试验结果：定围压与卸围压下煤层顶板岩石试件蠕变曲线与轴向径向变形曲线分析

（1）无水压条件下

通过试验机完成了稳定蠕变及卸围压蠕变，其试验条件如表2.1所示。稳定蠕变试验中，先将围压与轴压加载到预定荷载12 MPa，然后增加轴压24 kN并保持压力状态不变。在这种情况下进行蠕变试验，由于煤岩体的长期强度未知，所以这种蠕变加载方式很难使用理想的轴向加载荷载。试验结果如图2.18所示，图中曲线平滑，减速蠕变与稳定蠕变过程明显。

表2.1　定围压与卸围压下试验条件表

图2.18　煤层顶板岩石试件1围压12 MPa条件下蠕变曲线

试验还进行了卸围压蠕变试验，先将围压与轴压加载到预定荷载12 MPa，然后保持轴压不变，按每24 h卸围压2 MPa的速度进行卸围压蠕变试验。图2.19所示为卸围压蠕变成果曲线，轴向应变随卸围压呈阶梯状加速上升，表现出加速蠕变的状态。

图2.19　煤层顶板岩石试件2围压12 MPa卸围压条件下蠕变曲线

为研究煤岩体蠕变过程中表现出来的长期强度，进行分级加载蠕变试验，每6 h增加一次轴向荷载，试验加载路径按表2.2所示进行。图2.20所示为煤层顶板岩石试件3在轴向上表现出来的蠕变特性，图2.21所示为该试件在径向上表现出来的蠕变特征，图2.22所示为试件3的破坏形态。

表2.2　无水压条件下分级加载表

图2.20　煤层顶板岩石蠕变试件3轴向变形蠕变破坏曲线

图2.21　煤层顶板岩石蠕变试件3径向变形蠕变破坏曲线

图2.22　煤层顶板岩石蠕变试件3蠕变试验破坏后状态

煤层顶板岩石试件4、5在轴向、径向表现出来的蠕变特性及试验后的破坏形态如图2.23至图2.28所示。

分析图2.18可知，当轴向应力水平较小时（σ＜σs），试件在经历初期短暂增长后，随着时间的增加，其变形量虽然有所增加，但蠕变变形速率则随时间增长而减少，最后趋于一个稳定的极限值。

分析图2.19至图2.28的破坏试件变形曲线可知，在蠕变初期阶段，蠕变变形稳定。当围压不断减小或轴向载荷不断增大（σ≥σs）时，蠕变不能稳定于某一极限值，而是快速无限增长，进入加速蠕变阶段，最终导致试件破坏。因此，可以得到煤层顶板在围压为12 MPa时的长期强度约为63 kN（32.4 MPa），σ1－σ3＝21.4 MPa。

图2.23　煤层底板岩石蠕变试件4轴向变形与时间变化曲线(www.xing528.com)

图2.24　煤层底板岩石蠕变试件4径向变形与时间变化曲线

图2.25　煤层底板岩石试件蠕变试件4蠕变试验破坏后状态

图2.26　煤层底板岩石蠕变试件5轴向变形与时间变化曲线

图2.27　煤层底板岩石蠕变试件5径向变形与时间变化曲线

图2.28　煤层底板岩石试件蠕变试件5蠕变试验破坏后状态

（2）有水压条件下

前述的蠕变试验是无水压情况下顶板岩石的蠕变过程。为研究瓦斯压力导致的孔压变化对煤层顶板稳定性的影响，需要研究气固耦合状态下的蠕变试验。但微机控制电液伺服煤岩三轴蠕变机不能充气，因此利用水压形成的孔隙压力完成试验。由于试验过程中水并未从试件渗出，流体未形成渗流，因而认为水压形成的孔压与气体孔压基本一致。从安全和试验条件的角度来考虑，水压是唯一的选择。

表2.3给出了有水压作用下的蠕变试验条件，对于煤层顶板试件6，先将围压与轴压加载到预定荷载12 MPa，然后增加进口的水压力，稳定6 h后封住出水口。第三步按表2.3所示的轴向力增加一个轴压梯度，稳定6 h后再增加轴向压力到更高一个梯度。图2.29所示为试件6的破坏形态，试件形成单斜面破坏。图2.30及图2.31为试件6轴向变形和径向变形曲线。试验结果表明，水压对试件的径向变形影响较大，岩石被破坏时径向变形从0.25 mm急剧增大到1.5 mm，而无水压的试件4在被破坏时径向变形增长只有0.4 mm，试件5则出现分级变形情况。这表示在煤岩体在破断过程中，流体可缩短其演化过程。

表2.3　有水压条件下分级加载表

图2.29　煤层底板岩石蠕变试件6蠕变试验破坏后状态

图2.30　试件6在围压12 MPa、水压5 MPa条件下轴向蠕变破坏曲线

图2.31　试件6在围压12 MPa、水压5 MPa条件下径向蠕变破坏曲线

利用MTS815岩石力学试验系统测定了煤岩样的单轴与围压三轴强度指标，在RLW-2000M微机控制煤岩流变试验机上完成了煤岩样的等压蠕变、卸围压蠕变、梯级加载蠕变试验及不同水压条件下的梯级加载蠕变试验，得到了煤岩样的长期强度指标及其在卸围压作用下的蠕变特征。

煤岩体的物理力学特性研究主要就是获取理论分析、数值计算、相似模型所需要的基础数据，因此本书首先对从平煤神马集团现场采集的原煤与岩石样品按国际岩石力学学会标准进行了试验，获得了平煤神马集团己组与戊组煤原煤及顶底板岩石的物理力学特性参数。