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·