煤巖組合體的能量演化規(guī)律與破壞機(jī)制

楊 磊，高富強(qiáng)，王曉卿，李建忠

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

隨著煤礦開采深度的增加，井下采礦工程的巷道變形失穩(wěn)、冒頂、沖擊地壓等工程災(zāi)害頻發(fā)。煤礦深部開采過程中的災(zāi)害不僅僅受煤、巖自身裂隙結(jié)構(gòu)面的影響，更多的是“煤體-巖體”組合結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果，因此，研究煤巖組合體的破壞機(jī)制對(duì)預(yù)防礦井災(zāi)害有著十分重要的意義[1-2]。近年來，眾多學(xué)者對(duì)煤巖組合體展開了大量的研究工作:竇林名等對(duì)組合煤巖體的沖擊傾向性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了組合體的沖擊傾向性指數(shù)與組合結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，并對(duì)其聲電效應(yīng)進(jìn)行了研究[3-4];左建平等研究了在單軸壓縮及分級(jí)加卸載試驗(yàn)下煤巖組合體的力學(xué)特性及破壞機(jī)制，同時(shí)對(duì)不同組合體的力學(xué)特性的差異性與沖擊傾向性進(jìn)行了分析[5-6];張澤天等研究了組合方式對(duì)煤巖組合體力學(xué)特性和破壞特征的影響[7];趙毅鑫等研究了煤巖組合體失穩(wěn)前兆信息，發(fā)現(xiàn)熱紅外監(jiān)測(cè)對(duì)能量積聚和耗散較敏感，其失穩(wěn)過程中存在明顯的能量傳遞現(xiàn)象[8];目前針對(duì)煤巖組合體的研究主要集中在力學(xué)特性、沖擊傾向性與聲電效應(yīng)等方面[9-10]，并以此來研究其破壞機(jī)制[11]。

實(shí)際上，物質(zhì)的破壞是能量驅(qū)動(dòng)下的一種狀態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象[12]。以井下采礦工程為例，對(duì)煤層的開采、擾動(dòng)或卸壓總是伴隨著能量的輸入、積聚、耗散和釋放，人為采掘及其所誘導(dǎo)的頂?shù)装鍘r層運(yùn)移對(duì)煤巖體輸入能量，這些能量一部分會(huì)積聚在煤巖體內(nèi)，轉(zhuǎn)化為彈性變形能，并在其破壞時(shí)釋放出來，另一部分會(huì)導(dǎo)致煤巖破裂從而轉(zhuǎn)化成電磁輻射、聲發(fā)射等能量耗散掉。因此，從能量角度研究煤巖變形破壞規(guī)律，可能更具有普適性，更接近煤巖變形破壞本質(zhì)[13]。謝和平等從非平衡熱力學(xué)角度出發(fā)，研究了巖石變形破壞過程中能量耗散、傳遞與釋放特性，闡述了能量分析可以更好的描述巖石變形破壞過程[14]。張志鎮(zhèn)等研究了單軸壓縮下巖石能量演化的非線性特性，建立了巖石能量轉(zhuǎn)化的自我抑制模型，得到并驗(yàn)證了巖石內(nèi)部能量隨應(yīng)力變化的演化方程，初步提出了巖石破壞預(yù)警判據(jù);同時(shí)還研究了不同巖性巖石能量演化特征，發(fā)現(xiàn)煤與紅砂巖和花崗巖的能量演化與分配模式相似，但煤在峰前存在明顯的弱化階段，脆性越強(qiáng)的巖石，峰后彈性能的釋放越快速?gòu)氐譡15-16]。尤明慶等利用伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)粉砂巖進(jìn)行了常規(guī)三軸加載試驗(yàn)，得到了巖石破裂時(shí)實(shí)際吸收的能量與破裂時(shí)所處的圍壓呈線性關(guān)系[17]。劉建鋒等研究了巖石密度對(duì)巖石能量耗散的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖石密度越大，其發(fā)生能量耗散則越小，反之能量耗散越大[18]。黎立云等對(duì)巖石試件進(jìn)行了單軸加卸載實(shí)驗(yàn)，得到了卸荷彈性模量與泊松比、可釋放應(yīng)變能與耗散能的變化規(guī)律，得出高強(qiáng)度硬巖儲(chǔ)能極限大，更易發(fā)生巖爆的結(jié)論[19]。陳巖等通過對(duì)煤巖組合體進(jìn)行單軸和循環(huán)加卸載試驗(yàn)，得到了煤巖組合體的能量非線性演化特征[20]。宮鳳強(qiáng)等選取了14種巖石進(jìn)行了不同卸載應(yīng)力水平下的單軸壓縮一次加卸載試驗(yàn)，得到了巖石材料的線性儲(chǔ)能規(guī)律，確認(rèn)了巖石材料在壓縮加載過程中能量演化規(guī)律的非線性特征[21]。

然而，煤與巖石作為兩個(gè)不同的介質(zhì)，在強(qiáng)度、材質(zhì)、不均勻性以及細(xì)觀結(jié)構(gòu)等方面存在較大差異，采用強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變等力學(xué)特性來研究煤巖組合體的破壞機(jī)制可能存在一定的片面性，而目前能量分析方法多針對(duì)的是巖石單體，對(duì)煤巖組合體的能量演化規(guī)律及破壞機(jī)制的研究鮮有報(bào)道，因此，筆者旨在研究煤巖組合體受壓過程中能量的演化規(guī)律，探討煤巖組合體變形破壞的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為礦井工程災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理和防治提供理論指導(dǎo)。

1 煤巖組合體的制備與試驗(yàn)

1.1 試樣的加工制備

本試驗(yàn)所采用的煤樣、巖樣均取自新疆某礦的煤層及頂板巖層，依據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，首先用取芯鉆機(jī)將煤、巖塊鉆取50 mm的圓柱體煤、巖試件，再通過鋸石機(jī)切割成所需的試件高度，然后用平面磨床將其兩端磨平，要求各試樣兩端不平行度不大于0.03 mm，兩端直徑偏差不大于0.02 mm。最后按1:1的高比組合，用白乳膠將煤、巖試件組合成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖1所示。為了研究巖石強(qiáng)度對(duì)組合體能量演化規(guī)律的影響，探討煤巖組合體的能量驅(qū)動(dòng)破壞機(jī)制，試驗(yàn)對(duì)象共分為4組，A組為純煤試件，B組為純巖石試件，為細(xì)砂巖，C組為煤巖組合試件，其中巖石為泥質(zhì)砂巖，D組為煤巖組合試件，其中巖石來自B組的細(xì)砂巖，純煤與組合試件中的煤均取自同一大塊型煤。單軸一次加載試驗(yàn)中，純煤、泥質(zhì)砂巖和細(xì)砂巖每組各3個(gè)試樣，單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)中，純煤與細(xì)砂巖每組各3個(gè)試樣，C組合與D組合每組各4～6個(gè)試樣。

圖1 組合后的標(biāo)準(zhǔn)試件Fig.1 Combined standard samples

1.2 試驗(yàn)過程與方案

試驗(yàn)方案分為單軸一次加載試驗(yàn)與單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備采用煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室配備的TAW-3000電液伺服試驗(yàn)機(jī)，首先對(duì)單一的煤、巖試件進(jìn)行單軸一次壓縮試驗(yàn)，獲得煤、巖的基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)，以供下文的對(duì)比分析，單軸一次壓縮試驗(yàn)采用載荷控制方式，加載速率為1 kN/s，加載至試樣破壞，該條件下純煤試件、泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖的平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為28.26,50.16和85.09 MPa。煤、巖的具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 單一的煤、巖試件力學(xué)參數(shù)
Table 1 Mechanical parameters of single coal androck specimen

類別試件編號(hào)單軸抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa1-121.952.63純煤試件1-230.292.661-332.552.712-153.4311.22泥質(zhì)砂巖試件2-244.149.802-352.9011.923-191.5722.77細(xì)砂巖試件3-275.3220.653-388.3724.30

其次對(duì)煤、巖及組合體進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，通過加卸載曲線的面積來計(jì)算輸入能密度、耗散能密度與彈性能密度，以開展煤巖組合體的能量演化研究。試驗(yàn)過程采用載荷+位移的控制方式，即在循環(huán)初期采用載荷控制方式，加載速率與卸載速率均為1 kN/s，以5 kN為一循環(huán)，卸載最低點(diǎn)為試驗(yàn)機(jī)的初始載荷2.5 kN，加載至試件預(yù)估峰值強(qiáng)度的70%～90%時(shí)再次卸載至試驗(yàn)機(jī)的初始載荷，隨后改為位移控制方式，加載速率0.000 5 mm/s，加載至試樣失穩(wěn)破壞。

2 煤巖組合體的能量演化規(guī)律

2.1 能量分析方法

實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)于受載煤巖系統(tǒng)，其能量演化主要分為能量輸入、能量積聚、能量耗散和能量釋放4個(gè)過程。在加載過程中，不考慮阻尼消耗與熱交換，能量輸入主要來源于試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件所做的功，輸入的能量一部分以彈性變形能的形式積聚在煤巖試件內(nèi)，是可逆的，卸載時(shí)可以釋放出來，另一部分以塑性變形能、損傷能等的形式耗散掉，是不可逆的，即

U=Ue+Up

(1)

式中，U為輸入的能量;Ue為可釋放彈性能;Up為耗散能。

當(dāng)彈性變形能積聚到一定極限，超過試樣所能承受的能力，便會(huì)使試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞，并向外界釋放能量，主要包括動(dòng)能、熱能、各種輻射能等，若不考慮試驗(yàn)機(jī)的影響，這部分能量主要來自可釋放彈性能。

對(duì)于試樣的可釋放彈性能與耗散能則可通過循環(huán)加卸載試驗(yàn)來獲得，圖2(a)為循環(huán)加卸載試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型，由圖中可看出，當(dāng)加載到某一載荷再卸載時(shí)，卸載曲線并不沿著原來的加載曲線，而是要低于加載曲線。提取其中某一循環(huán)分析，如圖2(b)所示，加載曲線OAC下的面積為外載所做的功，即輸入的能量U，卸載曲線ABC下的面積則是可釋放的彈性能Ue，由外載總功減去試樣的彈性變形能即為耗散掉的能量Up，也就是加卸載曲線OAB之間的面積。

2.2 煤巖組合體的能量演化規(guī)律

依據(jù)圖2(b)能量計(jì)算分析模型，采用圖形積分的方法，計(jì)算每個(gè)循環(huán)下的輸入能密度U、彈性能密度Ue及耗散能密度Up，計(jì)算方法[12]:

(2)

表2為D組煤巖組合體在不同載荷水平下的能量輸入、能量積聚及能量耗散密度，將表中數(shù)據(jù)繪至圖3中，得到隨著軸向應(yīng)力水平的增加，所有試樣中能量輸入、能量積聚和能量耗散的演化曲線。

圖2 能量計(jì)算分析模型Fig.2 Energy calculation analysis model

表2D組煤巖組合體不同載荷水平下的能量密度
Table 2 Energy density values of group D coal-rock combination under different load levelsmJ/mm3

軸壓/kND-1試樣UUeUpD-2試樣UUeUpD-3試樣UUeUpD-4試樣UUeUp50.000 90.000 80.000 10.000 90.000 80.000 10.000 90.000 80.000 10.000 70.000 60.000 1100.004 10.003 40.000 70.004 50.003 90.000 60.004 80.003 70.001 10.003 50.003 30.000 2150.008 30.007 40.000 90.009 20.008 50.000 70.009 70.008 50.001 20.007 50.007 20.000 3200.013 60.012 50.001 10.014 70.013 80.000 90.015 20.013 70.001 50.012 70.012 10.000 6250.020 70.019 20.001 50.021 40.020 20.001 20.022 60.020 80.001 80.018 70.017 90.000 8300.028 80.026 90.001 90.030 00.028 50.001 50.030 30.028 00.002 30.025 10.024 10.001 0350.038 00.035 70.002 30.039 20.037 30.001 90.039 80.037 10.002 70.033 40.032 00.001 4400.047 70.045 00.002 70.049 20.047 00.002 20.050 70.047 40.003 30.042 60.040 90.001 7450.060 00.056 70.003 30.061 30.058 50.002 80.062 90.059 00.003 90.053 40.051 20.002 2500.071 80.067 90.003 90.072 90.069 60.003 30.076 00.071 30.004 70.064 80.062 10.002 7550.086 40.082 20.004 20.085 30.081 30.004 00.088 60.082 90.005 70.077 40.074 10.003 3600.100 50.094 50.006 00.107 00.099 70.007 30.090 90.087 00.003 9650.127 50.116 20.011 30.109 30.102 00.007 3

由圖3可以看出，煤巖組合體在受壓過程中其輸入能、彈性能及耗散能隨著軸向應(yīng)力水平的增加呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線較為相似，在受載初期，輸入能、彈性能及耗散能密度增長(zhǎng)速率較小，曲線相對(duì)較為平緩，對(duì)應(yīng)于試件孔隙裂隙壓密階段，此時(shí)彈性能密度與輸入能密度非常接近，表明輸入能絕大部分以彈性能方式儲(chǔ)存在試件內(nèi)部，僅較小部分耗散掉;隨后試樣進(jìn)入彈性變形階段，彈性能密度、輸入能密度與耗散能密度仍在逐步增大，呈近似線性增長(zhǎng)趨勢(shì);之后耗散能密度存在“突變”現(xiàn)象，即耗散能密度突然大幅增加，如圖3中的D-2,D-3與D-4試件，具體突變幅度見表2，此時(shí)試件已進(jìn)入非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段。整個(gè)受壓過程中，試件內(nèi)部的彈性能密度占輸入能密度的比例始終比較高，表明儲(chǔ)存在試件內(nèi)部的彈性能較高，耗散能較少。

由表3顯示，該增長(zhǎng)趨勢(shì)均可用二次函數(shù)關(guān)系式來表達(dá)，且擬合效果顯著，尤其是彈性能密度，其擬合方程的相關(guān)性系數(shù)R2均在0.999 7以上，耗散能密度的二次函數(shù)擬合效果相對(duì)較差，相關(guān)性系數(shù)R2在0.923 7～0.994 5，整體上來說煤巖組合體材料在受壓過程中其輸入能、彈性能以及耗散能均呈典型的非線性演化特征。

圖3 D組試樣加載過程中能量演化曲線Fig.3 Energy evolution curves during loading of group D samples

表3D組試樣加載過程能量演化擬合方程
Table 3 Fitting equation of energy evolution in the loading process of group D samples

試樣編號(hào)輸入能擬合方程彈性能擬合方程耗散能擬合方程D-1U=9×10-5σ2+0.000 5σ-0.001 1(R2=0.999 9)Ue=8×10-5σ2+0.000 4σ-0.001 1(R2=0.999 9)Up=2×10-6σ2+9×10-5σ-1×10-5(R2=0.994 5)D-2U=8×10-5σ2+0.000 8σ-0.002(R2=0.999 8)Ue=7×10-5σ2+0.000 8σ-0.002 5(R2=0.999 7)Up=6×10-6σ2-5×10-5σ+0.000 5(R2=0.965 9)D-3U=9×10-5σ2+0.000 4σ+0.000 3(R2=0.999 2)Ue=8×10-5σ2+0.000 5σ-0.001 1(R2=0.999 7)Up=1×10-5σ2-0.000 1σ+0.001 3(R2=0.943 8)D-4U=8×10-5σ2+0.000 2σ+5×10-5(R2=0.999 5)Ue=8×10-5σ2+0.000 4σ-0.000 7(R2=0.999 9)Up=8×10-6σ2-0.000 1σ+0.000 7(R2=0.923 7)

圖4 循環(huán)加卸載過程Fig.4 Cycle loading and unloading process

3 煤巖組合體的力學(xué)響應(yīng)與破壞機(jī)制

3.1 煤巖組合體力學(xué)特性演化

圖4為純煤試件、純巖石試件和組合試件的循環(huán)加卸載曲線，每次卸載后再加載，在荷載超過上一次循環(huán)的最大荷載以后，變形曲線仍沿著原來的單調(diào)加載曲線上升，并不受反復(fù)加載的影響，這種變形記憶在純煤試件與純巖石試件中表現(xiàn)尤為明顯，但在組合試件中，由于煤、巖材質(zhì)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異性或黏結(jié)面等原因，這種變形記憶略有誤差，這一點(diǎn)通過曲線的光滑程度可以看出。

各組試件在循環(huán)加卸載試驗(yàn)下的力學(xué)參數(shù)及峰值彈性能密度值見表4。其中彈性模量為最后一次加載曲線的近似直線段斜率，峰值彈性能密度是通過將峰值強(qiáng)度值代入彈性能密度擬合方程計(jì)算而得。純煤、巖石以及組合試件的力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)值與平均值如圖5所示。

純煤、巖石以及組合試件的力學(xué)參數(shù)的變化特征如圖5所示。由圖5可以看出，組合試件的力學(xué)參數(shù)更接近于純煤試件，而與巖石試件差距較大。與純煤試件相比，組合試件的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量均有所增加，C,D組合試件的平均單軸抗壓強(qiáng)度分別提高了36.94%和47.12%，平均彈性模量分別提高了70.61%和88.16%，表明煤、巖組合后，其承載能力與抵抗變形的能力較煤均有所提高。雖然D組合試件中的細(xì)砂巖比C組合試件中的泥質(zhì)砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度高出60%，彈性模量高出88%，但D組合體的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量較C組合體僅小幅增長(zhǎng)，表明隨著巖石強(qiáng)度的增大，組合體的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量也有所增大，但增長(zhǎng)幅度有限，更多的是受到煤的影響。

表4 各組試件循環(huán)加卸載下的力學(xué)參數(shù)結(jié)果
Table 4 Results of mechanical parameters under cyclicloading and unloading of test specimens

試件類別試件編號(hào)單軸抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa峰值彈性能密度/(mJ·mm-3)A-128.472.470.104 7純煤試件A-220.732.350.083 7A-325.682.520.112 7B-181.4928.900.097 0巖石試件B-296.7530.080.128 1B-373.1824.910.071 2C-130.224.070.095 5C組合試件C-236.414.230.152 5C-333.344.230.104 0C-436.764.170.129 6D-141.064.660.151 4D組合試件D-234.304.530.110 5D-337.984.540.139 4D-433.534.720.102 0

圖5 各組試件的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of mechanical parameters of test specimens

3.2 煤巖組合體變形破壞特征

煤巖組合體在單軸循環(huán)加卸載下的破壞情況如圖6所示。由圖6可明顯看出，組合試件中煤、巖部分均發(fā)生了不同程度的破壞，其中煤體部分主要呈X狀共軛斜面剪切破壞，如C-3,C-4,D-2,D-3和D-4試件，破碎程度高，多條宏觀裂紋貫穿整個(gè)煤樣;盡管組合體中巖石的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于煤的強(qiáng)度(D組巖石強(qiáng)度是煤的3倍)，巖石幾乎都發(fā)生明顯破壞，其主要為張拉破壞，存在一條主裂紋，巖塊相對(duì)較為完整，由C-2,C-3,C-4,D-2,D-3和D-4試件的破壞形態(tài)可以看出，巖石中的裂紋均與煤體中的主要破壞貫通，且靠近煤體部分的裂紋相對(duì)較大，C-1和D-1試件的破壞形態(tài)顯示，巖石中的裂紋尚未貫穿，裂紋正從煤巖結(jié)合處向巖石上部發(fā)展，由此可見，煤巖組合體受壓過程中，煤體是首先破裂體，是控制組合試件強(qiáng)度的主要因素，巖石尚未達(dá)到其強(qiáng)度極限就已破壞，從巖石的破壞形態(tài)、裂紋起始位置等分析，巖石破壞的主要原因可能是煤體中裂紋快速擴(kuò)展與彈性能突然釋放所致，是能量驅(qū)動(dòng)下的失穩(wěn)破壞。

圖6 組合試件破壞形態(tài)Fig.6 Failure form of combined specimen

3.3 煤巖組合體破壞的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)制探討

能量驅(qū)動(dòng)巖石破壞的機(jī)制主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是巖石內(nèi)部積聚的彈性變形能達(dá)到其儲(chǔ)能極限，二是外界傳遞給巖石的能量超過其儲(chǔ)能極限。因此，首先需弄清煤巖體的儲(chǔ)能特性。圖7為純煤試件、巖石試件與組合試件的彈性能密度平均值的演化曲線，隨著應(yīng)力增加其彈性能密度均呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速度為純煤試件>C組合試件>D組合試件>巖石試件，可見彈性能密度增速與彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度呈反比，且與力學(xué)特性類似，C和D組合試件的彈性能密度演化特征差別較小，均更接近于純煤試件。純煤、巖石以及組合試件的峰值彈性能密度的變化特征如圖8所示?？梢钥闯觯M合試件的峰值彈性能密度較純煤試件的有所增大，表明受峰值強(qiáng)度增大的影響，組合試件儲(chǔ)存彈性能的能力有所增長(zhǎng)，但巖石試件的峰值彈性能密度甚至比組合試件的要低，主要原因?yàn)榉逯祻椥阅苊芏仁芊逯祻?qiáng)度與峰值應(yīng)變的雙重影響，雖然該巖石試件強(qiáng)度接近90 MPa，但其應(yīng)變小，根據(jù)圖4典型試件的循環(huán)加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線，純煤試件、組合試件與巖石試件的峰值應(yīng)變分別為0.011 6,0.008 7和0.003 4，巖石試件的峰值應(yīng)變明顯較小，根據(jù)計(jì)算公式則其峰值彈性能密度較小，即儲(chǔ)存彈性能的能力較小。

圖7 各組試樣彈性能密度平均值演化曲線Fig.7 Average evolution curve of elastic energy density of each sample

圖8 峰值彈性能密度對(duì)比曲線Fig.8 Peak elastic energy density comparison curve

綜上，從儲(chǔ)存彈性能的速度來看，純煤試件>C組合試件>D組合試件>巖石試件，從儲(chǔ)存彈性能的能力來看，D組合試件>C組合試件>純煤試件=巖石試件，因此，煤巖組合體破壞的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)制為:組合體受壓過程中，煤、巖開始不斷儲(chǔ)存彈性能，煤體中的彈性能率先達(dá)到其儲(chǔ)能極限，破壞瞬間釋放的能量傳遞至巖石，達(dá)到巖石的儲(chǔ)能極限時(shí)，煤體中裂紋擴(kuò)展貫通至巖石內(nèi)部，在彈性能的驅(qū)動(dòng)下巖石發(fā)生張拉破壞。但根據(jù)圖7中巖石的彈性能演化曲線，若巖石試件強(qiáng)度進(jìn)一步提高，其儲(chǔ)存彈性能的能力將增大，煤體中裂紋擴(kuò)展所釋放的能量是否就不足以使得巖石發(fā)生破壞？為此筆者增加一組實(shí)驗(yàn)，選用平均抗壓強(qiáng)度120 MPa的細(xì)砂巖與該煤體組合，標(biāo)記為E組合體，該巖石單體的峰值彈性能密度達(dá)到了0.15 mJ/mm3，遠(yuǎn)超過了純煤的峰值彈性能密度0.10 mJ/mm3，E組合體的平均單軸抗壓強(qiáng)度為38.21 MPa，平均彈性模量為4.71 GPa，試驗(yàn)后的破壞情況如圖9所示，巖石均未發(fā)生破壞，初步建立了該能量驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

圖9 E組合體破壞形態(tài)Fig.9 Failure form of E-combined specimen

4 結(jié) 論

(1)煤巖組合體受壓過程中，峰前階段的輸入能、彈性能及耗散能隨著軸向應(yīng)力的增加呈明顯的非線性增長(zhǎng)特征，能量密度-應(yīng)力曲線可分為壓密段、彈性變形段和非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，整個(gè)過程中儲(chǔ)存在試件內(nèi)部的彈性能較高，耗散能較少。試樣達(dá)到屈服后，耗散能發(fā)生“突變”，即耗散能比例開始增加。

(2)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中間，更接近于純煤試件。與巖石試件相比，單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量下降幅度較大，隨著巖石強(qiáng)度的增大，組合體力學(xué)性能稍有增強(qiáng)，但幅度有限，煤體是控制組合體強(qiáng)度等力學(xué)特性的主要因素。

(3)單軸循環(huán)加卸載下，組合體中的煤體與巖石均發(fā)生破壞，煤體是首先破裂體，其破碎程度高，主要呈X狀共軛斜面剪切破壞，巖石主要為張拉破壞，其張拉裂紋與煤體中的主要破壞貫通，是煤體中裂紋擴(kuò)展至其內(nèi)部所致。

(4)煤巖組合體破壞的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)制為:在受壓過程中，煤、巖開始不斷儲(chǔ)存彈性能，煤體儲(chǔ)能速度快，內(nèi)部彈性能率先達(dá)到其儲(chǔ)能極限，煤體發(fā)生破壞并釋放彈性變形能，釋放的能量傳遞至巖石，當(dāng)達(dá)到巖石的儲(chǔ)能極限時(shí)，致使巖石發(fā)生破壞。

本文探討了煤巖組合體破壞的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)于煤體裂紋擴(kuò)展致巖石破裂這一難題，還需要從應(yīng)力集中與損傷等角度進(jìn)一步研究，本文的研究只是初步的研究，將來會(huì)借助精密的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀器開展深入系統(tǒng)的研究。