工程科学学报，第38卷，第12期：1674-1680,2016年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.12:1674-1680,December 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.003:http://journals.ustb.edu.cn 加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律 赵宏刚123》，张东明2，》，刘超23》，邓博知12》，边光2,3》，李文璞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4000302)重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030 3)重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400030 ☒通信作者，E-mail:zhangdm@cqu.cd.cn 摘要基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统，在考虑实际开采方式的条件下，进行轴压升高和围压降低的加卸载试 验，分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律。结果表明：加卸载过程中，轴向应力的加载速率越大，峰值 应力附近的曲线平台越长，峰值应力、轴向应变和环向应变也越大，体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量 均先迅速减小后缓慢减小，到破坏时再迅速降低，而后逐渐保持稳定趋势；在相同轴向应变时，加卸载速率比越小，煤样的变 形模量越大.加卸载过程中，煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段：初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破 坏后阶段.加卸载速率比越小，煤样达到峰值应力时，含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大 关键词煤：加卸载；：力学特性：渗透率 分类号TD713 Mechanical characteristics and permeability evolution rule of coal under loading-unloading conditions ZHAO Hong-gang),ZHANG Dong-ming,LIU Chao,DENG Bo-zhi,BIAN Guang,LI Wen-pu) 1)State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China 2)College of Resources and Environmental Sciences,Chongqing University,Chongqing 400030,China 3)State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal Gas Seam,Chongqing University,Chongqing 400030,China Corresponding author,E-mail:zhangdm@cqu.edu.cn ABSTRACT Based on the self-made servo-controlled seepage equipment for thermal-hydrological-mechanical coupling of coal and rock,a loading and unloading experimental study was performed by increasing the axial compression and decreasing the confining pres- sure in consideration of the actual mining method.The mechanical characteristics and permeability evolution rule of coal were analyzed and studied under loading-unloading conditions.The results show that during the process of loading and unloading,the faster the load- ing rate of axial stress,the longer the platform of the stress-strain curve near the peak,and the larger the peak stress,axial strain and circumferential strain,while the smaller the volume strain.The deformation moduli at different loading and unloading rates exhibit the trend of rapidly decreasing first and then slowly decreasing.When damage occurs,the deformation modulus rapidly decreased and then is nearly constant.Under that condition of the same axial strain,the deformation modulus increases with the decrease of loading and unloading rate.The relations of deviatoric stress and coal permeability with strain can be divided into three stages in the whole test process:initial compaction and elastic stage,yield stage,and post-failure stage.During the process of loading and unloading,the slo- wer the loading and unloading rate is,the larger the coal permeability and volume strain become when the axial stress of coal samples reaches the peak value. KEY WORDS coal:loading and unloading:mechanical characteristics:permeability 收稿日期：201601-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51434003,51374256)：中央高校基本科研业务费资助项目(106112015 CDJRC241201)
工程科学学报，第 38 卷，第 12 期: 1674--1680，2016 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 12: 1674--1680，December 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 12． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律 赵宏刚1，2，3) ，张东明1，2，3) ，刘 超1，2，3) ，邓博知1，2，3) ，边 光1，2，3) ，李文璞1，2，3) 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 3) 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030 通信作者，E-mail: zhangdm@ cqu． edu． cn 摘 要 基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统，在考虑实际开采方式的条件下，进行轴压升高和围压降低的加卸载试 验，分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律． 结果表明: 加卸载过程中，轴向应力的加载速率越大，峰值 应力附近的曲线平台越长，峰值应力、轴向应变和环向应变也越大，体应变则越小． 不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量 均先迅速减小后缓慢减小，到破坏时再迅速降低，而后逐渐保持稳定趋势; 在相同轴向应变时，加卸载速率比越小，煤样的变 形模量越大． 加卸载过程中，煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段: 初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破 坏后阶段． 加卸载速率比越小，煤样达到峰值应力时，含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大． 关键词 煤; 加卸载; 力学特性; 渗透率 分类号 TD713 收稿日期: 2016--01--05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51434003，51374256) ; 中央高校基本科研业务费资助项目( 106112015CDJＲC241201) Mechanical characteristics and permeability evolution rule of coal under loading--unloading conditions ZHAO Hong-gang1，2，3) ，ZHANG Dong-ming1，2，3) ，LIU Chao 1，2，3) ，DENG Bo-zhi 1，2，3) ，BIAN Guang1，2，3) ，LI Wen-pu1，2，3) 1) State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400030，China 2) College of Ｒesources and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing 400030，China 3) State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal Gas Seam，Chongqing University，Chongqing 400030，China Corresponding author，E-mail: zhangdm@ cqu． edu． cn ABSTＲACT Based on the self-made servo-controlled seepage equipment for thermal--hydrological--mechanical coupling of coal and rock，a loading and unloading experimental study was performed by increasing the axial compression and decreasing the confining pressure in consideration of the actual mining method． The mechanical characteristics and permeability evolution rule of coal were analyzed and studied under loading--unloading conditions． The results show that during the process of loading and unloading，the faster the loading rate of axial stress，the longer the platform of the stress--strain curve near the peak，and the larger the peak stress，axial strain and circumferential strain，while the smaller the volume strain． The deformation moduli at different loading and unloading rates exhibit the trend of rapidly decreasing first and then slowly decreasing． When damage occurs，the deformation modulus rapidly decreased and then is nearly constant． Under that condition of the same axial strain，the deformation modulus increases with the decrease of loading and unloading rate． The relations of deviatoric stress and coal permeability with strain can be divided into three stages in the whole test process: initial compaction and elastic stage，yield stage，and post-failure stage． During the process of loading and unloading，the slower the loading and unloading rate is，the larger the coal permeability and volume strain become when the axial stress of coal samples reaches the peak value． KEY WOＲDS coal; loading and unloading; mechanical characteristics; permeability
赵宏刚等：加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律 *1675· 煤矿井下开采过程中，由于采动应力的影响，煤岩 的力学特性，结果表明卸载条件下变形模量较小，相同 体除了受到地应力用外，还经常由于开采方式的不同 围压条件下抗压强度也减小，而抗剪断强度参数中© 而受到相应荷载的作用，如无煤柱开采时，由于回采工 值大幅减小，但中值略有增加. 作面之间取消了支承煤柱，导致相邻采空区的支承压 以上学者的研究取得丰富的成果，但对不同加卸 力转移到工作面前方煤体上，进而使支承压力峰值增 载速率下煤岩的力学特性及渗透特征研究依然较少， 大；在房柱式开采中，煤体要经受采动应力的反复作 在矿山实际开采过程中，不同的开采速度和开采方式 用，导致其承载能力降低，从而更易发生安全事故.在 可能导致煤岩体相关特征产生不同的变化规律.因 上述荷载作用条件下，煤体的力学特征和渗透规律较 此，本文在总结前人研究的基础上，进行不同加卸载速 静态荷载作用下会有所变化，因此有必要开展研究煤 率下，含瓦斯煤力学特性和渗透特征的研究，进一步揭 体在类似应力作用下的力学性质和渗透规律等相关特 示煤体失稳破坏的发展过程和瓦斯的渗透演化规律， 征的研究.通过了解其变化规律，进而提高瓦斯的抽 以期为井下的安全开采提供理论指导 采效率，保证回采工作面的安全可靠. 1试验装置与方案 对煤岩体的力学和渗透特征，国内外学者做了大 量的研究.王金安等0对岩石在三轴全应力应变过程1.1试验装置 中的渗透规律开展了研究，发现在岩石应力应变过程 本试验采用重庆大学自主研发的“煤岩热流固耦 中，渗透率随岩石内部结构演化特征的改变而产生变 合试验系统(THM-2)5a”,如图1所示.该装置由 化.杨永杰等四采用损伤力学分析方法对煤岩强度和 轴向加载系统、围压加载系统、油浴恒温系统、气压控 变形特征的微细观机理进行研究，得出煤岩宏观力学 制系统、数据测量采集系统、辅助系统等组成，可实现 性质与其微细观损伤密切相关.康向涛等圆选取不同 应力场、温度场、渗流场等多场耦合.该装置轴向压力 层理煤样对其渗流规律进行研究，结果发现平行层理 最大可加载至1000kN,围压最大为60MPa,轴向位移 煤样的渗透率远大于垂直层理煤样.李长洪等对石 的范围为0~60mm,环向变形可达12mm,油浴最高温 灰岩和闪长岩进行瞬态渗透试验，研究岩样全应力一 度为110℃. 应变过程中的渗透演化规律，建立了岩样变形破坏过 程的应变一渗透率方程。尹光志等研究不同卸围压 速度对含瓦斯煤岩力学和渗流特性的影响和不同含水 率条件下煤岩的渗流规律.许江等切开展加卸载条件 下煤岩变形和渗透特征的试验研究，结果表明加卸载 强度明显低于常规三轴压缩强度，煤岩渗透率的变化 与其变形损伤演化过程密切相关.蒋长宝等习探讨 含瓦斯煤岩卸围压和多级式卸围压对煤岩变形特征及 瓦斯渗流的影响.李晓泉等网在循环荷载下突出煤 样的变形和渗透特性的研究中，得到在循环荷载作用 下，煤样出现塑性变形，第一次循环的塑性变形量最 大，后面的逐渐减小，并且随着循环次数的增加，变形 模量和渗透率呈现递减的趋势.赵洪宝和王家臣四 进行卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律的试验研 究，得出瓦斯压力越大，围压卸除后轴向应力减小量越 图1煤岩热流固耦合试验系统(THM-2) 大，对卸围压的效应越敏感，并且轴向应力与围压卸除 Fig.1 Servo-controlled seepage equipment for thermal-hydrological- 量之间的关系可用二次函数形式表征.尹光志等四 mechanical coupling of coal and rock 对加卸载条件下原煤渗透率与有效应力的规律进行试 1.2试验样品 验研究，得到加卸载条件下原煤的有效应力计算公式 试验所用煤样取自川煤集团白皎煤矿2481工作 及渗透率与有效应力关系的表达公式.祝捷等四进 面.通过水钻法在完整性较好的煤块上取得煤芯，按 行同时加卸荷条件下煤样渗透性的试验研究，试验表 照国际岩石力学规定，经过切割和打磨得到直径为50 明煤样渗透率的变化曲线存在拐点，渗透率在拐点之 mm、高度为100mm的标准圆柱体原煤试样，并保证试 前缓慢增加，在拐点之后急剧增大，并且在外部应力相 样两端面不平行度误差在0.02mm以内 同的情况下，孔隙压力越大，渗透率的增幅越大.高春 1.3试验方案 玉等以大理岩为试验材料，研究其在加卸载条件下 根据开采方式的不同，在模拟真实煤岩体采动力
赵宏刚等: 加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律 煤矿井下开采过程中，由于采动应力的影响，煤岩 体除了受到地应力用外，还经常由于开采方式的不同 而受到相应荷载的作用，如无煤柱开采时，由于回采工 作面之间取消了支承煤柱，导致相邻采空区的支承压 力转移到工作面前方煤体上，进而使支承压力峰值增 大; 在房柱式开采中，煤体要经受采动应力的反复作 用，导致其承载能力降低，从而更易发生安全事故． 在 上述荷载作用条件下，煤体的力学特征和渗透规律较 静态荷载作用下会有所变化，因此有必要开展研究煤 体在类似应力作用下的力学性质和渗透规律等相关特 征的研究． 通过了解其变化规律，进而提高瓦斯的抽 采效率，保证回采工作面的安全可靠． 对煤岩体的力学和渗透特征，国内外学者做了大 量的研究． 王金安等［1］对岩石在三轴全应力应变过程 中的渗透规律开展了研究，发现在岩石应力应变过程 中，渗透率随岩石内部结构演化特征的改变而产生变 化． 杨永杰等［2］采用损伤力学分析方法对煤岩强度和 变形特征的微细观机理进行研究，得出煤岩宏观力学 性质与其微细观损伤密切相关． 康向涛等［3］选取不同 层理煤样对其渗流规律进行研究，结果发现平行层理 煤样的渗透率远大于垂直层理煤样． 李长洪等［4］对石 灰岩和闪长岩进行瞬态渗透试验，研究岩样全应力-- 应变过程中的渗透演化规律，建立了岩样变形破坏过 程的应变--渗透率方程． 尹光志等［5--6］研究不同卸围压 速度对含瓦斯煤岩力学和渗流特性的影响和不同含水 率条件下煤岩的渗流规律． 许江等［7］开展加卸载条件 下煤岩变形和渗透特征的试验研究，结果表明加卸载 强度明显低于常规三轴压缩强度，煤岩渗透率的变化 与其变形损伤演化过程密切相关． 蒋长宝等［8--9］探讨 含瓦斯煤岩卸围压和多级式卸围压对煤岩变形特征及 瓦斯渗流的影响． 李晓泉等［10］在循环荷载下突出煤 样的变形和渗透特性的研究中，得到在循环荷载作用 下，煤样出现塑性变形，第一次循环的塑性变形量最 大，后面的逐渐减小，并且随着循环次数的增加，变形 模量和渗透率呈现递减的趋势． 赵洪宝和王家臣［11］ 进行卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律的试验研 究，得出瓦斯压力越大，围压卸除后轴向应力减小量越 大，对卸围压的效应越敏感，并且轴向应力与围压卸除 量之间的关系可用二次函数形式表征． 尹光志等［12］ 对加卸载条件下原煤渗透率与有效应力的规律进行试 验研究，得到加卸载条件下原煤的有效应力计算公式 及渗透率与有效应力关系的表达公式． 祝捷等［13］进 行同时加卸荷条件下煤样渗透性的试验研究，试验表 明煤样渗透率的变化曲线存在拐点，渗透率在拐点之 前缓慢增加，在拐点之后急剧增大，并且在外部应力相 同的情况下，孔隙压力越大，渗透率的增幅越大． 高春 玉等［14］以大理岩为试验材料，研究其在加卸载条件下 的力学特性，结果表明卸载条件下变形模量较小，相同 围压条件下抗压强度也减小，而抗剪断强度参数中 c 值大幅减小，但 值略有增加． 以上学者的研究取得丰富的成果，但对不同加卸 载速率下煤岩的力学特性及渗透特征研究依然较少． 在矿山实际开采过程中，不同的开采速度和开采方式 可能导致煤岩体相关特征产生不同的变化规律． 因 此，本文在总结前人研究的基础上，进行不同加卸载速 率下，含瓦斯煤力学特性和渗透特征的研究，进一步揭 示煤体失稳破坏的发展过程和瓦斯的渗透演化规律， 以期为井下的安全开采提供理论指导． 1 试验装置与方案 1. 1 试验装置 本试验采用重庆大学自主研发的“煤岩热流固耦 合试验系统( THM--2) ［15--16］”，如图 1 所示． 该装置由 轴向加载系统、围压加载系统、油浴恒温系统、气压控 制系统、数据测量采集系统、辅助系统等组成，可实现 应力场、温度场、渗流场等多场耦合． 该装置轴向压力 最大可加载至 1000 kN，围压最大为 60 MPa，轴向位移 的范围为 0 ～ 60 mm，环向变形可达 12 mm，油浴最高温 度为 110 ℃ ． 图 1 煤岩热流固耦合试验系统( THM--2) Fig． 1 Servo-controlled seepage equipment for thermal--hydrological-- mechanical coupling of coal and rock 1. 2 试验样品 试验所用煤样取自川煤集团白皎煤矿 2481 工作 面． 通过水钻法在完整性较好的煤块上取得煤芯，按 照国际岩石力学规定，经过切割和打磨得到直径为 50 mm、高度为 100 mm 的标准圆柱体原煤试样，并保证试 样两端面不平行度误差在 0. 02 mm 以内． 1. 3 试验方案 根据开采方式的不同，在模拟真实煤岩体采动力 ·1675·
·1676 工程科学学报，第38卷，第12期 学行为的情况下切，采用轴向应力来模拟支承压力， 可以看出，在峰值应力附近三种不同速率的加卸载曲 围压则代表水平应力.本次试验通过轴向应力的升高 线均出现较大的变形平台.轴向应力的加载速率越 和围压的降低模拟采煤工作面前方煤体的应力变化， 大，曲线平台越长，峰值应力、轴向应变￡1和环向应变 瓦斯压力的施加来模拟渗透演化规律. ￡，也越大.加卸载开始后，煤样开始产生变形，既包括 试验步骤具体如下：①以0.05MPa·s'速率施加 体积压缩又包括膨胀变形.在加卸载过程中，由于轴 轴向应力和围压至静水压力水平（σ，=o,=25MPa): 压的升高和围压的降低，S,转为膨胀变形，但煤样破坏 ②保持静水压力不变，施加3MPa的瓦斯压力：③吸附 前，6，明显大于8，的变形量，因此煤样相对于初始状态 瓦斯一段时间后，打开出气阀，待气体流量稳定后，进 出现体积收缩现象；当煤样破坏时，83迅速增大，体积 入第一卸载阶段，轴向应力(o,-σ3)的增加和围压 应变￡，开始向负方向发展，呈现明显的扩容趋势.分 (σ3)的降低之比为2.25：1：④当围压卸载至σ3= 析表1发现，￡，和s的变形量随n的减小而减小，由于 0.4σ，时，进入到第二卸载阶段，轴压加载速率(V,)与 e,的变化量大于e,从而导致n越小，体积应变e的变 围压卸载速率(V)比n分别为4.75：1、3.50：1和2.25： 形量越大.因此，煤样破坏时的体积膨胀量随n的减 l.待煤样失稳破坏后转为位移控制方式(0.1mm· 小呈增大趋势.由试验数据得到4.75：1下的轴向应变 min)继续加载，直至煤样的残余强度基本保持稳定. ￡，和环向应变8较3.50：1下分别提高39.85%和 试验方案如图2所示. 8.38%,3.50:1较2.25：1条件下分别提高64.87%和 4.96%,但2.25：1下的体应变￡，较4.75：1和3.50：1条 。一第一卸载阶段 V-4.75:1 件下则分别提高448.15%和78.67%.同时，在加卸载 VV,=3.51 第二卸载阶段 试验过程中，n越大，作用在煤样上的轴向应力σ，增加 VV-2.251 速率大于围压σ减小速率，煤样受到的轴向应力越 大，从而作用在煤样上的有效应力越大，进而煤样强度 o,=25 MPa 得以提高，与前人的研究结果相符合切 0,=0=25MPa 85 静水压力m载 75 65 围压 55 图2试验方案示意图 45 速率比n=4.74:1 Fig.2 Schematic diagram of the test 35 速率比n=3.50:1 一速率比n=2.25:1 2试验结果及分析 255 _5 -1.5-0.5 0.51.5 2.5 应变/102 2.1原煤全应力-应变曲线 图3加卸载条件下煤样全应力一应变曲线 通过对煤样进行不同速率的加卸载试验，得到煤 Fig.3 Stress-strain curves of coal under the condition of loading and 样破坏过程的全应力-应变曲线，如图3所示.从图中 unloading 表1不同加卸载速率下峰值应力和应变量 Table I Peak stress and deformation at different rates of loading and unloading 试件编号 速率比，n 峰值应力，a1MPa 轴向应变，61102 环向应变，3102 体应变，8,102 JX- 4.75:1 82.05 1.673 -0.918 -0.163 X-2 3.50:1 75.02 1.197 -0.847 -0.497 X-3 2.25:1 69.39 0.726 -0.807 -0.888 注：负号代表煤样体积产生膨胀 根据以上所述，不同的开采方式产生不同加卸载 煤体的承载能力、轴向变形、环向变形和体积变形与速 速率，进而造成煤体的承载能力、轴向变形、环向变形 率比呈良好的线性关系，决定系数R均大于0.97 和体积应变的变化规律有所差异.加卸载速率比n越 2.2变形模量与应变的关系 大，煤样的峰值应力、轴向变形和环向变形逐渐增大， 煤体在加卸载过程中，由于受到轴向应力和围 体积变形则逐渐减小.基于试验数据，得到煤样的上 压的综合作用，其变形模量必然会产生变化.因此， 述变量与n值的关系，如图4所示.从图中可以看出， 分析研究加卸载条件下煤体的变形模量，采用如下
工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 学行为的情况下［17］，采用轴向应力来模拟支承压力， 围压则代表水平应力． 本次试验通过轴向应力的升高 和围压的降低模拟采煤工作面前方煤体的应力变化， 瓦斯压力的施加来模拟渗透演化规律． 试验步骤具体如下: ①以 0. 05 MPa·s － 1 速率施加 轴向应力和围压至静水压力水平( σ1 = σ3 = 25 MPa) ; ②保持静水压力不变，施加 3 MPa 的瓦斯压力; ③吸附 瓦斯一段时间后，打开出气阀，待气体流量稳定后，进 入第一卸载阶段，轴向应力( σ1--σ3 ) 的 增 加 和 围 压 ( σ3 ) 的降 低 之 比 为 2. 25 ∶ 1; ④当 围 压 卸 载 至 σ3 = 0. 4σ1时，进入到第二卸载阶段，轴压加载速率( V1 ) 与 围压卸载速率( V3 ) 比 n 分别为 4. 75∶ 1、3. 50∶ 1和 2. 25∶ 1． 待煤样失稳破坏后转为位移控制方式( 0. 1 mm· min － 1 ) 继续加载，直至煤样的残余强度基本保持稳定． 试验方案如图 2 所示． 图 2 试验方案示意图 Fig． 2 Schematic diagram of the test 2 试验结果及分析 2. 1 原煤全应力--应变曲线 通过对煤样进行不同速率的加卸载试验，得到煤 样破坏过程的全应力--应变曲线，如图 3 所示． 从图中 可以看出，在峰值应力附近三种不同速率的加卸载曲 线均出现较大的变形平台． 轴向应力的加载速率越 大，曲线平台越长，峰值应力、轴向应变 ε1和环向应变 ε3也越大． 加卸载开始后，煤样开始产生变形，既包括 体积压缩又包括膨胀变形． 在加卸载过程中，由于轴 压的升高和围压的降低，ε3转为膨胀变形，但煤样破坏 前，ε1明显大于 ε3的变形量，因此煤样相对于初始状态 出现体积收缩现象; 当煤样破坏时，ε3迅速增大，体积 应变 εv开始向负方向发展，呈现明显的扩容趋势． 分 析表 1 发现，ε1和 ε3的变形量随 n 的减小而减小，由于 ε1的变化量大于 ε3，从而导致 n 越小，体积应变 εv的变 形量越大． 因此，煤样破坏时的体积膨胀量随 n 的减 小呈增大趋势． 由试验数据得到 4. 75∶ 1下的轴向应变 ε1和环 向 应 变 ε3 较 3. 50 ∶ 1 下 分 别 提 高 39. 85% 和 8. 38% ，3. 50∶ 1较 2. 25∶ 1条件下分别提高 64. 87% 和 4. 96% ，但 2. 25∶ 1下的体应变 εv较 4. 75∶ 1和 3. 50∶ 1条 件下则分别提高 448. 15% 和 78. 67% ． 同时，在加卸载 试验过程中，n 越大，作用在煤样上的轴向应力 σ1增加 速率大于围压 σ3 减小速率，煤样受到的轴向应力越 大，从而作用在煤样上的有效应力越大，进而煤样强度 得以提高，与前人的研究结果相符合［7，17］． 图 3 加卸载条件下煤样全应力--应变曲线 Fig． 3 Stress--strain curves of coal under the condition of loading and unloading 表 1 不同加卸载速率下峰值应力和应变量 Table 1 Peak stress and deformation at different rates of loading and unloading 试件编号 速率比，n 峰值应力，σ1 /MPa 轴向应变，ε1 /10 － 2 环向应变，ε3 /10 － 2 体应变，εv /10 － 2 JX--1 4. 75∶ 1 82. 05 1. 673 － 0. 918 － 0. 163 JX--2 3. 50∶ 1 75. 02 1. 197 － 0. 847 － 0. 497 JX--3 2. 25∶ 1 69. 39 0. 726 － 0. 807 － 0. 888 注: 负号代表煤样体积产生膨胀． 根据以上所述，不同的开采方式产生不同加卸载 速率，进而造成煤体的承载能力、轴向变形、环向变形 和体积应变的变化规律有所差异． 加卸载速率比 n 越 大，煤样的峰值应力、轴向变形和环向变形逐渐增大， 体积变形则逐渐减小． 基于试验数据，得到煤样的上 述变量与 n 值的关系，如图 4 所示． 从图中可以看出， 煤体的承载能力、轴向变形、环向变形和体积变形与速 率比呈良好的线性关系，决定系数 Ｒ2 均大于 0. 97． 2. 2 变形模量与应变的关系 煤体在加卸载过程中，由于受到轴 向 应 力 和 围 压的综合作用，其变形模量必然会产生变化． 因此， 分析研究加卸载条件下煤体的变形模量，采用如下 ·1676·
赵宏刚等：加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律 ·1677· (a) 1.8〔b e-0.3792n-0.1282 82 0 0 1.6 0-5.064n+57.763 R2-0.9976 R2-0.9959 1.4 78 1.2 e,-0.0444n+0.7019 76 0 1.0 R2-0.9747◇ 74 0.8 0.6 €.=-0.2904n+1.5321 0.4 R=0.998 70 02 60 2.5 3.03.54.0 4.5 5.0 2.5 3.03.54.04.55.0 加卸我速率比.n 加卸载速率比.n 图4应力(a)、应变(b)与加卸载速率比的拟合关系 Fig.4 Fitting relations of stress (a)and strain (b)with the rate of loading and unloading 公式： 0.30 ,E=(o1-2o3）/e1, 0.25 一加御载速率比，n=4.751 加卸载速率比.n-3.50:1 B=e3/e1' (1) 80.20 一加御载速率比.n=2.25:1 v=(Bo1-o3）/[2B-1)o3-o]. 式中：E为变形模量，GPa;v为泊松比；B为径向应变 0.10 与轴向应变的比值 0.05 由式(1)可以得到不同加卸载速率下变形模量与 应变的关系曲线，如图5所示.由图中可以看到，煤样 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 轴向应变/102 的变形模量与应变的关系对应于应力一应变关系，可 分为三个阶段：①加卸载开始后，煤样进入裂隙闭合阶 图5变形模量一应变关系曲线 段.煤样由静水压力状态开始增加轴向应力和卸载围 Fig.5 Relationship between deformation modulus and strain 压，轴向应变￡，和环向应变￡，均增大，进而导致变形 为试样的长度，m:A为煤横截面面积，m2:P,为进口端 模量E迅速减小.随着加卸载的进行，煤样进入弹性 气压，MPa:P2分为出口端气压，取0.1MPa 阶段，与常规加载相比较，加卸载过程中，围压不断的 煤样的体应变按下式计算，煤样发生体积膨胀时 减小，因此由图5和式(1)中变形模量的表达式可知， e3为负值： E呈缓慢减小趋势.在相同轴向应变时，加卸载比越 8,=E1+2e3 (3) 小，煤样的变形模量越大.这是由于加卸载速率比n 由式(2)和式(3)得到煤样加卸载条件下偏应力、 越小，轴向应力增加速率越小，围压对煤样变形的阻碍 渗透率和应变关系曲线，如图6所示.由图中看出偏 作用相应增强，使得在相同轴向应变时，煤样所受的轴 应力一应变曲线与渗透率一应变曲线的变化相对应，可 向应力随加卸载速率比n的减小而增大，从而变形模 将渗透率变化曲线分为三个阶段：初始压密与弹性阶 量E越大.②煤样达到屈服破坏阶段时，煤样内部开 段(I)、屈服破坏阶段（Ⅱ）和破坏后阶段（Ⅲ） 始产生宏观裂隙并快速发展，裂隙之间相互交叉，进而 加卸载初期，随着轴向应力的升高和围压的卸载， 形成滑移剪切面，导致煤样承载能力的迅速降低和轴 煤样进入压密闭合阶段，三种不同加卸载速率下煤样 向应变的增加，因此三种速率下变形模量均减小：③破 变化规律基本相同，表现为孔隙裂隙被压密，瓦斯流动 坏后阶段，三种加卸载速率下变形模量都逐渐趋于稳 通道变窄，渗透率逐渐减小.随着加卸载的进行，进入 定且基本相等.如图5所示，不同加卸载速率比下 到弹性变形阶段，此阶段煤样内部基本没有损伤产生， 含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小，到破坏 渗流裂隙通常只发生弹性变形，应力卸载后变形即可 时再迅速降低，而后逐渐保持稳定趋势 恢复.因此，渗透率的变化逐渐平缓并基本保持稳定， 2.3原煤偏应力一应变一渗透率关系 渗透率一应变曲线在此阶段呈下凹型，在弹性阶段后 根据试验得到不同加卸载速率比n下瓦斯气体的 期基本达到最低点，即此时的渗透率减小到最小值. 流量，采用达西定律计算得出煤样的渗透率： 屈服破坏阶段，轴向应力继续增大，围压继续降 2uOP,L 低，煤体内部开始快速产生微裂隙，随着轴向应力的增 k=- (2) A (P2 -P) 加，微裂隙稳定发展并相互交叉贯通，进而形成宏观裂 式中：k为试样渗透率，m2;u为测定温度下气体的动力 隙，接近煤样峰值应力时渗透率急剧增大.当煤样的 黏度，取1.08×10-"MPa·s;Q为气体流量，m3·s;L 承载能力达到极限时，滑移剪切面产生，煤样发生破
赵宏刚等: 加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律 图 4 应力( a) 、应变( b) 与加卸载速率比的拟合关系 Fig． 4 Fitting relations of stress ( a) and strain ( b) with the rate of loading and unloading 公式［14］: E = ( σ1 － 2vσ3 ) /ε1， B = ε3 /ε1， v = ( Bσ1 － σ3 ) /［( 2B － 1) σ3 － σ1］ { ． ( 1) 式中: E 为变形模量，GPa; ν 为泊松比; B 为径向应变 与轴向应变的比值． 由式( 1) 可以得到不同加卸载速率下变形模量与 应变的关系曲线，如图 5 所示． 由图中可以看到，煤样 的变形模量与应变的关系对应于应力--应变关系，可 分为三个阶段: ①加卸载开始后，煤样进入裂隙闭合阶 段． 煤样由静水压力状态开始增加轴向应力和卸载围 压，轴向应变 ε1和环向应变 ε3均增大，进而导致变形 模量 E 迅速减小． 随着加卸载的进行，煤样进入弹性 阶段，与常规加载相比较，加卸载过程中，围压不断的 减小，因此由图 5 和式( 1) 中变形模量的表达式可知， E 呈缓慢减小趋势． 在相同轴向应变时，加卸载比越 小，煤样的变形模量越大． 这是由于加卸载速率比 n 越小，轴向应力增加速率越小，围压对煤样变形的阻碍 作用相应增强，使得在相同轴向应变时，煤样所受的轴 向应力随加卸载速率比 n 的减小而增大，从而变形模 量 E 越大． ②煤样达到屈服破坏阶段时，煤样内部开 始产生宏观裂隙并快速发展，裂隙之间相互交叉，进而 形成滑移剪切面，导致煤样承载能力的迅速降低和轴 向应变的增加，因此三种速率下变形模量均减小; ③破 坏后阶段，三种加卸载速率下变形模量都逐渐趋于稳 定且基本相等． 如图 5 所示，不同加卸载速率比 n 下 含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小，到破坏 时再迅速降低，而后逐渐保持稳定趋势． 2. 3 原煤偏应力--应变--渗透率关系 根据试验得到不同加卸载速率比 n 下瓦斯气体的 流量，采用达西定律计算得出煤样的渗透率: k = 2uQP2 L A( P2 1 － P2 2 ) ． ( 2) 式中: k 为试样渗透率，m2 ; u 为测定温度下气体的动力 黏度，取 1. 08 × 10 － 11 MPa·s; Q 为气体流量，m3 ·s － 1 ; L 图 5 变形模量--应变关系曲线 Fig． 5 Ｒelationship between deformation modulus and strain 为试样的长度，m; A 为煤横截面面积，m2 ; P1为进口端 气压，MPa; P2分为出口端气压，取 0. 1 MPa． 煤样的体应变按下式计算，煤样发生体积膨胀时 ε3为负值: εv = ε1 + 2ε3 ． ( 3) 由式( 2) 和式( 3) 得到煤样加卸载条件下偏应力、 渗透率和应变关系曲线，如图 6 所示． 由图中看出偏 应力--应变曲线与渗透率--应变曲线的变化相对应，可 将渗透率变化曲线分为三个阶段: 初始压密与弹性阶 段( Ⅰ) 、屈服破坏阶段( Ⅱ) 和破坏后阶段( Ⅲ) ． 加卸载初期，随着轴向应力的升高和围压的卸载， 煤样进入压密闭合阶段，三种不同加卸载速率下煤样 变化规律基本相同，表现为孔隙裂隙被压密，瓦斯流动 通道变窄，渗透率逐渐减小． 随着加卸载的进行，进入 到弹性变形阶段，此阶段煤样内部基本没有损伤产生， 渗流裂隙通常只发生弹性变形，应力卸载后变形即可 恢复． 因此，渗透率的变化逐渐平缓并基本保持稳定， 渗透率--应变曲线在此阶段呈下凹型，在弹性阶段后 期基本达到最低点，即此时的渗透率减小到最小值． 屈服破坏阶段，轴向应力继续增大，围压继续降 低，煤体内部开始快速产生微裂隙，随着轴向应力的增 加，微裂隙稳定发展并相互交叉贯通，进而形成宏观裂 隙，接近煤样峰值应力时渗透率急剧增大． 当煤样的 承载能力达到极限时，滑移剪切面产生，煤样发生破 ·1677·
·1678 工程科学学报，第38卷，第12期 80(a) 3.5 0 b 70 3.0 6 60 50 2.5 50 40 2.0 40 30 20 20 10 1.0 10 0.5 -2.0 -1.0 0 1.0 2.0 应变/102 应变/102 70 (c) 50 0 -25-2.0-1.5-1.0-0.50051018 应变/101 图6偏应力-应变和渗透率-应变关系曲线.(a)n=4.75:1;(b)n=3.5:1:(c)n=2.25:1 Fig.6 Relations of deviatoric stress and permeability with strain:(a)n=4.75:1:(b)n=3.5:1:(c)n=2.25:1 坏.在此阶段，煤样相较于加卸载初期，体积发生膨 样内部孔隙裂隙被压密，煤颗粒之间的间距减小，应变 胀，煤样内部形成大量渗流通道，体积膨胀量越大，渗 增大，导致变形模量E减小，渗透率降低：至弹性阶 流通道越富余，瓦斯流动的速率越快，进而煤样的渗透 段，E减小的速率较小，渗透率的变化相对比较稳定： 率越大.加卸载速率比越大，煤样峰值破坏时体应 煤样进入到屈服破坏阶段，其承载能力达到极限，轴向 变越小，从而渗透率越小.峰值应力处体应变和渗透 应力迅速降低，而轴向与环向应变均逐渐增大，从而E 率如表2所示.分析表中数据可知，速率比为3.50：1 快速降低，应变的增加造成瓦斯渗流通道快速发育，因 时煤样体应变与渗透率较4.75：1分别增加212.5%和 此渗透率出现急剧增大的现象.当加卸载比n为2.25 12.3%:速率比2.25：1较3.50：1则分别增加78%和 :1时，煤样的峰值应力最低，而体应变最大，导致E降 15.4%. 低的速率较快，同时渗透率也达到最大值.通过以上 破坏后阶段，偏应力降至最低，煤样内部的裂隙继 论述，变形模量E受应变的影响并在一定程度上反映 续扩展，但扩展的速度逐渐放缓，此阶段环向变形继续 煤样内部渗流通道的发展，进而可以了解在加卸载过 增大，使煤样渗透率继续增大，但增大的速度进一步 程中渗透率的演化规律. 降低 3.2矿井开采方式的影响分析 表2峰值应力处煤样的体应变和渗透率 本次试验，分别模拟了三种不同矿井开采方式 Table 2 Volume strain and permeability of coal samples at peak stress 试验结果显示相同卸围压速率下，轴向应力加载速率 加卸载速率比n 体应变，8，/102 渗透率，k/10-16m2 越快，煤样的孔隙裂隙压密闭合效果越好，煤样体积收 4.75:1 0.16 3.18 缩量越大：而围压的卸载解除了对孔隙裂隙发展的阻 3.50:1 0.50 3.57 碍，使其得以发育扩展，进而煤样的体积发生膨胀.加 2.25:1 0.89 4.12 卸载速率比越小，煤样峰值处的体应变与渗透率越 大.如图7所示，当加卸载比n为2.25：1时，煤样渗透 率变化最为迅速，渗透率最大，表明开采速度越小，煤 3 讨论 体达到峰值应力时，体积膨胀量较大，煤体内部形成的 3.1煤样变形模量与瓦斯渗流关系分析 瓦斯流动通道较发育，从而煤体的渗透率越高，越有利 不同加卸载速率比n对煤体变形、强度特征和瓦 于瓦斯的排放.因此，在矿井开采过程中，应选择合理 斯渗流造成不同的影响.煤样变形模量￡和渗透率的 的开采方式，严格控制工作面开采速度，及时进行支护 演化是轴向压力加载和围压卸载共同作用的.初始压 和瓦斯抽采，有效控制回采工作面的瓦斯浓度和工作 密阶段，应力状态由静水压力转变为升轴压降围压，煤 面前方煤体的变形
工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 图 6 偏应力--应变和渗透率--应变关系曲线． ( a) n = 4. 75∶ 1; ( b) n = 3. 5∶ 1; ( c) n = 2. 25∶ 1 Fig． 6 Ｒelations of deviatoric stress and permeability with strain: ( a) n = 4. 75∶ 1; ( b) n = 3. 5∶ 1; ( c) n = 2. 25∶ 1 坏． 在此阶段，煤样相较于加卸载初期，体积发生膨 胀，煤样内部形成大量渗流通道，体积膨胀量越大，渗 流通道越富余，瓦斯流动的速率越快，进而煤样的渗透 率越大． 加卸载速率比 n 越大，煤样峰值破坏时体应 变越小，从而渗透率越小． 峰值应力处体应变和渗透 率如表 2 所示． 分析表中数据可知，速率比为 3. 50∶ 1 时煤样体应变与渗透率较 4. 75∶ 1分别增加 212. 5% 和 12. 3% ; 速率比 2. 25 ∶ 1较 3. 50 ∶ 1则分别增加 78% 和 15. 4% ． 破坏后阶段，偏应力降至最低，煤样内部的裂隙继 续扩展，但扩展的速度逐渐放缓，此阶段环向变形继续 增大，使煤样渗透率继续增大，但增大的速度进一步 降低． 表 2 峰值应力处煤样的体应变和渗透率 Table 2 Volume strain and permeability of coal samples at peak stress 加卸载速率比 n 体应变，εv /10 － 2 渗透率，k /10 － 16 m2 4. 75∶ 1 0. 16 3. 18 3. 50∶ 1 0. 50 3. 57 2. 25∶ 1 0. 89 4. 12 3 讨论 3. 1 煤样变形模量与瓦斯渗流关系分析 不同加卸载速率比 n 对煤体变形、强度特征和瓦 斯渗流造成不同的影响． 煤样变形模量 E 和渗透率的 演化是轴向压力加载和围压卸载共同作用的． 初始压 密阶段，应力状态由静水压力转变为升轴压降围压，煤 样内部孔隙裂隙被压密，煤颗粒之间的间距减小，应变 增大，导致变形模量 E 减小，渗透率降低; 至弹性阶 段，E 减小的速率较小，渗透率的变化相对比较稳定; 煤样进入到屈服破坏阶段，其承载能力达到极限，轴向 应力迅速降低，而轴向与环向应变均逐渐增大，从而 E 快速降低，应变的增加造成瓦斯渗流通道快速发育，因 此渗透率出现急剧增大的现象． 当加卸载比 n 为 2. 25 ∶ 1时，煤样的峰值应力最低，而体应变最大，导致 E 降 低的速率较快，同时渗透率也达到最大值． 通过以上 论述，变形模量 E 受应变的影响并在一定程度上反映 煤样内部渗流通道的发展，进而可以了解在加卸载过 程中渗透率的演化规律． 3. 2 矿井开采方式的影响分析 本次试验，分别模拟了三种不同矿井开采方式． 试验结果显示相同卸围压速率下，轴向应力加载速率 越快，煤样的孔隙裂隙压密闭合效果越好，煤样体积收 缩量越大; 而围压的卸载解除了对孔隙裂隙发展的阻 碍，使其得以发育扩展，进而煤样的体积发生膨胀． 加 卸载速率比 n 越小，煤样峰值处的体应变与渗透率越 大． 如图 7 所示，当加卸载比 n 为 2. 25∶ 1时，煤样渗透 率变化最为迅速，渗透率最大，表明开采速度越小，煤 体达到峰值应力时，体积膨胀量较大，煤体内部形成的 瓦斯流动通道较发育，从而煤体的渗透率越高，越有利 于瓦斯的排放． 因此，在矿井开采过程中，应选择合理 的开采方式，严格控制工作面开采速度，及时进行支护 和瓦斯抽采，有效控制回采工作面的瓦斯浓度和工作 面前方煤体的变形． ·1678·
赵宏刚等：加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律 ·1679· 性试验研究.工程科学学报，2015,37(8)：971) -加卸载速率比，n=4.751 加卸载速率比，n=3.50:1 4]Li C H,Zhang L X,Yao ZQ,et al.Permeability characteristics 加卸载速率比，n=2.25】 and mechanism analysis of two types of rocks.J Univ Sci Technol 4 Beijing,2010,32(2):158 3 (李长洪，张立新，姚作强，等两种岩石的不同类型渗透特 性实验及其机理分析.北京科技大学学报，2010,32(2)： 158) [5]Yin G Z,Jiang C B,Wang WZ,et al.Experimental study of in- 2000 4000 60008000 10000 fluence of confining pressure unloading speed on mechanical prop- 时间s erties and gas permeability of containinggas coal rock.Chin 图7渗透率时间关系曲线 Rock Mech Eng,2011,30(1)68 Fig.7 Relationship between permeability and time (尹光志，蒋长宝，王维忠，等.不同卸围压速度对含瓦斯煤 岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究.岩石力学与工程学 4结论 报，2011,30(1)：68) Yin GZ,Jiang C B,Xu J,et al.An experimental study on effect (1)加卸载过程中，加卸载速率比n越大，峰值应 of water content on coalbed gas permeability in ground stress field. 力附近的曲线平台越长，轴向应变￡，和环向应变e,也 Transp Porous Media,2012,94(1)87 ] Xu J.,Li BB,Zhou T,et al.Experimental study of coal deforma- 越大，体应变e,的变形量则越小.加卸载比4.75：1下 tion and permeability characteristics under loading-unloading con- 轴向应变和环向应变较3.50：1下分别提高39.85%和 ditions.J China Coal Soc,2012,37(9):1493 8.38%,3.50:1下较2.25：1下分别提高64.87%和 (许江，李波波，周婷，等.加卸载条件下煤岩变形特性与渗 496%:但速率比225：1下体应变e较4.75：1和3.50：1条 透特征的试验研究.煤炭学报，2012,37(9)：1493) 件则分别提高448.15%和78.67%. 8] Jiang C B,Yin G Z,Huang Q X,et al.Experiment of deforma- (2)不同加卸载速率比n下含瓦斯煤变形模量均 tion property and gas permeation of containing gas coal under co 先迅速减小后缓慢减小，到破坏时再迅速降低，而后逐 fining pressure-unloading process.J China Coal Soc,2011,36 渐保持稳定.变形模量与应变关系在加卸载过程中可 (5):802 (蒋长宝，尹光志，黄启翔，等.含瓦斯煤岩卸围压变形特征 分为三个阶，且在相同轴向应变时，n越小，变形模量 及瓦斯渗流试验.煤炭学报，2011,36(5)：802) 越大 9]Jiang C B,Huang G,Huang Q X.Experiment on deformation (3)偏应力一应变曲线与渗透率一应变曲线的变 failure and permeability evolution law of gas-containing coal under 化相对应.渗透率变化曲线可分为三个阶段：初始压 multi-stage unloading confining pressure.China Coal Soc, 密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.屈服破 2011,36(12):2039 坏阶段，加卸载速率比越小，煤样峰值处的体应变和 (蒋长宝，黄滚，黄启翔.含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及 渗透率演化规律实验.煤炭学报，2011,36(12)：2039) 渗透率越大.速率比3.50：1时煤样体应变与渗透率较 [10]Li X Q,Yin GZ,Cai B.Experimental study of deformation and 4.75:1时分别增加212.5%和12.3%：速率比2.25：1 seepage properties of outburst coal samples under cyclic loading. 时较3.50：1时分别增加78%和15.4%.采用较慢速 Chin J Rock Mech Eng,2010,29(Suppl 2):3498 度开采，渗透率较高，有利于瓦斯的抽采与排放 (李晓泉，尹光志，蔡波.循环载荷下突出煤样的变形和渗 透特性试验研究.岩石力学与工程学报，2010,29（增刊2）： 参考文献 3498) [Wang J A,Peng S P,Meng Z P.Permeability rule in full strain- [11]Zhao H B,Wang J C.Experimental study of evolution law of me- stress process of rock under triaxial compression.Unig Sci chanical properties of coal containing gas under unloading confi- Technol Beijing,2001,23(6):489 ning pressure.Rock Soil Mech,2011,32(Suppl 1):270 (王金安，彭苏萍，孟召平.岩石三轴全应力应变过程中的渗 (赵洪宝，王家臣.卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律试 透规律.北京科技大学学报，2001,23(6)：489) 验研究.岩土力学，2011,32（增刊1）：270) Yang Y J,Wang D C,Wang K,et al.Micro and meso-damage [12]Yin G Z,Li W P,Li M H,et al.Permeability properties and ef- mechanism of coal's strength and deformation characteristics.J fective stress of raw coal under loading-unloading conditions.J Unie Sci Technol Beijing,2011,33(6):653 China Coal Soc,2014,39 (8):1497 (杨永杰，王德超，王凯，等.煤岩强度及变形特征的微细观 (尹光志，李文璞，李铭辉，等。加卸载条件下原煤渗透率与 损伤机理.北京科技大学学报，2011,33(6)：653) 有效应力的规律.煤炭学报，2014,39(8)：1497) B]Kang X T,Yin GZ,Huang G,et al.Experiment research on gas [13]Zhu J,Jiang Y D,Zhao Y X,et al.Experimental study on per- seepage anisotropy in lowpermeability coal.Chin Eng,2015, meability of coal samples under the simultaneous action of unloa- 37(8):971 ding and loading.J China Coal Soc,35 (Suppl 1):76 (康向涛，尹光志，黄滚，等.低透气性原煤瓦斯渗流各向异 (祝捷，姜耀东，赵毅鑫，等.加卸荷同时作用下煤样渗透性
赵宏刚等: 加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律 图 7 渗透率--时间关系曲线 Fig． 7 Ｒelationship between permeability and time 4 结论 ( 1) 加卸载过程中，加卸载速率比 n 越大，峰值应 力附近的曲线平台越长，轴向应变 ε1和环向应变 ε3也 越大，体应变 εv的变形量则越小． 加卸载比 4. 75∶ 1下 轴向应变和环向应变较 3. 50∶ 1下分别提高 39. 85% 和 8. 38% ，3. 50 ∶ 1 下 较 2. 25 ∶ 1 下 分 别 提 高 64. 87% 和 4. 96%; 但速率比2. 25∶ 1下体应变 εv较4. 75∶ 1和3. 50∶ 1条 件则分别提高 448. 15% 和 78. 67% ． ( 2) 不同加卸载速率比 n 下含瓦斯煤变形模量均 先迅速减小后缓慢减小，到破坏时再迅速降低，而后逐 渐保持稳定． 变形模量与应变关系在加卸载过程中可 分为三个阶，且在相同轴向应变时，n 越小，变形模量 越大． ( 3) 偏应力--应变曲线与渗透率--应变曲线的变 化相对应． 渗透率变化曲线可分为三个阶段: 初始压 密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段． 屈服破 坏阶段，加卸载速率比 n 越小，煤样峰值处的体应变和 渗透率越大． 速率比 3. 50∶ 1时煤样体应变与渗透率较 4. 75∶ 1时分别增加 212. 5% 和 12. 3% ; 速率比 2. 25∶ 1 时较 3. 50∶ 1时分别增加 78% 和 15. 4% ． 采用较慢速 度开采，渗透率较高，有利于瓦斯的抽采与排放． 参 考 文 献 ［1］ Wang J A，Peng S P，Meng Z P． Permeability rule in full strainstress process of rock under triaxial compression． J Univ Sci Technol Beijing，2001，23( 6) : 489 ( 王金安，彭苏萍，孟召平． 岩石三轴全应力应变过程中的渗 透规律． 北京科技大学学报，2001，23( 6) : 489) ［2］ Yang Y J，Wang D C，Wang K，et al． Micro and meso-damage mechanism of coal’s strength and deformation characteristics． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33( 6) : 653 ( 杨永杰，王德超，王凯，等． 煤岩强度及变形特征的微细观 损伤机理． 北京科技大学学报，2011，33( 6) : 653) ［3］ Kang X T，Yin G Z，Huang G，et al． Experiment research on gas seepage anisotropy in low-permeability coal． Chin J Eng，2015， 37( 8) : 971 ( 康向涛，尹光志，黄滚，等． 低透气性原煤瓦斯渗流各向异 性试验研究． 工程科学学报，2015，37( 8) : 971) ［4］ Li C H，Zhang L X，Yao Z Q，et al． Permeability characteristics and mechanism analysis of two types of rocks． J Univ Sci Technol Beijing，2010，32( 2) : 158 ( 李长洪，张立新，姚作强，等． 两种岩石的不同类型渗透特 性实验及其机理分析． 北京科技大学学报，2010，32 ( 2 ) : 158) ［5］ Yin G Z，Jiang C B，Wang W Z，et al． Experimental study of influence of confining pressure unloading speed on mechanical properties and gas permeability of containing-gas coal rock． Chin J Ｒock Mech Eng，2011，30( 1) : 68 ( 尹光志，蒋长宝，王维忠，等． 不同卸围压速度对含瓦斯煤 岩力学和瓦斯渗流特性影响试验研究． 岩石力学与工程学 报，2011，30( 1) : 68) ［6］ Yin G Z，Jiang C B，Xu J，et al． An experimental study on effect of water content on coalbed gas permeability in ground stress field． Transp Porous Media，2012，94( 1) : 87 ［7］ Xu J，Li B B，Zhou T，et al． Experimental study of coal deformation and permeability characteristics under loading--unloading conditions． J China Coal Soc，2012，37( 9) : 1493 ( 许江，李波波，周婷，等． 加卸载条件下煤岩变形特性与渗 透特征的试验研究． 煤炭学报，2012，37( 9) : 1493) ［8］ Jiang C B，Yin G Z，Huang Q X，et al． Experiment of deformation property and gas permeation of containing-gas coal under confining pressure--unloading process． J China Coal Soc，2011，36 ( 5) : 802 ( 蒋长宝，尹光志，黄启翔，等． 含瓦斯煤岩卸围压变形特征 及瓦斯渗流试验． 煤炭学报，2011，36( 5) : 802) ［9］ Jiang C B，Huang G，Huang Q X． Experiment on deformation failure and permeability evolution law of gas-containing coal under multi-stage unloading confining pressure． J China Coal Soc， 2011，36( 12) : 2039 ( 蒋长宝，黄滚，黄启翔． 含瓦斯煤多级式卸围压变形破坏及 渗透率演化规律实验． 煤炭学报，2011，36( 12) : 2039) ［10］ Li X Q，Yin G Z，Cai B． Experimental study of deformation and seepage properties of outburst coal samples under cyclic loading． Chin J Ｒock Mech Eng，2010，29( Suppl 2) : 3498 ( 李晓泉，尹光志，蔡波． 循环载荷下突出煤样的变形和渗 透特性试验研究． 岩石力学与工程学报，2010，29( 增刊 2) : 3498) ［11］ Zhao H B，Wang J C． Experimental study of evolution law of mechanical properties of coal containing gas under unloading confining pressure． Ｒock Soil Mech，2011，32( Suppl 1) : 270 ( 赵洪宝，王家臣． 卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律试 验研究． 岩土力学，2011，32( 增刊 1) : 270) ［12］ Yin G Z，Li W P，Li M H，et al． Permeability properties and effective stress of raw coal under loading-unloading conditions． J China Coal Soc，2014，39( 8) : 1497 ( 尹光志，李文璞，李铭辉，等． 加卸载条件下原煤渗透率与 有效应力的规律． 煤炭学报，2014，39( 8) : 1497) ［13］ Zhu J，Jiang Y D，Zhao Y X，et al． Experimental study on permeability of coal samples under the simultaneous action of unloading and loading． J China Coal Soc，35( Suppl 1) : 76 ( 祝捷，姜耀东，赵毅鑫，等． 加卸荷同时作用下煤样渗透性 ·1679·
·1680· 工程科学学报，第38卷，第12期 的试验研究.煤炭学报，2010,35（增刊1）：76) 2013,100(1):1 [14]Gao C Y,Xu J.He P,et al.Study on mechanical properties of [16]Yin GZ,Li M H,Wang J G,et al.Mechanical behavior and marble under loading and unloading conditions.Chin J Rock permeability evolution of gas infiltrated coals during protective Mech Eng,2005,24(3):456 layer mining.Int Rock Mech Min Sci,2015,80:292 (高春玉，徐进，何鹏，等.大理岩加卸载力学特性的研究 [17]Xie H P,Zhou H W,Liu J F,et al.Mining-induced mechanical 岩石力学与工程学报，2005,24(3)：456) behavior in coal seams under different mining layouts.J China [15]Yin G Z,Jiang C B.Wang J G,et al.Combined effect of Coal Soc,2011,36(7):1067 stress,pore pressure and temperature on methane permeability in (谢和平，周宏伟，刘建锋，等.不同开采条件下采动力学行 anthracite coal:an experimental study.Transp Porous Media, 为研究.煤炭学报，2011,36(7)：1067)
工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 的试验研究． 煤炭学报，2010，35( 增刊 1) : 76) ［14］ Gao C Y，Xu J，He P，et al． Study on mechanical properties of marble under loading and unloading conditions． Chin J Ｒock Mech Eng，2005，24( 3) : 456 ( 高春玉，徐进，何鹏，等． 大理岩加卸载力学特性的研究． 岩石力学与工程学报，2005，24( 3) : 456) ［15］ Yin G Z，Jiang C B，Wang J G，et al． Combined effect of stress，pore pressure and temperature on methane permeability in anthracite coal: an experimental study． Transp Porous Media， 2013，100( 1) : 1 ［16］ Yin G Z，Li M H，Wang J G，et al． Mechanical behavior and permeability evolution of gas infiltrated coals during protective layer mining． Int J Ｒock Mech Min Sci，2015，80: 292 ［17］ Xie H P，Zhou H W，Liu J F，et al． Mining-induced mechanical behavior in coal seams under different mining layouts． J China Coal Soc，2011，36( 7) : 1067 ( 谢和平，周宏伟，刘建锋，等． 不同开采条件下采动力学行 为研究． 煤炭学报，2011，36( 7) : 1067) ·1680·
