單軸壓縮下不同煤巖組合體峰前、峰后變形能變化規(guī)律研究

蘭永偉，高紅梅，張國(guó)華，李興偉，朱文博

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 100819；2.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；3.黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，隨著采深的增大，煤巖體所受的地壓增大，誘發(fā)的沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害越來(lái)越多，嚴(yán)重危害著煤礦的安全生產(chǎn)[1-5]。對(duì)多種工作面回采方式的研究表明[6]，煤礦開采過(guò)程中除引起煤體變形破壞外，還引起煤體頂?shù)装宓淖冃纹茐?，在它們共同作用下產(chǎn)生煤巖互層的整體失穩(wěn)破壞，開采過(guò)程需既要考慮單元煤巖體的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)也要考慮巖層與煤層之間的相互作用。因此，研究不同組合比例條件下煤巖組合體峰前、峰后變形能變化規(guī)律，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)煤巖組合體力學(xué)特性進(jìn)行了研究。PETUKHOV等[7]分析了兩體系統(tǒng)和“堅(jiān)硬頂?shù)装?薄層”系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，最早提出了煤巖體整體穩(wěn)定性問(wèn)題。左建平等[8-10]通過(guò)MTS815試驗(yàn)機(jī)研究了煤巖體分級(jí)加卸載過(guò)程中的破壞特性以及單體巖石、單體煤和煤巖組合體在單軸試驗(yàn)下的聲發(fā)射特性，研究了不同開采卸荷條件下的應(yīng)力路徑對(duì)圍巖的力學(xué)行為影響，以及不同圍壓作用下煤-巖組合體破壞行為及強(qiáng)度特征。郭東明等[11]分析了煤巖組合不同傾角對(duì)煤巖組合體整體變形破壞的影響。劉杰等[12]研究了不同組合煤巖試樣單軸壓縮過(guò)程的破裂形式、應(yīng)力應(yīng)變特性、試樣強(qiáng)度、聲發(fā)射特性等，分析了巖石強(qiáng)度對(duì)于組合試樣力學(xué)行為的影響。竇林名等[13]研究了組合煤巖體試樣的變形破裂規(guī)律及沖擊傾向性。蘭永偉等[14]研究了不同組合條件下煤巖組合體的強(qiáng)度、彈性模量、沖擊傾向性等力學(xué)特性。上述研究主要針對(duì)組合整體進(jìn)行了穩(wěn)定性、聲發(fā)射、破壞特征、影響因素相關(guān)研究，而對(duì)不同組合形式、不同組合單元對(duì)煤巖體峰前、峰后變形能影響規(guī)律仍迫切需要深入研究。

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖體賦存情況，對(duì)不同組合類型、不同組合單元高度比例下的組合體進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析了不同組合條件下、不同組合單元對(duì)煤巖組合體的峰前、峰后變形能影響，為峻德煤礦井下開采設(shè)計(jì)及開采過(guò)程中沖擊地壓的防治研究提供了參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案

煤巖樣來(lái)源于峻德煤礦，采用TAW-2000KN微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。試件加工遵照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》的規(guī)定執(zhí)行。試驗(yàn)中煤用C表示、細(xì)砂巖用F表示、粗砂巖用G表示。為了研究組合單元煤、細(xì)砂巖、粗砂巖及不同組合類型下，組合體峰前、峰后能量變化規(guī)律，把組合單元煤、細(xì)砂巖、粗砂巖加工成標(biāo)試件，同時(shí)設(shè)計(jì)了FCG組合體和FGC組合體，兩種組合體相比只是組合單元煤位置不同，組合單元高度所占比例相同。FCG組合體組合單元按高度比1∶1∶1、2∶1∶1、3∶1∶1、2∶1∶2、1∶1∶2、1∶1∶3制作、FGC組合體組合單元按高度比1∶1∶1、2∶1∶1、3∶1∶1、2∶2∶1、1∶2∶1、1∶3∶1制作，為了減小誤差，各種比例條件下組合體各自制作了3組試件，然后取平均值進(jìn)行研究。

組合體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍面積以峰值強(qiáng)度點(diǎn)為界，可以分為左右兩個(gè)部分，左半部分面積代表達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，峰前積聚的變形能；右半部分面積代表試件從破裂到破壞整個(gè)過(guò)程所消耗的能量。 按照這個(gè)原理，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，試驗(yàn)后峰前、峰后變形能具體數(shù)值計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)直接提供。

1.2 煤、巖樣單軸實(shí)驗(yàn)

采用TAW-2000KN微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)，用位移控制加載的方式對(duì)加工好的試件進(jìn)行變形破壞實(shí)驗(yàn)。具體參數(shù)見表1(C代表煤、F代表細(xì)砂巖、G代表粗砂巖)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，利用巖石試樣加工設(shè)備分別對(duì)細(xì)砂巖、煤、粗砂巖進(jìn)行取芯、切割、打磨制成試驗(yàn)試件。制成標(biāo)準(zhǔn)試件的煤巖樣見圖1。

1.3 不同組合條件下煤巖樣單軸實(shí)驗(yàn)

按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)好的組合體組合單元比例，把煤巖樣切割成小的組合單元，上下端打磨光滑，用AB膠體按照設(shè)計(jì)比例把各組合單元黏合形成組合體，組合體近似標(biāo)準(zhǔn)試樣，組合單元、組合體試樣，如圖1所示。

2 結(jié)果分析

通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得不同比例條件下組合體峰前積聚的變形能和峰后消耗的變形能，具體數(shù)據(jù)見表2。

表1 煤巖樣相關(guān)參數(shù)

圖1 煤巖樣照片

Fig.1 Photos of coal and rock samples

表2 煤巖組合體相關(guān)參數(shù)

2.1 峰前變形能

由表1、表2和圖2(a)可知，隨著組合件中細(xì)砂巖高度所占比例的增大，F(xiàn)CG組合體、FGC組合體峰前積聚的變形能呈波動(dòng)性變化。 從整個(gè)變形曲線來(lái)看，F(xiàn)CG組合體變形波動(dòng)小，F(xiàn)GC組合體變化大，F(xiàn)CG組合體峰前所積聚的變性能均值0.249 kJ，F(xiàn)GC組合體峰前所積聚的性能均值0.400 kJ，相比來(lái)說(shuō)FGC組合體峰前積聚的變形能大于FCG組合體積聚的變形能；FCG組合、FGC組合體峰前積聚的變形大于煤體峰前積聚的變形能0.096 kJ，小于細(xì)砂巖(17.08 kJ)、粗砂巖(2.757 kJ)峰前積聚的變形能。由表1、表2和圖2(b)可知，隨著組合件中粗砂巖高度所占比例的增大，F(xiàn)CG組合體峰前積聚的變形能是波動(dòng)性變化，先增大后減小，總體趨勢(shì)是減小，F(xiàn)GC組合體峰前積聚的變形能是波動(dòng)性變化，先減小后增大再減小。但從曲線變化來(lái)看，F(xiàn)GC組合體變化大。

由表1、表2和圖2可知，整個(gè)細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例變化過(guò)程中，F(xiàn)CG組合體在細(xì)砂巖、煤、粗砂巖高度所占比均為33%時(shí)，峰前積聚能量最大；FGC組合體在細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例均為40%，煤高度所占比例為20%時(shí)，峰前積聚能量最大。說(shuō)明每種組合體都存在一組組合單元高度比，在此條件下，組合體峰前積聚變形能最大。FCG組合體煤上部是細(xì)砂巖，下部是粗砂巖，F(xiàn)GC組合體煤上部是粗砂巖、細(xì)砂巖，下部是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加壓板，加圧板剛度比粗砂巖大，在夾持作用下，F(xiàn)GC組合體更容易存儲(chǔ)變形能，峰前積聚的變形能大。由于組合單元自身組成及組合體在加工過(guò)程中各組合單元接觸面膠體黏合，造成組合體積聚的變形能呈波動(dòng)性變化。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及變化曲線來(lái)看，組合體組合類型及組合體組合單元所處位置對(duì)峰前能量積聚有大的影響。

圖2 不同組合、細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例不同條件下組合體峰前能積聚的變形能變化圖

Fig.2 The deformation energy variation diagram of pre-peak energy accumulation of the composite with the different combination,proportion of the fine sandstone and the coarse sandstone height

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，同種類型組合體，在不同比例組合體中，選取細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例相同、煤所占高度比相同的組合體進(jìn)行比較。由表2和圖3(a)可知，在細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例在20%、25%、33%變化過(guò)程中，組合體煤所占比例變化過(guò)程為20%、25%、33%，對(duì)應(yīng)的粗砂巖、細(xì)砂巖比例變化過(guò)程為60%、50%、33%。比較可以得出，組合體峰前積聚的變形能受細(xì)砂巖高度比例影響大，究其原因與各自組合體組成單元高度比例有關(guān)。細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例在20%條件下，各自組合體中煤高度比例是20%，對(duì)應(yīng)組合體中粗砂巖60%，細(xì)砂巖60%，除去相同因素20%煤、20%細(xì)砂巖、20%粗砂巖，細(xì)砂巖組組合體還有40%粗砂巖，粗砂巖組組合體還有40%細(xì)砂巖，此時(shí)粗砂巖組峰前積聚的變形能大，起決定作用的是粗砂巖組組合體中剩余的40%細(xì)砂巖，所以組合體中細(xì)砂巖、粗砂巖在高度比例所占20%條件下，細(xì)砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素。

同理，細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例25%時(shí)，得出的結(jié)論與上述相同。細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例變化過(guò)程為40%、50%、60%時(shí)，煤變化過(guò)程為20%、25%、20%，對(duì)應(yīng)的粗砂巖、細(xì)砂巖高度比例變化過(guò)程為40%、50%、60%。細(xì)砂巖、粗砂巖在同比例比較時(shí)，組合體中煤所占比相同。細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例在50%條件下，各自組合體中煤高度比例是25%，對(duì)應(yīng)組合體中粗砂巖25%，細(xì)砂巖25%，除去相同因素25%煤、25%細(xì)砂巖、25%粗砂巖，細(xì)砂巖組組合體還有25%細(xì)砂巖，粗砂巖組組合體還有25%粗砂巖，此時(shí)細(xì)砂巖組峰前積聚的變形能大，起決定作用的是細(xì)砂巖組組合體中剩余的25%細(xì)砂巖，所以組合體中在細(xì)砂巖、粗砂巖在高度比例占50%的條件下，細(xì)砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素。同理細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例60%時(shí)，得出的結(jié)論與上述相同。

由表2和圖3(b)可知，組合體峰前積聚的變形能大小受細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例交替影響，表現(xiàn)在圖3(b)中就是曲線在該過(guò)程中相交，假設(shè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)處橫坐標(biāo)為a%，添加分析方法同上，高度比例在[20%～a%)條件下，同高度比例的細(xì)砂巖、粗砂巖形成的組合體，粗砂巖組聚積變形能大，比較可知細(xì)砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素；高度比例在(a%～33%)條件下，同高度比例的細(xì)砂巖、粗砂巖形成的組合體，細(xì)砂巖組聚積變形能大，比較可知粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素。隨著組合件中細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例變化呈40%、50%、60%增大，在此變化過(guò)程中曲線有交點(diǎn)，假設(shè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)處橫坐標(biāo)為b%。高度比例在(40%～b%)條件下，同高度比例的細(xì)砂巖、粗砂巖形成的組合體，粗砂巖組聚積變形能大，比較可知粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素；高度比例在(b%～60%]條件下，同高度比例的細(xì)砂巖、粗砂巖形成的組合體，細(xì)砂巖組聚積變形能大，此時(shí)細(xì)砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素。

圖3 相同組合類型、相同高度所占比例、不同組合單元條件下組合體峰前能積聚的變形能變化圖

Fig.3 The deformation energy variation diagram of pre-peak energy accumulation of the composite with the same combination type,the proportion of the same height and the different combination elements

2.2 峰后消耗的變形能

由表1、表2和圖4中(a)可知，隨著組合件中細(xì)砂巖比例呈20%、25%、33%、40%、50%、60%增大，F(xiàn)CG組合體、FGC組合體體峰后消耗的變形能呈波動(dòng)性變化，F(xiàn)CG組合體變形波動(dòng)小，F(xiàn)GC組合體變化大。組合單元在相同比例不同位置條件下，F(xiàn)CG組合體峰后消耗的變性能平均為0.133 kJ，F(xiàn)GC組合體峰前所積聚的變性能平均為0.199 kJ，相比來(lái)說(shuō)，F(xiàn)GC組合體峰后消耗的變形能大于FCG組合體峰后消耗的變形能；FCG組合體、FGC組合體峰后消耗的變形能大于煤體峰后消耗的變形能0.019 kJ，小于細(xì)砂巖(8.003 kJ)、粗砂巖(0.988 kJ)峰后消耗的變形能。說(shuō)明組合體組合形式及組合體組合單元所處位置對(duì)峰后消耗的變形能有大的影響。由表1、表2和圖4(b)可知，隨著組合件中粗砂巖高度所占比例呈20%、25%、33%、40%、50%、60%的增大，F(xiàn)CG組合體峰后消耗的變形能是先減小后增大再減小，呈波動(dòng)性變化；FGC組合體峰后消耗的的變形能是先減小后增大再減小、增大，呈波動(dòng)性變化。 但從曲線變化來(lái)看，F(xiàn)GC組合體變化更大。

由表1、表2和圖4可知，F(xiàn)CG組合體、FGC組合體在細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比均為40%時(shí)，峰后消耗的變形能最大，說(shuō)明每種組合體都存在一組最佳組合單元高度比，在此情況下，組合體峰后消耗的變形能最大。

由表2和圖5(a)可知，在細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例在20%、25%、33%變化過(guò)程中，比較可以得出組合體峰后消耗的變形能大小受細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例交替影響，表現(xiàn)在圖5(a)中就是曲線在該過(guò)程中相交，假設(shè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)處橫坐標(biāo)為c%，高度比例在[20%～c%)條件下，同高度比例的細(xì)砂巖、粗砂巖形成的組合體，粗砂巖組消耗的變形能大，組合體中在細(xì)砂巖、粗砂巖在高度比例所占20%條件下，細(xì)砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素；同理細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例小于c%時(shí)，得出的結(jié)論與上述相同。高度比例在(c%～33%)條件下，粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素；隨著組合件中細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例呈40%、50%、60%增大，組合體峰后消耗的變形能大小受細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例交替影響，表現(xiàn)在圖5(a)中就是曲線在此過(guò)程中相交，假設(shè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)處橫坐標(biāo)為d%，細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例在(40%～d%)條件下，粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素；高度比例在(d%～60%]條件下，同高度比例的細(xì)砂巖、粗砂巖形成的組合體，細(xì)砂巖組消耗的變形能大，細(xì)砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素。

圖4 不同組合、細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例不同條件下組合體峰后消耗的變形能變化圖

Fig.4 The deformation energy variation diagram of post-peak energy consumption of the composite with the different combination,the proportion of fine sandstone and coarse sandstone height

圖5 相同組合類型、相同高度所占比例、不同組合單元條件下組合體峰后消耗的變形能變化圖

Fig.5 The deformation energy variation diagram of post-peak energy consumption of the composite with the same combination type,the proportion of the same height and the different combination elements

由表2和圖5(b)可知，在細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例在20%、25%、33%變化過(guò)程中，對(duì)比以上組成可以得出，粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素；同理25%條件下也可得出上述結(jié)論。粗砂巖高度比例呈40%、50%、60%變化時(shí)，組合體中細(xì)砂巖呈40%、25%、20%變化，煤呈20%、25%、20%變化。細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例在50%條件下，粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素；同理60%條件下也可得出上述結(jié)論。(說(shuō)明：FGC組合體組合比例為1∶1∶1和2∶2∶1時(shí)，細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例相等分別為33%和40%，此時(shí)測(cè)得峰前、峰后消耗的變形能相等，所以無(wú)法比較。)

3 結(jié) 論

1) FCG組合體峰前變形能介于0.210～0.321 kJ之間，峰后消耗變形能介于0.108～0.180 kJ之間，F(xiàn)GC組合體峰前變形能介于0.176～0.689 kJ之間，峰后消耗變形能介于0.069～0.315 kJ之間，煤峰前0.096 kJ，峰后0.019 kJ，細(xì)砂巖峰前17.08 kJ，峰后8.003 kJ；粗砂巖峰前2.757 kJ，峰后0.988 kJ。FCG組合體、FGC組合體與組合單元煤、細(xì)砂巖、粗砂巖峰前、峰后變形能相比，組合體峰前、峰后變形能大于煤的變形能，小于細(xì)砂巖和粗砂巖的變形能。

2) 組合體組合類型不同，對(duì)組合體峰前、峰后變形能影響不同。組合單元煤所處位置對(duì)組合體峰前、峰后有較大影響。隨著組合體中細(xì)砂巖、粗砂巖高度比例的增大，組合體峰前、峰后變形能變化FGC組合體大于同比例下的FCG組合體。FCG組合體在細(xì)砂巖、煤、粗砂巖高度所占比均為33%時(shí)，峰前積聚能量最大，在細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例均為40%，煤高度所占比例為20%時(shí)，峰后消耗的變形能最大；FGC組合體在細(xì)砂巖、粗砂巖高度所占比例均為40%，煤高度所占比例為20%時(shí)，峰前積聚變形能和峰后消耗的變形能最大。

3) 細(xì)砂巖、粗砂巖在各自所占比例相同條件下，組合體峰前積聚的變形能大小主要影響因素由組合單元高度所占比例決定，不同比例下，細(xì)砂巖、粗砂巖組合單元所起的作用不同。粗砂巖、細(xì)砂巖高度所占比例在20%、25%、33%、40%、50%、60%變化時(shí)，F(xiàn)CG組合體，細(xì)砂巖是決定組合體峰前積聚變形能的主要因素，峰后消耗的變形能受細(xì)砂巖、粗砂巖所占高度比交替影響；FGC組合體，峰前積聚變形能受細(xì)砂巖、粗砂巖所占高度比交替影響，粗砂巖所占高度比是決定組合體峰后消耗變形能的主要因素。