軟分層對煤的單軸壓縮力學特性影響研究

馮康武

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037）

煤與瓦斯突出是一個極其復雜的煤（巖）動力過程，目前普遍被接受的是綜合假說，即煤與瓦斯突出是應力、瓦斯和煤的自身特性綜合作用的結果[1]。而煤的力學特性是決定煤的自身特性的一個重要方面，包括煤的力學強度和破壞方式[2]，根據(jù)相關文獻測試結果，不同煤的單軸力學強度差異較大，對于結構完整的硬煤，單軸抗壓強度可超過10 MPa，而對于節(jié)理發(fā)育的煤種或者構造軟煤，單軸抗壓強度可小于3 MPa。但由于煤礦井下采掘工作面煤層賦存的復雜性，同一種類的煤層中往往存在一定的“軟煤”分層，這種軟煤分層是指由于受到地質構造的影響，正常結構的煤在構造活動中形成的碎粒煤和糜棱煤，這種“軟煤”分層對于煤層整體的單軸抗壓強度具有嚴重的影響[3]。在煤的力學參數(shù)方面，張慶賀等[4]采用顆粒流軟件模擬了不同吸附性氣體對煤的損傷作用機理，測定了不同吸附性氣體作用下型煤單軸抗壓強度和破壞形態(tài)；王剛等[5]借助PFC2D進行了煤體的抗壓及抗拉試驗模擬，建立了煤體宏觀力學參數(shù)與細觀參數(shù)之間的關系，并對煤體進行不同圍壓和瓦斯壓力條件下常規(guī)三軸顆粒流模擬試驗；高瑞元等[6]借助PFC 軟件對石門揭煤過程進行了顆粒流數(shù)值模擬，得出石門揭煤區(qū)域內各單元發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性。綜上分析，軟煤分層與正常煤體的力學性質差異巨大，且對煤層整體的力學性質有很大的影響，目前已有大量采用顆粒流方法進行的研究，但均未考慮含軟煤分層對復合煤層整體的力學性能的影響，或者僅考慮單純的軟煤或正常硬煤的細觀參數(shù)?；诿旱V井下采掘工作面煤層賦存的實際情況，采用PFC2D軟件對含軟煤分層的復合煤層進行單軸壓縮顆粒流模擬，從細觀角度分析試樣受荷后內部顆粒位移場分布、裂紋數(shù)目、破裂發(fā)展過程，建立軟煤分層與荷載耦合作用下煤的單軸壓縮模型試驗，以期為現(xiàn)場應用提供參考。

1 含軟煤分層復合煤樣數(shù)值模型

1.1 硬煤宏細觀參數(shù)

試驗所用煤樣取自吉林省營城礦業(yè)有限公司，所有試樣均取自同一煤層同一地點，在實驗室對煤樣進行單軸壓縮和巴西劈裂試驗后，得出原生煤體的彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度和抗拉強度等宏觀力學參數(shù)，同時通過多組數(shù)值模擬試驗擬合，得到宏細觀參數(shù)之間的關系。原生煤平行黏結細觀參數(shù)見表1，原生煤顆粒接觸細觀參數(shù)見表2。

1.2 構造軟煤宏細觀力學參數(shù)

通過實驗室制作型煤的方法，或根據(jù)文獻[3]中相關結論采用散體力學的理論，利用散體力學試驗和摩爾庫倫強度破壞準則求得構造軟煤的黏聚力和內摩擦角、單軸抗壓強度等宏觀力學參數(shù)，具體方法如下：

表1 原生煤平行黏結細觀參數(shù)Table 1 Micro mechanical parameters of parallel bonding of hard coal

表2 原生煤顆粒接觸細觀參數(shù)Table 2 Micro mechanical parameters of particle contact of hard coal

式中：σc為單軸抗壓強度，MPa；c 為黏聚力，MPa；φ 為內摩擦角，（°）。

同時結合文獻[7]通過實驗室構造煤的相關力學試驗，得到構造煤的宏觀力學參數(shù)經驗值，然后代入式（1）可求得煤的單軸抗壓強度，通過宏觀力學參數(shù)和應力-應變曲線特征，對構造煤的細觀力學參數(shù)進行標定，軟煤平行黏結細觀參數(shù)見表3，軟煤顆粒接觸細觀參數(shù)見表4。

表3 軟煤平行黏結細觀參數(shù)Table 3 Micro mechanical parameters of parallel bonding of soft coal

表4 軟煤顆粒接觸細觀參數(shù)Table 4 Micro mechanical parameters of particle contact of soft coal

2 數(shù)值試驗結果

2.1 應力應變關系

由于煤礦井下采掘工作面的軟弱分層變化多種多樣，在數(shù)值試驗中均對其進行簡化為均一厚度的面狀分層，并對含不同厚度和不同傾角的軟弱分層試件進行單軸壓縮試驗模擬[8-12]。不同軟煤厚度、不同傾角軟媒（厚度10 mm）的應力應變曲線如圖1、圖2。

圖1 不同軟煤厚度的應力應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of different thickness of soft coal

圖2 不同傾角軟煤應力應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of different dip of soft coal

根據(jù)曲線變化情況，應力-應變可分為5 個階段：①初始壓縮階段：應力應變曲線呈上下波動起伏狀，幾乎無裂紋產生；②彈性變形階段：應力-應變曲線近似呈直線，隨著荷載增加，在軟煤分層內部逐漸開始產生微裂紋，隨著載荷逐步增加，裂紋數(shù)目增加，但是增加不明顯，裂紋發(fā)展為逐步擴展階段；③應變硬化階段：此階段應力-應變曲線呈現(xiàn)顯著非線性，隨施加載荷繼續(xù)增加，拉伸裂紋發(fā)展，剪切裂紋開始出現(xiàn)，微裂紋逐漸發(fā)展貫通為長裂紋；④應變軟化階段：試樣承載能力達到峰值強度后，內部出現(xiàn)圍繞貫通裂縫的塑性區(qū)，顆粒黏結遭到區(qū)域性破壞，應力從峰值出現(xiàn)迅速衰減；⑤殘余強度階段：試件出現(xiàn)塊體整體滑移，承載力已逐步降低為0。

2.2 軟煤分層厚度對力學特性的影響

從圖1 可以看出，隨著軟煤分層厚度的逐步增加，煤樣的單軸抗壓強度逐步減小，不含軟煤分層時，煤樣單軸抗壓強度可達到6.42 MPa，當軟煤分層厚度由10、20 mm 逐步增加到50 mm，出現(xiàn)如下規(guī)律：①單軸抗壓強度隨軟煤分層厚度增加呈現(xiàn)出非線性減小的關系，軟煤分厚度超過30 mm 后，試樣單軸抗壓強度出現(xiàn)跳躍性減??；②除單軸抗壓強度減小之外，煤樣的應力-應變關系特征逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉變，隨著軟煤分層厚度的增加，試件在峰后破壞過程中的塑性硬化特征表現(xiàn)的越明顯；③隨著軟煤分層厚度增加，試樣軸向應力峰值所對應的變形量在逐漸減小，變形量的減小趨勢與抗壓強度的減小趨勢相同，均是在軟煤分層厚度超過30 mm 后出現(xiàn)跳躍性減小。

2.3 軟煤分層傾角對裂紋擴展的影響

從圖2 可以看出，當軟煤分層厚度一定時（保持在10 mm），隨著軟煤分層傾角的逐步增加，抗壓強度出現(xiàn)了小幅波動，出現(xiàn)了增大-減小-增大的過程。而隨著軟煤分層傾角的逐漸增大，裂紋的萌生和擴展方式也出現(xiàn)了明顯的變化，隨著軟煤分層傾角的逐漸增大，總的裂紋數(shù)量沒有發(fā)生明顯變化，但拉伸裂紋和剪切裂紋的數(shù)量以及出現(xiàn)時間均發(fā)生了較為明顯的變化。裂紋總數(shù)量中，拉伸裂紋占比均達到80%以上，而剪切裂紋均在壓縮后期出現(xiàn)，煤樣試件的破壞主要為拉伸破壞。隨軟煤分層傾角增大，剪切裂紋出現(xiàn)的時間逐漸延后，拉伸裂紋的出現(xiàn)代表拉伸破壞，剪切裂紋的出現(xiàn)代表滑動破壞，說明試樣出現(xiàn)滑動破壞的時間逐漸后移。不同傾角軟煤夾層試樣破壞形態(tài)如圖3。

2.4 含軟煤分層煤樣試件的破壞模式

破壞模式分析主要是從含軟煤分層煤樣試件的破壞細觀特征進行描述，分析裂紋的萌生、擴展和宏觀裂紋的貫通以及試樣整體失去承載能力的過程，揭示試樣的破壞機制。根據(jù)上述分析，軟煤分層傾角是影響試件破壞模式的主要參數(shù)，主要分為以下3 種破壞類型：

1）沿交界面的層裂破壞。這種破壞類型最典型的體現(xiàn)在軟煤分層傾角為90°時，施加載荷初期時，試件沿交界面處開始出現(xiàn)拉伸微裂紋，到4 000 步時，拉伸裂紋出現(xiàn)了第1 次躍升，同時，在交界面處初次出現(xiàn)了剪切裂紋，所有裂紋均是在材料的交界面處萌生并逐漸向軟煤夾層內擴展，并最終形成貫穿交界面的宏觀裂紋，形成沿交界面的拉伸或滑動破壞。

圖3 不同傾角軟煤夾層試樣破壞形態(tài)Fig.3 The failure mode of soft coal interlayer samples with different inclinations

2）拉伸破壞。載荷初始階段，試件沿交界面處開始出現(xiàn)由拉應力所造成的微裂紋，隨著載荷的逐漸增加，試件內部出現(xiàn)橫向的宏觀裂紋，伴隨著剪切裂紋的萌生，軸向應力逐漸達到峰值，拉伸裂紋和剪切裂紋都出現(xiàn)急速的上升，橫向宏觀裂紋和豎向宏觀裂紋開始貫通，試件底部或者中部出現(xiàn)塊狀劈裂，并伴隨出現(xiàn)大面積開裂，形成宏觀大裂縫。以圖2 中含軟煤分層傾角0°的試樣破壞類型為典型。

3）復合破壞。以拉伸破壞和層裂破壞相結合的破壞類型，在試件初始壓密階段，試件軟煤分層內部開始出現(xiàn)拉伸性質的微裂紋，當荷載逐步增加，交界面處也逐漸萌生微裂紋，拉伸破壞產生的微裂紋開始增多，微裂紋逐步貫通，當軸向應力逐步接近峰值時，交界面處出現(xiàn)大量的剪切裂紋，拉伸裂紋也急速增加，由于裂紋的逐步貫通，與交界面成一定角度的塊體出現(xiàn)宏觀裂縫，最終試件失去承載能力。以圖2 中含軟煤分層傾角為15°和30°的試樣破壞類型為典型。

3 結 論

1）研究結果表明，軟煤分層厚度是影響復合煤層試樣單軸抗壓強度的重要參數(shù)，當軟煤分層厚度增加時，導致含軟煤分層的試樣單軸抗壓強度降低，尤其當軟煤分層厚度大于30 mm 臨界值時，單軸抗壓強度會出現(xiàn)跳躍性急劇降低。且隨軟煤分層厚度增加，煤樣由脆性破壞向塑性破壞轉變。

2）軟煤分層的傾角主要影響試件內部裂紋的萌生和擴展方式，傾角越大，剪切裂紋萌生的時間越晚，剪切裂紋在總裂紋數(shù)中所占比例越小。而拉伸破壞在煤樣試件總體破壞過程中起主導作用，隨軟煤分層傾角的增大，拉伸破壞的主導作用降低。

3）含軟煤分層的試樣破壞主要包括沿交界面的層裂破壞、拉伸破壞和復合破壞3 種類型，軟煤分層傾角為0°時煤樣主要表現(xiàn)為內部發(fā)生拉伸破壞；軟煤分層傾角在20°時主要表現(xiàn)為發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞結合的復合破壞；當軟煤分層傾角在90°時，破壞類型主要是交界面滑動和拉伸的層裂破壞。