深部煤巖組合體破壞行為與非線(xiàn)性模型研究進(jìn)展

左建平，陳巖，宋洪強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京，100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；3.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作，454003；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，454003)

煤炭在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將是我國(guó)的主要消費(fèi)能源[1]。隨著我國(guó)煤炭需求量的大幅增加，淺部資源逐漸減少，深部煤炭開(kāi)采已趨于常態(tài)，但伴隨而來(lái)的是諸多礦山災(zāi)害問(wèn)題，如沖擊地壓災(zāi)害、煤與瓦斯突出、突水等[2?3]。沖擊地壓通常表現(xiàn)為煤巖體中所積聚的彈性能突然劇烈釋放，其發(fā)生的突然性和劇烈性對(duì)礦山安全構(gòu)成很大的威脅。沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度隨著礦井開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采范圍的擴(kuò)大而顯著增加。大量研究成果表明[4?7]：在淺部環(huán)境下，煤巖體的破壞主要受其自身裂隙結(jié)構(gòu)面的影響；而在深部環(huán)境下，煤巖體的破壞不僅受自身裂隙結(jié)構(gòu)面的影響，更重要的是受到煤巖組合體結(jié)構(gòu)的影響，再加上深部高應(yīng)力環(huán)境，很多沖擊地壓災(zāi)害實(shí)質(zhì)上就是工程地質(zhì)強(qiáng)烈擾動(dòng)下“煤體?巖體”組合體系統(tǒng)發(fā)生整體破壞失穩(wěn)的結(jié)果。

早期關(guān)于煤巖組合體的研究較少，多集中在兩體模型相互作用研究方面。林鵬等[8]利用兩體模型，分析了兩巖體相互作用系統(tǒng)的失穩(wěn)過(guò)程，并解釋了變形局部化、彈性回彈等現(xiàn)象。謝和平等[9]基于工程體和地質(zhì)體的相互作用提出了兩體力學(xué)模型，并就混凝土壩體和巖石壩基兩體相互作用的破壞機(jī)制進(jìn)行了初步探討。在深部煤炭開(kāi)采中，煤巖組合體理論模型如圖1所示?；诖?，諸多學(xué)者開(kāi)展了煤巖組合體破壞力學(xué)行為與模型研究。在煤巖組合體基本力學(xué)特性方面，多采用試驗(yàn)或數(shù)值模擬手段獲得煤巖組合體的應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)，進(jìn)而分析其強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)特性[6,10?15]。此外，煤巖組合體的沖擊傾向性也是研究重點(diǎn)，主要通過(guò)能量、強(qiáng)度等沖擊傾向性指標(biāo)進(jìn)行鑒定，進(jìn)而對(duì)沖擊地壓的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)[16?19]。在煤礦井下，通常將聲發(fā)射技術(shù)與微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合來(lái)監(jiān)測(cè)巖層變形破壞。同樣，聲發(fā)射也常用在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用于研究煤巖組合體破壞中裂紋產(chǎn)生區(qū)域與單體的差別[20?21]。因此，聲發(fā)射特征是煤巖組合體破壞研究的重點(diǎn)。由裂紋主導(dǎo)的煤巖破壞也是研究重點(diǎn)之一。通過(guò)研究煤巖組合體的裂紋演化規(guī)律，進(jìn)而建立基于裂紋演化的非線(xiàn)性模型[22?25]，從而對(duì)揭示煤巖體破壞機(jī)制提供理論參考。

圖1 煤巖組合體模型[10]Fig.1 Modes of coal-rock combined body[10]

為形成煤巖組合體破壞研究的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，本文在大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以煤巖組合體為研究對(duì)象，從煤巖組合體的基本力學(xué)特性、沖擊傾向性、聲發(fā)射特征和裂紋演化模型方面總結(jié)了煤巖組合體變形破壞的研究現(xiàn)狀及最新成果，最后指出了煤巖組合體破壞力學(xué)研究尚存在的不足和下一步的研究重點(diǎn)。

1 煤巖組合體破壞力學(xué)特性研究

煤巖材料的破壞力學(xué)試驗(yàn)是獲取其基本力學(xué)參數(shù)的主要方法之一。針對(duì)煤巖單體材料，PATERSON 等[26?27]對(duì)巖石破壞力學(xué)行為進(jìn)行了論述。MOGI[28]詳細(xì)介紹了自主研發(fā)的三軸試驗(yàn)儀器及其試驗(yàn)結(jié)果，并討論了圍壓對(duì)巖石破壞模式的影響。沈明榮等[29?30]對(duì)單體巖石的力學(xué)特性及巖體工程進(jìn)行了研究，極大推進(jìn)并豐富了我國(guó)巖石力學(xué)研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，諸多學(xué)者開(kāi)展了煤巖組合體的破壞力學(xué)試驗(yàn)，為深部煤炭開(kāi)采基礎(chǔ)理論打下了基礎(chǔ)。

1.1 煤巖組合體常規(guī)加載力學(xué)特性

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采逐漸向深部發(fā)展，煤巖動(dòng)力災(zāi)害加劇，對(duì)煤巖單體破壞力學(xué)特性的研究逐漸轉(zhuǎn)向煤巖組合體破壞力學(xué)特性研究。齊慶新等[31]進(jìn)行組合煤巖試驗(yàn)研究，指出組合煤巖試塊與單一煤巖試塊的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系具有明顯的差異，如變形減小、破壞劇烈和彈性特征更顯著等特性。可以看出，煤巖組合體的力學(xué)特性與煤巖單體具有明顯的區(qū)別。付斌等[11]利用RFPA2D數(shù)值模擬軟件，研究了不同煤巖組合體力學(xué)特性，模擬結(jié)果表明，單軸壓縮時(shí)煤巖組合體的峰值強(qiáng)度均接近煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，但煤巖體中巖體的強(qiáng)度越高，煤巖體強(qiáng)度越早迅速衰減。LIU等[32]研究了單軸加載條件下煤巖組合體的變形破壞特征，結(jié)果表明煤巖組合體的屈服應(yīng)力均大于煤巖單體的抗壓強(qiáng)度。左建平等[33]對(duì)煤(M)、煤?巖組合體(MR)、巖?煤組合體(RM)和巖?煤?巖組合體(RMR)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，獲取了其應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系。圖2所示為煤巖組合體與煤樣單體的單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量[33]。從圖2可以看出，煤巖組合體的強(qiáng)度與彈性模量均比單體煤的高。

圖2 煤巖組合體平均單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量[33]Fig.2 Uniaxial compressive strength,elastic modulus of coal-rock combined body[33]

CHENG 等[34]對(duì)煤巖組合體進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著有效煤巖高度比的增大，煤巖組合體的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小。蔡永博等[35]對(duì)比分析了單軸加載條件下，原生煤巖組合體、人工煤巖組合體及煤巖單體的強(qiáng)度特征，結(jié)果表明原生煤巖組合體試樣的強(qiáng)度小于人工煤巖組合體試樣的強(qiáng)度。李成杰等[36]研究了單軸壓縮下煤巖組合體破壞過(guò)程中的變形與破壞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤巖組合體不同位置的徑向應(yīng)變不同，靠近煤體端部處應(yīng)變最大。綜上可知，在單軸壓縮下，人們對(duì)煤巖組合體的變形破壞研究多集中于變形、強(qiáng)度，以揭示煤巖組合體與煤巖單體的差異。

煤炭開(kāi)采前，井下煤巖體均處于三向應(yīng)力狀態(tài)，而三軸壓縮試驗(yàn)是研究煤巖材料在圍壓狀態(tài)下力學(xué)特性的重要手段。針對(duì)煤巖單體的三軸壓縮力學(xué)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作[37?42]，極大豐富了巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論。在煤巖單體三軸壓縮力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上，郭東明等[12]探討了三軸壓縮下不同傾角煤巖組合體的變形破壞機(jī)制，研究表明組合體黏聚力隨著傾角的增加而逐漸減小。張澤天等[13]探討了圍壓對(duì)煤巖組合體變形破壞行為的影響，發(fā)現(xiàn)煤巖組合體的破壞主要表現(xiàn)為煤體發(fā)生剪切破壞。左建平等[10,43]開(kāi)展了煤巖組合體破壞力學(xué)試驗(yàn)，獲得了其應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系(圖3[10])，并對(duì)比分析了煤巖單體與組合體的強(qiáng)度差異(圖4[10])。從圖3可以看出：當(dāng)圍壓為0 MPa 時(shí)，煤巖組合體的應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)具有明顯的壓密階段；施加圍壓后，壓密階段消失，出現(xiàn)明顯的彈性階段、屈服階段及峰后軟化階段。從峰后曲線(xiàn)可以看出：隨著圍壓的升高，峰后延性特征明顯。從圖4可以看出：在單軸壓縮狀態(tài)下，巖石的彈性模量最大，組合體彈性模量次之，而煤的彈性模量最小。

圖3 不同圍壓下煤巖組合體的全程應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)[10]Fig.3 Complete stress?strain curves of samples with different confining pressures[10]

圖4 煤巖單體及組合體彈性模量與圍壓的關(guān)系[10]Fig.4 Relationship between elastic modulus and confining pressure of single coal rock and combined body[10]

1.2 煤巖組合體加卸載力學(xué)特性

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采深度的逐漸加大，深部煤巖體除了受礦區(qū)地應(yīng)力的影響外，還要受到多次爆破、掘進(jìn)和回采等擾動(dòng)的影響，尤其是大采高放頂煤開(kāi)采、房柱式開(kāi)采、條帶開(kāi)采等過(guò)程中煤柱受到采動(dòng)應(yīng)力的反復(fù)作用。因此，對(duì)煤巖組合體開(kāi)展加卸載條件下的力學(xué)特性研究很有必要。

關(guān)于煤巖組合體循環(huán)加卸載研究，朱卓慧等[6]開(kāi)展了煤巖組合體的單軸分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在單軸循環(huán)加卸載作用下，煤巖組合體的強(qiáng)度比單軸加載時(shí)低，且試樣破壞更徹底。左建平等[44]對(duì)煤巖組合體的循環(huán)加卸載特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得其應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)(見(jiàn)圖5，其中：ε1，ε3和εv分別為軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、體積應(yīng)變)。從圖5可以看出，由于煤巖體內(nèi)部自身材料特性及內(nèi)部原生缺陷，特別是由于煤體較為松軟破碎，再加上巖石材料的黏滯性，煤巖組合體的同一個(gè)循環(huán)中的加載曲線(xiàn)與卸載曲線(xiàn)通常不重合，形成滯回環(huán)(見(jiàn)圖6)。

圖5 分級(jí)加卸載條件下煤巖組合體應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)[44]Fig.5 Stress?strain curve of coal?rock combined bodies under level cyclic loading-unloading[44]

圖6 加卸載條件下的滯回環(huán)[44]Fig.6 Hysteresis loop under cyclic loading-unloading[44]

張晨陽(yáng)等[45]為了探求不同厚度比例組合體的力學(xué)行為特征，對(duì)煤巖組合體進(jìn)行真三軸加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同煤厚度比例試樣的全應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)特征相似，隨著煤厚度比例的增加，試樣塑性變形逐漸增加。SONG等[46]對(duì)煤巖組合體進(jìn)行常規(guī)加載與循環(huán)加卸載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)單軸加載條件相比，循環(huán)加載條件下的彈性模量較大，且隨循環(huán)次數(shù)的增大而增大。

煤巖組合體基本力學(xué)特性成果有助于了解地下煤炭開(kāi)采煤巖破壞的結(jié)構(gòu)組合破壞機(jī)制，豐富了煤巖破壞基礎(chǔ)理論。在深部煤炭開(kāi)采中，巷道圍巖大變形破壞從側(cè)面反映了深部煤巖的流變特性。但從研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)煤巖組合體變形破壞的流變特性方面的研究還不充分，因此，未來(lái)可針對(duì)煤巖組合體的流變破壞開(kāi)展系統(tǒng)研究，進(jìn)而豐富煤巖組合體破壞理論。

2 煤巖組合體沖擊特性研究

關(guān)于煤巖沖擊傾向性，姜福興等[19,47]對(duì)沖擊地壓進(jìn)行了大量研究，揭示巖層破裂、斷層活化、動(dòng)靜荷載等因素與沖擊地壓的聯(lián)系。劉波等[16,48]研究了組合煤巖體試樣的變形破裂規(guī)律及沖擊傾向性。近年來(lái)，諸多學(xué)者采用電磁輻射、紅外熱像、聲發(fā)射、數(shù)值模擬等手段對(duì)煤巖組合體的沖擊傾向性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。竇林名等[17?18]通過(guò)煤巖組合體的電磁輻射信號(hào)來(lái)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)沖擊地壓，并結(jié)合試驗(yàn)分析了巖石厚度比對(duì)煤巖組合體沖擊傾向性的影響，結(jié)果表明，巖樣厚度越大，煤巖組合體的沖擊傾向性越強(qiáng)。趙毅鑫等[49]研究了煤巖組合體失穩(wěn)破壞過(guò)程中紅外熱像、聲發(fā)射能譜及組合體不同部位應(yīng)變的變化規(guī)律。李曉璐等[50]采用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)改變煤巖高度比例分析煤巖組合體的沖擊傾向性，模擬結(jié)果表明，巖石高度占比越大，沖擊傾向性越強(qiáng)。此外，加載速率對(duì)煤巖組合體變形破壞影響也較為突出，GONG等[51?54]采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段研究了加載速率對(duì)煤巖組合體強(qiáng)度、破壞形態(tài)的影響。為探究加載率對(duì)煤巖組合體沖擊傾向性的影響，宮鳳強(qiáng)等[55]以煤巖組合體為研究對(duì)象，開(kāi)展了不同加載率條件下的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，煤巖組合體的沖擊能量指數(shù)隨著加載率的提高先增大后減小，為此還提出了臨界加載率的概念來(lái)劃分煤巖組合體的沖擊傾向性。秦忠誠(chéng)等[56]探討了組合方式對(duì)煤巖組合體沖擊傾向性的影響，認(rèn)為組合體組分之間硬度差別越大，沖擊傾向性越強(qiáng)。左建平等[33]研究了煤、巖?煤、煤?巖、巖?煤?巖組合體的沖擊傾向性，如圖7所示。從圖7可以看出：煤樣單體無(wú)沖擊傾向性，而煤?巖、巖?煤和巖?煤?巖組合體均具有弱沖擊傾向性。

圖7 不同煤巖組合體的沖擊能量指數(shù)分布[33]Fig.7 Distribution of burst energy index of different coal?rock combined body[33]

有學(xué)者從能量角度分析了煤巖組合體的沖擊傾向性，如：ZHANG 等[57]對(duì)煤巖組合體進(jìn)行加載破壞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤巖高度比越大，累積能量越大，速度越快的能量耗散使煤巖組合破壞失穩(wěn)引發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)性較高；陳巖等[14]分析了煤巖組合體變形破壞的能量演化特征；陳光波等[58]分析了二元、三元組合模型峰前能量分布計(jì)算公式，并開(kāi)展了軸向加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤巖系統(tǒng)中的能量主要分布在軟弱煤巖層中，巖層彈性模量越大，積聚能量越少，基于此，提出了直接釋能和間接釋能的沖擊地壓防控理念。楊磊等[59]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室單軸壓縮試驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤是組合體中積聚應(yīng)變能的重要載體，且當(dāng)組合體中巖石強(qiáng)度高于煤時(shí)，能夠增大煤儲(chǔ)存應(yīng)變能的能力。李成杰等[60]通過(guò)對(duì)類(lèi)煤巖組合體進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合煤巖體能量集聚程度更高，且發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害所需的能量更低。

綜上，對(duì)煤巖組合體沖擊特性的研究完善了我國(guó)沖擊地壓理論與技術(shù)，同時(shí)，促使了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法”的修訂。2020年，“煤巖組合試件沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)測(cè)定方法”開(kāi)始實(shí)施[61]，體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)煤巖組合體沖擊傾向性研究的重視。但目前人們對(duì)煤巖組合體沖擊傾向性指標(biāo)研究還較少，多集中于單體煤或巖石的沖擊傾向性指標(biāo)研究，因此，對(duì)煤巖組合體沖擊傾向性指標(biāo)的選取有待進(jìn)一步研究。

3 煤巖組合體破壞聲發(fā)射特性研究

聲發(fā)射是監(jiān)測(cè)煤礦井下災(zāi)害發(fā)生的主要手段之一。這種“聲”本質(zhì)是煤巖體受外力或內(nèi)力作用發(fā)生變形和斷裂時(shí)釋放出的瞬時(shí)彈性波，這種彈性波通常以脈沖的形式釋放出來(lái)，被稱(chēng)為聲發(fā)射(acoustic emission，AE)[20,62?63]?；诖?，左建平等[20]利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了煤巖組合體變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射行為及時(shí)空演化機(jī)制。圖8所示為煤巖組合體加載破壞過(guò)程中的應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)及聲發(fā)射時(shí)空演化規(guī)律[20]。

圖8 煤巖組合體聲發(fā)射時(shí)空演化規(guī)律[20]Fig.8 AE time-space evolution characteristics of coalrock combined body[20]

從圖8可以看出：隨著荷載的增加，AE 數(shù)逐漸增加；隨著荷載繼續(xù)增大，如達(dá)到峰值荷載的30%以上時(shí)，煤巖兩體的變形協(xié)調(diào)基本完成，此時(shí)AE數(shù)較多，且主要在煤體上半部及煤巖體交界處；隨著荷載達(dá)到峰值，大多煤體發(fā)生劈裂破壞，而這種劈裂破壞時(shí)裂紋的高速擴(kuò)展往往具有非常高的動(dòng)態(tài)斷裂能，這個(gè)能量有可能破壞上部巖石，由此裂紋有可能延伸到巖石內(nèi)部；當(dāng)該動(dòng)態(tài)斷裂能消耗完時(shí)，巖石內(nèi)部的裂紋即停止擴(kuò)展。此外，在煤?巖交界面上方的巖石內(nèi)也有大量AE 數(shù)，并且主要集中在巖石的下部，這是煤體內(nèi)的裂紋貫穿進(jìn)入巖石的證據(jù)。左建平等[20]將聲發(fā)射數(shù)根據(jù)應(yīng)力增量(Δσ=0.1σc,σc為強(qiáng)度)進(jìn)行分段，研究了煤巖單體及煤巖組合體的時(shí)段聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)隨著荷載增加，巖石的時(shí)段聲發(fā)射逐漸增多，煤的時(shí)段聲發(fā)射逐漸減少，而煤巖組合體的時(shí)段聲發(fā)射先逐漸增加后逐漸減小。

人們往往將聲發(fā)射技術(shù)與井下微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合來(lái)研究礦井沖擊地壓機(jī)制。王曉南等[21]研究了煤巖組合體變形破裂聲發(fā)射和微震的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤巖組合試樣的沖擊傾向性越高，聲發(fā)射和微震信號(hào)越強(qiáng)。同時(shí)，也有學(xué)者采用數(shù)值模擬手段，研究了煤巖組合體的聲發(fā)射特征。周元超等[64]采用RFPA2D對(duì)煤巖組合體加載破壞的聲發(fā)射特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)巖樣與煤樣的高度比對(duì)聲發(fā)射能量產(chǎn)生顯著影響，組合體中巖樣高度所占比例越高，聲發(fā)射信號(hào)越強(qiáng)，其產(chǎn)生的聲發(fā)射能量也越多。LIU 等[65]利用顆粒流程序(PFC)建立了不同巖石高度比的煤巖組合體數(shù)值模型，研究了巖石高度比對(duì)煤巖組合體力學(xué)性能和聲發(fā)射特性的影響，研究結(jié)果表明，煤巖組合體聲發(fā)射的演化規(guī)律可分為3個(gè)階段，即穩(wěn)定階段、快速上升階段和快速下降階段。

聲發(fā)射作為監(jiān)測(cè)煤巖破壞的主要手段之一，主要監(jiān)測(cè)煤巖體中裂紋起裂、擴(kuò)展、貫通。通過(guò)煤巖組合體加載破壞裂紋的演化規(guī)律有助于揭示煤巖組合體破壞機(jī)制。但如何將煤巖組合體聲發(fā)射特征與煤巖損傷破壞的裂紋演化規(guī)律結(jié)合起來(lái)，尚需系統(tǒng)研究。

4 煤巖組合體加載破壞的非線(xiàn)性模型研究

4.1 煤巖組合體裂紋演化規(guī)律

巖石的宏觀變形及破壞是其裂紋發(fā)生閉合、起裂、擴(kuò)展、貫通的結(jié)果。為了定量描述裂紋的大小，MARTIN等[66]提出了裂紋應(yīng)變的定義：

式中：σ1和σ3分別為軸向應(yīng)力和圍壓；E為彈性模量，即峰前應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)中線(xiàn)彈性階段的斜率；μ為泊松比；εc1，εc3和εcv分別為裂紋軸向應(yīng)變、裂紋環(huán)向應(yīng)變和裂紋體積應(yīng)變。

在此基礎(chǔ)上，CAI 等[67?70]依據(jù)裂紋應(yīng)變，研究了巖石在不同加載條件下的裂紋演化規(guī)律及漸進(jìn)破壞過(guò)程。左建平等[22?23]研究了巖?煤?巖組合體(RMR)及煤?巖組合體(MR)在單軸及循環(huán)加卸載條件下的裂紋演化規(guī)律，如圖9所示[22?23]。從圖9可以看出：無(wú)論是單軸加載還是循環(huán)加卸載，煤巖組合體均會(huì)出現(xiàn)裂紋閉合階段。

圖9 不同煤巖組合體的裂紋演化規(guī)律[22?23]Fig.9 Crack evolution characteristics of different coal?rock combined bodies[22?23]

4.2 煤巖組合體峰前裂紋演化模型

不同應(yīng)力環(huán)境下煤和巖石的失穩(wěn)破壞與其內(nèi)部的裂紋演化密切相關(guān)。在循環(huán)加載過(guò)程中，在加載條件下，裂紋閉合；在卸載條件下，裂紋張開(kāi)恢復(fù)。為表征煤巖組合體的裂紋演化規(guī)律，左建平等[22?24]推導(dǎo)了基于裂紋應(yīng)變的煤巖組合體裂紋閉合模型及在卸載條件下的裂紋張開(kāi)模型：

式中：為最大裂紋軸向閉合應(yīng)變；Ecc為裂紋閉合等效彈性模量；為初始軸向裂紋張開(kāi)應(yīng)變；為卸載結(jié)束時(shí)的軸向裂紋應(yīng)變；為最大軸向裂紋向張開(kāi)應(yīng)變；σcri為裂紋軸向張開(kāi)應(yīng)力；Ecri為裂紋軸向張開(kāi)等效彈性模量；σ1i為第i次循環(huán)的軸向應(yīng)力；i為循環(huán)次數(shù)。

煤巖組合體峰前裂紋演化模型驗(yàn)證[23?24]如圖10所示。從圖10可以看出，裂紋閉合模型、裂紋張開(kāi)模型所計(jì)算得到的理論值與試驗(yàn)值吻合度較高，在一定程度上能描述煤巖組合體峰前加載和卸載條件下的非線(xiàn)性特征。在煤巖組合體峰前裂紋演化模型的基礎(chǔ)上，左建平等[25]建立了煤巖組合體峰后裂紋演化模型，取得了不錯(cuò)的研究成果。此外，從峰后應(yīng)變軟化的角度出發(fā)，宋洪強(qiáng)等[71]基于Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了煤巖組合體峰后非線(xiàn)性應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系，豐富了煤巖組合體應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系模型研究。

圖10 煤巖組合體的峰前裂紋演化模型驗(yàn)證[23?24]Fig.10 Model verification of pre-peak crack evolution model of coal?rock combined body[23?24]

煤巖組合體受載變形破壞主要是由于裂紋的起裂、擴(kuò)展、貫通，因此，從裂紋演化規(guī)律角度有助于揭示煤巖破壞的本質(zhì)。文獻(xiàn)[22?24]給出了基于裂紋應(yīng)變的裂紋演化模型，較好地描述了煤巖組合體的變形破壞的非線(xiàn)性特征。但由于煤巖組合體是雙體模型，一般的試驗(yàn)機(jī)加載只能測(cè)量整體的變形，無(wú)法測(cè)量組合體中單體煤及巖石各自的變形。因此，無(wú)法計(jì)算得出組合體中各自的裂紋演化特征，這是其主要局限性。

5 結(jié)論與展望

煤巖組合體的基本力學(xué)特性研究成果豐富，多關(guān)注其強(qiáng)度、模量等參數(shù)與單體煤巖的差異。相較于煤?jiǎn)误w，煤巖組合的沖擊傾向性增大。目前，最新的煤巖組合體沖擊傾向性鑒定標(biāo)準(zhǔn)采用了相關(guān)建議。聲發(fā)射技術(shù)是研究煤巖破壞過(guò)程的重要手段。通過(guò)煤巖組合體破壞中聲發(fā)射特征研究，分析了聲發(fā)射信號(hào)、空間分布、事件數(shù)等來(lái)預(yù)測(cè)煤巖破壞。建立了基于裂紋演化的煤巖組合體峰前裂紋閉合模型，卸載條件下峰前裂紋張開(kāi)模型及峰后煤巖組合體裂紋演化模型，豐富了煤巖組合體破壞理論。

雖然煤巖組合體破壞行為與模型研究取得了豐碩的成果，但仍有待進(jìn)一步完善，尚需在以下部分進(jìn)行深入研究：

1)深部煤炭開(kāi)采中，巷道圍巖具有大變形和流變特點(diǎn)，但關(guān)于煤巖組合體的流變力學(xué)特性研究還較少。因此，對(duì)煤巖組合體流變特性的研究有助于揭示深部煤巖大變形破壞機(jī)制。

2)深部煤巖具有高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓及強(qiáng)擾動(dòng)的特點(diǎn)。通過(guò)施加不同圍壓可以模擬高地應(yīng)力條件下煤巖組合體的破壞響應(yīng)，但現(xiàn)有研究還較少涉及高滲透壓及高溫方面。因此，亟需進(jìn)一步對(duì)高滲透壓及高溫條件下煤巖破壞行為研究，以期完善相關(guān)理論。

3)深部煤巖易受到開(kāi)采擾動(dòng)的影響。我國(guó)煤炭開(kāi)采方式多樣，不同開(kāi)采方式會(huì)產(chǎn)生不同的采動(dòng)應(yīng)力，煤巖組合體的變形破壞特征也有所不同。因此，對(duì)不同開(kāi)采方式下煤巖組合體的破壞力學(xué)響應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

4)深部煤巖常受到動(dòng)態(tài)荷載的影響，而動(dòng)態(tài)荷載極易誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出、冒頂?shù)葹?zāi)害，因此，開(kāi)展煤巖組合體動(dòng)力學(xué)研究，揭示煤巖組合體動(dòng)態(tài)破壞機(jī)制是未來(lái)研究重點(diǎn)之一。

5)在深部煤炭開(kāi)采中，煤壁片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害與煤巖界面有關(guān)。界面作為煤巖組合體的弱面，其對(duì)煤巖組合體破壞力學(xué)行為影響較大。目前關(guān)于煤巖組合體界面的研究還較少。因此，需對(duì)煤巖界面開(kāi)展系統(tǒng)研究，揭示煤壁片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害形成機(jī)理。