不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制

• 作者: 刘永茜 韩国锋 王维华 霍中刚 孟涛
• 来源期刊: 煤炭学报
• 学科: 工学
• 关键词: 卸载速率 围压卸载 煤体结构 裂隙 孔隙度
• 年，卷（期）: 2020,（11）
• 页码范围: 3806-3816
• 页数: 11页
• 分类号: TD712
• 语种: 中文
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2020.0719

摘要

针对受载煤体卸压过程裂隙发育数据难以捕捉的现状,设计了受载煤体伪三轴瓦斯渗流实验,完成了受载煤体加载和卸载过程的应力-应变-渗透率动态监测.同时基于能量守恒定理,开展了卸载过程中不同卸载速率下的能量分配比较,阐释了卸载速率对裂隙发育和渗透率变化的控制作用,并通过煤样裂隙监测数据对比予以验证.研究结果显示,卸载过程中的煤体裂隙结构受卸载速率影响,围压卸载速率越高,Ⅰ类和Ⅱ类裂隙越发育(所占比率增高),Ⅰ类裂隙数量较原始数量增幅甚至超过1倍,Ⅱ类裂隙数量提高74.13％;在卸载过程中渗透率曲线整体可分为3段:线性段、抛物线段和稳定段,而决定其3段曲线分布的关键因素是煤体弹性模量大小、加载强度和卸载速率;随着卸载速率的提高,煤体渗透率加大,线性段斜率和抛物线段曲率半径逐步增加,线性段斜率由0.054 8逐步升高至0.091 9,0.138 8和0.216 4,抛物线曲率半径逐步增大,顶点曲率半径分别达到1.232,1.334,1.863和2.014,渗透率稳定的应力临界点不断减小,由15.26 MPa降低至14.08,13.14和10.88 MPa;煤体渗透率的变化可以通过裂隙长度增量进行量化表征,相同实验条件下,渗透率增量与裂隙长度增量之间呈线性关系;统计数据显示,围压卸载速率越高,弹性能转化率越低,裂隙发育能耗越高,高速卸载(加卸比1∶8)可使煤体破裂能耗超过80％,而低速卸载(加卸比1∶1)的裂隙能耗仅有25.62％;比较研究发现,高速卸载过程中煤体能量释放的主体引发原有裂隙扩展,而不是导致新裂隙的萌生,裂隙发育能耗与卸载速率之间呈对数关系.