。使得煤岩体强度弱化、刚度损伤与裂隙发育呈现不同的规律。因此，对煤矿不同浸水
3、条件下煤岩体的力学性质研究显得极为重要。本文通过不同浸水条件下煤样的单轴压缩试验，系统探究含水效应与煤岩损伤劣化机制的内在联系，以期为水作用下煤岩体的劣化破坏、裂隙发育机制与煤岩体注水防冲提供理论参考。1实验设计实验煤样取自山西宜兴煤业 1206 工作面，该煤为半暗暗淡型，块状为主，少许粉末状，层理清晰，干燥。试件的加工精度严格按照岩石物理力学性质测定规范要求，加工成底面为 50 mm50 mm正方形、高为 100 mm的标准立方体。试验设备主要由 SANS 伺服压力试验机与应变采集装置组成，可实时监测煤样破坏全过程。本次试验设定采用位移加载，加载速率为 0.1 mm/min，加载至煤样失效。
4、试验系统如图 1 所示。图 1单轴压缩试验系统对加工好的煤样分组编号并进行浸水试验，每组 3 个煤样，共 4 组，编号为 A1A3、B1B3、C1C3、D1D3，分别对应浸水 0 h、浸水 10 h、浸水30 h、浸水 100 h。不同浸水条件下煤样含水率如表1 所示。表 1不同浸水条件下煤样含水率2实验结果分析2.1不同含水率煤样应力-应变曲线不同浸水条件的煤样在受到单向载荷压缩下，其破坏规律表现出明显差异。浸水 0 h 的干燥煤样基本不存在压密阶段，煤样加载后很快进入线弹性阶段，直至煤样破坏且破坏发生突然，其抗压强度最大，干燥煤样表现出具有冲击倾向性。随着浸水条件的变化，浸水时间越长的煤样
5、，其裂隙压密阶煤样组别平均含水率/1021.53343.75编号浸水时长/hA1A30B1B310C1C330D1D3100应力加载系统煤样电脑数据处理系统能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11132023 年 2 月Feb.,2023郝俊浸水煤岩的强度弱化及刚度损伤试验研究段越长，应变越大，单轴抗压强度就越小。这是由于煤样内有高岭石等黏土矿物，其吸水后体积膨胀使得煤样裂隙发育，压缩时要先克服煤样吸水后产生的变形。不同含水率煤样应力-应变曲线如图 2 所示。图 2不同含水率煤样应力-应变曲
6、线2.2不同含水率煤样强度弱化分析煤样的强度特征主要通过抗压强度、峰值应变、弹性模量等参量来表征。不同参量的变化可直观反映其强度特征变化规律3。不同浸水条件的煤样在单向压缩载荷作用下，各强度特征参量的变化如图 35 所示。图 3抗压强度随浸水条件变化规律图 4峰值应变随浸水条件变化规律图 5弹性模量随浸水条件变化规律由图 3、4 可以看出，煤样单轴抗压强度与含水率呈负线性关系，而与峰值应变呈正线性关系。随煤样浸水条件变化，含水率由 0 增大至 3.75%，抗压强度由 21.1 MPa 减少至 15.4 MPa，降幅为 27%；而峰值应变由 0.019 5 增大至 0.029，增幅为 48.7%
7、。可见，浸水后煤样强度发生显著弱化，力学性质劣化明显。通过图 5 可以看出，煤样弹性模量与含水率呈负指数关系。随煤样浸水条件变化，含水率由 0 增大至 3.75%，其弹性模量呈现降低趋势，但降幅逐渐变小，弹性模量由 1 280 MPa 减少至 875 MPa，降幅为 31.6%。由于煤样内部大量的原生裂隙存在，随着载荷增大，煤样裂隙面的摩擦系数会增大；由于摩擦系数很大，煤样裂隙面滑动难度增大。裂隙面的粗糙程度会影响煤样滑动摩擦系数、滑动速度；裂隙面的摩擦系数随浸水时间增大而变小，煤样易于相对滑动，煤样弹性模量因此减小。2.3不同含水率煤样刚度损伤分析刚度通常表示材料抵抗变形的能力，刚度越大，其
8、抵抗变形的能力越强4。同时，运用刚度-应变-应力曲线还可判断裂隙发育程度，揭示裂隙发育规律。刚度通常由以下公式获得：k=pl（1）式中：k 为材料的刚度，N m-1；p 为材料受到单轴压缩荷载，N；l 为材料产生的轴向位移，m。通常来讲，随着加载的进行，在数值达到相对线性之前轴向刚度快速增加，认为这种刚度快速变化的位置是裂隙闭合阶段。因此认为 A-B 段对应裂隙压密过程，处于裂隙闭合阶段，之后进入 B-C段，煤样发生弹性变形；弹性变形的终点即为裂隙萌生的开始，对应的应力为裂隙萌生应力；C-D 段范围内裂隙稳定发育，裂隙稳定发育的终点对应为裂隙损伤的开始，所处应力水平为裂隙损伤应力；应变0.00
9、0.010.020.03应力/MPa302520151050干燥含水率 1.5%含水率 3%含水率 3.75%含水率/%01234实验值拟合曲线单轴抗压强度/MPa22201816含水率/%01234实验值拟合曲线峰值应变0.0300.0280.0260.0240.0220.0200.018含水率/%01234实验值拟合曲线弹性模量/MPa1 4001 3001 2001 1001 0009008001142023 年 2 月Feb.,20233结论（1）水作用下煤样强度弱化较为显著。随着煤样浸水条件变化，含水率由 0 增大至 3.75%，其单轴抗压强度线性下降 27%，峰值应变线性增加48.
10、7%，弹性模量指数下降 31.6%。含水率的增大使得煤样塑性增强，脆性减弱。（2）通过刚度-应变-应力曲线将浸水煤样变形破坏全过程分为裂隙闭合阶段（AB 段）、弹性变形阶段（BC 段）、裂隙稳定发育阶段（CD 段）与裂隙不稳定发育阶段（DE 段），能够较为准确地描述煤样裂隙发育规律。（3）水作用下煤样刚度损伤效应明显，随着煤样浸水条件变化，含水率逐渐增大，而煤样抵抗变形的能力降低，同时煤样裂隙萌生应力和损伤应力呈下降趋势，说明含水煤样易于发生变形破坏。参考文献1鲁杰，于浩，宁掌玄，等.基于细观结构的不同浸水时间对煤岩特性的影响 J.煤炭工程，2018，50（5）：118-122.2 李兵，罗武
11、贤，徐大连，等.煤层合并区工作面底煤深孔注水防冲技术研究 J.煤炭科技，2021，42（2）：118-121.3 齐学元，邓广哲.浸水耦合作用对煤体强度影响试验研究 J.煤炭技术，2022，41（1）：4-7.4 彭芳乐，曹延波.加筋砂土挡墙面板刚度效果的数值分析 J.岩土力学，2012，33（3）：864-871.作者简介郝俊（1987-），男，助理工程师，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，主要从事岩石力学与矿压控制等研究工作。收稿日期：2022-08-08（a）含水率 0（b）含水率 1.5%（c）含水率 3（d）含水率 3.75图 6不同含水率下煤样刚度-应变-应力变化情况最后在 D-E
12、段裂隙不稳定发育，在该阶段内的裂隙损伤是不可逆的；加载继续，裂隙扩展、贯通，最终形成宏观破坏面，使得煤样失效（E 点）。可见，运用刚度-应变-应力曲线能够准确描述煤样裂隙发育规律。同时，随着含水率的增加，煤样峰值刚度由26.3106N/m下降至 13.2106N/m，降低了 49.8%；对应煤样裂隙萌生应力由 8.27 MPa 下降至 6.3 MPa；裂隙损伤应力由 15.1 MPa 下降至 13.4 MPa。可见浸水后煤样抵抗变形的能力大大降低。不同含水率下煤样刚度-应变-应力曲线变化情况如图 6 所示。裂隙闭合弹性变形裂隙初始发育裂隙损伤裂隙稳定发育裂隙不稳定发育ABCDE应力/MPa刚度
13、-应力曲线应变-应力曲线峰值应力失效应变/10-3刚度/106N m-160504030201003025201510500510152025裂隙闭合弹性阶段裂隙初始发育裂隙损伤裂隙稳定发育裂隙不稳定发育ABCDE应力/MPa刚度-应力曲线应变-应力曲线峰值应力失效应变/10-3刚度/106N m-135302520151050403530252015105005101520裂隙闭合弹性变形裂隙初始发育裂隙损伤裂隙稳定发育裂隙不稳定发育ABCDE应力/MPa刚度-应力曲线应变-应力曲线峰值应力失效应变/10-3刚度/106N m-130252015105050403020100024681012141618裂隙闭合 弹性阶段裂隙初始发育裂隙损伤裂隙稳定发育裂隙不稳定发育ABCDE应力/MPa刚度-应力曲线应变-应力曲线峰值应力失效应变/10-3刚度/106N m-120161284050403020100024681012141618能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1115
