刘业娇 ，邢辉，李沐，崔一诺，滕婷

(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头市 014010；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作市 454000；3.中铁十二局第四工程有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

含瓦斯煤是一种特殊的岩石类型，由煤岩固体颗粒骨架、游离态瓦斯气体和准液态吸附瓦斯组成的典型的非均匀多相介质。在矿井开采过程中，由于煤和瓦斯作用，导致资源的浪费和煤体的损坏。相关学者认为，含瓦斯煤是由于瓦斯和煤体物理性质共同作用的结果[1-4]，其主要与煤层突出所处的地应力状态、煤层中的瓦斯及煤岩物理学特性3 个因素有关。瓦斯气体与煤的固体表面存在着很强的气固反应，且大部分瓦斯气体是以吸附的形态赋存于煤的孔隙系统内。大量研究成果表明：煤吸附瓦斯将使得煤的物性力学参数发生改变，并伴随产生不同程度的变形[5-9]。

目前，国内学者在此领域开展了大量研究，其成果主要集中在孔隙率理论模型[9-15]的建立和有效应力规律及其影响因素分析等方面[16-22]。针对煤吸附瓦斯过程中孔隙率演化特征进行研究，并在煤吸附瓦斯过程与变形、孔隙演化规律方面取得了丰富的成果，为进一步揭示煤与瓦斯气体间的吸附作用对煤孔隙结构的影响奠定了坚实的基础。本文拟根据采动含瓦斯煤体所受轴向压力实际演化规律，开展含瓦斯煤体损伤模拟试验，分析不同孔隙率对含瓦斯煤体的破坏机制，旨在加深对含瓦斯煤体破坏失稳机制及煤与瓦斯突出机理的认识。

1 孔隙率对含瓦斯煤岩体变形特征的影响

通常采用宏观方法来描述含瓦斯煤体的孔隙率，定义为材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，即：

式中，n为含瓦斯煤体的孔隙率，无量纲；vp为含瓦斯煤体中孔隙、裂缝所占的体积；vs为含瓦斯煤体实体体积；v为含瓦斯煤体本身总体积。

多孔介质固体实体体积用vs表示，其变化用Δvs表示；多孔介质外观总体积用vb表示，其变化用Δvb表示；多孔介质孔隙体积用vn表示，其变化用Δvn表示。

由孔隙率定义（1）式，可得：

式中，εv为体积应变，无量纲；vn0为多孔介质孔隙体积初始值；vb0为多孔介质外观总体积初始值；Δvs为煤本体变形；Δvs为煤本体变形初始值。

令Δvs=ε为煤吸附变形,可得：

将式（3）代入式（2）可得:

式中，εn为单位体积膨胀变形，无量纲。

2 孔隙率对含瓦斯煤岩体变形破坏机制的数值模拟研究

2.1 数值模型及计算参数的确定

建立平面应变计算模型，模型尺寸为50 mm×100 mm，划分为90×180 个单元，数值计算模型如图1 所示。模型的上下边界为不透气岩层，上下瓦斯流量为零，左边瓦斯压力为1 MPa，右面瓦斯压力为5 MPa，内部瓦斯为3 MPa。全程在竖直方向使用位移加载的加载方式，采用渗流边界条件。建立孔隙率分别为n=5%、10%、20%、40%时的4 种模型，改变其位移加载增量，共做8 个模型。多个模型进行对比分析，可以更加直观显示不同孔隙率下瓦斯煤体的变形破坏机制。煤体力学参数见表1。

图1 数值计算模型

表1 煤体材料力学参数

2.2 数值计算结果分析

2.2.1 不同孔隙率最终宏观破裂图分析

不同孔隙率最终宏观破裂图如图2 所示。由图2 可知，不同孔隙率条件下的破裂图差异较大，孔隙率为10%和20%的差异不大。图2（a）和图2（d）裂缝几乎贯穿了整个试样，但图2（d）比图2（a）试样破坏的裂纹更多、更宽，伴有更多杂乱的其他裂纹衍生；图2（b）从中间向上断裂，图2（d）从最下面向上整个断裂，可以看出孔隙率大的试样破坏的更加全面，破裂的单元更多，对煤岩的损坏更大；图2（b）可以看出裂纹还没有完全形成，就已出现大面积损坏，图2（a）则是完全破坏几乎没有其余裂纹产生；图2（b）裂纹比图2（a）覆盖的少，但裂纹相对更加宽大，主裂纹还没完全成型就已经衍生其他裂纹，随着孔隙率的增大，含瓦斯煤体的破坏速度加快。

图2 不同孔隙率最终宏观破裂

2.2.2 不同孔隙率最终宏观声发射破裂图分析

不同孔隙率最终宏观破裂图如图3 所示，可知声发射的最终分布与破裂图的裂纹基本一致。随着孔隙率的增大，含瓦斯煤体的破坏速度加快，微裂纹开始形成大裂纹或扩展更多的裂纹。由于试样的突然破裂导致强烈的声发射现象，声发射数量显著增加。随着裂纹的再一次扩大和增加，模拟试样最终展现出宏观上的主裂纹，声发射数量达到最大增幅。直到含瓦斯煤体破坏，仍能产生少量声发射现象。

图3 不同孔隙率最终宏观声发射破裂

2.2.3 不同孔隙率最终宏观瓦斯流量图分析

不同孔隙率最终宏观破裂图如图4 所示，由图4（a）、图4（b）可知，孔隙率5%和40%时所产生的裂缝几乎贯穿了整个试样，但图4（d）比图4（a）试样破坏的裂纹更多更长，且伴有更多杂乱的其他裂纹衍生；孔隙率10%见图4（b）从中间向上断裂，图4（d）从最下面向上整个断裂，可以看出孔隙率大的试样破坏的更加全面，破裂的单元更多，对煤岩的损坏更大；图4（b）可以看出裂纹还没有完全形成，就已出现大面积损坏，孔隙率20%见图4（c）则是完美破坏几乎没有其余裂纹产生；随着孔隙率的增大，含瓦斯煤体的破坏速度加快。煤层的瓦斯在较高的瓦斯压力梯度下，逐渐向最低的瓦斯压力梯度下运移，最终汇聚成一条直线。且瓦斯运移的方向从模型底部开始，由非稳定状态变成稳定流动状态，最终定型。

图4 不同孔隙率最终宏观瓦斯流量

2.2.4 不同孔隙率应力曲线图分析

通过不同孔隙率应力-加载步曲线如图5 所示，由图5 可知孔隙率越大，煤体的极限抗压强度越小，且孔隙率与煤体的极限抗压强度表现出明显的线性相关性。其中孔隙率10%达到屈服状态所需加载步最多，反之，孔隙率40%达到屈服状态所需加载步最少。孔隙率5%随着加载步增加应力波动最大，孔隙率20%随着加载步增加应力波动最平缓。孔隙率越大，含瓦斯煤体破坏时需要的应力值就越小，极限破坏应力越小。含瓦斯煤体从内部一点点向外开裂，且应力大小先从低到高再到低，最后完全破坏时在零附近徘徊。

图5 不同孔隙率应力-加载步曲线

3 结论

（1）由于含瓦斯煤岩在破坏时还受到瓦斯的作用，因此含瓦斯煤岩破坏时产生的能量更多，破坏损伤程度更大。煤岩受到载荷作用时，一般表现出抗剪破坏，含瓦斯煤岩则是拉压破坏，且在相同载荷下后者变形更明显。

（2）孔隙率越大的含瓦斯煤体，破坏的范围更大，裂纹的扩展更多。且损坏加快，达到破坏时所用的时间最少。孔隙率能改变含瓦斯煤体本身的体积变形，且孔隙率越大越明显。

（3）最大的孔隙率其应力峰值最低，达到破坏时需要的位移加载最小，说明煤岩体更容易损坏，煤岩体强度最低。该模拟结果可以在煤岩开采过程中减少对煤岩的损伤和破坏，研究成果对矿井灾害防治具有一定的指导和借鉴意义。