李 偉，鐘 藝，郭敬杰，蔡浩鑫，李海濱，花春雨

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

在煤礦采掘活動(dòng)中，煤體在不同的應(yīng)力環(huán)境下產(chǎn)生破裂破碎和重新壓實(shí)，而構(gòu)造煤本身就是在地質(zhì)條件下形成的煤顆粒的集合體，強(qiáng)度低、黏結(jié)性弱［1-4］，因此不同類型煤顆粒體在加載條件下的破碎特性、粒徑遷移以及孔隙率演化等對(duì)研究煤與瓦斯突出［5-7］和瓦斯抽采［8-9］等具有重要的研究意義。

ZHONG 等［10］通過(guò)單個(gè)煤顆粒的單軸壓縮試驗(yàn)，指出粒徑與煤顆粒的強(qiáng)度、煤顆粒的楊氏模量均呈負(fù)相關(guān)。 DONG 等［11］對(duì)近似球形的單個(gè)煤顆粒進(jìn)行大量的單軸壓縮試驗(yàn)，提出煤顆粒在單軸加載過(guò)程依次表現(xiàn)出彈性與彈塑性，煤顆粒的抗壓強(qiáng)度、當(dāng)量楊氏模量都與粒徑成負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，且構(gòu)造煤與原生煤在強(qiáng)度上存在較大差異。 WANG 等［12］也對(duì)大量的單個(gè)煤顆粒進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比各傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論，指出其中一種較少被關(guān)注的理論較為適用于煤顆粒。 由于單個(gè)煤顆粒無(wú)法反映出煤體的裂隙，其并不能完全表征煤的力學(xué)性質(zhì)，而構(gòu)造煤多為弱黏結(jié)甚至無(wú)黏結(jié)，因此可以用煤顆粒群進(jìn)行替代，進(jìn)一步反映構(gòu)造煤的性質(zhì)。GUO 等［13］將構(gòu)造煤視為無(wú)黏結(jié)顆粒，系統(tǒng)地研究了煤顆粒雙軸剪切特性，結(jié)果表明構(gòu)造煤顆粒只能存儲(chǔ)少量的彈性勢(shì)能，大量外界做功被耗散，通過(guò)研究煤顆粒群揭示了構(gòu)造煤部分特性。 馬占國(guó)等［14］對(duì)飽和煤巖顆粒進(jìn)行了側(cè)限壓縮試驗(yàn)，其指出飽和煤巖顆粒壓縮過(guò)程的應(yīng)力與應(yīng)變成指數(shù)關(guān)系，且粒徑對(duì)應(yīng)變速率具有較大的影響，以及含水率對(duì)應(yīng)變影響較大，但是沒(méi)有深入研究煤顆粒的側(cè)限加載過(guò)程。

通過(guò)對(duì)構(gòu)造煤和原生煤的煤顆粒進(jìn)行側(cè)限壓縮試驗(yàn)，通過(guò)研究加載過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線和切線模量，分析煤顆粒側(cè)限壓縮過(guò)程中的變形特性。 采用Hardin 的相對(duì)破碎率模型［15］和染色標(biāo)定法［16］，分析煤顆粒群破碎特征并探討構(gòu)造煤與原生煤的煤顆粒之間的差異。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所采用的煤樣分別來(lái)自平煤十三礦、任樓礦、寺河礦和紅沙梁礦，其中平煤十三礦和任樓礦煤樣為構(gòu)造煤樣，寺河礦和紅沙梁礦均為原生結(jié)構(gòu)煤煤樣。 將4 個(gè)煤樣破碎并篩分出大顆粒（粒徑為3～4 mm）、中顆粒（粒徑為2 ～3 mm）和小顆粒（粒徑為1～2 mm），按照表1 對(duì)4 種煤樣都配置6 種不同級(jí)配的煤顆粒群試樣，6 種級(jí)配試樣的初始級(jí)配曲線如圖1 所示。

表1 試樣組分Table 1 Sample components

圖1 初始粒徑級(jí)配Fig.1 Initial particle size grading

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用圖2所示的YAW4206 微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣加載并記錄其應(yīng)力應(yīng)變曲線。 試驗(yàn)時(shí)將煤顆粒放入圖3 中內(nèi)徑50 mm、高100 mm的缸筒里，并將壓頭置于煤顆粒之上。 為避免加載過(guò)程中細(xì)小煤顆粒漏出所造成的誤差，在缸筒底部進(jìn)行密封處理。 試驗(yàn)時(shí)控制下壓板以0.1 mm／s 的速率向上移動(dòng)，記錄應(yīng)力應(yīng)變曲線，各試樣所加載的最大應(yīng)力見(jiàn)表2。

圖2 YAW4206 試驗(yàn)機(jī)Fig.2 YAW4206 Experimental machine

圖3 側(cè)限壓縮裝置Fig.3 Confined compression device

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

試樣加載完后對(duì)其進(jìn)行篩分，記錄各粒徑區(qū)間上煤顆粒的質(zhì)量，并繪制其級(jí)配曲線。 對(duì)染色試樣組而言，還需要對(duì)篩分后的煤顆粒進(jìn)行顏色識(shí)別。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤顆粒應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析

試驗(yàn)中的側(cè)限壓縮裝置為剛度遠(yuǎn)大于煤顆粒的鋼制品，可近似認(rèn)為加載過(guò)程中該裝置無(wú)形變，只認(rèn)為試樣發(fā)生軸向的形變。 從圖4 所示的煤顆粒加載應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，初始時(shí)刻曲線存在一定幅度且較為頻繁的波動(dòng)，隨后曲線較為平緩斜率小，試驗(yàn)后期曲線較陡斜率較高，因而可將試樣加載過(guò)程分為3 個(gè)階段：滑移階段、破碎階段、壓固階段。

圖4 煤顆粒加載應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of coal particles under loading

煤顆粒加載初期為滑移階段，曲線呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)性，此階段松散的煤顆粒在軸向應(yīng)力作用下發(fā)生相對(duì)滑移填充孔隙，伴隨少量煤顆粒破碎，整體呈現(xiàn)抗壓能力較弱、易變形特性，該過(guò)程中外界輸入能量主要用于顆粒摩擦耗散；隨后進(jìn)入破碎階段，該階段煤顆粒更為密集，難以發(fā)生相對(duì)滑移，顆粒間接觸力隨加載增強(qiáng)，破碎能閾值較低的顆粒首先破碎，破碎后的小煤顆粒再次滑移填充孔隙，顆粒間接觸力重新分配，使得試樣更加密實(shí)，因而宏觀表現(xiàn)為試樣變形量較大，該過(guò)程中外界輸入能量主要被顆粒破碎和摩擦消耗［17］；壓固階段出現(xiàn)在加載后期，煤顆粒經(jīng)過(guò)破碎滑移后結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，此階段外界能量較多地存儲(chǔ)在煤顆粒中［18］。

對(duì)比構(gòu)造煤與原生煤試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，破碎階段構(gòu)造煤曲線的斜率明顯低于原生煤，表明該階段構(gòu)造煤抗變形能力更弱。 在圖5 所示的煤顆粒加載后的狀況中，圖5a 和圖5b 等構(gòu)造煤顆粒在應(yīng)力10 MPa 下已經(jīng)出現(xiàn)了明顯黏結(jié)現(xiàn)象，而圖5c 和圖5d 等原生煤顆粒十分松散且沒(méi)有黏結(jié)成塊現(xiàn)象，表明構(gòu)造煤顆粒在應(yīng)力作用后被快速壓實(shí)，呈現(xiàn)塑性變形，具有流變特性，存在結(jié)構(gòu)咬合［19］甚至黏聚力［20］，且并不能存儲(chǔ)較多的能量。

圖5 加載后的煤顆粒Fig.5 Loaded coal particles

試驗(yàn)結(jié)束后卸壓瞬間，原煤試樣出現(xiàn)明顯回彈，但構(gòu)造煤并沒(méi)有觀測(cè)到相關(guān)現(xiàn)象，表明在壓固階段，構(gòu)造煤試樣外界輸入能量主要被塑性變形和破碎消耗，而原煤試樣中能量存儲(chǔ)為彈性勢(shì)能在卸荷瞬間釋放。

2.2 切線模量-應(yīng)力曲線分析

切線模量是應(yīng)力相對(duì)于應(yīng)變變化率，能反映物體瞬時(shí)的變形能力［21］，其計(jì)算公式為式（1）：

式中：Et為切線模量；σ為軸向應(yīng)力；ε為試樣軸向應(yīng)變；F為軸向載荷；s為壓頭軸向位移；l為試樣初始高度。

由于加載過(guò)程中煤顆粒滑移與破碎現(xiàn)象以及試驗(yàn)機(jī)非完全連續(xù)加載均會(huì)導(dǎo)致試樣加載曲線出現(xiàn)波動(dòng)，并對(duì)計(jì)算切線模量產(chǎn)生一定影響，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行等間隔取樣處理，圖6 為處理過(guò)后S1 級(jí)配試樣的切線模量隨應(yīng)力的變化情況。 在滑移階段和破碎階段的前期（應(yīng)力低于2 MPa），原生煤試樣的切向模量均高于構(gòu)造煤試樣，進(jìn)一步印證了構(gòu)造煤顆粒本身的抵抗變形能力較弱。 破碎階段末端構(gòu)造煤與原生煤試樣的切線模量的差距逐漸減少，進(jìn)入壓實(shí)階段后等于甚至超過(guò)原生煤樣，說(shuō)明構(gòu)造煤試樣經(jīng)過(guò)破碎階段后更早進(jìn)入應(yīng)變硬化階段，硬化特性更明顯。

圖6 切線模量-應(yīng)力曲線Fig.6 Tangential modulus-stress curve

2.3 煤顆粒加載前后的級(jí)配曲線分析

圖7 為2 個(gè)不同礦的構(gòu)造煤的S1、S3 級(jí)配試樣經(jīng)不同應(yīng)力加載后的顆粒級(jí)配曲線。 顯示了應(yīng)力的增加，試樣的級(jí)配曲線不斷向左上角移動(dòng)，趨近其最終級(jí)配曲線［22］。 試樣級(jí)配在應(yīng)力5 MPa 作用下發(fā)生了明顯變化，主要對(duì)應(yīng)顆?；齐A段和破碎階段，但增加應(yīng)力后，級(jí)配曲線變化減緩，該過(guò)程對(duì)應(yīng)固化階段，顆粒破碎量相對(duì)較少，因此級(jí)配變化幅度降低。

圖7 試驗(yàn)前后級(jí)配曲線Fig.7 Gradation curves before and after experiment

平煤十三礦S1、S3 和任樓S3 三個(gè)試樣在應(yīng)力為15 MPa 和20 MPa 時(shí)，級(jí)配曲線接近重合，表明3種試樣在15 MPa 時(shí)已形成穩(wěn)定級(jí)配和力學(xué)結(jié)構(gòu)且具有很強(qiáng)的抗變形能力，因此只有極少顆粒出現(xiàn)破碎。

此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除S1 級(jí)配其余級(jí)配試樣的級(jí)配曲線在加載后均出現(xiàn)了“階梯”形狀，如圖7 中S3試樣加載后級(jí)配曲線所示。 顯示了破碎后粒徑2.5～3.0 mm 的煤顆粒極少，出現(xiàn)“粒徑丟失”的情況，表明側(cè)限加載過(guò)程中粒徑2.5 ～3.0 mm 的煤顆粒不穩(wěn)定容易破碎。

2.4 破碎情況總體分析

顆粒群破碎與初始空隙率、顆粒形貌、粒徑級(jí)配及顆粒本身力學(xué)特性密切關(guān)聯(lián)，是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程。 顆粒群的級(jí)配曲線變化能較好地表征其破碎情況，許多學(xué)者通過(guò)級(jí)配曲線積分量化得到破碎程度。 采用了Hardin 的相對(duì)破碎率模型［15］進(jìn)行試樣破碎的量化分析。 圖8 為相對(duì)破碎率計(jì)算示意，稱破碎量與殘余破碎勢(shì)之和為整體破碎勢(shì)Bp，則關(guān)于相對(duì)破碎率計(jì)算公式如式（2）—式（4）：

式中：Br為相對(duì)破碎率，無(wú)量綱；Bt為破碎量，為圖8 中破碎前后粒徑級(jí)配曲線和橫軸所圍成的面積，無(wú)量綱；Bp為整體破碎勢(shì)，為圖8 中初始級(jí)配曲線與豎軸所圍成的面積，無(wú)量綱；d為粒徑，Hardin 認(rèn)為粒徑小于0.074 mm 的顆粒非常穩(wěn)定，難以發(fā)生破碎［15］；bp為對(duì)粒徑進(jìn)行無(wú)量綱化處理后的值；p為小于某粒徑的質(zhì)量占比。

圖8 相對(duì)破碎率計(jì)算示意Fig.8 Diagram of relative breakage rate calculation

通過(guò)計(jì)算試樣相對(duì)破碎率可以得到圖9 所示的各因素與相對(duì)破碎率關(guān)系，圖9a 顯示了應(yīng)力對(duì)相對(duì)破碎率有較大影響，但是當(dāng)應(yīng)力較高時(shí)，影響程度較弱，這也進(jìn)一步印證了煤顆粒在壓固階段發(fā)生的破碎較少。

從圖9b 中可以看出，單一級(jí)配系列（S1、S2、S3）的試樣相對(duì)破碎率近似隨著粒徑的增加而增加。 這是因?yàn)?，粒徑較大的顆粒自然堆積后容易產(chǎn)生較大的孔隙，且難以通過(guò)顆粒滑移填充，故易產(chǎn)生較強(qiáng)的接觸力，更容易達(dá)到顆粒破碎閾值導(dǎo)致顆粒破碎，破碎后的顆粒填充孔隙后形成抗荷載能力更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)；反之對(duì)于粒徑較小的顆粒，自然堆積后產(chǎn)生孔隙較小，產(chǎn)生少量破碎后即可填充孔隙形成穩(wěn)定抗壓結(jié)構(gòu)，因此，單一級(jí)配系列的試樣相對(duì)破碎率近似隨粒徑增大而增大。

圖9 各因素對(duì)試樣相對(duì)破碎率的影響Fig.9 Influence of various factors on relative breakage rate of samples

由于混合級(jí)配系列（M1、M2、M3）的試樣中煤顆粒粒徑分布相對(duì)更均勻，初始孔隙較低，故混合級(jí)配系列試樣相對(duì)破碎率總體較單一級(jí)配系列更低。煤顆粒的相對(duì)破碎率受到粒徑級(jí)配和煤種共同影響。 混合級(jí)配系列中紅沙梁礦試樣的相對(duì)破碎率受級(jí)配影響極?。蝗螛堑V和寺河礦煤顆粒破碎率隨大粒徑顆粒減少而增大；平煤十三礦的單一級(jí)配和混合級(jí)配系列試樣均未表現(xiàn)出明顯規(guī)律，這與構(gòu)造煤的塑性、弱黏結(jié)和力學(xué)性質(zhì)不均勻有關(guān)。

2.5 煤顆粒破碎具體特征

粒徑3～4 mm 為大粒徑；2～3 mm 為中粒徑；1～2 mm 為小粒徑。 試驗(yàn)后染色試樣組的煤顆粒在一定粒徑區(qū)間內(nèi)尺寸差距較小，可認(rèn)為均勻混合的各染色煤顆粒質(zhì)量百分比與其在一個(gè)面上的面積百分比相等［23］。 因此可通過(guò)圖10 所示的顏色識(shí)別步驟可以得到中粒徑上綠色與紅色煤顆粒的質(zhì)量。

圖10 染色煤顆粒顏色識(shí)別過(guò)程Fig.10 Color recognition process of dyed coal particles

式中：pb-m為大粒徑煤顆粒破碎至中粒徑的占比；mb-m為大粒徑煤顆粒破碎至中粒徑的質(zhì)量；ms，b為大粒徑煤顆粒存活的質(zhì)量；m0，b為其初始質(zhì)量。

對(duì)顏色識(shí)別后的數(shù)據(jù)采用式（5）和式（6）處理可得到圖10 所示的大、中粒徑煤顆粒破碎特征。 中粒徑煤顆粒的絕對(duì)破碎率均在50%以上且均高于大粒徑破碎率，與前文中粒徑2.5 ～3.0 mm 顆粒缺失對(duì)應(yīng)，可能是因?yàn)槊侯w粒結(jié)構(gòu)紋理特性導(dǎo)致了該粒徑區(qū)間煤顆粒不穩(wěn)定，極易破碎，因而2～3 mm 煤顆粒破碎率更高。

圖11a 中相同條件下構(gòu)造煤大、中粒徑絕對(duì)破碎率均明顯高于原生煤，也進(jìn)一步印證了圖9b 中相同條件下構(gòu)造煤相對(duì)破碎率均高于原生煤。 此外，圖11b 中原生煤試樣大粒徑煤顆約50%以上破碎至中粒徑范圍，而構(gòu)造煤試樣的大粒徑煤顆粒發(fā)生破碎后在中粒徑范圍內(nèi)比例更小。 這是因?yàn)槠扑闉橹辛筋w粒強(qiáng)度不足以支撐其載荷，因此更多大粒徑構(gòu)造煤破碎為小粒徑甚至更小的顆粒。 綜合以上結(jié)果，表明試驗(yàn)條件相同，構(gòu)造煤更容易發(fā)生破碎且破碎程度更高。

圖11 大、中粒徑煤顆粒的破碎特征Fig.11 Breakage characteristics of large and medium size coal particles

3 討 論

在應(yīng)力加載下，煤顆粒逐漸壓實(shí)并產(chǎn)生破碎，尤其是構(gòu)造煤顆粒，本身在經(jīng)歷了地質(zhì)時(shí)期應(yīng)力破壞破碎后，呈現(xiàn)塑性特征。 而在此次試驗(yàn)中，再次加載破碎，使得構(gòu)造煤顆粒更容易破碎至更小粒徑，甚至呈現(xiàn)流變特征，使得加載后煤體孔隙率更低，如圖12 所示。 但外界加載做功主要消耗在煤顆粒摩擦、破碎流變等階段，構(gòu)造煤顆粒本身存儲(chǔ)的彈性能很低。 在現(xiàn)場(chǎng)條件下，受采掘影響，構(gòu)造煤也存在二次破碎重新壓實(shí)作用，改造煤顆?？紫督Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致構(gòu)造煤區(qū)域滲透率更低，具備了保存吸附瓦斯條件［24］。在卸壓邊界條件下，復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力疊加采動(dòng)應(yīng)力，使得構(gòu)造煤體產(chǎn)生局部大變形，為轉(zhuǎn)化富集游離瓦斯能提供條件，同時(shí)也為破碎拋出弱黏結(jié)的構(gòu)造煤提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)［25-26］。 而原煤顆粒表現(xiàn)出較難破碎，且具有較高的彈性能存儲(chǔ)特性。 進(jìn)一步對(duì)不同類型煤顆粒的細(xì)觀力學(xué)、顆粒破碎動(dòng)力學(xué)的深入研究為煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)。

圖12 煤顆粒加載前后變形破碎結(jié)構(gòu)示意Fig.12 Schematic diagram of coal particles

4 結(jié) 論

1）煤顆粒側(cè)限加載過(guò)程可按照應(yīng)力應(yīng)變曲線特性分為滑移階段、破碎階段和壓固階段。 滑移階段原生煤和構(gòu)造煤應(yīng)力應(yīng)變曲線特征相同，但構(gòu)造煤抗變形能力弱，破碎階段原生煤曲線斜率高于構(gòu)造煤，構(gòu)造煤抗變形能力仍弱于原生煤，相比原生煤變形更大，但壓固階段其硬化趨勢(shì)明顯強(qiáng)于原煤，抗變形能力顯著增強(qiáng)。

2）煤顆粒粒徑級(jí)配曲線大幅變化主要集中在破碎階段，后續(xù)繼續(xù)增大壓力后粒徑級(jí)配曲線變化不再顯著，破碎率變化也較小。 煤顆粒破碎后出現(xiàn)中部分粒徑區(qū)間顆粒極不穩(wěn)定，易破碎，出現(xiàn)粒徑缺失現(xiàn)象。 單一粒徑級(jí)配試樣大顆粒含量高對(duì)應(yīng)破碎率更高，均勻粒徑級(jí)配較單一級(jí)配整體破碎率更低。

3）在相同級(jí)配、載荷條件下，構(gòu)造煤大粒徑、中粒徑破碎率均明顯高于原生煤樣，整體破碎率也高于原生煤，破碎過(guò)程中，大粒徑原生煤更多破碎為中粒徑，而構(gòu)造煤大粒徑則更多破碎為小粒徑及以下的煤顆粒。