不同放煤工序煤巖體破斷機(jī)理試驗(yàn)研究

段志旭

（同煤集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)公司，山西 朔州 038300）

在放煤過程中，對(duì)工作面頂煤應(yīng)力狀態(tài)的研究甚少，而礦下采煤工作面是距離作業(yè)人員最近的地方，也是瓦斯集中涌出危險(xiǎn)最大的部位，因此對(duì)工作面頂煤應(yīng)力狀態(tài)的研究顯得尤為重要[1-3]。采用室內(nèi)三軸力學(xué)試驗(yàn)，通過軸壓來模擬支承壓力，圍壓模擬水平應(yīng)力，便可模擬煤巖體放煤過程中采動(dòng)應(yīng)力規(guī)律及破壞機(jī)理[4]。本文正是通過三軸試驗(yàn)來模擬順序、間隔和兩端向中間放煤過程中的頂煤破斷機(jī)理。

1 試驗(yàn)基本參數(shù)的選取

在試驗(yàn)過程中，如何確定頂煤煤巖體峰值應(yīng)力大小及軸向和環(huán)向應(yīng)力比例十分關(guān)鍵。在放頂煤開采過程中，煤巖在三種不同放煤方式下的應(yīng)力集中系數(shù)K 值不同，且煤層厚度及頂煤的部位不同，K值也存在差異。通過數(shù)值模擬分析，7 m、11 m 及19 m 煤層“危險(xiǎn)區(qū)域”分別位于頂煤中部、下部和下部。7 m 薄煤層在順序、間隔和兩端向中間放煤過程中，K 值分別為1.83、2.21、2.53；11 m 較厚煤層下部在順序、間隔和兩端向中間放煤過程中，K 值分別為1.78、1.81、2.08；19 m 特厚煤層下部“危險(xiǎn)區(qū)域”在順序、間隔和兩端向中間放煤過程中，K 值分別為1.84、1.87、2.19。因此，在頂板及煤層物理力學(xué)性質(zhì)相似的情況下，順序放煤工作面頂煤應(yīng)力集中系數(shù)概化為1.50～1.80，而間隔放煤為1.80～2.10，兩端向中間放煤為2.10～2.50。

2 試驗(yàn)測試設(shè)備及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)使用的試驗(yàn)設(shè)備是MTS815 Flex Text GT 巖石力學(xué)測試系統(tǒng)，如圖1 所示。設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）靜力學(xué)試驗(yàn)

軸向荷載：4600 kN（壓縮）、2300 kN（拉伸）；軸向位移：0～100 mm（±50 mm）；圍壓：140 MPa；溫度：室溫0～20℃。

（2）動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

振動(dòng)頻率：最大達(dá)5 Hz 以上；相位差：0～2π任意設(shè)定。

（3）主要測量技術(shù)性能指標(biāo)

軸向荷載：0～4600 kN（壓縮）、0～2300 kN（拉伸）；軸向位移：0～100 mm（±50 mm）；軸向變形：±4 mm（單軸雙橋測量）、-2.5 mm～5.0 mm（三軸高溫高壓雙橋測量）；橫向變形：-2.5 mm～ +12.5 mm（單軸）、-2.5 mm～ +8.0 mm（三軸高溫高壓）。

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的試樣來自26 號(hào)煤塊，共選取了6個(gè)試樣M26-3、M26-4、M26-7、M26-8、 M26-9、M26-10 進(jìn)行模擬試驗(yàn)。M26-3 試件表示該試件是鉆取自26 號(hào)煤塊的第3 個(gè)試件。試件尺寸、質(zhì)量等基本信息參見表1。

表1 試樣基本信息表

試驗(yàn)過程中，通過升高軸壓的同時(shí)卸載圍壓，來模擬頂煤垂直應(yīng)力升高和水平應(yīng)力降低的變化，對(duì)應(yīng)具體模擬試驗(yàn)步驟如下：

（1）靜水壓力階段：以3 MPa/min 的加載速率施加圍壓壓力至12 MPa，即圖2 中OA 段；

（2）卸壓加載階段：3 種不同放煤工序條件下，煤巖體受采動(dòng)應(yīng)力影響均由靜水壓力狀態(tài)逐漸變化至對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)力集中系數(shù)，煤巖體在順序放煤、間隔放煤、兩端向中間放煤等3 種典型放煤工序條件下破壞時(shí)分別等于1.5、2.0、2.5，軸向應(yīng)力差（σ1-σ3）增加和橫向應(yīng)力σ3卸載之比分別為1.625:1、2.25:1、2.875:1，分別對(duì)應(yīng)圖2 中AB 段、AC 段、AD 段。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 力學(xué)強(qiáng)度

試驗(yàn)煤樣應(yīng)力～軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變及體變曲線見圖3。由圖可知，在順序、間隔及兩頭向中間這三種放煤方式下，煤巖試件峰值應(yīng)力分別為19.21 MPa，25.3 MPa 和27.69 MPa，煤巖體應(yīng)力集中系數(shù)K 值分別為1.61、2.10 和2.31，與7 m 薄煤層中部“危險(xiǎn)區(qū)域”在順序、間隔和兩端向中間放煤過程中的應(yīng)力集中系數(shù)較為接近。比較不同放煤方式的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，軸向變形、橫向變形和體積變形在峰值應(yīng)力時(shí)突然下跌，順序放煤體積出現(xiàn)了破壞階段的體積膨脹，而其他放煤方式未出現(xiàn)體積膨脹。

圖2 不同放煤工序試驗(yàn)加載路徑示意圖

圖3 不同放煤方式下煤巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 破壞模式

各試件在試驗(yàn)前后的外觀對(duì)比見圖4?？梢钥吹?，不同放煤工序條件下，均發(fā)生剪切破壞，破裂面都是沿著試件內(nèi)部“薄弱”層理面發(fā)生擴(kuò)展，且試件破壞時(shí)發(fā)生比較顯著的變形，這主要是煤巖內(nèi)部裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和匯聚的結(jié)果。試驗(yàn)過程中，應(yīng)力首先在試件端部層理處急劇增加，并開始出現(xiàn)裂紋，逐漸沿著層理方向擴(kuò)展和匯聚，在圍壓降到某個(gè)臨界值時(shí)，試件內(nèi)部微小裂紋沿主應(yīng)力方向貫通。

圖4 煤樣試驗(yàn)前后形貌對(duì)比

雖然三種放煤方式下煤巖試件都是剪切破壞，但煤巖體破壞特征存在差異，具體表現(xiàn)為：煤巖試件端部起裂點(diǎn)的部位、破壞面的大小、破壞面與軸向的夾角及整個(gè)破壞過程的速率不同。表2 為三種不同放煤方式下破壞面與軸向的夾角統(tǒng)計(jì)表，可以看到，三種放煤方式下破壞面與軸向的夾角逐漸增大。另從試件破壞形態(tài)可以看到，三種放煤方式下，試件端部起裂點(diǎn)的位置也存在差異。主要體現(xiàn)為：順序放煤時(shí)，起裂點(diǎn)主要位于試件直徑方向的端點(diǎn)處；間隔放煤時(shí)，試件端部的起裂點(diǎn)稍微遠(yuǎn)離端點(diǎn)；在兩端向中間放煤時(shí)，起裂點(diǎn)靠近試件端部的圓心處。這表明，放煤方式不同，煤巖試件內(nèi)部起裂點(diǎn)的位置存在差異，是一個(gè)試件端部逐漸向著圓心靠近的過程。

另從試件破壞形態(tài)還可以看到，三種放煤方式下，煤巖體破壞發(fā)生的時(shí)間存在差異，即破壞速率不同。順序放煤時(shí)，由于軸向應(yīng)力差（σ1-σ3）增加和橫向應(yīng)力σ3卸載之比在三種放煤方式中最小，其破壞過程較為緩慢。而相對(duì)順序放煤，后兩者煤巖試件在達(dá)到峰值應(yīng)力后迅速發(fā)生破壞，是一個(gè)相對(duì)快速激烈的過程。表明間隔放煤和兩端向中間放煤時(shí)煤巖試樣顯著的擴(kuò)容破壞將發(fā)生于峰值后期，宏觀裂紋的迅速擴(kuò)展與破壞階段?？梢酝茰y，在間隔和兩端向中間放煤時(shí)，如果煤巖所處初始地應(yīng)力環(huán)境較高，且煤巖體材料本身堅(jiān)硬完整，內(nèi)部將會(huì)聚集大量的彈性應(yīng)變能；如果考慮堅(jiān)硬頂?shù)装?、?jiān)硬煤層的三硬條件，那么在放頂煤開采過程中，采用間隔及兩端向中間放煤時(shí)，頂煤煤巖在采動(dòng)應(yīng)力的影響下，可能導(dǎo)致彈性應(yīng)變能的突然猛烈釋放，同時(shí)頂煤煤巖體內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙，這將為瓦斯的集中涌出提供通道，影響煤炭的安全開采。

表3 不同放煤工序下煤樣破壞面與軸向的夾角統(tǒng)計(jì)表

綜合以上試驗(yàn)分析可知，順序放煤時(shí)，頂煤對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最小，間隔放煤其次，兩端向中間放煤對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最大，是最危險(xiǎn)的一種放煤方式。因此建議在進(jìn)行不同厚度煤巖的開采時(shí)，首先應(yīng)該選用合理的放煤方式。

4 結(jié)論

（1）順序放煤時(shí)，煤樣的破壞是一個(gè)“緩慢”的過程，在煤巖峰值應(yīng)力附近出現(xiàn)了較大的變形，對(duì)應(yīng)的體積變形出現(xiàn)了體積膨脹。間隔及兩端向中間放煤，煤巖試件在達(dá)到峰值應(yīng)力后迅速發(fā)生破壞，是一個(gè)相對(duì)快速激烈的過程。

（2）在順序放煤過程中，煤樣裂紋緩慢有序地?cái)U(kuò)展連通，而間隔放煤和兩端向中間放煤時(shí)，煤樣材料的情況與其相反，加載變形前期能量耗散較少，而峰值后階段的災(zāi)變破壞動(dòng)能儲(chǔ)備充分，易發(fā)生猛烈突然的能量急劇釋放與破壞。