不同含水率下煤岩弹性模量变化实验分析

岑朝正 CEN Chao-zheng；蒋永芳 JIANG Yong-fang；蒋朝军 JIANG Chao-jun

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，许昌 461000）

摘要：煤岩体内通常含有一定的水份，由于煤岩体所处地质环境的差异，会造成煤岩体含水量不同，进而影响煤岩体的弹性模量。为了解不同含水率下煤岩体弹性模量变化规律，实验采取新密矿区煤样，通过在RMT-150B岩石力学试验装置上对浸泡前后煤样进行三轴应力加载实验，得出浸泡前后煤样的弹性模量变化，进而根据水与煤样之间的作用关系，分析了引起煤岩弹性模量变化的原因。实验结果显示经过浸泡后煤样的弹性模量降低，并且含水率增加越大，弹性模量降低越大。分析认为煤样弹性模量降低主要是由于水的存在是使颗粒之间原有的胶体连结变成了水胶连结，降低了颗粒之间的连结力，使颗粒之间的摩擦力减小，起到润滑作用，煤岩抵抗变形能力减小。

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关键词 ： 岩石力学；含水率；弹性模量

中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0154-02

作者简介：岑朝正（1988-），男，安徽滁州人，助理工程师，地质工程学士学位，研究方向为地质矿产资源勘查。

0 引言

了解不同含水情况下煤岩弹性模量的变化规律是进行产能模拟以及排采设计的基础，因此在煤层气开发过程中了解煤岩弹性模量变化规律至关重要。以往的研究很多，比如王桂兰、赵彦东等[1-3]等研究了水、温度等因素对岩石力学性质的影响机理以及影响规律，得出了弹性模量与这些影响因素之间的关系。王瀚[4]等通过数值模拟的方法建立弹性模量和压裂缝高之间的关系，对压裂工程设计有很好的参考价值。但是针对不同含水率下，煤岩弹性模量减小机理的研究很少，本文以煤岩的微观颗粒以及加载过程中的变化为基础进行研究，得出含水率与煤岩弹性模量之间的关系，以期为煤层气排采模拟以及压裂改造提供依据。

1 实验系统

为了研究含水率对煤岩弹性模量的影响，采集煤样并进行处理后，在RMT-150B岩石力学试验装置上进行三轴应力压缩试验。其中该装置主要包括RMT-150B型岩石力学试验系统（提供轴向压力）、YJZ16型智能静态电阻应变仪（监测煤岩变形量）、液压作动器（提供试验压力）、压力传感器、天平（测量煤样质量）、游标卡尺（测量煤样尺度）以及计算机（采集处理数据）等。

2 实验方案

为了比较加载前后煤岩样弹性模量的变化，将煤样放置在煤岩力学实验机上，在一定的围压下，逐渐增加轴向压力，并对加载过程煤岩应力-应变进行记录。根据煤岩弹性变形阶段应力与应变呈线性的关系，通过记录两点之间的应力以及应变既可以计算煤岩的弹性模量，计算公式如下式所示：

式（1）中：E-弹性模量，MPa；σ2—某一点的应力，MPa；σ1—另一点的应力，MPa；μ2为与σ2对应的应变；μ1为与σ1对应的应变。

在新密矿区采集煤样后加工制备成Ф50mm×50mm的煤芯共16块，其中8块先进行不加水的岩石力学实验，当加载到一定程度时（此时不能让煤岩到塑性阶段），进行卸载，然后将煤样浸泡，测试含水量，进行含水情况下岩石力学实验，另外8块备用。

在进行常规三轴加载试验时，首先对煤样的尺度以及质量进行测定，将煤岩样放置好以后在静水压力σ1=σ2= σ3条件下，设置围压速率为0.5MPa/s，加载到5MPa保持压力不变，然后以位移控制模式0.0050mm/s施加轴向载荷同时对应力-应变数据进行记录，根据记录数据进行判断，当煤岩变形阶段达到弹性变形阶段后期时，停止加载，取出煤样，然后将煤样在清水中浸泡两天；对浸泡过的煤样进行质量测定以后，重新放置在应力加载装置上进行应力-应变测定，并对测定结果进行记录。

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

通过进行浸泡前后煤岩样质量的测定以及加载过程中应力-应变实验数据的记录，根据弹性模量的计算原理，对不同煤样的弹性模量进行了计算，其中计算结果如表1所示。

根据测试结果绘制了煤岩弹性模量减小率随含水率变化趋势线图如1所示。

根据测试结果可以看出来煤岩弹性模量变化率随含水率变大而变大，并且相关系数为0.6091，相关性比较好，规律性比较强。所以，对于同一区域煤岩，弹性模量变化率与含水率呈正相关关系。

3.2 实验分析

3.2.1 水对煤岩的作用方式

存在煤岩中的水按照赋存状态分，可以分为结合水和自由水。按照不同赋存状态水对煤岩作用机理的不同，可以将水与煤岩的作用方式分为，结合水的连结作用、润滑作用、水楔作用和自由水的水压作用以及溶蚀作用。对于浸泡后的煤样，起作用的主要是结合水。

3.2.2 水对煤岩弹性模量的影响机理

水对煤岩弹性模量的影响主要表现为结合水的影响。颗粒间的胶结作用远远大于颗粒之间由水产生的连结作用，所以水的连结作用可以忽略不计。在煤岩样浸泡的过程中，由于水分子的自由运动，不断进入煤岩颗粒之间以及煤岩颗粒内部，致使煤岩本身的一些可溶性盐溶解，使煤岩颗粒间由可溶性盐胶结变成水胶结，致使颗粒之间的胶结作用降低，胶结力减小，同时水的存在对颗粒之间的运移以及颗粒内部物质的移动起到了一定的润滑作用。

煤岩弹性模量的大小反映了弹性变形阶段，煤岩抵抗变形能力的大小。在弹性变形阶段，煤岩主要是发生颗粒间的运移以及颗粒内部孔裂隙的减小。在颗粒发生运移时由于水的溶解作用以及润滑作用，使颗粒之间的连结力以及摩擦力大大减小，同时在颗粒本身发生变形时，由于连结作用的减小，也会时颗粒容易发生变形。所以，在颗粒发生变形以及运移的时候，煤岩会在较小的应力作用下，发生较大的变形量，使煤岩抵抗变形的能力减小，使弹性模量减小。

根据实验数据可以看出来弹性模量降低率随含水率变大而变大，但是弹性模量的变化率并不是随含水率变大无限制的变大的。颗粒之间的润滑作用随着含水率的变大，逐渐增强，增加到一定值，达到饱和后，不再增大。溶解作用随着含水率的变大，逐渐增强，含水越多溶解越充分，煤样弹性模量降低越多，只是降低幅度越来越小。

4 结论

通过对不同含水率的煤岩样进行弹性模量测试试验，根据测试结果对浸泡前后煤岩的弹性模量进行对比，并分析水对煤岩样的作用机理可以得出如下结论：

①在一定条件下，煤岩弹性模量变化率随含水率变大而变大，并且规律性明显。

②煤岩弹性模量降低主要是由于结合水使煤岩内部的可溶性盐溶解，由可溶性盐胶结变成了水胶结，降低煤岩颗粒之间的连结力，同时还起到润滑作用。

③在实验分析过程中未考虑煤岩孔裂隙发育情况以及煤体结构等因素的影响，在以后的工作中，应增加这方面的细化研究。

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参考文献：

[1]王桂花，张建国，程远方，等.含水饱和度对岩石力学参数影响的实验研究[J].石油钻探技术，2001，29（4）：59-61.

[2]赵彦东，赵文奎，柯尊乾，等.温度对深井岩石力学性质的影响[J].重庆科技学院学报，2010，12（2）：71-73.

[3]邵明申，李黎，李最雄.龙游石窟砂岩在不同含水状态下的弹性波速与力学性能[J].岩石力学与工程学报，2010，29（2）：3514-3518.

[4]王瀚，刘合，张劲，等.水力裂缝的缝高控制参数影响数值模拟研究[J].中国科学技术大学学报，2011，41（9）：820-825.