煤岩体蠕变渗透特性及渗流失稳机理

第1章 绪论 　　1.1 研究背景及意义 　　煤炭、石油及天然气在我国能源资源储量中占有的比重分别为94%、5.4%和0.6%，这种“富煤贫油少气”的资源现状，意味着我国能源生产与消费以煤炭为主的格局将长期存在[1]。我国95%以上的煤炭为井工开采，煤炭的开采条件复杂，开采深度大，煤炭的大量开采势必会带来一系列安全生产问题，而瓦斯灾害和水灾害等一直是威胁我国煤矿安全生产的主要因素。 　　瓦斯灾害和水灾害事故频发，给国家造成了较大的人员伤亡和经济损失。煤矿事故统计资料显示[2-3]，截至2016年底国内煤矿发生煤与瓦斯突出累计20000余次，是世界上煤与瓦斯突出灾害较为严重的国家之一；2000～2017年，国内发生一次死亡10人以上的煤矿事故近400次，死亡人数约8100人。为进一步了解煤矿事故发生的主要原因，对各事故发生起数及发生频率进行统计(表1-1)，可以看出，我国煤矿重特大事故以瓦斯和突水事故居多，其中瓦斯事故的起数多达242起，占总事故数的63.68%，死亡人数共计5523人，其次是突水事故，占总事故数的17.90%，两类事故占总事故数的81.58%。2003年4月，邢台矿区东庞矿发生突水事故，其中涌水量高达1167m3/min。2010年3月，神华集团乌海能源有限公司骆驼山矿煤层底板发生重大突水事故，导致32人死亡、7人受伤，造成了巨大的经济损失[4]。 　　表1-1　2000～2017年我国煤矿重特大事故发生类型统计 　　由上述分析可以看出，瓦斯和突水事故在我国煤矿重特大事故中占有相当高的比例。为减少我国煤矿重特大事故的发生，就要分析瓦斯和突水事故发生的主要原因，探究此类事故发生的机理，进而采取相应的措施，预防事故的发生。 　　煤矿瓦斯突出事故、突水事故和水、瓦斯在采动煤岩体中的渗流密切相关，其中煤岩体渗透率的变化对于耦合系统的稳定性起着决定性的作用。在采矿和地下工程中煤岩体因采动破碎后其渗透性急剧增加，同时煤岩体中的瓦斯压力或水压力使得煤岩体强度进一步减弱，当煤岩体发生失稳破坏时，极易引起突水或煤与瓦斯突出灾害。因此，煤岩体渗流行为的研究对于煤矿突水或瓦斯突出事故防治具有重要的工程意义。 　　1.2 煤岩力学特性研究现状 　　1.2.1 单轴压缩下煤岩力学特性研究现状 　　在研究煤岩的力学特性时，单轴抗压强度是衡量煤岩力学性能的重要指标之一。因此，单轴压缩下煤岩力学实验是认识煤岩在单向受载情况下力学性质的主要手段[5]。近年来，国内外学者已经对单轴压缩下煤岩力学性质开展了大量研究，并取得了许多先进的研究成果。 　　国外，Hirt和Shakoor[6]进行了不同煤层以及不同煤矿同一煤层的煤岩单轴试验，试验结果表明不同煤层的煤样平均抗压强度差别较大，同一煤层煤样的抗压强度离散性较大。Medhurst和Brown[7]对不同尺寸的大煤样进行单轴压缩试验，试验结果表明在同一类煤样中测得的峰值强度随煤样尺寸的增加而降低，而所测得的弹性模量随煤样尺寸的增加呈非线性降低，泊松比与试样尺寸关系不大，同时峰值强度与煤的裂隙发育情况及煤样直径等因素有关。Unrug等[8]在对煤层样品进行单轴压缩测试时发现同一煤层煤样的强度差别达到6倍以上，试验结果表明同一煤层煤样的抗压强度离散性较大是由煤岩材料内部的微结构及微组分的复杂多变造成的。Townsend等[9]对同样截面大小的圆柱试样和立方体试样煤岩进行了单轴压缩试验，试验结果表明圆柱试样的单轴抗压强度比立方体试样的单轴抗压强度低近1/3。Khair[10]对煤样进行了大量单轴压缩试验，试验结果表明试验过程加载板面的摩擦效应对煤样的抗压强度试验结果有较大影响。 　　国内的科技工作者也对单轴压缩岩石力学特性进行了大量研究[11-16]，由于煤岩中存在更多的割理、裂隙及其沉积结构的特殊性，并且煤样品的选取、运输和制备过程更为困难，其力学特性试验结果与非煤岩石差异较大，所以研究单轴压缩下煤岩的力学特性非常有必要。刘宝深等[17]调研了国外的相关试验资料，在7种岩石的力学试验基础上进行煤样的单轴压缩试验，研究了煤岩抗压强度的尺寸效应，并且线性回归出了煤样抗压强度与煤样的尺寸效应关系。李志刚等[18]分别对煤岩试样进行了单轴抗压强度与变形试验，经分析将煤岩脆性断裂的变形过程划分为压密阶段、弹性变形及微裂隙扩展阶段、扩容膨胀阶段和宏观破裂阶段，证实了研究区煤岩具有弹性模量相对较低而泊松比较高、脆性大、易破碎、易压缩的特性，提出应将煤岩视为横观各向同性体或正交各向异性体来处理，还运用Griffith等有关脆性断裂理论，研究了煤岩单轴压应力状态下的脆性断裂规律。闫立宏和吴基文[19]通过对杨庄煤矿煤层的采样及试验，系统研究了在单轴压缩条件下煤岩的变形、破坏和强度特征，分析了强度和变形特征差异性的影响因素。肖红飞等[20]利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(electromagnetic emission， EME)强度与煤岩内部应力之间的耦合规律，在煤岩材料损伤特性和强度统计理论的基础上，研究了受载煤岩变形破裂的三维力-电耦合本构关系，从理论上分析了煤岩变形破裂过程中电磁辐射强度和脉冲数与加载应力之间的关系，认为它们之间的关系可以用多项式来表征。潘结南[21]通过对不同煤级煤进行单轴压缩试验，研究发现煤岩的单轴压缩变形破坏形式主要有4种类型(X状共轭斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏、楔劈型张剪破坏、拉伸破坏)，煤岩的单轴压缩全应力-应变曲线也可以概括为4种类型，并分析出了4种类型的冲击能指数的大小。刘保县等[22-23]为了更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律，进一步揭示煤岩动力灾害演化过程，利用MTS 815电液伺服岩石试验系统和8CHS PCI-2声发射检测系统，对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究，得到了煤岩由变形、损伤的萌生和演化，直至出现宏观裂纹，再由裂纹扩展到破坏的逐渐发展的全过程。郭东明等[24]对单轴压缩荷载下的煤岩组合体进行实时CT扫描，从细观尺度研究了煤岩组合体的破坏演化机理，同时利用莫尔强度理论对煤岩组合体的应力、应变及煤岩组合强度进行了计算分析，揭示了煤岩组合体细观—宏观变形破坏的关系及演化机理。 　　杨花等[25]利用刚性试验机对煤岩进行了单轴压缩试验，并且采用岩石强度随机统计分布假设，建立了能够较好反映煤岩单轴压缩状态下的初始压密段和残余强度段的分段损伤本构方程，并且给出了相关参数的确定办法。赵恩来等[26]利用建立的电磁辐射数值模拟模型及岩石破裂过程分析方法系统研究了煤岩变形破裂过程中的电磁辐射规律，并且模拟研究了煤岩单轴压缩过程的电磁辐射特征规律，结果表明数值模拟得出的电磁辐射信号与煤样单轴压缩过程所受应力呈正相关关系。唐书恒等[27]为了模拟研究煤储层的压裂特征，进行了饱和含水煤岩单轴压缩破裂试验及声发射测试，结果表明饱和含水煤岩在单轴压缩条件下首先产生变形，然后出现裂隙，直到*后破坏，并且根据声发射和应力、应变曲线特征将煤岩压裂过程分为迸裂型、破裂型和稳定型三大类。赵洪宝等[28]利用MTS 815电液伺服岩石试验系统进行了含瓦斯煤样的单轴压缩力学试验，结果表明在单轴压缩力学试验下含瓦斯煤样的体积应变与应力关系曲线较为复杂，可分为体积应变随轴向应变增加阶段、体积应变随轴向应变减小阶段和体积应变为负阶段，并且还根据含瓦斯煤样的单轴压缩力学试验，回归得出了含瓦斯煤样的损伤方程。颜志丰等[29]为模拟研究煤储层水力压裂效果，对煤样进行了饱水条件下的常规单轴压缩试验和声发射测试，试验结果显示在常规单轴压缩条件下，煤在平行层面上其力学性质具有方向性差异，并且在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力-应变曲线形态大体可以概括为迸裂型、破裂型和稳定型。 　　秦虎等[30]运用数字式应变数据采集仪、声发射监测系统和自行研制的煤岩固-气耦合细观力学试验系统等装置，对煤岩进行了不同含水率煤样在常规单轴压缩下的声发射特征试验，结果表明水对煤样的力学特性和声发射特征有明显影响。刘京红等[31]为实时观测煤岩细观破坏过程，对煤岩进行了单轴压缩破坏过程的CT扫描试验，应用分形理论分析了煤岩破坏过程的CT图像，证明了用分形维数量化煤岩破裂过程的合理性。王剑波等[32]为研究尺寸效应对煤岩力学性质的影响，利用RMT-150B岩石力学试验系统对9组不同高宽比的立方体煤岩样进行了单轴压缩试验，并且拟合分析得出煤岩样尺寸与抗压强度、弹性模量的定量关系式；同时基于应变等效假设，提出考虑尺寸效应的煤岩损伤统计本构模型，并发现该模型能较好地反映煤岩峰值强度前的应力应变关系。潘一山等[33]利用自主研制的电荷感应仪，利用单轴压缩条件下煤岩电荷感应试验系统研究了煤、花岗岩、砂岩在不同加载速率下的电荷感应规律，并且认为采用电荷感应方法预测预报动力灾害是可行的。刘刚和李明[34]在电液伺服岩石三轴试验系统上进行了煤岩的单轴压缩试验，结果表明在单轴压缩下，大部分煤样表面出现剥落并发生X状共轭斜面剪切破坏或劈裂破坏，不同煤岩试样的强度离散性较大，对于强度较大的试样，其弹性模量也较大。刘恺德等[35]针对淮南矿区B10煤层以水平层理为主，且层理性较强的特点，通过巴西劈裂及单轴压缩试验，研究煤岩在垂直和平行于层理面方向上的拉、压力学特性，对加载方向与层理面垂直、平行时煤岩的劈裂和单轴压缩力学特性及机制进行了研究。高保彬等[36]、李回贵等[37]对煤岩在单轴压缩下的宏观破裂结构特征和煤岩破裂过程中的声发射特性及分形特征进行监测试验，研究表明煤岩破坏过程中声发射序列都具有分形特征，并且声发射特性能够较好地反映煤岩的破裂过程，可以作为预测煤岩动力灾害的前兆。 　　徐军等[38]从能量角度对线弹性材料受压破坏和裂纹扩展产生原因进行了阐述，指出线弹性阶段裂纹的扩展动力源自应变能的释放，并且通过物理实验和数值试验从宏观和细观两方面对颗粒煤岩受压破裂过程中裂纹扩展做了进一步研究，研究结果将有利于进一步研究岩土类颗粒材料受压破裂过程中的裂纹扩展规律。朱传奇等[39]基于断裂力学分析无限大板内单一闭合裂纹的破裂行为，得到了单轴压缩下裂纹破裂强度的解析表达式，并与以库仑-莫尔准则为判据的岩块破裂行为进行比较，探讨裂纹对煤岩体破裂行为的影响，分析得出单轴压缩下含单一闭合裂纹煤岩体强度和破裂方式由裂纹面强度和岩块强度共同控制，煤岩体沿裂纹面破裂，其强度由裂纹面强度控制。梁鹏等[40]通过对煤岩进行单轴压缩试验，借助声发射和数字图像处理技术，对单轴压缩下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究，试验结果揭示了煤岩变形破坏规律，进一步阐明了煤岩的破裂机制。孙超群等[41]基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics， SPH)数值计算方法，研究了非均质煤岩材料单轴压缩试验的声发射效应，揭示了煤岩的声发射效应随均质度m的变化规律。李保林等[42]提出了计算理论变异函数模型参数的自动-人工拟合方法，利用MATLAB开发了煤岩破裂过程表面电位云图软件，并对预制45°裂纹岩样进行了单轴压缩试验，再利用该软件绘制了岩样变形破裂过程中的表面电位云图，分析了表面电位分布与试样破裂状态的对应关系，为煤岩体破坏、稳定性测试及分析提供了技术手段。张辛亥等[43]为进一步研究煤岩在低温下的损伤力学特性，将煤样冻结到不同温度后进行单轴压缩试验研究其力学性质及破坏特点；试验结果表明，煤岩随温度降低逐渐呈现脆性增强、塑性减弱的趋势，其破坏以类似岩片崩落为主。任晓龙等[44]对煤岩进行单轴压缩试验，研究层理角度对煤岩单轴力学特性和破坏模式的影响规律；试验结果表明，层理角度对煤岩力学性质有较大影响，单轴抗压强度和弹性模量随着层理角度的增大表现出先减小后增大的规律，变形破坏方式也随层理角度不同出现脆性破坏和脆延性破坏2种形式，在破坏模式上也随层理角度不同出现3种破坏方式。