分級靜動組合加載下裂隙煤巖破裂特性

張琨　張森　任建喜　王曉琳　張忍杰　張益晨

摘要：為研究分級預靜載與不同動載振幅水平組合加載下裂隙煤巖的力學特性和破壞演化特征，以不同傾角預制裂隙沖擊傾向性煤巖為試驗對象，利用巖石動靜三軸力學試驗系統(tǒng)，開展“分級預靜載+動力擾動”組合加載試驗，并輔以高速攝像機研究煤巖的裂紋擴展特征。結(jié)果表明：分級靜動組合加載下，完整煤巖和部分含預制裂隙煤巖顯現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變強化現(xiàn)象，峰值強度有不同幅度的提高，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng)，但隨著動載振幅水平增大，強化階段提前顯現(xiàn)，強化現(xiàn)象持續(xù)時間大幅縮短，加速煤巖的破壞過程;隨著煤巖預制裂隙傾角增大，峰值應(yīng)力整體先減小后增大，而變形能力與其峰值應(yīng)力變化趨勢呈負相關(guān);裂隙煤巖裂縫擴展尺度隨著預制裂隙傾角的增大呈先增大后減小，高水平動載振幅下，隨著預制裂隙傾角增大，拉伸裂紋向剪切裂紋過渡，破壞模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。試驗結(jié)果有助于深入理解深部煤巖體承受高地應(yīng)力和增幅動力擾動作用下的力學特性及破裂演化特征，可為礦井開采動力災害預報與控制提供理論參考。

關(guān)鍵詞：分級靜動組合加載;沖擊傾向性;裂隙煤巖;動載振幅;破裂特性

中圖分類號：TD 324文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）03-0546-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0318開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Fracture behaviors of prefabricated fractured coal

rock under graded static-dynamic coupled loading

ZHANG Kun ZHANG Sen REN Jianxi WANG Xiaolin ZHANG Renjie ZHANG Yichen

（1.College of Civil and Architectural? Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.China Railway Construction Engineering Group Shandong Co.，Ltd.，Qingdao 266100，China）Abstract：In order to study mechanical properties and failure evolution characteristics of deep fractured coal under coupled graded pre-static and different dynamic amplitude levels loads，prefabricated fractured coal rock with different dip angles and impact proneness were taken as a test object.Coupled pre-static and the dynamic loads disturbance tests were carried out with a rock dynamic and static triaxial mechanical test system.High speed camera was also applied to study the crack growth laws of samples.The test results show that：the phenomenon of stress-strain strengthening occurs in intact and partial coals with prefabricated cracks under? graded static-dynamic combined loading.The peak strength increases with different amplitudes，showing indigenous strain rate effect.However，the strengthening stage appears in advance with increasing of dynamic load amplitude，the duration of strengthening? is greatly shortened，resulting in the acceleration of the failure process of coal.The peak stress of coal decreases first and then increases with the increase of the dip angle of prefabricated cracks，and the deformation capacity is negatively correlated with the variation trend of peak stress of fractured coal rock.The crack propagation scale increases first and then decreases along with the increase of the inclination angle of the prefabricated crack of the samples.In a high dynamic load amplitude，with the increase of the inclination angle of the prefabricated crack，tensile crack transits to the shear crack，with the failure mode changed.The test results are helpful to improve the understanding of the mechanical properties and fracture evolution characteristics of deep coal and rock mass under the conditions of high ground stress and increasing dynamic disturbance，a theoretical reference for the prediction and control of? mining dynamic disasters.

Key words：graded static-dynamic coupling loading;outburst proneness;fractured coals;dynamic load amplitude;fracture behaviors

0引言

隨著中國煤炭資源大規(guī)模步入深部開采，礦井沖擊地壓動力災害發(fā)生的強度、頻度日益加劇[1-2]。煤巖體中彈性能釋放的主體、載荷類型與來源、發(fā)生時間與位置、有無斷層與褶曲等具體條件的不同，導致沖擊地壓的類型各異[3]。沖擊地壓誘發(fā)因素的多樣性，形成了從不同角度揭示沖擊地壓發(fā)生機理的理論成果[4-7]。礦井動載擾動會引起煤巖體局部應(yīng)力增加、強度降低，對擾動范圍內(nèi)煤巖體的應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模式造成重大影響，引發(fā)不同破壞程度及動載類型的沖擊地壓動力災害現(xiàn)象[8]。

國內(nèi)外學者對復雜應(yīng)力路徑下含孔隙性巖石的破裂特性開展了系統(tǒng)研究。劉慧等分析孔隙砂巖粒度對其宏觀變形破壞過程和模式的影響規(guī)律[9]。凌志強等揭示巖石在單循環(huán)加卸載作用下的力學特性及能量演化特征[10]。SUN等研究圍壓多級振幅循環(huán)加載下砂巖損傷演化規(guī)律，重新定義了多軸疲勞損傷模型尺寸參數(shù)，改進巖石損傷累積計算方法[11]。王宇等研究增幅疲勞加載頻率對預制裂隙巖石破裂演化特征的影響[12]。YAN等對單片巖石試件開展動靜耦合加載試驗，研究預壓和應(yīng)變速率對單裂隙巖石試件動態(tài)強度和開裂行為的影響[13]。王磊等采用對不同凍結(jié)溫度飽水砂巖開展單軸循環(huán)沖擊試驗，揭示單軸循環(huán)沖擊下凍結(jié)砂巖宏觀動力學特性和損傷機理[14]。YANG等揭示動靜耦合循環(huán)加載前后花崗巖縱波速度、透氣性和力學性質(zhì)的變化[15]。YIN等探討巖石在動靜載荷耦合作用下的破壞特征[16]。來興平等研究循環(huán)加卸載條件下天然互層巖樣的強度、變形特征、破壞模式及聲發(fā)射特性[17]。趙濤等通過開展不同負溫下凍結(jié)飽和砂巖單軸壓縮及巴西劈裂試驗，揭示不同負溫對凍結(jié)砂巖力學特性的影響機制[18]。XIAO等對完整和不同裂隙傾角的花崗巖進行試驗研究，分析裂隙傾角對沖擊荷載下預應(yīng)力巖石力學響應(yīng)和破壞行為的影響[19]。宮鳳強等揭示中心直裂紋半圓盤3點彎曲砂巖在不同預靜載水平下受不同擾動頻率載荷的斷裂特性[20]。于利強等研究預制裂隙細砂巖裂紋演化規(guī)律及變形破壞特征[21]。李地元等研究動靜組合加載下深部含裂隙巖體的力學特性和破壞規(guī)律[22]。

以上研究主要以硬質(zhì)巖石或無沖擊傾向性煤巖為試驗對象，而以不同傾角含裂隙沖擊傾向性煤巖為對象的研究仍不多見，對于動力擾動下深埋含裂隙沖擊傾向性煤巖破裂演化特征的研究成果更是少見。因斷層與采動應(yīng)力、礦震動載之間的相互作用是影響斷層沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵，且沖擊傾向性煤巖具有強度高、承載能力強、破壞現(xiàn)象劇烈的特點，是產(chǎn)生沖擊地壓的主要內(nèi)在因素。研究深埋含斷層地質(zhì)構(gòu)造與沖擊傾向性煤層采掘活動之間相互作用的力學機制是解決斷層型沖擊地壓防治這一前沿科學問題的理論基礎(chǔ)。采用巖石高壓靜動三軸力學試驗系統(tǒng)，輔以高速攝像機開展不同傾角預制裂隙沖擊傾向性煤巖在“預靜載+動力擾動”作用下的試驗研究，通過煤巖預制裂隙模擬煤巖體賦存的斷層結(jié)構(gòu)特性，為含斷層結(jié)構(gòu)煤巖體因開采等活動誘發(fā)沖擊地壓動力災害的機理研究提供參考。

1試驗設(shè)計及方法

1.1試樣特征

試樣取自彬長礦區(qū)某礦中央大巷，埋深約700 m。將采集的煤塊加工制備成直徑為50+6-2 mm，高徑比為2±0.2圓柱體標準試件，保證試樣兩端面平行度偏差控制在0～0.05 mm范圍內(nèi)。以試樣的密度及波速為基準，篩選去除離散性較大的試樣。對煤巖試樣進行沖擊傾向性評價指標的測定，測得煤巖試樣的單軸抗壓強度為弱沖擊傾向性，彈性能量指數(shù)為強沖擊傾向性，沖擊能量指數(shù)為強沖擊傾向性，動態(tài)破壞時間為無沖擊傾向性，4個指標判定結(jié)果不一致，根據(jù)模糊綜合評價法綜合判斷4類沖擊傾向指標，測定結(jié)果為強沖擊傾向性（表1）。

煤巖體實際賦存環(huán)境中，由于采動和頂板破斷產(chǎn)生礦震動載，引起局部斷層活化、錯動，形成了間斷性張開型的斷層結(jié)構(gòu)。因此文中利用巖石數(shù)控金剛石線性切割機對篩選后的煤巖試樣進行不同角度張開裂隙的預制，預制裂隙分別與試件徑向呈30°，45°，60°（圖1）。

1.2試驗設(shè)備與系統(tǒng)

試驗在西安科技大學深部巖土動靜三軸力學特性實驗室內(nèi)進行，試驗設(shè)備為長春DTAW-8000型巖石高壓動力試驗機（圖2）。試驗系統(tǒng)變形加載速率為0.001～7 mm/s，應(yīng)力加載速率為0.01～300 kN/m，動載頻率為0.1 Hz

1.3試驗方案

由礦區(qū)勘察和微震監(jiān)測資料得知煤巖體受到的動力擾動與地震波類似，呈正弦波擾動，頻率為3～5 Hz，煤巖受到的動載振幅可達0.38～4.35 MPa，持續(xù)時間通常幾十秒左右，煤巖體質(zhì)點峰值震動一般可達0.1～1 m/s[23-24]。

采用沖擊傾向性判定試驗中煤巖單軸抗壓強度作為預靜載分級的破壞載荷水平，一級預靜載水平為10%破壞載荷值Δp。為避免試樣在選取動載振幅下突然發(fā)生破壞，故選用破壞荷載的30%作為初始預靜載水平，試驗采用0.001 mm/s的位移加載速率加載至每一級預靜載水平穩(wěn)定后施加動載頻率5 Hz，250個周期和動載幅值為01 mm，0.2 mm的正弦動載應(yīng)力波，進行完整與不同傾角預制裂隙強沖擊傾向性煤巖的“分級預靜載+2種動載振幅擾動”系列試驗（圖3），通過改變動載振幅水平來實現(xiàn)對不同傾角裂隙煤巖不同程度的動載應(yīng)力波擾動，直至煤巖試樣發(fā)生破壞，由此模擬含斷層煤巖體在一定預靜載作用下受動載擾動誘發(fā)沖擊地壓的過程。

2強度變化特征

完整煤巖和60°傾角裂隙煤巖在0.1 mm動載振幅水平下峰值強度相對于靜載單軸抗壓強度峰值分別增大了79.76%，14.59%，在0.2 mm動載振幅水平下，則分別增大了32.05%，9.63%（表2）。完整煤巖與大傾角裂隙煤巖在靜動組合加載下，煤巖內(nèi)部原生裂紋、裂隙被壓密，原生結(jié)構(gòu)緊密程度高，導致峰值強度高于靜力加載，而隨著動載振幅增大，峰值強度增大幅度明顯下降。

30°，45°傾角裂隙煤巖在振幅0.1 mm動力擾動下的峰值強度相較于靜載單軸抗壓強度峰值分別降低13.84%，29.34%，振幅0.2 mm動力擾動下，分別降低了10.61%，28.22%。分級靜動組合加載下，小傾角裂隙煤巖顯現(xiàn)強度劣化現(xiàn)象，然而隨動載振幅水平增大，強度劣化特征并無明顯波動，裂隙煤巖受動載振幅小幅增大的影響較小。

相同動載振幅下，煤巖預靜載級數(shù)隨預制裂隙傾角增大表現(xiàn)為先減小后增大（圖4）。相同傾角裂隙煤巖中，完整煤巖與60°傾角裂隙煤巖的預靜載級數(shù)隨著動載振幅增大而減小，45°傾角裂隙煤巖在不同動載振幅作用下，預靜載級數(shù)相同，而30°傾角裂隙煤巖加載級數(shù)隨動載振幅增大而增大。同級動載振幅水平下，完整煤巖承載能力遠高于含傾角裂隙試樣，且45°傾角裂隙煤巖在分級靜動組合作用下的承載能力最弱。

3應(yīng)力應(yīng)變特征

完整煤巖和30°，60°傾角裂隙煤巖在0.1 mm動載振幅作用下，隨著預靜載水平的提高，應(yīng)力、應(yīng)變量值變化幅度呈降幅現(xiàn)象，完整煤巖降幅現(xiàn)象較為明顯（圖5（a））。達到煤巖初始預靜載應(yīng)力水平的壓密和彈性階段時，完整煤巖在低水平預靜載作用下，內(nèi)部孔隙、裂紋緩慢發(fā)育，同時在受低水平動載振幅下，微裂紋逐漸被壓密實。經(jīng)過一定“預靜載+動力擾動”后，煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密程度得到提高，承載能力增強，變形能力大幅度降低，出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變強化現(xiàn)象，積聚大量彈性變形能。一旦強化階段弱化或結(jié)束，煤巖變形能力增大，于其內(nèi)部弱結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生大量的微裂紋、裂隙，同時在高水平預靜載和動載下充分發(fā)育、衍生、延展，匯集演化成貫通裂縫，強化階段蓄積的彈性能瞬間得到釋放，發(fā)生沖擊破壞。

完整煤巖與60°傾角裂隙煤巖峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨著動載振幅水平增長顯現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變劣化特征，而30°與45°傾角裂隙煤巖峰值應(yīng)力隨動載振幅水平增大表現(xiàn)為微增趨勢（圖5，圖6）。

完整煤巖在低水平預靜載和高水平動載振幅下強化現(xiàn)象更加明顯。達到三級預靜載時，初顯強化階段，五級預靜載下出現(xiàn)了強化極點，說明高水平動載振幅加速了完整煤巖的破壞過程，使強化階段提前顯現(xiàn)（圖6（a））。

30°傾角裂隙煤巖應(yīng)力-應(yīng)變強化現(xiàn)象出現(xiàn)在二級靜動組合過程中，且隨著動載振幅水平增大，傾角裂隙結(jié)構(gòu)與前期累積損傷在應(yīng)變強化過后，在高幅應(yīng)力波下被壓密實形成新生結(jié)構(gòu)體，新生結(jié)構(gòu)在動靜組合加載下顯現(xiàn)脆性疲軟特征，高動載振幅水平起到滯后作用，延長了煤巖結(jié)構(gòu)的承載壽命，為高動載振幅水平下峰值應(yīng)力與加載級數(shù)增大的原因（圖5（b））;45°傾角裂隙煤巖在整個壓縮破壞過程中無強化現(xiàn)象顯現(xiàn)，在“二級預靜載+動力擾動”作用下預制裂隙瞬間被壓密，變形驟然增大（圖5（c））。0.2 mm動載振幅作用下，動載擾動尚未結(jié)束，煤巖突然發(fā)生沖擊破壞，且峰值應(yīng)變值與極限應(yīng)變值明顯高于完整煤巖和其它傾角裂隙煤巖（圖6（c））;60°傾角裂隙煤巖強化階段分別出現(xiàn)在三、四級預靜載，整體應(yīng)力變化趨勢與完整煤巖基本一致，而峰值變形能力卻小于完整煤巖（圖5（d）、圖6（d））。

分級預靜載和0.1，0.2 mm正弦波動載振幅作用下，強沖擊傾向性煤巖總體應(yīng)力水平隨著裂隙傾角的增大呈先減小后增大的變化趨勢，而煤巖峰值應(yīng)變與極限應(yīng)變則顯現(xiàn)先增大后減小。應(yīng)力-應(yīng)變強化現(xiàn)象提高了完整煤巖、30°及60°傾角煤巖的承載能力，且隨著動載振幅水平的增大，強化現(xiàn)象提前顯現(xiàn)，加速了煤巖的破壞過程。而45°傾角裂隙煤巖在分級靜動組合加載下的承載能力最弱，且隨著動載振幅水平增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)瞬間弱化而失去承載力，變形急劇增大，脆性破壞特征顯著，沖擊危險性也隨之增大。因此，在深部巖體工程中，應(yīng)重視此類傾角斷層地質(zhì)構(gòu)造強沖擊傾向性煤層的開采。

4裂紋擴展特征

30°傾角裂隙煤巖在0.1 mm動載振幅下，翼裂紋從傾角裂隙左尖端顯現(xiàn)。隨著預靜載提高和動力擾動作用下，預制裂隙兩端翼裂紋不斷萌生、擴展，形成多條拉伸裂紋，最后形成宏觀破裂帶（719 s）。強化階段過后，預制裂隙被完全壓密，裂紋數(shù)目、寬度迅速增加，形成多條沿預制裂隙兩端的貫通裂縫，煤巖表面片狀煤塊剝落、微量煤屑彈射（919 s），煤巖表面破碎程度嚴重（圖7（a））。

45°傾角裂隙煤巖在一級預靜載和0.1 mm動載振幅作用下，預制裂隙右端向下的翼裂紋緩慢延展，向上擴展的翼裂紋逐漸演化成裂隙（726 s）。在二級靜動組合加載過程中，沿預制裂隙左尖端延展的翼裂紋浮現(xiàn)明顯分支貫通裂縫，右尖端翼裂紋被壓密，在翼裂紋上端萌生次生微裂紋（794 s），煤巖達到峰值強度。二次動載擾動后，次生微裂紋快速擴展，拉應(yīng)力集中處大量煤屑飛濺（821 s）。達到三級預靜載后，次生裂紋迅速沿煤巖上端衍生、擴展，形成多條拉伸貫通裂縫（864 s），瞬間失去承載能力，誘發(fā)區(qū)域性的沖擊現(xiàn)象（圖7（b））。

60°傾角預制裂隙煤巖在四級靜動組合加載時，預制裂隙左尖端出現(xiàn)翼裂紋（771 s）。達到五級預靜載時，翼裂紋右尖端顯露分支裂紋，與預制裂隙和翼裂紋形成“三角區(qū)”（899 s）。達到峰值應(yīng)力水平時，“三角區(qū)”的分支裂紋演化成拐折貫通裂縫，預制裂隙右尖端與分支裂紋交叉處表面浮現(xiàn)煤屑飛濺、煤塊脫落現(xiàn)象（1 272 s）。在達到八級預靜載水平過程中，預制裂隙周圍多條拉伸裂紋，迅速擴展，分支裂縫背面多處形成拐折貫通裂縫（1 426 s），引發(fā)沖擊破壞（圖7（c））。

高水平動載振幅下，煤巖可見的裂縫數(shù)目、長度、寬度增大，破壞時間大大縮短，且應(yīng)力-應(yīng)變強化現(xiàn)象顯著的煤巖破壞時，破壞煤塊彈射現(xiàn)象愈劇烈。一級靜動組合加載下，30°傾角裂隙煤巖預制裂隙中部位置顯現(xiàn)拉伸裂紋（400 s）。短暫強化階段影響下，拉伸裂紋緩慢擴展、衍生（571 s）。四級靜動組合加載時，預制裂隙被完全壓密，預制裂隙兩端的拉伸裂紋亦被壓密，在預制裂隙右尖端衍生翼裂紋，隨著翼裂紋迅速延展，裂紋處出現(xiàn)煤塊彈落現(xiàn)象（886 s）。在達到五級預靜載之前，被壓密的拉伸裂紋演化成貫通裂縫（921 s），多條翼裂紋迅速折向擴展，呈動載疲軟后的脆性擴展失穩(wěn)破壞（圖8（a））。

45°傾角預制裂隙煤巖在一級靜動組合加載下，預制裂隙左端衍生翼裂紋，伴隨著動載擾動，預制裂隙閉合，閃現(xiàn)分支貫通裂縫（600 s）。煤巖在動載擾動的瞬間壓應(yīng)力作用下，預靜載期間積聚的大量能量突然耗損，與預制裂隙左尖端翼裂紋拐折相連，形成和預制裂隙共面的破裂面（703 s）。當翼裂紋擴展到一定長度時，與分支裂縫融匯形成拐折貫通，形成宏觀剪切型貫通破裂面（733 s）。最后動載過程尚未結(jié)束，裂隙貫通、延伸，衍生多條裂隙，沿預制裂隙面產(chǎn)生明顯錯動，造成煤巖整體剪切破壞，裂隙擴展寬度增大，并伴隨有大量煤屑濺射、煤塊彈出（圖8（b））?，F(xiàn)象表明，45°傾角預制裂隙強沖擊傾向性煤巖在高水平動載振幅作用下，強沖擊傾向性煤巖的破壞模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

60°傾角裂隙煤巖在三級靜動組合加載下，預制裂隙左尖端形成可見拐折翼裂紋（620 s），強化現(xiàn)象過后，翼裂紋拐折連接，預制裂隙被壓密，右尖端翼裂紋快速擴展，形成分支微裂紋（780 s）。隨著預靜載提高，預制裂隙再度顯化，翼裂紋及分支裂紋在壓剪荷載下緩慢延展，煤巖內(nèi)部積聚大量塑性變形能（940 s）。在達到七級預靜載過程中，分支裂紋迅速擴展，拐折翼裂紋與預制裂隙右側(cè)多條拉伸裂紋在壓剪應(yīng)力作用下拐折融匯，與分支裂縫形成明顯的共面剪切型貫通破裂面，煤巖突然發(fā)生剪切破壞（1 313 s），強化階段積聚的彈性能瞬間釋放，煤塊彈射的數(shù)量和距離大于其余傾角裂隙煤巖，并伴隨有劇烈聲響（圖8（c））。

高水平動載振幅作用下，強化現(xiàn)象越明顯，裂隙煤巖沖擊破壞現(xiàn)象愈劇烈，隨動載振幅水平與裂隙傾角的增大，煤巖初始承受的拉應(yīng)力在壓剪荷載作用下逐漸向剪應(yīng)力過渡，最終呈剪切破壞。

5結(jié)論

1）分級靜動組合加載方式影響強沖擊傾向性煤巖的強度。分級靜動組合加載下，完整與60°傾角煤巖峰值強度高于靜力加載，而30°，45°傾角裂隙煤巖顯現(xiàn)強度劣化現(xiàn)象，完整煤巖的峰值強度受動載振幅影響較大。

2）強沖擊傾向性裂隙煤巖應(yīng)力及變形特征受動載振幅水平的影響較大。在分級靜動組合加載過程中，裂隙煤巖峰值應(yīng)力隨預制裂隙傾角增大呈先減小后增大的變化趨勢，峰值應(yīng)變與極限應(yīng)變則顯現(xiàn)先增大后減小，峰值應(yīng)力及變形能力在應(yīng)力-應(yīng)變強化下得到提高，高動載振幅水平下，強化現(xiàn)象提前顯現(xiàn)，加速了裂隙煤巖的破壞過程。

3）裂隙傾角大小和動載振幅水平對強沖擊傾向性煤巖裂紋擴展及破壞模式有顯著影響。分級靜動組合加載過程中，應(yīng)力-應(yīng)變強化現(xiàn)象抑制了裂隙煤巖拉伸裂紋的萌生、擴展和貫通。高水平動載振幅下，隨著預制傾角增大，煤巖由初始承受的拉應(yīng)力逐漸向剪應(yīng)力過渡，最終呈剪切破壞。

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