王登科，張 航，魏建平,4，吳 巖，張宏圖,4，姚邦華,4，付建華，趙立楨

(1. 河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000；2.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3. 河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；4. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；5. 鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

隨著淺部資源的逐漸枯竭，深部煤礦開(kāi)采儼然趨于常態(tài)，受深部地應(yīng)力和瓦斯壓力的升高影響，頂?shù)装迨鹿省⒚号c瓦斯突出、沖擊地壓及復(fù)合型煤巖動(dòng)力災(zāi)害日益嚴(yán)重[1-3]。煤具有復(fù)雜的孔裂隙網(wǎng)絡(luò)特征，瓦斯氣體以游離態(tài)和吸附態(tài)2種方式賦存在煤層孔裂隙中，在外荷載和環(huán)境作用下，含瓦斯煤體新裂隙的萌生發(fā)育和原始裂隙的擴(kuò)展貫通會(huì)導(dǎo)致煤體失穩(wěn)破壞進(jìn)而造成事故災(zāi)害的發(fā)生。因此，探究不同瓦斯壓力條件下受載煤體破壞過(guò)程中微觀裂隙動(dòng)態(tài)演化特征及其規(guī)律，可為研究煤巖瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理提供依據(jù)，對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害防治和保護(hù)我國(guó)煤礦安全開(kāi)采具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

瓦斯氣體會(huì)影響煤巖體的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)此徐佑林等[4]利用核磁共振技術(shù)對(duì)不同壓力條件下吸附瓦斯特性及煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，煤體孔隙度會(huì)隨瓦斯壓力的增加而增大，瓦斯氣體會(huì)促使煤體產(chǎn)生新的孔隙，進(jìn)而相互連通形成裂隙。但地下煤層不僅受到瓦斯氣體影響，還存在地應(yīng)力，這就導(dǎo)致煤巖體受到瓦斯和地應(yīng)力的綜合作用。因此，李小雙等[5]研究了三軸壓縮條件下不同瓦斯壓力水平對(duì)含瓦斯突出煤的彈性模量、三軸抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的影響規(guī)律；高保彬等[6]基于聲發(fā)射信號(hào)分析儀研究了不同瓦斯壓力條件下受載煤體的力學(xué)性質(zhì)和聲發(fā)射演化規(guī)律；張東明等[7]運(yùn)用熱流固耦合三軸伺服滲流裝置，詳細(xì)描述了卸圍壓過(guò)程中瓦斯壓力對(duì)煤樣力學(xué)特征和能量特征的影響規(guī)律；趙宏剛等[8]提出了考慮瓦斯壓力的修改型H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則，并通過(guò)不同瓦斯壓力條件下巖石的三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。然而，這些學(xué)者只從宏觀角度研究了瓦斯壓力對(duì)受載煤體的影響，未深入微細(xì)觀層面進(jìn)行分析。于是，曹樹(shù)剛等[9]利用光學(xué)顯微鏡和聲發(fā)射裝置，得到了受載含瓦斯煤破壞全過(guò)程裂紋表觀圖像和聲發(fā)射特征，以此分析了含瓦斯煤損傷演化特征；許江等[10-12]運(yùn)用顯微鏡和CCD攝像機(jī)研究了含瓦斯煤剪切破裂過(guò)程中細(xì)觀裂紋動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，得出了瓦斯壓力和剪應(yīng)力的共同作用下，裂隙演化受法向應(yīng)力影響較大，并分析了裂紋分布的分形特征。殷志強(qiáng)等[13]基于數(shù)字散斑方法，研究了不同瓦斯壓力條件下含瓦斯煤Ⅰ型裂紋斷裂特征，描述了含瓦斯煤表面變形及裂紋擴(kuò)展過(guò)程。相關(guān)學(xué)者對(duì)受載含瓦斯煤的微觀裂隙演化有了初步探索，但受限于試驗(yàn)條件，對(duì)裂隙的觀測(cè)還僅局限于二維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果具有片面性，且對(duì)裂紋分布特征和演化規(guī)律也缺乏相應(yīng)的量化分析。

工業(yè)CT掃描是一種無(wú)損探測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于巖石的細(xì)觀損傷力學(xué)特性的試驗(yàn)研究中[14-15]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的不同斷面連續(xù)、多次掃描記錄，也可實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)展示樣品的立體結(jié)構(gòu)[16-18]，因而備受學(xué)者青睞。葛修潤(rùn)等[19]利用自主研發(fā)的與CT機(jī)配套的專(zhuān)用加載設(shè)備，得到了不同荷載水平下微裂紋的萌生、發(fā)育、擴(kuò)展、貫通CT圖片，探討了煤巖單軸和三軸破壞變形過(guò)程中損傷形態(tài)和演化初步規(guī)律；ZHOU等[20]開(kāi)展了煤樣單軸壓縮過(guò)程中的CT掃描測(cè)試，詳細(xì)描述了不同測(cè)量精度下煤樣中孔裂隙網(wǎng)絡(luò)的演化特征；TSAFNAT等[21]利用CT掃描技術(shù)研究了壓縮作用下煤微觀結(jié)構(gòu)變化，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果做了對(duì)比分析；VILJOEN等[22]對(duì)受載煤體進(jìn)行了CT掃描測(cè)試并三維重構(gòu)了煤體裂隙，以此分析加載過(guò)程中三維裂隙演化情況；鐘江城等[23]基于CT掃描技術(shù)，定量分析了單軸壓縮過(guò)程中煤樣損傷演化規(guī)律，對(duì)掃描得到的原始數(shù)據(jù)三維重構(gòu)出了數(shù)字化煤心，并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；宮力偉等[24]對(duì)三軸加載破壞前后的煤巖進(jìn)行了CT測(cè)試，分析了煤巖斷面的密度分布圖像以及受載煤巖的動(dòng)態(tài)損傷規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤巖損傷演化的局部性和不均勻性；JIANG等[25-26]對(duì)試驗(yàn)前后的煤巖樣品進(jìn)行了CT掃描測(cè)試和三維可視化重建，得到了不同條件下的數(shù)字化模型并進(jìn)行了定性與定量分析；王登科等[27-29]、LI等[30]利用受載煤巖工業(yè)CT掃描系統(tǒng)和三維數(shù)字化重建技術(shù)，構(gòu)建了煤樣的三維可視化數(shù)字模型并對(duì)裂隙進(jìn)行了精確提取與定量表征，研究了受載煤體三維裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律及其形態(tài)變化特征?？梢钥闯觯嚓P(guān)學(xué)者利用顯微CT掃描和三維數(shù)字化重建技術(shù)研究煤體細(xì)觀力學(xué)特性試驗(yàn)時(shí)忽略了瓦斯氣體的重要影響。

綜上所述，前人研究成果豐富且頗具代表性，對(duì)揭示煤層裂隙發(fā)展演化規(guī)律至關(guān)重要。但利用CT掃描技術(shù)研究不同瓦斯壓力水平條件下含瓦斯煤裂隙動(dòng)態(tài)演化特征及其規(guī)律還鮮見(jiàn)報(bào)道，而瓦斯對(duì)受載煤巖裂隙演化作用規(guī)律也尚不明確。鑒于此，筆者利用受載煤巖工業(yè)CT掃描系統(tǒng)，對(duì)處于不同瓦斯壓力水平條件下三軸壓縮過(guò)程中的含瓦斯煤進(jìn)行CT掃描測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和三維數(shù)字化重建，探究瓦斯壓力作用下受載煤體的裂紋演化特征及其瓦斯對(duì)裂紋擴(kuò)展影響規(guī)律，研究結(jié)果可為我國(guó)煤礦安全開(kāi)采提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與步驟

1.1 煤樣制備

本次試驗(yàn)所用煤樣均取自河南安陽(yáng)主焦礦的主采煤層，該煤層屬于焦煤，呈灰黑色，強(qiáng)玻璃光澤，黑褐色條痕，具有中灰、高揮發(fā)分、特低硫分、高發(fā)熱量等特點(diǎn)。將現(xiàn)場(chǎng)取到的大塊煤樣經(jīng)河南理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室加工成φ25 mm×50 mm圓柱體。煤樣加工好之后，放置于105 ℃環(huán)境的恒溫箱中干燥24 h，然后編號(hào)待用。制備好的煤樣如圖1所示，工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)煤樣Fig.1 Experimental coal samples

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與系統(tǒng)

筆者利用受載煤巖工業(yè)CT掃描系統(tǒng)(型號(hào)為phoenix v|tome|x s)開(kāi)展煤樣內(nèi)部裂隙的發(fā)育與擴(kuò)展觀測(cè)試驗(yàn)，該設(shè)備隸屬于河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要由工業(yè)顯微CT掃描試驗(yàn)系統(tǒng)(圖2(a))和煤巖三軸加載系統(tǒng)組成(圖2(b))。所用到CT掃描系統(tǒng)配置了2個(gè)X射線(xiàn)管，一個(gè)是高功率微米級(jí)射線(xiàn)管，最大功率320 W，最大管電壓240 kV，細(xì)節(jié)分辨力≤2 μm，主要用于大尺寸試樣的掃描；另一個(gè)是高分辨率納米級(jí)射線(xiàn)管，最大功率15 W，最大管電壓180 kV，細(xì)節(jié)分辨力≤0.5 μm，主要用于小尺寸試樣的掃描。受載煤巖工業(yè)CT掃描系統(tǒng)不僅能對(duì)非受載樣品的細(xì)觀結(jié)構(gòu)掃描，而且能夠?qū)崿F(xiàn)受載樣品在破壞過(guò)程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

設(shè)備的煤巖三軸加載系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)單軸和常規(guī)三軸壓縮測(cè)試，以及常規(guī)三軸條件下的氣體滲流試驗(yàn)。軸向最大載荷100 kN，最大圍壓30 MPa，最大氣體壓力10 MPa，樣品規(guī)格φ25 mm×50 mm和φ50 mm×100 mm。煤巖三軸滲流加載掃描系統(tǒng)如圖2(c)所示，煤樣的軸向荷載由軸壓泵驅(qū)動(dòng)水來(lái)控制加載缸提供，軸向壓力值在控制軟件界面中實(shí)時(shí)顯示；圍壓由圍壓泵驅(qū)動(dòng)水來(lái)提供，可通過(guò)控制軟件上的窗口來(lái)設(shè)定；瓦斯氣體由高壓瓦斯罐提供，瓦斯壓力則通過(guò)減壓閥和進(jìn)氣管路中的壓力表雙重控制調(diào)節(jié)，且通過(guò)軟件界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出口的氣體壓力，可有效保證進(jìn)入煤樣的瓦斯壓力為預(yù)設(shè)目標(biāo)。

圖2 受載煤巖工業(yè)CT掃描系統(tǒng)Fig.2 Industrial CT scanning system of loaded coal and rock

1.3 試驗(yàn)方案與步驟

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取3個(gè)尺寸為φ25 mm×50 mm的煤樣，并編號(hào)A1～A3，設(shè)定圍壓為3 MPa，瓦斯壓力p分別為0，0.5，1.5 MPa。試驗(yàn)開(kāi)始前，將作用在煤樣上的荷載施加到預(yù)設(shè)值，并確保瓦斯達(dá)到吸附平衡后開(kāi)始試驗(yàn)。加載過(guò)程中保持圍壓和瓦斯壓力恒定不變，在受載狀態(tài)下，對(duì)處于不同應(yīng)力荷載水平下的煤樣進(jìn)行各個(gè)階段CT掃描,獲取煤樣內(nèi)部裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展信息。為了捕捉煤樣內(nèi)部裂隙的演化過(guò)程，全應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中的掃描次數(shù)一般不少于5次，具體試驗(yàn)步驟：

(1)設(shè)備開(kāi)機(jī)預(yù)熱。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度滿(mǎn)足CT掃描設(shè)備工作環(huán)境要求后，打開(kāi)設(shè)備主電源，XsControl軟件自動(dòng)啟動(dòng)，并執(zhí)行對(duì)當(dāng)前射線(xiàn)管抽真空，待真空度小于0.002 Pa時(shí)，執(zhí)行warmup選項(xiàng)開(kāi)始熱機(jī)，熱機(jī)完成時(shí)所有指示燈由紅色變?yōu)榫G色，此時(shí)設(shè)備可以正常工作。

(2)采集軟件初始化。在CT掃描設(shè)備機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)上無(wú)樣品時(shí)，打開(kāi)CT數(shù)據(jù)采集軟件datos|acq，進(jìn)行軟件初始化。采集軟件初始化結(jié)束后，便可以開(kāi)始安裝試驗(yàn)樣品。

(3)煤樣安裝。將試驗(yàn)煤樣固定在碳纖維復(fù)合材料的橡膠套管中，然后裝入三軸夾持器內(nèi)并連接上軸壓加載缸。將組裝好的夾持器和軸壓加載缸整體安裝固定到CT機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)上，并連接好軸壓、圍壓以及氣壓管路。通過(guò)控制X，Y，Z軸操作桿，調(diào)節(jié)樣品位置，以保證樣品旋轉(zhuǎn)360°都能占據(jù)探測(cè)器中央，確保達(dá)到最佳掃描精度。

(4)CT掃描參數(shù)選取。CT成像質(zhì)量由電壓、電流、曝光時(shí)間、重疊圖片數(shù)量、采集圖片數(shù)量等參數(shù)決定，選取合適的射線(xiàn)管電壓和電流值使X射線(xiàn)能夠穿透樣品。本次試驗(yàn)選取的掃描電壓和電流分別為190 kV和240 μA，曝光時(shí)間為2 000 ms，重疊圖片數(shù)量為1，每次掃描共采集圖片1 500張，圖像分辨率為27 μm。

(5)含瓦斯煤CT實(shí)時(shí)掃描。啟動(dòng)三軸加載設(shè)備，打開(kāi)三軸加載控制軟件，并設(shè)置好本次試驗(yàn)所需的加載參數(shù)，然后點(diǎn)擊開(kāi)始，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將軸壓加到設(shè)置的預(yù)定壓力，加載圍壓到3 MPa后暫停，之后手動(dòng)加載孔隙瓦斯壓力至試驗(yàn)值。待煤樣吸附瓦斯平衡后，以0.1 mm/min的速度均勻加載軸壓直至煤樣破壞。在需要掃描的應(yīng)力點(diǎn)停止加載，利用CT掃描設(shè)備對(duì)煤樣進(jìn)行原位掃描，掃描結(jié)束后繼續(xù)加載至下一個(gè)掃描點(diǎn)，如此往復(fù)直至試驗(yàn)結(jié)束。最后，將三軸加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)從三軸加載控制軟件數(shù)據(jù)庫(kù)直接導(dǎo)出。

(6)圖像重建及處理。利用CT數(shù)據(jù)重建軟件phoenix datos|x2定義樣品CT重建區(qū)域，設(shè)置好重建參數(shù)，對(duì)采集到的原始圖像進(jìn)行射束硬化校正、自動(dòng)幾何校正以及偽影補(bǔ)償?shù)炔僮饕垣@取更好的成像質(zhì)量。圖像重建完成后，利用VG Studio MAX圖像處理軟件對(duì)其進(jìn)行圖像分析，提取不同掃描點(diǎn)的煤樣內(nèi)部裂隙信息并進(jìn)行分析，從而得到煤樣裂隙的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

2 含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)分析

不同瓦斯壓力下受載煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示，其中紅色標(biāo)記點(diǎn)(1～6)表示加載過(guò)程中的掃描點(diǎn)。由圖3可以看出，圍壓一定的條件下，不同瓦斯壓力下煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)走勢(shì)大致相同，均經(jīng)歷了5個(gè)變形階段，即初始?jí)好茈A段(o～a)、線(xiàn)彈性變形階段(a～b)、塑性屈服階段(b～c)、峰值破壞階段(c～d)以及殘余變形階段(d至曲線(xiàn)末端)。初始?jí)好茈A段，其特征是應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈上凹型，即煤樣體積隨應(yīng)力的增大而減小，裂隙發(fā)生一定程度上的閉合；線(xiàn)彈性變形階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)基本呈直線(xiàn)，服從胡克定律；塑性屈服階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)總體上開(kāi)始偏離直線(xiàn)，煤樣內(nèi)部將產(chǎn)生不可逆的塑性變形；峰值破壞階段煤樣承載力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，并伴隨著應(yīng)力大幅下跌，變形表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移；殘余變形階段應(yīng)力水平維持在較低狀態(tài)，煤樣具有一定的殘余強(qiáng)度，變形逐漸向延性發(fā)展。

根據(jù)圖4可知，煤樣在無(wú)瓦斯條件下，峰值強(qiáng)度、彈性模量和殘余強(qiáng)度分別為41.63 MPa，3.033 GPa，19.51 MPa。在0.5 MPa瓦斯壓力作用下，峰值強(qiáng)度、彈性模量和殘余強(qiáng)度依次為34.48 MPa，2.557 GPa，16.62 MPa，相較于無(wú)瓦斯條件下的測(cè)試結(jié)果，峰值強(qiáng)度、彈性模量和殘余強(qiáng)度分別減小了17.16%，15.69%，14.81%。當(dāng)瓦斯壓力水平為1.5 MPa時(shí)，峰值強(qiáng)度、彈性模量和殘余強(qiáng)度依次為25.93 MPa，2.017 GPa，12.39 MPa，相較于無(wú)瓦斯條件下的測(cè)試結(jié)果，峰值強(qiáng)度、彈性模量和殘余強(qiáng)度分別減小了37.71%，33.50%，36.49%。

圖3 含瓦斯煤應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Stress-strain curves of the coal samples containing gas

圖4 瓦斯壓力與煤體力學(xué)參數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between gas pressure and coal mechanical parameters

從圖4結(jié)果可以看出，擬合系數(shù)R2均接近于1，表明煤樣的峰值強(qiáng)度、彈性模量以及殘余強(qiáng)度均隨瓦斯壓力增加而線(xiàn)性減小。由此可見(jiàn)，瓦斯對(duì)煤樣力學(xué)性質(zhì)的弱化作用明顯。

3 不同瓦斯壓力下的二維裂隙演化特征分析與表征

3.1 不同瓦斯壓力下二維裂隙演化特征分析

顯微工業(yè)CT掃描可獲取煤樣自上至下每個(gè)斷面層位的實(shí)時(shí)掃描信息，筆者通過(guò)選取煤樣中間部位的掃描斷層CT圖像作為代表性?huà)呙杞Y(jié)果，并利用VG Studio MAX
圖像分析軟件對(duì)煤樣內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和表征。在三軸加載條件下，對(duì)3個(gè)煤樣在不同應(yīng)力水平下分別進(jìn)行了6次掃描測(cè)試，掃描的處理結(jié)果如圖5所示。根據(jù)工業(yè)CT掃描原理可知，CT掃描圖像中不同灰度值對(duì)應(yīng)不同的材料密度，灰度值較小代表顏色較深和密度較小[31]，圖像上最暗的區(qū)域表示密度最小的裂隙，深灰色區(qū)域表示煤基質(zhì)，白色區(qū)域表示高密度的礦物雜質(zhì)?；叶戎翟叫〉膮^(qū)域顏色越深，對(duì)應(yīng)區(qū)域的材料密度越小；灰度值越大的區(qū)域顏色越淺，對(duì)應(yīng)區(qū)域的材料密度越大。

圖5展示了3個(gè)煤樣在不同變形階段的二維裂隙動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。A1煤樣內(nèi)部的二維裂隙演化如圖5(a)所示，從掃描結(jié)果來(lái)看，CT掃描切片中的白色區(qū)域較多，表明煤樣內(nèi)部的高密度礦物質(zhì)含量較高。根據(jù)A1煤樣的第1～4次掃描結(jié)果來(lái)看，從初始狀態(tài)到塑性屈服階段過(guò)程中煤樣內(nèi)部尚未產(chǎn)生宏觀裂隙。峰值破壞階段的第5次掃描結(jié)果顯示，煤樣破壞后導(dǎo)致應(yīng)力急劇下降，煤樣內(nèi)部出現(xiàn)2條明顯的交叉裂隙，宏觀裂隙形成。由第6次掃描結(jié)果可知，進(jìn)入殘余變形階段后，煤樣內(nèi)部形成的宏觀裂隙繼續(xù)擴(kuò)展并連通，最終形成了與條狀礦物質(zhì)帶大致平行的狹長(zhǎng)裂隙破壞帶，裂隙寬度和破壞程度增加，裂隙發(fā)育更加充分。

由圖5(b)的第1次掃描結(jié)果可知，A2煤樣內(nèi)部含有1條原始微裂隙；持續(xù)施加軸向應(yīng)力，煤樣在經(jīng)歷了壓密階段進(jìn)入彈性變形階段(第2次掃描)，原始裂隙長(zhǎng)度變短，說(shuō)明裂隙發(fā)生了明顯閉合現(xiàn)象。在塑性屈服階段(第3次掃描)，A2煤樣內(nèi)部原始裂隙基本閉合，同時(shí)煤樣邊緣位置新裂隙開(kāi)始萌生發(fā)育。抵達(dá)應(yīng)力峰值后(第4次掃描)，煤樣發(fā)生失穩(wěn)破壞，局部裂隙數(shù)量急劇增加，A2煤樣新生裂隙擴(kuò)展成分叉型裂隙。峰值過(guò)后，煤樣處于較低應(yīng)力水平狀態(tài)的殘余變形階段(第5，6次掃描)，A2煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)在第5次掃描時(shí)，形成的交叉裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展貫通且裂隙寬度顯著增加；第6次掃描時(shí)，幾條新生的宏觀裂隙使之前形成的交叉裂隙形態(tài)發(fā)生顯著改變，裂隙之間互相交織連通，最終形成了復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)圖5(c)可以看出，A3煤樣中間斷層在前2次掃描均未有宏觀裂隙出現(xiàn)，在塑性屈服階段進(jìn)行了第3次掃描，此時(shí)，A3煤樣內(nèi)部初步形成了一個(gè)相互交錯(cuò)的網(wǎng)狀裂隙；到達(dá)峰值破壞階段(第4次掃描)后，A3煤樣裂隙迅速發(fā)育，裂隙寬度和數(shù)量進(jìn)一步增加；殘余變形階段的第5，6次掃描結(jié)果顯示，A3煤樣的破壞程度和裂隙寬度均顯著增加，裂隙相互連通、相互交織，形成了更加復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

縱向?qū)Ρ葓D5中的第6次掃描結(jié)果，A1煤樣(無(wú)瓦斯壓力影響)內(nèi)部有3條明顯的主裂隙，裂隙網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單；A2煤樣(瓦斯壓力0.5 MPa)的主裂隙相互交錯(cuò)形成了“井”字型裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙網(wǎng)絡(luò)比A1煤樣較為復(fù)雜；A3煤樣(瓦斯壓力1.5 MPa)的裂隙相互交織、相互貫通，裂隙網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜。由此可見(jiàn)，隨著瓦斯壓力的增大，破壞后煤樣內(nèi)部裂隙的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度逐步增加，表明瓦斯壓力的存在加劇了裂隙的擴(kuò)展和貫通。

3.2 不同瓦斯壓力下二維裂隙擴(kuò)展響應(yīng)量化分析

圖像閾值分割是對(duì)煤巖裂隙結(jié)構(gòu)信息提取、定量分析的前提，常見(jiàn)的閾值分割法主要有最大類(lèi)間方差法[32]、分水嶺分割法[33]、最大熵法[34]以及孔隙度反推閾值的分割方法[35]。圖6為對(duì)圖5中CT圖像利用ImageJ開(kāi)源軟件進(jìn)行二值化處理后的結(jié)果，其中白色部分為裂隙。

圖6 不同變形階段CT掃描圖像的二值化處理結(jié)果Fig.6 Binarization results of CT scan images at different deformation stages

由于CT掃描圖像是一種基于像素的灰度圖像，二值化之后的CT圖像中只剩下2個(gè)灰度值的區(qū)域，黑色區(qū)域?yàn)槊夯|(zhì)部分，白色區(qū)域?yàn)榱严恫糠?。參照LEMAITRE教授定義損傷的方法[36]，筆者提出裂隙像素比的定義：裂隙像素比即圖像中裂隙所占像素點(diǎn)數(shù)量與總像素點(diǎn)數(shù)量的比值。

(1)

式中，Px為裂隙像素比；N(Pf)為裂隙像素點(diǎn)的數(shù)量；N(Pt)為圖像總像素點(diǎn)的數(shù)量。

在煤樣變形過(guò)程中，裂隙的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展會(huì)引起裂隙像素比的動(dòng)態(tài)變化，因此裂隙像素比可以直觀反映出裂隙的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。二維裂隙分形維數(shù)則可以表征煤樣內(nèi)部裂隙的數(shù)量和分布復(fù)雜程度，有多種計(jì)算方式，其中計(jì)盒維數(shù)法是一種常用的計(jì)算圖形分維數(shù)的實(shí)用方法，其原理是用邊長(zhǎng)為r的小盒子將分形曲線(xiàn)覆蓋起來(lái)，則有些小盒子是空的，有些小盒子覆蓋了曲線(xiàn)的一部分，將非空小盒子數(shù)記為N(r)，則

(2)

通過(guò)用不同尺寸的小盒子覆蓋得到一系列r和N(r)數(shù)據(jù)，然后在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中用最小二乘法擬合直線(xiàn)，所得直線(xiàn)斜率即計(jì)盒分形維數(shù)D。在圖6二值化結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)裂隙像素比的定義式(1)和計(jì)盒分形維數(shù)定義式(2)可分別計(jì)算得到不同狀態(tài)下煤樣截面灰度圖像的二維裂隙像素比和二維分形維數(shù)(表2)。

圖7為二維裂隙像素比和二維分形維數(shù)的變化曲線(xiàn)。由圖7可以看出，在三軸加載條件下，2者之間的變化趨勢(shì)基本一致，并表現(xiàn)出了較明顯的3個(gè)發(fā)展階段。圖7中青色區(qū)域代表裂隙減小或保持不變(沒(méi)有初始宏觀裂隙時(shí))階段，A2煤樣裂隙閉合導(dǎo)致了二維裂隙像素比和分形維數(shù)的減小，而A1，A3煤樣中未見(jiàn)初始宏觀裂隙，當(dāng)軸向荷載不斷增加時(shí)，二維裂隙像素比和分形維數(shù)在該區(qū)域內(nèi)保持不變。洋紅色區(qū)域?yàn)榧眲≡鲩L(zhǎng)階段，由于不斷的能量積累，煤樣中間截面的裂隙在短期內(nèi)迅速形成并快速發(fā)育和擴(kuò)展，導(dǎo)致裂隙像素比和分形維數(shù)急劇增大。黃色區(qū)域代表了增速放緩階段，裂隙繼續(xù)擴(kuò)展貫通，但增幅有所減小，使得二維裂隙像素比和分形維數(shù)緩慢增加，最終達(dá)到最大值。

為探索煤樣內(nèi)部裂隙受瓦斯壓力影響的擴(kuò)展規(guī)律，將3個(gè)煤樣完全破壞后(即第6次掃描結(jié)果)的二維裂隙像素比和分形維數(shù)分別與瓦斯壓力進(jìn)行擬合(圖8)。從擬合結(jié)果來(lái)看，隨著瓦斯壓力的升高，煤樣完全破壞后的裂隙像素比從3.207%提高到了7.401%，二維分形維數(shù)從1.501 8提高到了1.867 0，兩者均呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，且線(xiàn)性相關(guān)性很強(qiáng)。裂隙像素比和分形維數(shù)越大表示裂隙越發(fā)育、裂隙網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，瓦斯壓力與裂隙數(shù)量、裂隙網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度之間存在線(xiàn)性關(guān)系，再次印證了瓦斯壓力的升高有助于促進(jìn)裂隙數(shù)量和裂隙網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的增加。

表2 煤樣CT掃描中裂隙像素比和二維分形維數(shù)的計(jì)算結(jié)果

圖7 煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中二維裂隙的變化規(guī)律Fig.7 Variation law of 2D fracture in full stress-strain processes of coal samples

圖8 瓦斯壓力與二維裂隙擴(kuò)展的關(guān)系Fig.8 Relationship between gas pressure and 2D fracture propagation

4 不同瓦斯壓力下的三維裂隙演化特征分析與表征

4.1 不同瓦斯壓力下三維裂隙演化特征分析

二維掃描圖像只能反映煤體內(nèi)部裂隙的局部信息，而三維結(jié)構(gòu)圖能夠完整、直觀地呈現(xiàn)裂隙在空間的分布形態(tài)，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤樣內(nèi)部整體裂隙結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)。因此，利用phoenix datos|x2軟件對(duì)原始二維切片進(jìn)行三維重構(gòu)，并將重建優(yōu)化后的三維數(shù)字煤心導(dǎo)入VG Studio MAX圖像分析處理軟件中進(jìn)行可視化處理。圖9給出了3個(gè)試樣從第1～6次掃描過(guò)程中煤樣內(nèi)部三維裂隙演化分布的結(jié)果,不同顏色代表著不同體積的裂隙，紅色區(qū)域代表著體積較大的裂隙，藍(lán)色區(qū)域代表體積較小的裂隙，綠色區(qū)域代表體積很小的裂隙。

從圖9(a)的第1次掃描結(jié)果來(lái)看，A1煤樣內(nèi)部分布著不同體積大小的原始裂隙，總裂隙體積為10.05 mm3。第2～3次掃描對(duì)應(yīng)于煤樣的彈性變形階段，隨著軸向荷載的不斷增加，煤樣內(nèi)部原始裂隙閉合消失，并且未出現(xiàn)新裂隙的萌生，裂隙總體積降至0，降幅明顯。進(jìn)入塑性屈服階段后(第4次掃描)，煤樣的變形不斷增加，并伴隨著新的微裂隙的產(chǎn)生，裂隙主要集中在煤樣上半部，下半部也有小裂隙開(kāi)始萌生、發(fā)育、擴(kuò)展，導(dǎo)致裂隙總體積不斷上升，達(dá)到33.73 mm3。應(yīng)力峰值階段時(shí)(第5次掃描)，煤樣內(nèi)部裂隙快速發(fā)展，煤樣內(nèi)部裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、連通，并且伴隨著大量新生裂隙的快速增長(zhǎng)、發(fā)育，同時(shí)，在煤樣的對(duì)角線(xiàn)中部位置，顯現(xiàn)了一條傾斜的主裂隙，內(nèi)部損傷不斷積累，裂隙體積增幅明顯，升至98.04 mm3。峰值過(guò)后，煤樣整體失穩(wěn)破壞，應(yīng)力開(kāi)始大幅下跌，進(jìn)入殘余變形階段(第6次掃描)，煤體內(nèi)部裂隙進(jìn)一步充分?jǐn)U展、匯合，裂隙體積增幅顯著，達(dá)到最大值247.15 mm3，并且傾斜的主裂隙沿著對(duì)角線(xiàn)延伸擴(kuò)展，直至貫通整個(gè)煤樣，形成一條宏觀的破壞主裂隙，并在三維立體空間中形成了一個(gè)復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

根據(jù)圖9(b)，(c)可知，初始加載階段(第1次掃描)，A2煤樣內(nèi)部的裂隙較A3更為發(fā)育，A2和A3煤樣的裂隙體積分別為8.92 mm3和0.32 mm3；進(jìn)入彈性變形階段后(第2次掃描)，A2煤樣和A3煤樣內(nèi)部裂隙部分閉合，裂隙總體積分別呈現(xiàn)出不同程度的減小，裂隙體積分別減至為0.84 mm3和0.1 mm3；塑性屈服階段進(jìn)行第3次掃描，此時(shí)煤樣閉合裂隙又重新張開(kāi)，新裂隙開(kāi)始萌生發(fā)育，裂隙體積均增加，A2煤樣裂隙體積增至18.92 mm3，A3煤樣裂隙體積增至158.90 mm3，增幅明顯，并在其內(nèi)部有一條清晰可見(jiàn)的主裂隙從煤樣側(cè)壁延伸至底面與側(cè)面的交界處；隨著軸向荷載的繼續(xù)增加，超過(guò)煤樣的三軸抗壓強(qiáng)度，進(jìn)入峰值破壞階段(第4次掃描)后，煤樣內(nèi)部裂隙沿薄弱面開(kāi)始加速擴(kuò)展貫通，A2煤樣內(nèi)部開(kāi)始顯現(xiàn)1條貫穿上下端面的主裂隙，裂隙體積迅速增至91.97 mm3，A3煤樣的主裂隙則進(jìn)一步向其他空間擴(kuò)張，沿著煤樣側(cè)壁至底端面位置出現(xiàn)了2個(gè)片狀主裂隙，裂隙體積增至272.98 mm3；煤體失穩(wěn)破壞后，伴隨著應(yīng)力的大幅下跌，進(jìn)入殘余變形階段(第5，6次掃描)，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、匯合、貫通，裂隙破壞尺度和裂隙寬度均增加，裂隙分散發(fā)展，裂隙網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，A2和A3煤樣裂隙體積增加至最大值，分別達(dá)到537.98 mm3和1 114.52 mm3。

縱向?qū)Ρ葓D9中的第6次掃描結(jié)果，不難看出在不同瓦斯壓力水平下，3個(gè)試驗(yàn)煤樣均呈現(xiàn)出剪切滑移破壞，A1煤樣主裂隙沿著對(duì)角線(xiàn)貫通，A2煤樣形成了貫穿上下2個(gè)端面的片狀裂隙網(wǎng)絡(luò)，A3煤樣則有2個(gè)明顯的片狀主裂隙從煤樣側(cè)壁貫穿至底面。隨著瓦斯壓力的增大，破壞后煤樣內(nèi)部裂隙的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度也明顯增加，進(jìn)一步說(shuō)明瓦斯壓力水平對(duì)裂隙演化影響顯著。

4.2 不同瓦斯壓力下三維裂隙擴(kuò)展響應(yīng)量化分析

在壓縮荷載的作用下，煤樣內(nèi)部裂隙的演化是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，煤樣裂隙率的大小可以直觀反映裂隙隨荷載變化的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，裂隙密度則可以表征煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育情況[37]。三維裂隙的分形維數(shù)類(lèi)似于二維裂隙分形維數(shù)，區(qū)別在計(jì)算三維分形維數(shù)需要用立方體小盒子來(lái)覆蓋三維裂隙，用三維分形維數(shù)來(lái)表征煤體空間孔裂隙的含量及分布復(fù)雜程度是合理可信的，對(duì)此WANG等[28, 38]進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的報(bào)道。

利用圖像處理軟件對(duì)煤樣內(nèi)部分布的裂隙進(jìn)行精確提取計(jì)算，得到裂隙密度、裂隙率和三維分形維數(shù)(表3)。裂隙密度、裂隙率和三維分形維數(shù)的變化曲線(xiàn)如圖10所示，可以看出，3者之間的變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)出較明顯的3個(gè)階段。圖10中青色區(qū)域代表緩慢下降階段，裂隙閉合導(dǎo)致了裂隙密度、裂隙率和三維分形維數(shù)的減??；黃色區(qū)域代表緩慢增長(zhǎng)階段，隨著變形的增加，裂隙逐漸擴(kuò)展，煤樣裂隙密度、裂隙率和三維分形維數(shù)逐漸增加；洋紅色區(qū)域代表急劇增長(zhǎng)階段，隨著軸向應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度或者峰值強(qiáng)度，煤體失穩(wěn)破壞，宏觀裂隙在短時(shí)間內(nèi)迅速形成并擴(kuò)展，大幅提高了裂隙密度、裂隙率和三維分形維數(shù)。

在含瓦斯煤的變形破壞過(guò)程中，隨著瓦斯壓力水平的變化，其內(nèi)部的孔裂隙破壞程度也會(huì)有所改變。對(duì)本次試驗(yàn)所用3個(gè)煤樣完全破壞后(第6次掃描結(jié)果)的裂隙密度、裂隙率、裂隙三維分形維數(shù)與瓦斯壓力進(jìn)行了擬合(圖11)，可以看出隨著瓦斯壓力水平的提高，裂隙密度、裂隙率和裂隙三維分形維數(shù)逐漸增大，依次由0.345 68，1.01%，2.223 34增至1.55，4.54%，2.529 82，增幅明顯。究其原因，瓦斯氣體的存在宏觀上劣化了煤體的力學(xué)性質(zhì)，瓦斯壓力越大煤體越容易破壞[39-40]。隨著瓦斯壓力的增大，煤體的力學(xué)性質(zhì)不斷劣化，內(nèi)部破壞程度增強(qiáng)，且裂隙網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度增大，相應(yīng)的裂隙密度、裂隙率和裂隙三維分形維數(shù)隨之增大。從圖11可以看出，煤樣的裂隙密度、裂隙率、裂隙三維裂隙分形維數(shù)均隨著瓦斯壓力的增加而線(xiàn)性增大。

表3 煤樣裂隙密度、裂隙率和三維分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖10 煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程三維裂隙變化規(guī)律Fig.10 Variation law of three-dimensional fractures in full stress-strain process of the coal samples

圖11 瓦斯壓力與三維裂隙擴(kuò)展的關(guān)系Fig.11 Relationship between gas pressure and three dimensional fracture propagation

4.3 瓦斯壓力對(duì)煤體弱化機(jī)理分析

(3)

式中，α為Biot系數(shù)。

根據(jù)摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論，采用等效有效應(yīng)力后，摩爾應(yīng)力圓的圓心σm和半徑τm變?yōu)?/p>

(4)

式中，σ1和σ3分別為不含瓦斯煤的最大、最小主應(yīng)力。

由式(4)可知，含瓦斯煤的強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)不變的條件下，孔隙瓦斯壓力的存在，會(huì)引起摩爾應(yīng)力圓的位置變化，而不會(huì)引起摩爾應(yīng)力圓的大小變化，如圖12所示，相當(dāng)于原來(lái)的摩爾應(yīng)力圓向左平移了αp。這一現(xiàn)象表明瓦斯壓力的存在讓含瓦斯煤的摩爾應(yīng)力圓更加接近含瓦斯煤的剪切破壞極限，說(shuō)明含瓦斯煤比不含瓦斯更容易破壞，從這個(gè)角度說(shuō)，瓦斯壓力的存在一定程度上弱化了含瓦斯煤的力學(xué)性質(zhì)。

根據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，含瓦斯煤的強(qiáng)度準(zhǔn)則可表達(dá)為

(5)

式中，φ和c分別為含瓦斯煤的內(nèi)摩擦角和黏聚力。

研究發(fā)現(xiàn)，瓦斯壓力的增加不但會(huì)導(dǎo)致含瓦斯煤峰值強(qiáng)度和彈性模量的降低[42-44]，還會(huì)引起黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小[45-46]。由式(5)可知，黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小均會(huì)導(dǎo)致含瓦斯煤力學(xué)強(qiáng)度的降低，這些研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了瓦斯壓力的存在對(duì)含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)的劣化作用。因此，結(jié)合圖12，瓦斯壓力對(duì)含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)的綜合劣化作用可用圖13來(lái)表示。由圖13可知，隨著瓦斯壓力增加，含瓦斯煤的力學(xué)強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸減小，揭示了瓦斯壓力對(duì)含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)的弱化機(jī)理。

圖12 瓦斯壓力對(duì)煤體強(qiáng)度影響示意[41]Fig.12 Influence of gas pressure on coal strength[41]

圖13 瓦斯壓力對(duì)含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)的綜合劣化作用Fig.13 Comprehensive deterioration effect of gas pressure on mechanical properties of gas-bearing coal

同時(shí)，由于瓦斯氣體的存在，根據(jù)表面物理化學(xué)理論，含瓦斯煤內(nèi)部裂隙表面吸附瓦斯氣體后，會(huì)導(dǎo)致裂隙表面能降低，由Griffith理論可推導(dǎo)出吸附瓦斯對(duì)煤體強(qiáng)度的影響公式[47]為

(6)

式中，σc為煤的單軸抗壓強(qiáng)度；σ0為煤在真空條件下的強(qiáng)度；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；γ0為煤在真空條件下的表面自由能；V0為氣體摩爾體積；S為比表面積；V為瓦斯吸附量。

由式(6)可知，隨著瓦斯壓力的增大，煤的強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。除了吸附瓦斯氣體對(duì)煤的強(qiáng)度有蝕損作用外，孔裂隙中的游離瓦斯氣體對(duì)煤體的強(qiáng)度也會(huì)有影響。瓦斯壓力的存在使煤體中產(chǎn)生附加的膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致裂隙尖端產(chǎn)生附加拉應(yīng)力區(qū)(圖14)。瓦斯壓力的作用相當(dāng)于在煤體中作用等強(qiáng)度的拉應(yīng)力，由于煤體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，因此瓦斯壓力作用下的煤體更容易發(fā)生破壞；在游離瓦斯氣體的氣楔作用下，煤體積發(fā)生膨脹，煤基質(zhì)間的黏聚力也隨之減弱。所以，瓦斯的吸附和氣楔綜合效應(yīng)對(duì)含瓦斯煤的非力學(xué)和力學(xué)作用都會(huì)從宏觀上以峰值強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)的減小呈現(xiàn)出來(lái)。

圖14 裂隙尖端瓦斯氣體的吸附和氣楔作用Fig.14 Gas adsorption and gas wedge action at crack tip in coal

5 結(jié) 論

(1)三軸試驗(yàn)中，含瓦斯煤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可分為初始?jí)好茈A段、線(xiàn)彈性變形階段、塑性屈服階段、峰值破壞階段以及殘余變形階段。從宏觀角度來(lái)看，瓦斯壓力水平對(duì)煤的峰值強(qiáng)度、彈性模量以及殘余強(qiáng)度都有明顯的弱化作用，呈現(xiàn)出線(xiàn)性遞減的關(guān)系。

(2)全應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中，煤樣斷面的CT掃描圖像可以從二維角度反映瓦斯壓力作用下含瓦斯煤在不同變形階段裂隙動(dòng)態(tài)變化的真實(shí)特征。分析結(jié)果表明，裂隙二維分形維數(shù)和裂隙像素比隨著軸向載荷的增加表現(xiàn)出先減小或不變(沒(méi)有初始宏觀裂隙時(shí))再加速增大后增速放緩的總體趨勢(shì)；瓦斯壓力促進(jìn)了裂隙發(fā)育擴(kuò)展，破壞后含瓦斯煤的裂隙二維分形維數(shù)和裂隙像素比均隨著瓦斯壓力的增大而線(xiàn)性遞增。

(3)相對(duì)于二維斷面裂隙而言，空間三維裂隙結(jié)構(gòu)能更加準(zhǔn)確直觀地反映出瓦斯壓力作用下含瓦斯煤在變形破壞中的裂隙形態(tài)和分布情況。從裂隙密度、裂隙率和裂隙三維分形維數(shù)的變化規(guī)律可知，含瓦斯煤的三維裂隙變化分為3個(gè)階段，即：緩慢減小階段、緩慢增長(zhǎng)階段、加速增長(zhǎng)階段，與二維裂隙變化略有差異，但總體趨勢(shì)都是先減小后增大；隨著瓦斯壓力增大，裂隙數(shù)量和空間網(wǎng)絡(luò)形態(tài)也越復(fù)雜，三維裂隙分形維數(shù)、裂隙密度和裂隙率均呈現(xiàn)出線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，與二維裂隙CT分析結(jié)果一致。

(4)瓦斯氣體的非力學(xué)作用主要是瓦斯的吸附效應(yīng)，降低了孔裂隙的表面能，從而弱化了含瓦斯煤的力學(xué)性質(zhì)；瓦斯氣體的力學(xué)作用主要體現(xiàn)在瓦斯氣體在煤體中所產(chǎn)生氣楔作用，該作用會(huì)導(dǎo)致煤體內(nèi)的附加膨脹應(yīng)力場(chǎng)，膨脹應(yīng)力削弱了煤體中的有效應(yīng)力，減小了煤基質(zhì)間的黏聚力，造成了裂隙尖端的附加拉應(yīng)力區(qū)，最終導(dǎo)致了含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)的整體弱化。