·972· 工程科学学报，第37卷，第8期 环向引伸计： 1试验过程 (2)再将煤样放入三轴压力室内，然后往压力室 1.1煤样的制备 内加油排完空气，继续将围压和轴压施加到设定值； 试验煤样取自松藻煤电集团公司逢春煤矿M8煤 (3)打开气体阀门，往试件中充入气体，保持气体 层，为黑色半亮型无烟煤，呈层状结构，层理构造比较 压力2.5MPa,让煤样充分吸附24h; 明显.现场采取煤块后，室内利用手摇臂式取芯机，采 (4)施加轴压，直至煤样破坏： 用气体排屑法，在同一煤块上分别沿垂直层理方向和 (5)更换煤样，重复上述步骤. 平行层理方向钻取煤样试件，最后磨平两端，加工成 2 试验结果与分析 中50mm×100mm的标准试件.原煤及试件见图1. 2.1煤样各向异性力学特性分析 平行层理煤样和垂直层理煤样的应力一应变曲线 如图3和图4所示.e,、e2和￡，表示平行层理煤样的轴 向应变、横向应变和体积应变，15和e表示垂直层 理煤样的轴向应变、横向应变和体积应变 图1原煤及试件 60r 50 Fig.I Raw coal and specimens 40 1.2试验装置 30 试验设备采用重庆大学自行研制的含瓦斯煤热一 流一固耦合三轴伺服渗流试验装置，如图2，它能够 0 7 -6 54-3-2-101234 进行煤样的全应力一应变瓦斯渗流试验.该装置主要 轴向应变% 由伺服加载系统、孔压控制系统、三轴压力室、温控系 图3两个方向煤样的全应力一应变曲线 统、数据测试系统及辅助系统六个部分组成.其中，轴 Fig.3 Complete stress-strain curves under different directions of 向压头提供轴压，液压油泵提供围压：用引伸计测量试 coal samples 样的轴向和环向变形；瓦斯压力大小由高压瓦斯罐和 6.51一平行层理煤样横向-轴向应变 2 7-6.5 减压阀组合控制，渗透率由气体流量计测量计算：试验 -552 垂直层理煤样横向一轴向应变 -5.5 -4.53 平行层理煤样体积- -4.5 中所有测试数据均由计算机自动采集记录 -3.5 轴向应变 -35 -2.5 4一垂直层理煤样体积 ▣-1.5 轴向应变 -2.5 -1.5 -0.5 -0.5 0.5 0.5 1.5 0.51.01.52.02.53.03.5 轴向应变% 图4两个方向煤样横向应变一轴向应变以及体积应变一轴向应 变试验曲线 Fig.4 Curves of traverse vs.axial strains and volumetric vs.axial strain under different directions of coal samples 从图3和图4可以看出：(1)平行层理煤样的抗压 图2含瓦斯煤热一流-固耦合三轴伺服渗流试验装置 强度和弹性模量均小于垂直层理煤样，平行层理煤样 Fig.2 Triaxial stress thermal-hydro-mechanical coal containing a gas 的抗压强度为48.27MPa,弹性模量为2.249GPa,而垂 permeameter 直层理煤样的抗压强度为56.82MPa,弹性模量为 1.3试验步骤 2.990GPa.垂直层理煤样的抗压强度是平行层理煤样 本次瓦斯渗流试验采用纯度为99.99%的甲烷气 的1.18倍，弹性模量为平行层理煤样的1.33倍.(2) 体，试验中气体压力为2.50MPa,试样围压为6.0MPa. 两个方向煤样的轴向应变、横向应变和体积应变的变 按照0.lmm'min位移速度加轴向荷载，试验数据记 化规律均不同.平行层理煤样的轴向应变大于垂直层 录频次为1次·s‘,试验在常温下进行.具体试验步骤 理煤样，但其横向应变和体积应变则小于垂直层理煤 如下： 样.(3)煤样峰值后的变形破坏曲线也有一些差异 (1)将煤样放在轴向压头下，用热缩管密封，安装 平行层理煤样在峰值应力后其应力一应变曲线变化比工程科学学报，第 37 卷，第 8 期 1 试验过程 1. 1 煤样的制备 试验煤样取自松藻煤电集团公司逢春煤矿 M8 煤 层，为黑色半亮型无烟煤，呈层状结构，层理构造比较 明显． 现场采取煤块后，室内利用手摇臂式取芯机，采 用气体排屑法，在同一煤块上分别沿垂直层理方向和 平行层理方向钻取煤样试件，最后磨平两端，加工成 50 mm × 100 mm 的标准试件． 原煤及试件见图 1． 图 1 原煤及试件 Fig． 1 Ｒaw coal and specimens 1. 2 试验装置 试验设备采用重庆大学自行研制的含瓦斯煤热-- 流--固耦合三轴伺服渗流试验装置［14］，如图 2，它能够 进行煤样的全应力--应变瓦斯渗流试验． 该装置主要 由伺服加载系统、孔压控制系统、三轴压力室、温控系 统、数据测试系统及辅助系统六个部分组成． 其中，轴 向压头提供轴压，液压油泵提供围压; 用引伸计测量试 样的轴向和环向变形; 瓦斯压力大小由高压瓦斯罐和 减压阀组合控制，渗透率由气体流量计测量计算; 试验 中所有测试数据均由计算机自动采集记录． 图 2 含瓦斯煤热--流--固耦合三轴伺服渗流试验装置 Fig． 2 Triaxial stress thermal-hydro-mechanical coal containing a gas permeameter 1. 3 试验步骤 本次瓦斯渗流试验采用纯度为 99. 99% 的甲烷气 体，试验中气体压力为 2. 50 MPa，试样围压为 6. 0 MPa． 按照 0. 1 mm·min － 1位移速度加轴向荷载，试验数据记 录频次为 1 次·s － 1，试验在常温下进行． 具体试验步骤 如下: ( 1) 将煤样放在轴向压头下，用热缩管密封，安装 环向引伸计; ( 2) 再将煤样放入三轴压力室内，然后往压力室 内加油排完空气，继续将围压和轴压施加到设定值; ( 3) 打开气体阀门，往试件中充入气体，保持气体 压力 2. 5 MPa，让煤样充分吸附 24 h; ( 4) 施加轴压，直至煤样破坏; ( 5) 更换煤样，重复上述步骤． 2 试验结果与分析 2. 1 煤样各向异性力学特性分析 平行层理煤样和垂直层理煤样的应力--应变曲线 如图 3 和图 4 所示． ε1、ε2和 εv表示平行层理煤样的轴 向应变、横向应变和体积应变，ε' 1、ε' 2和 ε' v表示垂直层 理煤样的轴向应变、横向应变和体积应变． 图 3 两个方向煤样的全应力--应变曲线 Fig． 3 Complete stress--strain curves under different directions of coal samples 图 4 两个方向煤样横向应变--轴向应变以及体积应变--轴向应 变试验曲线 Fig． 4 Curves of traverse vs. axial strains and volumetric vs. axial strain under different directions of coal samples 从图3 和图4 可以看出: ( 1) 平行层理煤样的抗压 强度和弹性模量均小于垂直层理煤样，平行层理煤样 的抗压强度为 48. 27 MPa，弹性模量为 2. 249 GPa，而垂 直层理 煤 样 的 抗 压 强 度 为 56. 82 MPa，弹 性 模 量 为 2. 990 GPa． 垂直层理煤样的抗压强度是平行层理煤样 的 1. 18 倍，弹性模量为平行层理煤样的 1. 33 倍． ( 2) 两个方向煤样的轴向应变、横向应变和体积应变的变 化规律均不同． 平行层理煤样的轴向应变大于垂直层 理煤样，但其横向应变和体积应变则小于垂直层理煤 样． ( 3) 煤样峰值后的变形破坏曲线也有一些差异． 平行层理煤样在峰值应力后其应力--应变曲线变化比 · 279 ·