煤巖單體及原生組合體變形損傷特性對(duì)比試驗(yàn)研究

蔡永博，王凱，徐超

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083； 2.共伴生能源精準(zhǔn)開(kāi)采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

我國(guó)以煤炭為主體的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期未變[1-4]。煤田賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，在開(kāi)采過(guò)程中易發(fā)生瓦斯突出、沖擊地壓等礦井災(zāi)害，多數(shù)礦井災(zāi)害不只是巖體和煤體的單體破壞，更多情況下是煤巖層狀組合系統(tǒng)的破壞[5-7]。

地層中煤巖層狀組合系統(tǒng)是由不同厚度、不同力學(xué)特性、不同滲透能力的多種組分結(jié)合而成的天然層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。在多組分巖性、尺寸和原生界面的結(jié)構(gòu)等因素的共同影響下，原生煤巖組合體系統(tǒng)特性與單一煤體、單一巖體性質(zhì)有很大區(qū)別，以原生煤巖組合體為研究對(duì)象探究礦井災(zāi)害防治機(jī)制更加貼近實(shí)際。研究原生煤巖組合體損傷變形機(jī)制是由地質(zhì)煤巖單體研究到地質(zhì)煤巖組合體系統(tǒng)研究的重要過(guò)渡，對(duì)礦井災(zāi)害防治具有重要意義[8-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤巖單體及人工組合體力學(xué)特性方面的研究成果豐富。楊磊等[10]對(duì)單軸條件下煤巖組合體的能量演化規(guī)律與破壞機(jī)制進(jìn)行了研究，表明煤巖組合體的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量介于純煤和巖石試件之間，且更接近于純煤試件。陳光波等[11]開(kāi)展了不同煤巖高度比的煤巖組合體加載試驗(yàn)，表明組合體破壞峰前總能量與煤巖高度比有關(guān)。聶百勝等[12]研究了煤巖組合體加載過(guò)程中力學(xué)性質(zhì)與電磁輻射特征之間的關(guān)系。陳巖等[13]運(yùn)用單軸循環(huán)加卸載方式對(duì)煤巖組合體變形及裂紋演化規(guī)律進(jìn)行了研究，探討了軸向裂紋應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系。張澤天等[14]、劉杰等[15]通過(guò)對(duì)不同組合方式煤巖組合體加載，分析了巖石強(qiáng)度及組合方式對(duì)組合試樣力學(xué)特性和破壞特征的影響，發(fā)現(xiàn)煤巖組合體破壞主要發(fā)生在煤體中。左建平等[7，16]分別對(duì)巖樣單體、煤樣單體及不同人工煤巖組合體進(jìn)行單軸力學(xué)試驗(yàn)及聲發(fā)射信號(hào)測(cè)試分析，獲得了不同人工煤巖組合體的變形及強(qiáng)度特征，初步揭示了巖石、煤、人工煤巖組合體的聲發(fā)射行為及時(shí)空演化機(jī)制。趙毅鑫等[17]通過(guò)單軸加載試驗(yàn)總結(jié)了煤巖組合體變形破壞前兆信息變化規(guī)律。Liu等[18]通過(guò)單軸加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤巖組合體中煤的強(qiáng)度與煤巖高度比和巖石強(qiáng)度有關(guān)。

學(xué)者們采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同界面形式組合體的力學(xué)特性做了一些研究。郭東明等[19-20]運(yùn)用擴(kuò)展有限元計(jì)算方法針對(duì)不同傾角煤巖組合體單軸條件下壓縮變形情況進(jìn)行了模擬，分析了單軸荷載下不同傾角煤巖組合體的破壞特征。Zhao等[21]針對(duì)不同界面效應(yīng)下的煤巖組合體的損傷演化機(jī)制進(jìn)行了模擬分析。曹吉?jiǎng)俚萚22]運(yùn)用RFPA 軟件對(duì)不同分形維數(shù)及不同傾角煤巖組合體力學(xué)特征和破壞機(jī)制進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)界面傾角及分形維數(shù)對(duì)組合體的破壞強(qiáng)度、破裂形式、彈性模量及損傷有明顯的影響。付斌等[23-24]模擬研究了不同圍壓條件下煤巖組合體力學(xué)特性及聲發(fā)射特征。趙善坤等[25]運(yùn)用RFPA2D對(duì)不同高度比和不同巖石強(qiáng)度、厚度、均質(zhì)性及接觸面角度下煤巖組合體的沖擊傾向性進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到了煤巖組合體沖擊傾向性高于純煤層或巖層測(cè)定結(jié)果的結(jié)論。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得的研究成果主要體現(xiàn)在以煤、巖單體及人工煤巖組合體為研究對(duì)象的力學(xué)特性、變形破壞特征等方面，對(duì)地層中煤和巖石天然結(jié)合的原生組合體的力學(xué)特性、變形破壞特征及前兆信息規(guī)律等方面的研究成果鮮有報(bào)道。本文擬通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)手段，以原生煤巖組合體、人工煤巖組合體及煤巖單體為研究對(duì)象，對(duì)比分析試樣損傷變形特征，探究原生煤巖組合體力學(xué)特性及聲發(fā)射行為規(guī)律，為進(jìn)一步揭示煤巖動(dòng)力災(zāi)害提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)加載設(shè)備為RLW-500G煤巖三軸蠕變-滲流試驗(yàn)系統(tǒng)[26]，該設(shè)備最大軸向加載壓力為 500 kN，可實(shí)現(xiàn)荷載控制和變形控制等加載方式，加載控制精度為±1%。變形控制范圍為軸向0～15 MPa、徑向0～7 MPa，控制精度為0.5%。

試驗(yàn)中聲發(fā)射測(cè)試設(shè)備為美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)，采樣頻率為5 000 kHz，閾值為46 Db。系統(tǒng)采用PCI-Ⅱ 板卡，具有處理速度快、噪聲低、閾值低、穩(wěn)定性可靠等特點(diǎn)。

1.2 試樣制備

本文試驗(yàn)樣品采自山西某礦，取樣地點(diǎn)為該礦8號(hào)煤層掘進(jìn)工作面，由于組合體界面易損壞，為保證樣品的完整性，在現(xiàn)場(chǎng)取得大塊煤巖組合體樣品，運(yùn)至地面后分割為小塊再加工成所需實(shí)驗(yàn)試樣。試樣加工按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的試驗(yàn)方法進(jìn)行，對(duì)試樣兩端及側(cè)面進(jìn)行打磨，保證不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。分別制備尺寸為φ50 mm×100 mm的煤樣和巖樣、φ50 mm×50 mm的煤樣和巖樣、φ50 mm×100 mm的天然組合體(本文稱(chēng)原生煤巖組合體)試樣。其中原生煤巖組合體樣品煤體部分和巖體部分高度均為50 mm，并將φ50 mm×50 mm的煤樣和巖樣自然拼接成φ50 mm×100 mm的組合體(本文稱(chēng)人工煤巖組合體)試樣備用。圖1為加工好的部分試樣，表1為試樣的基本物理參數(shù)。

圖1 樣品圖片

表1 試樣編號(hào)及參數(shù)

組合體剖面的界面放大如圖2所示，人工煤巖組合體界面相對(duì)光滑，而原生煤巖組合體界面表現(xiàn)出不規(guī)則形狀，存在較多不規(guī)則裂隙并有礦物質(zhì)填充(圖1中亮紋部分)。

圖2 組合體剖面的界面放大圖Fig.2 Interface magnification diagram of combination profiles

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)原煤煤樣、巖石試樣、原生煤巖組合體試樣及人工組合體試樣分別進(jìn)行單軸加載，試驗(yàn)采用載荷加載控制方式，速率為100 N/s，采用引伸計(jì)測(cè)量試樣的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，試驗(yàn)過(guò)程中同步采集試樣損傷破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。對(duì)于組合體試樣，軸向應(yīng)變測(cè)量值為煤體和巖體的軸向應(yīng)變之和，徑向應(yīng)變均為測(cè)量煤體部分的應(yīng)變值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試樣變形和強(qiáng)度特征

圖3為4種試樣在單軸加載條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖可知，單軸條件下巖石試樣的抗壓強(qiáng)度達(dá)到134 MPa，遠(yuǎn)高于其他試樣抗壓強(qiáng)度，人工煤巖組合體試樣、原生煤巖組合體試樣和煤樣抗壓強(qiáng)度依次降低，分別為35 MPa、22.6 MPa、19 MPa。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Stress-strain curves of specimens

相比于其他試樣，在達(dá)到峰值荷載之前，煤樣的軸向應(yīng)變最大，巖石的軸向應(yīng)變最小，這與二者的彈性模量差異有關(guān)。巖樣在彈性階段表現(xiàn)出較好的線(xiàn)彈性特征，在破壞階段峰后應(yīng)力跌落較快，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。

2個(gè)組合體軸向應(yīng)變值介于煤樣和巖樣之間，這可能是因?yàn)樵谙嗤瑧?yīng)力條件下，組合體中巖體部分的應(yīng)變小于煤體部分，同時(shí)組合體中煤體部分尺寸小于全煤試樣煤體尺寸。受不同介質(zhì)彈性模量差異與介質(zhì)尺寸效應(yīng)雙重影響，使相同應(yīng)力條件下組合體試樣軸向應(yīng)變值小于煤樣而大于巖樣。

對(duì)比原生煤巖組合體試樣和人工煤巖組合體試樣二者應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，發(fā)現(xiàn)相同應(yīng)力條件下人工組合體試樣軸向應(yīng)變大于原生煤巖組合體試樣。原生組合體界面與人工組合體界面結(jié)構(gòu)上的差異是出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變差異的主要原因，這可能與不同界面間的摩擦效應(yīng)等因素相關(guān)。

2.2 試樣聲發(fā)射(AE)特征

在加載過(guò)程中，同一試樣AE計(jì)數(shù)曲線(xiàn)與能量值曲線(xiàn)規(guī)律均能反映在加載過(guò)程中試樣的損傷情況，二者規(guī)律基本一致。4種試樣加載過(guò)程中應(yīng)力及AE計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4所示，由圖發(fā)現(xiàn)，4個(gè)試樣加載過(guò)程中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)曲線(xiàn)發(fā)展規(guī)律均表現(xiàn)出一定的階段性特征，具有相似性。

在加載初期，試樣內(nèi)部原生裂隙閉合及少量裂隙擴(kuò)展，試樣未發(fā)生大的破壞，試樣處于壓密階段，總體AE計(jì)數(shù)較低。

隨后試樣進(jìn)入彈性階段，AE計(jì)數(shù)基本穩(wěn)定。由于試樣所受應(yīng)力不足以形成新的微裂紋，聲發(fā)射事件主要由事件內(nèi)部閉合裂紋發(fā)生滑移產(chǎn)生。

隨著荷載的繼續(xù)增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值荷載的70%～80%時(shí)，試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量新生裂紋，有一定的塑性破壞，聲發(fā)射事件活躍，AE計(jì)數(shù)升高。

在達(dá)到峰值荷載時(shí)，試樣內(nèi)部微裂紋貫通并逐漸形成宏觀破裂面，試樣發(fā)生大的損傷破壞，AE計(jì)數(shù)最大。

從AE計(jì)數(shù)值角度對(duì)比，試樣的聲發(fā)射規(guī)律具有一定的差異性。在加載初期，巖樣內(nèi)部聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)較弱，這是因?yàn)橐话闱闆r下巖石內(nèi)部原生裂隙數(shù)量遠(yuǎn)小于煤體內(nèi)部原生裂隙，且?guī)r樣抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤樣，加載初期巖石內(nèi)部裂隙閉合和滑移活動(dòng)較少，因此巖樣AE計(jì)數(shù)較低。煤體原生裂隙多、抗壓強(qiáng)度低，在較低的荷載作用下，3個(gè)含煤試樣內(nèi)部裂隙出現(xiàn)較多的閉合和滑移活動(dòng)，AE計(jì)數(shù)值也相對(duì)較高。

對(duì)比原生煤巖組合體試樣及人工煤巖組合體試樣AE計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系，原生煤巖組合體試樣AE計(jì)數(shù)峰值略高于人工煤巖組合體。在達(dá)到峰值應(yīng)力之前，原生煤巖組合體更早地出現(xiàn)了較大的AE計(jì)數(shù)值，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)比2種組合體系統(tǒng)變量，原生界面的存在使原生煤巖組合體試樣在加載屈服破壞階段內(nèi)部裂隙發(fā)育貫通現(xiàn)象活躍，且早期損傷破壞主要發(fā)生在組合體界面或附近煤巖體。

3 結(jié) 論

本文對(duì)原生煤巖組合體、人工煤巖組合體及煤巖單體分別進(jìn)行了單軸加載試驗(yàn)及聲發(fā)射行為研究，得到以下結(jié)論：

(1) 單軸加載條件下，4種試樣單軸抗壓強(qiáng)度從大到小依次為巖樣、人工煤巖組合體試樣、原生煤巖組合體試樣和煤樣。組合體受載變形和抗壓強(qiáng)度受介質(zhì)間界面條件、不同介質(zhì)彈性模量差異與介質(zhì)尺寸效應(yīng)等多重因素影響。

(2) 原生界面影響下原生煤巖組合體在加載屈服破壞階段內(nèi)部裂隙發(fā)育貫通現(xiàn)象相對(duì)活躍，且早期損傷主要發(fā)生在原生煤巖組合體界面或附近煤巖體。

(3) 煤巖組合體界面的差異對(duì)煤巖組合體力學(xué)性質(zhì)、聲發(fā)射特征具有較大影響。