康向涛，黄 滚，宋真龙，邓博知，罗甲渊，张 鑫

（1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室，重庆 400030；2.重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400030）

1 引言

煤层在形成过程中赋存了大量的瓦斯气体。在煤炭的地下开采中，瓦斯一直是影响煤矿安全生产的主要因素。煤体作为一种多孔介质，其力学行为受开采影响而呈现复杂多变[1]。鉴于煤岩体结构非均质性和破坏方式的复杂性，近年来国内外学者用能量分析方法来描述煤岩体的变形破坏特性[2－3]。尤明庆等[4]以粉砂岩为对象采用三轴压缩试验，分析岩样破裂时实际吸收的能量与破裂时所承受的围压呈线性关系。谢和平等[5]研究了岩体单元变形破坏过程中能量的耗散与强度，以及整体破坏之间的内在关系。许国安等[6]研究了砂岩在加、卸载条件下的能耗特征。平琦等[7]研究了砂岩试件在动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征。陈卫忠等[8]从能量的角度探讨了岩石破坏过程中能量积聚-释放的过程。Zhang等[9]研究认为，在冲击荷载作用下岩石破坏的耗散能与加载速率有关。Hua等[10]指出，岩石受荷载过程储存的弹性能释放足以使其自身发生破坏。Nagahama[11]建立了一个分形破碎模型来分析岩石破碎与能量耗散的关系。Song 等[12]研究了煤岩在损伤破坏过程中耗散能与电磁辐射之间的关系。刘文岗等[13]从煤体的细观结构角度对煤体裂纹损伤演化过程中的能量耗散特征进行了研究。刘江伟等[14]研究了循环加载下煤岩体弹塑性和能量积聚耗散的关系。蒋承林等[15]分析了煤与瓦斯突出过程中煤体质点内的能量耗散过程，认为由地应力引起的弹性潜能最先消耗在煤体的破碎上，含瓦斯煤体在卸压初始时刻存在一个释放瓦斯膨胀能的波峰。余楚新等[16]应用能量指标作为判据，来划分煤与瓦斯突出潜在危险区。煤与瓦斯突出等灾害的发生主要是由于积聚在煤岩体内的能量释放造成的。煤岩体处在地应力、瓦斯渗流等多场耦合作用下，是一个复杂的系统。本文利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置，进行含瓦斯煤样的等围压三轴压缩试验，研究不同围压和瓦斯压力条件下含瓦斯煤变形破坏过程中的能量积聚与耗散特征、渗透特性及其变化规律。研究结果可为煤与瓦斯突出的防治和瓦斯的抽采提供参考。

2 试验过程

试验煤样取自重庆松藻煤电集团公司同华煤矿K3 煤层，该煤层埋深为400～600 m，为突出煤层。将现场采取的煤块在试验室加工成φ 50 mm×100 mm的标准试件。选取完整、无明显裂纹缺陷的试件用于试验，以减少试件缺陷对试验结果的影响。

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装置[17－18]进行试验。该设备（见图1）可进行含瓦斯煤的三轴压缩试验。试验中，通过液压油泵往压力室内施加围压；由轴向压头给试样提供轴向压力；利用轴向和环向引伸计分别测量煤样的变形；高压瓦斯罐与减压阀连接，控制瓦斯压力；气体流量计测量气体流量。试验过程由计算机控制，并自动采集记录试验数据。

按照两种方案进行试验。方案1：保持瓦斯压力恒定，改变围压。依据该矿现场的瓦斯压力测试结果，设定试验瓦斯压力为1.5 MPa；根据煤层埋深和现场采动压力的测试结果，设定试验围压为2、4、6 MPa。方案2：保持围压不变，改变瓦斯压力。围压为6 MPa，瓦斯压力为1.0、1.5、2.0 MPa。试验瓦斯采用纯度为99.99%的甲烷气体。试验数据采集频率为1 次/秒。具体试验步骤如下：

（1）将煤样侧面涂抹硅胶，干燥后套上热缩管，放置到压力室底座上，用吹风机将包裹煤样的热缩管加热使其收缩贴紧煤壁，安装环向引伸计，然后罩上压力室，拧紧周边螺丝。

（2）打开计算机，启动试验装置，往压力室内充油排出空气。随后，以0.02 MPa/s 的速率先后将围压和轴压加载到试验设定的初始值，使试样处于静水压力状态（σ1=σ2=σ3）。试验中按照设定的计算机程序进行加载控制与监测。

（3）打开瓦斯罐将瓦斯压力调到试验值，并保持瓦斯压力不变，让煤样充分吸附24 h。

（4）在设定的围压和瓦斯压力下，以0.1 mm/min的速率施加轴压，直到煤样破坏，一次试验结束。

图1 含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置Fig.1 Triaxial servo-controlled seepage equipment for thermo-fluid-solid coupling of coal containing gas

3 试验结果及分析

3.1 三轴压缩下含瓦斯煤的能耗特征分析

3.1.1 理论分析

由热力学定律知，能量转化是物质物理过程的本质特征，物质破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象.。物质破坏过程是能量积聚与耗散的过程，单元体中储存的弹性能释放是引发物质整体破坏的内在原因，而耗散能是单元变形破坏的本质属性，反映了物体内部微缺陷不断发展、强度不断弱化并最终丧失的过程[5]。

以一个单位体积煤体单元为例，分析其在外力作用下产生变形、破坏过程中能耗的转化情况。假设该过程与外界没有热交换，即封闭系统，外力功所产生的输入能量为U，根据热力学第一定律[5,19]，可得

式中：Ud为单元耗散能，用于形成单元内部损伤和塑性变形，变化满足热力学第二定律，即内部状态改变符合熵增加的趋势[20]；Ue为单元中储存的可释放应变能，即弹性能，为煤体单元卸载后释放的弹性应变能。在煤岩体材料中，单位材料Ud和Ue的量值关系如图2 所示[5－6,21]。图中Ei为卸载弹性模量。

图2 单元体中能量耗散和可释放应变能的量值关系Fig.2 Relationship between dissipated energy and releasable strain energy of mass element

在主应力空间中，单元体各部分能量可表示为[22]

式中：U为主应力在主应变方向上做的总功；σi、σj、σk（i，j，k=1,2,3）为主应力；为3个主应力方向上的弹性应变；νi为泊松比；U、Ud、Ue单位均为MJ/m3，与应力单位MPa 实际是相同的[6]。

三轴压缩试验条件下，外力功所产生的输入能量可认为是单位体积煤样实际吸收的能量U0，即为煤样应力-应变曲线下方所包含的面积。单位体积煤样所储存的可释放弹性应变能Ue与吸收的能量U0之差为单位体积煤样在加载变形过程中耗散掉的能量Ud，即耗散能。其中，弹性应变能包括轴向和环向两部分，相关文献[23]研究表明，环向弹性应变能相对于轴向来说很小，可忽略不计。假设煤样在全应力-应变曲线上卸载曲线与加载曲线基本一致，那么卸载弹性模量Ei可以采用峰值前的弹性模量E 代替[5]。等围压三轴压缩条件下，即σ2=σ3，单位体积煤体各部分能量的表达式为[6]

式中：σ1i、ε1i为轴向应力-应变曲线上每一点的应力、应变值；ε3i为环向应变曲线上每一点的应变值；初始应力、应变均为0；E为峰值前弹性模量。

3.1.2 三轴压缩破坏过程中含瓦斯煤能耗特征

图3 不同围压下煤样的能耗特征Fig.3 Energy dissipation characteristics of coal samples under different confining pressures

图4 不同瓦斯压力下煤样的能耗特征Fig.4 Energy dissipation characteristics of coal samples under different gas pressures

图3、4 分别为不同围压、不同瓦斯压力下煤样的能耗特征。从图中可以看出，不同围压、不同瓦斯压力下含瓦斯煤样破坏过程中各能量特征曲线存在相似性。第I 阶段，即塑性屈服变形前，煤样吸收总能量中弹性应变能所占比值较大，而耗散能所占比值较小，且增加缓慢。此阶段弹性应变能储存于煤样骨架的变形中，耗散能则耗散于被压密闭合裂隙之间的摩擦中。第II 阶段，即塑性屈服变形阶段，弹性应变能仍在增加，但在总吸收能量中所占比值逐渐降低。而耗散能所占比值逐渐增长，其能量主要耗散于煤样的塑性变形与内部微裂纹的形成与扩展。这时煤样仍未破坏。应力到达峰值点时，煤样存储的最大弹性应变能瞬间释放转化为耗散能引起煤样的破坏。此时，弹性应变能迅速下降，耗散能急速增加，耗散于煤样微宏观裂纹的扩展中，直到煤样发生整体破坏。因此，含瓦斯煤体的压缩破坏过程也是煤体内能量积聚与耗散的过程。

3.1.3 围压和瓦斯压力对含瓦斯煤能耗的影响

如上所述，不同围压和瓦斯压力下，含瓦斯煤样压缩破坏过程中各能量特征曲线基本相似。但应力达到峰值点时各能量值存在差异性，如表1 所示。从表中可以看出，随着围压的增加，煤样吸收的总能量呈增加趋势，弹性应变能和耗散能也呈增加趋势。由于围压增大，煤样的强度和弹性模量会增加，其破坏过程中吸收的总能量也会增大，积聚的弹性应变能增多，从而使煤样破坏时释放的弹性能较多，产生破坏的耗散能也较大。因此，围压增加使煤体储存的弹性应变能随之增多，在煤体破坏时转化为较高的耗散能，容易诱发煤与瓦斯突出。

表1 煤样应力峰值点的能量特征Table1 Energy dissipation characteristic at peak point of stress for coal samples

随着瓦斯压力的增大，煤样吸收的总能量及耗散能亦呈现缓慢上升趋势，而弹性能呈现逐渐下降的趋势。究其原因，随着瓦斯压力的增加，煤样吸附瓦斯量会增加，加大煤样的吸附膨胀变形，导致煤体颗粒之间的作用力减弱，引起内部损伤增加，造成耗散能增多。同时，煤体骨架承受的荷载会减小，吸收的弹性应变能减少。因此，在瓦斯压力增加的情况下容易形成较破碎的瓦斯煤体，破坏了煤体的原有结构易引起煤与瓦斯突出的发生。

3.2 三轴压缩破坏过程中含瓦斯煤的渗透特性

3.2.1 含瓦斯煤样的渗透特性

图5 不同围压、不同瓦斯压力下煤样的渗透特性Fig.5 Seepage characteristics of coal samples under different confining pressures and different gas pressures

本文采用瓦斯流量表达煤样的渗透特性。通过试验，获得了不同围压、不同瓦斯压力下煤样的渗透性，如图5 所示。从图中可以看出，随着围压的增加，应力达到峰值前，煤样的渗透性逐步减小。究其原因，随着围压的增加，使煤样内部原有裂隙闭合，连通性降低，因此，瓦斯渗流通道减少，使煤样渗透性降低。而在应力达到峰值，煤样发生破坏后，煤样的宏观裂纹形成、扩展，瓦斯流量都呈陡增趋势。

在围压恒定的情况下，随着瓦斯压力的增加，应力达到峰值前，瓦斯流量呈增加的趋势。分析原因认为，瓦斯压力的增加，使煤样内部原始裂纹得到扩展，增大了孔隙率。随着裂隙的扩展延伸及相互贯通形成裂隙群，瓦斯在裂隙群中的扩容作用，加剧了煤样的力学损伤[24]。当然，随着瓦斯压力的增加，瓦斯吸附量亦会增加，引起煤样的吸附膨胀变形，使其孔隙率减小，渗透性降低。文献[25]认为，瓦斯压力作用引起煤样孔隙率增大的效果大于煤样吸附瓦斯引起孔隙率减小的效果，因此，煤样的渗透性随瓦斯压力的增大而增大。在应力达到峰值煤样发生破坏后，煤样的宏观裂隙成为渗流主要通道，其渗透性都呈陡增趋势。

3.2.2 含瓦斯煤样的渗透特性与耗散的关系

图6 不同围压下煤样的能耗特征与渗流特性Fig.6 Energy dissipation and seepage characteristic of coal samples under different confining pressures

图7 不同瓦斯压力煤样的能耗特征与渗流特性Fig.7 Energy dissipation and seepage characteristic of coal samples under different gas pressures

不同围压、不同瓦斯压力下煤样的渗透特性与能耗特征关系见图6、7，Q为瓦斯流量。从图中可以看出，在三轴压缩过程中，煤样渗透性的变化趋势与能耗的基本相似。第I 阶段，即非线性屈服前，弹性应变能占主导作用，原有裂隙压密闭合，瓦斯流量逐渐减小，在塑性屈服点达到最小。此后，第II 阶段，即非线性屈服阶段，耗散能逐渐增加，瓦斯流量出现拐点，开始逐渐增长。到应力峰值点，煤样内的宏观裂缝不断形成、扩展，瓦斯流量则急剧增加。

从能量角度分析含瓦斯煤的渗透特性表明，卸压开采方法不仅释放了煤层中的能量，而且有利于煤层瓦斯的渗流，对于现场瓦斯抽采中钻孔的布置有一定指导意义。

4 结论

（1）三轴压缩破坏过程中，含瓦斯煤样存在能量积聚与耗散。加载中，煤样以弹性应变能的形式吸收外力做功产生的能量储存于煤体内。当加载达到峰值时，煤样发生破坏，储存的弹性应变能在瞬间释放转化为耗散能，成为煤样破坏的源动力。

（2）围压和瓦斯压力对含瓦斯煤的能耗特征有较大影响。随着围压增加，煤样吸收的总能量增加，储存的弹性应变能、耗散能亦会增加，因此，容易造成煤体突变破坏，诱发煤与瓦斯突出的发生。随着瓦斯压力增加，煤样吸收的总能量及耗散能呈现缓慢增加，而储存的弹性应变能呈逐渐下降趋势，煤样易于发生破碎，有利于煤与瓦斯突出的发生。

（3）围压和瓦斯压力对含瓦斯煤样的渗透性亦有较大影响。应力达到峰值前，随着围压的增加，煤样的渗透特性逐步减小。在围压恒定的情况下，应力达到峰值前，随着瓦斯压力的增加，瓦斯流量呈增加的趋势。应力达到峰值，煤样发生破坏后，煤样的渗透性都呈现陡增趋势。

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