真三軸狀態(tài)下煤巖單體的強(qiáng)度變形特性及破壞模式研究

劉子碩 韓立軍 朱合軒

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

隨著淺部煤炭資源日益枯竭,我國(guó)的煤炭開采深度不斷加大,深部開采將成為煤炭資源開發(fā)中的常態(tài)[1],而深部“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境也為深部開采帶來了諸多難題和挑戰(zhàn)[2]。軟巖、強(qiáng)采動(dòng)、大變形是我國(guó)煤礦巷道的主要特征[3]。煤層開采后,自巷頂至地面的所有上覆巖層均會(huì)受到不同程度的采動(dòng)影響[4]。針對(duì)巷道直頂具有的煤—巖層狀結(jié)構(gòu),對(duì)煤巖單體開展強(qiáng)度變形等相關(guān)研究,對(duì)深部巷道圍巖控制技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用有著重要指導(dǎo)意義?；诿簬r體的強(qiáng)度變形特征對(duì)深部巷道穩(wěn)定控制的重要性,國(guó)內(nèi)許多學(xué)者開展了一系列研究。文獻(xiàn)[5-7]研究了煤巖單體和煤巖組合體在不同軸向荷載或圍壓作用下的力學(xué)特性、沖擊傾向性特征以及破壞機(jī)理。文獻(xiàn)[8-9]基于煤巖的層理方向效應(yīng),開展了一系列的試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[10]通過對(duì)煤樣開展巖石力學(xué)試驗(yàn),驗(yàn)證了煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和點(diǎn)荷載強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性。文獻(xiàn)[11]對(duì)巷道的頂?shù)装鍘r石開展了點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[12-13]則對(duì)循環(huán)荷載作用下煤巖體的強(qiáng)度變形及滲透性等特征進(jìn)行了研究。受到試驗(yàn)條件等限制,以上研究大都基于單軸或常規(guī)三軸試驗(yàn),但煤巖體受到賦存情況、煤層傾角等地質(zhì)條件的限制以及地應(yīng)力的影響而有明顯差別,所處的應(yīng)力條件一般為三向不等壓狀態(tài)[14-15]。由于地應(yīng)力分布情況極其復(fù)雜,在某些情況下,三向應(yīng)力的差異可能很大,因此簡(jiǎn)單的加載條件不能代替實(shí)際復(fù)雜的地應(yīng)力條件[16]。真三軸試驗(yàn)通過分別控制3個(gè)方向的加載過程,其試驗(yàn)結(jié)果更具有實(shí)際參考意義。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者通過真三軸試驗(yàn)對(duì)煤巖體性質(zhì)進(jìn)行了深入研究,但主要集中在瓦斯?jié)B流[17-18]、高地應(yīng)力下的巖爆[19]或煤爆現(xiàn)象[20]等方面,現(xiàn)階段有關(guān)真三軸條件下針對(duì)原位煤、巖強(qiáng)度變形特征的對(duì)比試驗(yàn)研究比較薄弱。本研究以山西華晉韓咀煤礦為工程背景,通過分別對(duì)煤和巖石相似材料開展真三軸加載試驗(yàn),分析兩者的強(qiáng)度及變形特征,為相關(guān)理論研究及工程實(shí)踐提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用的煤樣取自山西華晉韓咀煤礦32101主運(yùn)順槽,地面標(biāo)高為+790～+920 m,井下標(biāo)高為+570～+615 m。巷道所在煤層平均厚度為5.8 m,2#煤呈黑色,條痕為黑—灰黑色,玻璃—金剛光澤。半暗煤裂隙不發(fā)育,質(zhì)地堅(jiān)硬;亮煤裂隙發(fā)育,性脆、質(zhì)輕、很易破碎,有時(shí)可見正交節(jié)理。試驗(yàn)所用煤樣為現(xiàn)場(chǎng)取芯,并按照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程對(duì)試樣進(jìn)行加工。

煤層頂板多為粉砂巖,灰黑色,性脆,膠結(jié)較好。根據(jù)項(xiàng)目鉆孔勘察結(jié)果及相關(guān)地質(zhì)資料,粉砂巖的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。由于項(xiàng)目實(shí)施尚處于初期階段,頂板巖體鉆取、加工及打磨較為困難,成本較高。另外,該巖層內(nèi)常含有少量其他巖性的巖體,離散性大。在上述各因素影響下,較難進(jìn)行重復(fù)性、驗(yàn)證性試驗(yàn)。

在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中,經(jīng)常使用巖土相似材料進(jìn)行相關(guān)分析[21]。近些年,國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)巖石相似材料進(jìn)行了深入研究[22-26]。其中,文獻(xiàn)[23]指出,巖石相似材料的單軸抗壓強(qiáng)度具有相當(dāng)高的力學(xué)代表性。文獻(xiàn)[24-25]通過對(duì)影響相似材料性質(zhì)的相關(guān)因素進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)相似材料的強(qiáng)度參數(shù)和彈性模量等變形參數(shù)主要受到材料組分中膠結(jié)劑含量的影響,其黏聚力則受到骨料性質(zhì)的影響。文獻(xiàn)[26]通過對(duì)砂巖相似材料進(jìn)行正交試驗(yàn),也發(fā)現(xiàn)相似材料的抗壓強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)骨料含量實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述成果,本研究考慮使用室內(nèi)澆筑的水泥砂漿試樣進(jìn)行試驗(yàn),通過調(diào)節(jié)水泥、石英砂、水的比例使相關(guān)的強(qiáng)度變形參數(shù)達(dá)到要求。由于本研究主要分析試樣在真三軸條件下的強(qiáng)度及變形特性,故分別對(duì)各配比情況下的水泥砂漿試樣進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)、單軸及常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),將計(jì)算得到的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)與表1進(jìn)行對(duì)比,確定出適用于本研究條件的最佳配比,以進(jìn)行進(jìn)一步的研究。各配比情況下試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和物理力學(xué)參數(shù)如圖1和表2所示。

表1 粉砂巖的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of siltstone

圖1 配比試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of ratio test

將表2所列出的配比試驗(yàn)結(jié)果與表1所列出的粉砂巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,最終選用水泥∶石英砂∶水配比為1∶0.8∶0.45澆筑試驗(yàn)所用的試樣。煤樣和澆筑試樣尺寸均為50 mm×50 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高),對(duì)試樣表面精細(xì)打磨,使其不平行度和不垂直度均小于0.02 mm,以減小試驗(yàn)誤差。

表2 配比試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Parameters of ratio test

1.2 試驗(yàn)裝置

本研究真三軸試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的巖石真三軸電液伺服加載試驗(yàn)系統(tǒng),如圖2所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由三向伺服控制加載系統(tǒng)、真三軸壓力室、自動(dòng)采集系統(tǒng)等部分組成。在3個(gè)方向均具有獨(dú)立伺服控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向同步或異步位移或載荷控制,能夠有效模擬實(shí)際狀態(tài)下煤與巖體的三向應(yīng)力狀態(tài)[27]。

圖2 真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)及加載裝置Fig.2 True triaxial compression test system and loading device

1.3 試驗(yàn)方案

煤樣和巖樣的加載方案如圖3所示。試驗(yàn)過程中先施加三向應(yīng)力(3個(gè)方向加載大小分別為σ1、σ2、σ3)直至靜水狀態(tài),再繼續(xù)施加σ2,直到σ2達(dá)到預(yù)設(shè)值,最后以一定速率均勻增加σ1直至試樣產(chǎn)生破壞。分別對(duì)煤樣和水泥砂漿試樣進(jìn)行兩組試驗(yàn),第1組恒定σ3=4 MPa,σ2=4、6、8、10、12 MPa;第 2組恒定σ3=6 MPa,σ2=6、8、10、12、14 MPa,即共計(jì)20次試驗(yàn)。其中,試樣的應(yīng)變從σ2和σ3均達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)開始計(jì)算。

圖3 真三軸試驗(yàn)加載方案Fig.3 Loading program of true triaxial compression test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度特征分析

煤巖單體的強(qiáng)度直接決定了巷道的開挖及支護(hù)方式。通過對(duì)煤樣和水泥砂漿試樣進(jìn)行加載試驗(yàn),得到了試樣在真三軸條件下的峰值強(qiáng)度特征曲線,如圖4所示。

圖4 煤巖單體的峰值強(qiáng)度特征曲線Fig.4 Strength characteristics curves of coal-rock single body

由圖4可知:煤樣與水泥砂漿試樣的峰值強(qiáng)度相差不大,總體上看,水泥砂漿試樣的峰值強(qiáng)度略高于煤樣;煤樣和水泥砂漿試樣的峰值強(qiáng)度都是隨著σ2的增加呈先增加后降低的趨勢(shì),即表現(xiàn)出中間主應(yīng)力效應(yīng)[28]。根據(jù)變形分析結(jié)果同樣可以發(fā)現(xiàn),煤樣和水泥砂漿試樣在ε1方向的峰值應(yīng)變與峰值應(yīng)力的變化趨勢(shì)相似,也隨著中間主應(yīng)力的增大,峰值應(yīng)變先增大,然后逐漸減小。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是,σ2初始的增長(zhǎng)會(huì)使試樣內(nèi)部沿該方向屈服的微元體需要更高的軸向應(yīng)力,也可能會(huì)使一部分微元體改變滑移方向,從而在一定程度上抑制微裂隙發(fā)育,延緩試樣的破壞,宏觀上表現(xiàn)為該試樣的強(qiáng)度得到提升。而當(dāng)σ2較大時(shí),試樣材料也會(huì)在σ2-σ3方向發(fā)生屈服,此時(shí)裂隙發(fā)育貫通,導(dǎo)致試樣的破壞加劇,所以繼續(xù)增加σ2將會(huì)導(dǎo)致試樣強(qiáng)度降低[29]。

本試驗(yàn)中,試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變隨σ2的增大而呈現(xiàn)出的這種先增大后減小的趨勢(shì),表明中間主應(yīng)力對(duì)圍巖的受載破壞起到一定的保護(hù)作用,而當(dāng)中間主應(yīng)力到達(dá)某一臨界值后,繼續(xù)加大會(huì)導(dǎo)致峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變開始出現(xiàn)減小趨勢(shì),這說明中間主應(yīng)力的提高對(duì)圍巖的保護(hù)并非是恒定的,中間主應(yīng)力過大也會(huì)使圍巖破壞加劇[29]。

由圖4進(jìn)一步分析可知:①σ3=6 MPa對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力普遍高于σ3=4 MPa對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力,對(duì)煤樣來說,這種趨勢(shì)在最大峰值應(yīng)力處附近最為明顯,而對(duì)于水泥砂漿試樣來說,這種趨勢(shì)在曲線下降段最為明顯,且σ3的增加會(huì)延后最大峰值應(yīng)力點(diǎn)的出現(xiàn)。②由于σ3的變化,峰值強(qiáng)度隨著σ2的增加呈現(xiàn)出的上升速率和下降速率都受到不同程度的影響。從以上變化規(guī)律中可以看出,最小主應(yīng)力σ3大小會(huì)一定程度地影響中間主應(yīng)力效應(yīng)[30]。

強(qiáng)度準(zhǔn)則能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)提供理論支持,但傳統(tǒng)的Hoke-Brown以及Mohr-Coulomb準(zhǔn)則未考慮σ2的影響,無(wú)法有效反映實(shí)際工程中煤巖體的受力狀況,不適用于本研究情形。國(guó)外的一些研究成果[31-33]表明,基于 Mises準(zhǔn)則的 Mogi-Coulomb準(zhǔn)則[34]在多數(shù)情況下與巖石加載試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。其中,Mogi-Coulomb的線性形式與真三軸試驗(yàn)結(jié)果的擬合度較高,其表達(dá)式可用八面體剪應(yīng)力τoct與有效中間主應(yīng)力σm,2進(jìn)行表示:

式中,a、b為系數(shù),可通過擬合獲得;τoct為八面體剪應(yīng)力,MPa;σm,2為有效中間主應(yīng)力,MPa。

τoct和 σm,2可根據(jù)峰值點(diǎn)的 σ1、σ2、σ3值按式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算:

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合,結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5和圖6可知:Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則能夠很好地反映巖石的強(qiáng)度特征,擬合度為0.866～0.970。

圖5 煤樣的Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results of Mogi-Coulomb criterion for coal samples

圖6 水泥砂漿試樣的Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合結(jié)果Fig.6 Fitting results of Mogi-Coulomb criterion for cement mortar samples

2.2 變形特征分析

在煤礦開采過程中,煤巖體的變形特征將很大程度影響巷道開挖及支護(hù)方案選擇,為了分析中間主應(yīng)力對(duì)煤樣及水泥砂漿試樣變形的影響,分別繪制了相應(yīng)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線圖。其中,煤樣和水泥砂漿試樣的主應(yīng)力差值(σ1-σ3)與相應(yīng)應(yīng)變(ε1、ε3)的關(guān)系曲線如圖7和圖8所示。

圖7 真三軸狀態(tài)下煤樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of coal samples under true triaxial compression condition

圖8 水泥砂漿試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of cement mortar samples under true triaxial compression condition

由圖7和圖8可知:煤樣和水泥砂漿試樣在ε1方向的峰值應(yīng)變也表現(xiàn)出隨著中間主應(yīng)力的增大先增大后減小的趨勢(shì)。各曲線峰后段斜率大小都隨著σ2的增加而增大,即試樣在達(dá)到峰值強(qiáng)度后跌落速度加快,這表明在σ3保持不變、σ1不斷加載的過程中,中間主應(yīng)力σ2增加會(huì)導(dǎo)致試樣經(jīng)歷延性—脆性的轉(zhuǎn)化,與已有的一些研究結(jié)果[29,35]相符。一般認(rèn)為,巖石破壞是由作用在巖石上的應(yīng)力差σ1-σ3引起的[35-36],但已有研究認(rèn)為巖石的破壞不一定發(fā)生在σ1增長(zhǎng)的過程中,也可以發(fā)生在σ2增加和減小的過程中[36],本次試驗(yàn)結(jié)果即驗(yàn)證了這一點(diǎn),即:巖石的破壞是σ1-σ3和σ2共同作用的結(jié)果。

進(jìn)一步分析圖7和圖8可知:煤樣在ε3方向的變形以膨脹為主,隨著加載的進(jìn)行,其變形量不斷增大,且由于σ3=4 MPa時(shí)側(cè)向約束較弱,其ε3方向的變形量明顯大于σ3=6 MPa時(shí)的變形量;水泥砂漿試樣在ε3方向的變形以壓縮為主,側(cè)向壓力較小時(shí),隨著加載的進(jìn)行,ε3會(huì)經(jīng)歷由壓縮向膨脹的轉(zhuǎn)化過程。

受初始力控制階段的影響,真三軸條件下的煤樣和水泥砂漿試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線幾乎沒有微裂紋壓密階段,并快速進(jìn)入彈性變形階段[37],且不同σ2條件下彈性階段的ε1和ε3曲線都呈現(xiàn)極好的線性性質(zhì)。彈性模量是評(píng)估彈性變形階段的重要因素之一,應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率直接反映了材料的彈性模量。分別計(jì)算了各個(gè)曲線σ1方向的彈性模量如圖9所示。

圖9 煤巖單體在真三軸條件下的彈性模量特征曲線Fig.9 Elastic modulus characteristic curves of coal-rock single body under true triaxial condition

由圖9可知:①水泥砂漿試樣彈性模量明顯大于現(xiàn)場(chǎng)的煤樣;②煤樣和水泥砂漿試樣的彈性模量都隨著側(cè)向壓力(σ2、σ3)的增大而增大,這是因?yàn)閭?cè)向壓力對(duì)試樣內(nèi)部微裂隙起到了擠壓密實(shí)作用,提高了巖樣的密實(shí)度,宏觀表現(xiàn)為彈性模量的增大[38],但這種趨勢(shì)會(huì)由于密實(shí)度的不斷提高而受到限制;③而當(dāng)σ3較小且保持不變時(shí),σ2的增大對(duì)巖石的彈性模量也有一定的提高作用,但這種作用受到σ3的影響且會(huì)逐漸降低,在較高的中間主應(yīng)力下,彈性模量增長(zhǎng)速率會(huì)逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定。

2.3 破壞模式分析

盡管水泥砂漿試樣在強(qiáng)度和變形方面能夠和頂板的粉砂巖表現(xiàn)出很高的相似性,但由于試樣的破壞模式極大地取決于其材料本身的微觀結(jié)構(gòu),人工澆筑的材料很難和天然形成的粉砂巖表現(xiàn)出相似的破壞特征。且由于巷頂?shù)拿后w直接和臨空面聯(lián)系,煤樣的破壞模式分析更具有實(shí)際參考意義,故本部分的破壞模式分析只針對(duì)煤樣展開。一般來說,破壞模式可以通過對(duì)試樣表面的裂紋進(jìn)行分析得到,從而獲知試樣內(nèi)部的受力特點(diǎn)。宏觀上看,兩組煤樣的表面裂紋大致相同,故選取σ3=4 MPa時(shí)的5個(gè)煤樣進(jìn)行分析,如圖10所示。

圖10 真三軸狀態(tài)下的破壞煤樣(σ3=4 MPa)Fig.10 Failure coal samples under true triaxial compression condition (σ3=4 MPa)

由圖10可知:

(1)裂紋主要分布在σ2作用面,而極少出現(xiàn)在σ3作用面,這主要是因?yàn)棣?限制了煤樣在該方向上的位移[37]。

(2)當(dāng)σ2與 σ3相差較小(σ2=4～6 MPa)時(shí),裂紋主要沿著與軸線成30°～45°的方向擴(kuò)展,兩條裂紋近似呈“V”形,即共軛剪切破壞;當(dāng)σ2進(jìn)一步增大時(shí),裂紋沿著大約與軸線呈45°的方向擴(kuò)展,裂紋近似平行,破壞模式為斜截面剪切破壞。以上兩種破壞形態(tài)都是由于裂隙面上的剪應(yīng)力達(dá)到了其極限值[19]。當(dāng)σ2與σ3相差較大(σ2=10～14 MPa)時(shí),裂紋在沿與軸線成30°～45°的方向擴(kuò)展的同時(shí),也開始出現(xiàn)近似平行于軸向的豎直裂紋。即此時(shí)試樣開始同時(shí)表現(xiàn)出剪切破壞和劈裂破壞的特征,這主要是在沿σ3方向的應(yīng)變超過了其極限值導(dǎo)致的[19]。綜上所述,當(dāng)σ3保持不變時(shí),煤樣的破壞模式發(fā)生了從剪切破壞向拉伸破壞的轉(zhuǎn)變趨勢(shì),這是因?yàn)楫?dāng)保持σ3不變時(shí),σ2逐步增大,σ3方向的相對(duì)約束減弱,煤樣在受到其他兩個(gè)方向的壓力后,在σ3方向產(chǎn)生的位移也會(huì)逐步增大,進(jìn)而導(dǎo)致該方向的拉應(yīng)變超過極限值,表現(xiàn)出拉伸破壞特征。

(3)通過對(duì)圖10中的5個(gè)破壞試樣表面裂紋數(shù)量進(jìn)行對(duì)比,不難發(fā)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)散程度與σ2-σ3的大小呈正相關(guān)。由此說明,在實(shí)際巷道開挖過程中,及時(shí)對(duì)臨空面進(jìn)行支護(hù),可以降低最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力的差值,進(jìn)而能夠控制巷道圍巖的裂隙發(fā)育,最終避免巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3 結(jié) 論

(1)基于原位煤巖單體的強(qiáng)度變形特性對(duì)煤巷頂板穩(wěn)定控制的重要意義,并考慮了原位巖樣取芯難度大、離散性高等影響,開展了巖石相似材料配比試驗(yàn)與真三軸加載試驗(yàn),豐富了目前研究中缺乏的真三軸條件下的原位煤巖單體對(duì)比試驗(yàn)研究成果。

(2)真三軸條件下,中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值持續(xù)增加,對(duì)于煤樣和類巖石試樣強(qiáng)度提升、控制變形及抑制裂紋發(fā)育等都產(chǎn)生了不利影響,說明控制巷道圍巖臨空面的支護(hù)強(qiáng)度,保證中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值處于一定范圍內(nèi),有助于提升圍巖的穩(wěn)定性。

(3)本研究試驗(yàn)對(duì)象為煤巖單體,受試驗(yàn)條件限制,后續(xù)工作中將對(duì)真三軸條件下煤巖組合體表現(xiàn)出的強(qiáng)度變形特征等開展進(jìn)一步分析,分析煤巷煤巖層狀頂板的變形破壞機(jī)理,為煤巷頂板穩(wěn)定性控制提供理論依據(jù)。