水分对煤的岩石力学性质影响探讨
任 波
摘要：煤的岩石力学性质影响因素很多，如煤的成分，煤化作用程度，环境地应力，水，煤层甲烷，煤的破坏程度（结构面、裂隙性、风化程度等）等。本文在前人工作的基础上，探讨了水分对煤的岩石力学性质的影响，包括水分对煤的强度特性的影响以及水分对煤的变形特征的影响，并简单分析了水分对煤的强度和变形特性的影响机理，对煤炭复杂的地下工程设计有一定的意义。
1. 引言
煤是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。成煤的古地理环境、古构造条件、古气候和古植物条件都是控制煤形成的重要因素。在潮湿气候条件下沉积盆地内沉积的成煤物质，多在地壳浅部成煤，其生成和赋存环境不同于岩浆岩和变质岩，岩性较为软弱，变化较大，成分较复杂，微孔发育，煤化程度各异，常与煤成甲烷伴生，使得煤的岩石力学性质不同于其它岩石。因此，在进行煤炭开发地质和煤碳开发稳定性和安全性评价时，有必要对煤的变形力学特性及其影响因素进行专门研究。
有关煤的力学特性研究，国内外学者的研究取得了一定的成果，但从目前的研究状况来看，尚缺乏对煤的岩石力学性质影响因素的系统研究。因此，对煤的强度和变形特性及煤发生破裂的发展过程的认识程度受到一定程度的限制。众所周知，影响煤的力学性质的因素很多，诸如煤的成分，煤化作用程度，环境地应力，水，煤层甲烷，煤的破坏程度（结构面、裂隙性、风化程度等）等等，只有正确的考虑这些因素，才能作出正确的评价。本文将重点探讨水对煤的力学性质的影响，为进一步进行系统研究打好基础，为煤炭复杂的地下工程设计提供理论依据。
2. 水对煤的岩石力学性质影响
分析所有这方面的资料表明，虽然被研究的岩石和所用的研究方法各不相同，但所有的作者却得到了性质相同的结论。这一结论是：水份使岩石的强度和弹性减小。并且，试验结果在量的方面也是非常接近的。譬如，根据M.H. 科依夫曼等的资料，湿润后，石灰岩的抗压强度减小31~48%，页岩的抗压强度减小31%。根据A. 拉巴斯的资料，湿润后，砂岩的强度减小30~50%，弹性模数减小25%；页岩的强度减小50~60%，弹性模数减小50%。
很多作者（T.H. 库兹涅佐夫，A.A. 施列涅尔，阿维尔申等）指出，注水后岩石的塑性提高了。顿涅茨煤炭学院的研究资料中也有这一性质的资料。泥质岩石水份的增加，使其塑性及流变性增加得特别明显。这样，在上述资料的基础上可以得出结论：随着岩石水份的增加，其强度指标就降低，塑性就增大。
闫立宏等用安徽淮北杨庄煤矿煤样研究了浸水后煤的力学性质，并与原煤样的力学性质进行了对比。研究表明，煤浸水后，其强度降低，变形量增加。 2.1 煤块浸水特征
闫立宏等人对杨庄煤矿不同采取煤样经行了浸水试验，试验结果见表1。该
矿位于安徽省淮北市，属淮北煤田，为石炭二叠纪煤系，含主要煤层两层，即二叠系下统下石盒子组的5煤和山西组的六煤。由于这两层煤在沉积环境、煤岩组成、煤质、煤体结构等方面均不相同，导致水对两者存在一定的差异。
试验中观察发现，煤块浸水后，其主要特征有：①浸水瞬间，煤样均冒气泡，说明煤中空隙发育，气体排出；②不同煤层煤块的浸水特征不同；③同一煤层不同采区所采煤样的浸水反应也不同。
表1 煤块浸水特征
煤层
样品采集地点 2652轨道巷
6煤
2635工作面 3611切眼
5煤
2575轨道巷 2524联巷
浸水特征
开始冒气泡，结构变化不大 开始冒气泡，结构变疏松
开始冒气泡，结构变疏松，有崩解现象 开始冒气泡，轻微崩解
开始冒气泡，长时间浸泡下结构变疏松，手搓即成粉粒状
2.2 水分对煤的强度影响
在闫立宏等人的试验研究中，煤样浸水前后，其抗压强度对比表见表2。由
表2 煤样浸水前后抗压强度对比 表3 煤含水量与其抗压强度和变形模量的关系
抗压强度/MPa 风干状态
采样 位置
单值
平均值
浸水状态 单值
平均值
强度 降低率 （%）
软化系数
2652
0.61
轨道巷 煤层
采样 位置
含水量 （%）
单轴抗压强度/MPa
变形模量/GPa
6
2635 轨道巷
2652 轨道巷
5.45 3.94 8.27
3.94 5.67
5.85 6.02
29.3
00.76
2635 工作面
8.50 8.27 8.05
煤
表2可以看出，煤样浸水后，其抗压强度明显低于风干状态下的抗压强度，软化系3614 数平均为0.64。 切眼 煤含水量与其抗压强度和变形模量2524 的关系见表3，由表3可以看出，随含水联巷 量的增加，煤的单轴抗压强度逐渐降低，5 但降低的速率不同，主要受煤的组分、结煤2573 构和煤质的影响。 轨道巷 O·N·切尔诺夫、E·C·罗赞采夫也在注
水对煤的岩石力学性质方面做了一定的研究，并认为在试验确定了煤样的破坏荷载P 后，知道煤样的断面积S ，就可按下式计算煤的抗压强度：
P S
《北方》矿凯梅罗夫斯基层和沃尔科夫斯基层的干煤及用各种方法湿润的煤的抗压强度列于表4中。
σ=
表4 干煤及湿润的煤的抗压强度
煤的抗压强度（公斤力/厘米2）
湿煤
煤层
煤样号
干煤1
无压注水的时间 （昼夜） 3
1
凯梅 罗夫 斯基层
2 3 4 5
149 159 120 163 120
92 106 102 — —
一小时内注水压力 （公斤力/厘米2）
95 106 78 — —
145 99 96 113 —
78 92 137 86 —
66 82 92 53 —
平均值（100）21
102 70 140 115 204 64
2 3 4 5 6
102 92 89 70 165 83
76 102 64 89 51 115 83（71）
64 51 51 102 64 89 70（60）
— — — — — — —
— — — — — — —
沃尔 科夫 斯基层
平均值（100）（86）
括号内的数字为百分数。
注：干煤样、干煤体及干煤层是指具有自然水分的，即没有进行人工注水的煤样、煤体和煤层。
从表中可以看出，润湿后煤的抗压强度要降低很多。
，也抗压强度σ的值，既随着煤湿润时间的延长而减小（当用无压注水时）
随着注水压力的增大而减小（当注水时间一定时）。
为了确定水份与抗压强度的关系（这里和下面所指的是实验室水份，它等于煤样烘干前后的重量差），做了如下试验。试验所用的是沃尔科夫斯基层的煤样。煤样破坏后取样确定其水份。所有煤样按水份分成几组：从1%到2%，从2%到3%，等等。对每组煤样，求得其平均水分和煤的平均抗压强度。根据这些数据画出曲线图（图1）。
从图上可以看到，当水分增加时，煤的抗压强度就减少很多。在作煤样的单抗剪试验时，确定煤的粘结系数和内摩擦角。改变煤样在模子中的倾角（图1），就可以给剪切面以不同的法线应力与剪应力的比值。
煤样破坏时的法线应力和剪应力的值，可按下面的公式算得：
P cos α
σn =
S P sin α
τ=S
式中 α—煤样的倾角，度； S —剪切面的面积，厘米2
在煤样倾角为70o 、60o 、50o 、45o 和40o 的条件下，试验了102个煤。图
2
中表和粘结系数K 的例子。用同样的方法求得了所有其它煤的K 和ρ值。沃尔科夫斯基层不同水份煤的粘结系数和内摩擦角列于表5中。
在图1中示出了煤的粘结系数和内摩擦角与水份的关系。从图中可以看到，随着煤水份的增加，这两个强度性能指标的值就变小。譬如，当水份从2%增加到8%时，粘结系数就减小30%。
表5 沃尔科夫斯基层不同水份煤的粘结系数和内摩擦角
W cp (%) K(公斤力/厘米2)
30 o 10’ 29 o 40’
28 o 50’
27 o 30’
27 o 30’
27 o 30’ 26 o 20’ 25 o 35’
为确定煤在三向应力状态时的强度性能，煤样在侧压为20、30、40、50、60和80公斤力/厘米2的条件下，承受单轴压缩试验。煤样的破坏荷载P p 按下式求得（活塞的摩擦力很小，可以忽略不计）：
P p =P-σ3(S1-S)
式中 P —煤样破坏时压力计上的压力，公斤力；
σ3—煤样承受的侧压力（缸内油的压力），公斤力/厘米2
S 1—缸体的内断面面积，厘米2
S —煤样的断面积，厘米2
考虑到试验时S 1=71厘米2，S=12.56厘米2，从而得到确定煤样强度极限的公式，式中P 和σ3为已知：
P
−4. 65σ3
12. 56
σ1=
在试验开始以前，所有煤样按水分分成四组：3~4%；5~6%；6~7%和8~9%。各组煤样的平均水分分别为3.52%；5.67%；6.65%；8.07%。对上述四级水分的每一级的煤样，在相同的侧压下进行试验，求得其平均水分和平均的抗压强度。之后，导出抗压强度σ1与侧压的关系式，这些关系式如下：
当煤的水分为3.52%时，σ1=262+1. 85σ3 当煤的水分为5.67%时，σ1=224+1. 85σ3 当煤的水分为6.65%时，σ1=212+1. 45σ3 当煤的水分为8.07%时，σ1=187+1. 29σ3
从表6看到，抗压强度随煤水分的增加而减小。并且，对处于各种不同应力状态的煤都有这种关系。不同侧压下，沃尔科夫斯基层不同水分煤抗压强度都列于表6中。
表6 沃尔科夫斯基层不同水分煤抗压强度
下列侧压下（公斤力/厘米2）煤的强度极限（公斤力/厘米2）
煤的水分（%）
262 224 212 187
299 254 241 213
336 285 270 239
373 315 299 265
410 345 328 291
3.52 5.67 6.65 8.07
按表6中的数据，画出了最大主应力摩尔圆，并确定了粘结系数和内摩擦角。沃尔科夫斯基层不同水份煤的粘结系数K 和内摩擦角ρ列于表7中。
闫立宏等人对自然状态和浸水状后的煤样进行了抗拉强度试验，试验结果见表8。由表8可以看出，不论加载轴线方向垂直于还是平行与层理，浸水后，煤的抗拉强度明显降低。
表7 沃尔科夫斯基斯基层不同水分煤的粘接系数K 和内摩擦角ρ
煤的水分W(%)3.52 5.67 6.65 8.07
K(公斤力/厘米2) 96.3 90.8 88.0 82.3
17 o 30’ 11 o 54’ 10o 35’ 7 o 16’
表8 煤样浸水前后抗拉强度试验结果
煤层
样品采集点
加载轴线方向与层理的关系 垂直 平行 垂直 平行 垂直 平行 垂直 平行 垂直 平行
平均抗拉强度 自然状态
浸水后
软化系数
2524联巷
5煤
2575轨道巷 2652轨道巷
6煤
2635工作面
3614切眼
表9 煤的含水量与抗拉强度的关系
煤层
采样位置 2575轨道巷
样品编号
含水量（%）
抗拉强度/MPa 0.550 0.350 0.281 0.271 0.240 0.230 0.535 0.460 0.277 0.101 0.636 0.468 0.462 0.545 0.275 0.246
5煤
2524联巷
2635工作面
2652轨道巷
3614切眼
6煤
注：加载轴线方向平行于层理
含水性对煤的抗拉强度也有较大影响，特别是加载轴线方向平行于层理时，
影响更为明显（见表9）。由表9可以看出，随着含水量的增加，煤的抗拉强度
减小。
2.3 水对煤的变形特性的影响
水除了对煤的强度有重要影响外，对煤的变形特性也有影响。根据闫立宏等人的研究，煤含水量不同时，其变形模量也不同，随着含水量的增加，其变形模量见小（见表3）。此外，从煤样浸水前后单轴压缩荷载与位移关系曲线（图3）可看出，在相同荷载作用下，煤样浸水后，其变形量增加，并且初始阶段曲线上凹明显，说明煤中由于有裂纹，初期有吸水膨胀现象。
为确定煤的弹性和变形的性质，O·N·切尔诺夫、E·C·罗赞采夫作了煤样的加压和卸压试验。让煤样承受荷载，直到加至破坏荷载的80%，然后，以50公斤力为一级，逐步卸除煤样的荷载。与此同时，用百分表记录压
力机下端平台的行程，测出煤样的变形。
根据所获得的数据，可以绘制每个煤样的卸压曲线。
在图4a 中表示了煤的弹性模数随水份的变化。从图4中看到，随着煤中水份的增加，弹性模数就显著减小。
与任何固体物一样，煤的塑性部分地表现于它的残余形变。不同水份煤样的这一形变是按煤样承受80%的破坏荷载时的压缩曲线和卸压曲线求得的。已经查明，煤的残余形变随着水份的增加而增大（图4σ）。
塑性形变过程是在一定的时间内发生的，那时的形变和应力不是不变的。它们的变化取决于煤的流变性。张弛性是流变性的一种，张弛性就是在形变保持不
变的情况下应力不断减小。因此，煤样卸除荷载一定时间后，应力的相对减小值可作为塑性指数。
在上述的试验中，煤样最初的荷载定为1000公斤力。经过17个小时后，再次读压力机的压力值。这样的时间间隔，保证了煤的张弛曲线近似于直线。相对塑性指数
R =
σ0−σk
×100% σ0
式中 σ0—停止加压时煤样的应力，公斤力/厘米2
σR —承受荷载17小时候煤样的应力，公斤力/厘米2
试验后，将煤样破碎并取样确定水分。18个不同水分煤样的试验结果列于图4中。从这些数据看到，塑性指数R 的值是随着煤水分的增加而增大的。
这样，试验证实，在水分的影响下，煤就有较大的塑性。
从图4还可以看到，不论是干煤还是湿煤，随着加荷速度的减小，煤的抗压强度就明显减小。并且，湿煤的减小量要比干煤大。
我们知道，慢速加荷时煤强度的减小是与它加荷时的常量变形有关，这在快速加荷时是不可能的。这样，减小加荷速度使湿煤强度变小的巨大效应，证明了湿煤比干煤有较大的形变速度。沃尔科夫斯基层不同水份的煤样在单向应力状态时的物理力学性质（平均数据）列于表10中。
表10 沃尔科夫斯基层不同水分的煤样在单向应力状态时的物理力学性质表
弹性模数
煤的水分 W （%）
2 3 4 5 6 7 8
抗压强度σc （公斤力/厘米）
172 163 154 145 136 126 118
2
粘结系数K （公斤力/厘米2）
内摩擦角
残余形变
ρ
30o 25’ 29 o 25’ 28o 30’ 27 o 45’ 27 o 05’ 26 o 35’ 26o 05’
E 0⋅103
1.60 2.40 3.05 3.50 3.80 4.08 4.24
E y ⋅10−3
（公斤力/厘米2）
6.00 5.85 5.70 5.55 5.40 5.30 5.15
塑性指数R （%） 1.4 2.2 3.1 4.0 4.8 5.7 6.6
52.2 47.9 45.0 42.6 40.2 38.0 35.9
在表10中列出的是试验所得的单向应力状态时煤的力学性质的有关数据。从此表可以看到，湿润后煤的强度和弹性降低，塑性增大。譬如，当水分由2%增加到8%时，煤的抗压强度减小31%，粘结系数较小30%，摩擦角减小14%，弹性模数减小14%，而这时煤的残余变形却增加2.6倍，塑性指数增大4.7倍。 在三向应力状态是所得的试验数据也证明了煤的力学性质往这一方向的变化（表11）。
表11 沃尔科夫斯基层不同水分的煤样在三向应力状态时的物理力学性质表
煤的水分W(%) 3 4 5 6 7 8
不同侧压下的抗压强度（公斤力/厘米2）
粘结系数K
内摩擦角
（公斤力/厘米2） 27.0 255.0 238.0 221.0 205.4 189.4
310 230 270 256 232 215
345.0 325.0 305.0 279.5 260.0 237.0
289.5 362.0 336.0 312.0 285.0 265.0
98.7 95.7 92.7
89.3 86.0 83.0
ρ
18 o 30’ 16o 12’ 14o 12’ 11 o 00’ 0o 42’ 7 o 10’
3. 水对煤的力学性质影响机理分析
已经查明，煤结构元素的大小要比其所形成的孔隙大一位数。由此可以得出
看法，较大的元素被较大的孔隙和裂隙所包围。
当煤体湿润时，水首先是在裂隙和大孔中运动的，之后才在较小的孔隙中运动。依助于毛细力，一定量的水可以进入直径为5×10−6厘米的空隙。在扩散作用下，水才可能更深入煤中。
水的分子具有明显的极性，并且非常容易被煤所吸附。水以多分子层的形式吸附在煤中，这些多分子层牢固地与煤的内表面相联系。完全明白，煤的大孔中的水主要是处于自由状态。
从上述简要的前提出发，来讨论水在不同大小的孔隙中的表现。为了定性的表示这种情况，看一看图28中的曲线。该图的横坐标表示空隙直径r 与煤表面吸附水层可能的最大厚度a 的比值。
r −a
纵坐标表示的负端的物理
r
意义还表示，在煤空隙壁吸附力的作用下水的相对压缩性（密度的增大）。因为这种作用是有限的，所以水的密度不可能有明显的增大，这个坐标轴的相当一部
r −a
分，即当为较大的负值时，
r
它只具有抽象的性质。
当孔隙的大小远远超过煤表面吸附水层的两倍厚度时（图5的上部分），煤的结构元素间的分子联系就减弱，因为其间存在有一定量的自由水。在小的孔隙中（图5的下部分），没有自由水存
在，煤元素间的分子联系由于其间隙被吸附水分子所充满而可能增大，因为吸附
水分子间、吸附水分子与煤之间有着牢固的联系。当给煤以荷载时，在第一种情况下，煤的强度将降低，这不只是由于分子间联系的减弱，而且还由于煤粒相互位移的易化（自由水起到一种润滑油的作用）。在第二种情况下，则出现性质根本不同的情景。由于某些结构元素间分子联系的增强，沿这些孔隙发生破坏就比较困难。这时，微小的颗粒就组合成较大的颗粒。
水对煤的弹性和塑性的影响，也可从上述的观点加以解释。煤中最明显的薄弱点是大的裂隙。因为其中充满的主要是自由状态的水，则在荷载的作用下，煤的可缩性和流动性就增大，其结果就使弹性减小和塑性增大。
水对煤的力学性质有重要的影响，归结起来其原因主要是煤的水化作用，即物理弱化作用和力学作用。
（1）物理弱化作用：煤块浸水后，水顺着裂隙、空隙进入煤中，润湿每块全部自由面上的每个颗粒；由于水分子的侵入，消弱了颗粒间的联系，使得煤的力学性质由好向坏转变。
（2）力学作用：煤块浸水后，进入到煤体空隙、裂隙中的水会产生压力，使得煤体弹性屈服极限降低，易于产生塑性变形；同时还会降低煤体的抗剪强度，使其易于发生剪切破坏，导致其强度降低。
4. 结论
通过对前人试验研究与分析可以看出，水对煤的力学性质影响是十分显著的。由于水的浸入，煤的强度降低，变形量增大。因此，在煤炭复杂的工程设计与实践中，如在选取留设的防隔水煤柱参数时，应充分考虑这一因素，使设计安全可靠。
参考文献：
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报.1991，3：46-51
水分对煤的岩石力学性质影响探讨作者：
作者单位：任波
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7204644.aspx