煤的厚度對(duì)煤巖組合體物理力學(xué)特征的影響規(guī)律分析

李回貴，位 樂(lè)，李化敏

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

以神東礦區(qū)為代表的西部地區(qū)是我國(guó)煤礦開采技術(shù)發(fā)展最活躍的地區(qū)，也是國(guó)內(nèi)外采礦界高度關(guān)注的地區(qū)。筆者針對(duì)布爾臺(tái)、補(bǔ)連塔和大柳塔煤礦開展研究時(shí)在上覆巖層中發(fā)現(xiàn)了大量的結(jié)構(gòu)面、夾層等情況，同時(shí)也在煤層頂板巖層尤其是在基本頂中發(fā)現(xiàn)了幾厘米厚至十幾厘米厚的煤[1-2]。基本頂中存在這種煤時(shí)會(huì)對(duì)其破斷方式、強(qiáng)度及支架載荷有很大的影響。因此，需要研究這種夾層的厚度變化對(duì)巖體力學(xué)特征的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤巖組合體開展了大量的研究。目前在研究煤巖組合體的力學(xué)特征、變形特征等時(shí)主要采用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)兩種方法[3-6]。圍壓大小和卸載方式對(duì)煤巖組合體的力學(xué)特征和滲透特性有一定的影響[7]。不僅加載條件對(duì)煤巖組合體力學(xué)特征有影響，其組合方式也對(duì)煤巖組合體的力學(xué)特征有顯著的影響，有關(guān)科研人員通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)煤巖組合體的組合方式對(duì)其破裂過(guò)程中的電荷演化特征、微震信號(hào)強(qiáng)度、力學(xué)特征及沖擊傾向性等都有顯著的影響[8-12]；煤巖組合體對(duì)其破裂過(guò)程中的能量演化機(jī)制及裂紋演化規(guī)律也有一定的影響，陳巖等[13-14]利用MTS815力學(xué)試驗(yàn)機(jī)在循環(huán)加卸載條件下對(duì)煤巖組合體的變形及裂紋演化機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為循環(huán)次數(shù)對(duì)煤巖組合體的變形及裂紋演化機(jī)制有影響；人們不僅針對(duì)組合巖石的靜力學(xué)特征進(jìn)行了深入的研究，同時(shí)也對(duì)煤巖組合體的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤巖組合體對(duì)其動(dòng)力學(xué)特征也有影響[15-16]。

神東礦區(qū)由于其特殊的沉積環(huán)境，造成該地區(qū)白堊紀(jì)和侏羅紀(jì)地層中砂巖巖層的力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低，而該地區(qū)煤層的強(qiáng)度相對(duì)較高，致使砂巖中含煤夾層的強(qiáng)度與砂巖本身的強(qiáng)度非常接近，這與筆者進(jìn)行的煤巖組合體試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異(結(jié)果顯示煤巖組合體中煤的強(qiáng)度一般都比巖石的強(qiáng)度小很多)。因此，筆者以神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦侏羅紀(jì)粗粒砂巖為研究對(duì)象，在單軸壓縮條件下對(duì)煤、粗粒砂巖及 4種煤巖組合體試樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析，以期找出煤的厚度對(duì)煤巖組合體物理力學(xué)特征的影響規(guī)律。

1 試樣采集、加工及試驗(yàn)方案

1.1 試樣采集與加工

粗粒砂巖和煤樣采自內(nèi)蒙古鄂爾多斯布爾臺(tái)煤礦。試樣按照規(guī)程要求加工成直徑為50 mm、高度為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣。試樣共分為6組：A組(A1～A3)為粗粒砂巖；B組(B1～B3)、C組(C1～C3)、D組(D1～D3)和E組(E1～E3)為煤巖組合體試樣，其中B組煤的厚度為5 mm，C組煤的厚度為 10 mm，D組煤的厚度為 15 mm，E組煤的厚度為 20 mm；F組(F1～F3)為煤。每組均有3個(gè)試樣。試樣方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 試樣方案設(shè)計(jì)示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)RMT-150C力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用位移控制的加載方式，加載速率為0.002 mm/s。每組試樣重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)。

2 煤巖組合體波速及密度特征

為了研究煤層的厚度變化對(duì)煤巖組合體波速和密度的影響規(guī)律，在加工煤巖組合體之前先測(cè)試粗粒砂巖的密度和波速并進(jìn)行記錄。在煤巖組合體加工完成后再測(cè)試煤巖組合體的密度和波速。煤巖組合體的波速及密度參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖組合體的波速及密度

由表1可知， B、C、D、E組粗粒砂巖加工之前的縱波波速平均值分別為2 064、2 255、2 200、2 088 m/s，密度平均值分別為2 231、2 230、2 250、2 256 kg/m3；加工成煤巖組合體之后的縱波波速的平均值分別為1 856、1 907、1 809、1 644 m/s，密度平均值分別為2 162、2 156、2 103、2 052 kg/m3。加工之后波速分別降低了208、348、391、444 m/s，降低幅度分別為10.1%、15.4%、17.8%、21.3%；密度分別降低了69、74、147、204 kg/m3，降低幅度分別為3.1%、3.3%、6.5%、9.0%。由上述分析可知，煤巖組合體的密度和波速隨煤的厚度增加逐漸減小，并且降低幅度逐漸增大。

3 煤的厚度對(duì)組合巖體力學(xué)特征的影響規(guī)律分析

3.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征分析

對(duì)粗粒砂巖、煤及4種煤巖組合體試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，單軸壓縮下粗粒砂巖、煤及組合煤巖的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示。其中，圖2(a)、(b)分別為粗粒砂巖和煤的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線；圖2(c)～(f)分別為含不同厚度煤的煤巖組合體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

(a)粗粒砂巖

由圖2可知，粗粒砂巖、煤和4種煤巖組合體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以分為4個(gè)階段：初始?jí)好茈A段、線彈性階段、塑性變形破壞階段和峰后階段[17-19]。

煤的厚度對(duì)煤巖組合體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響顯著。在初始?jí)好茈A段，4種煤巖組合體試樣都有明顯上凹現(xiàn)象，煤的厚度對(duì)該階段曲線沒(méi)有顯著影響；在線彈性階段，4種煤巖組合體試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線都近似為直線，曲線的斜率隨著煤巖組合體中煤的厚度逐漸增大而減?。辉谒苄宰冃纹茐碾A段，曲線的斜率隨著煤的厚度逐漸增大而減小，說(shuō)明破壞瞬間釋放的能量更大；煤的厚度對(duì)煤巖組合體試樣的峰后階段影響顯著，隨著煤的厚度增大，破壞瞬間應(yīng)力降低的幅度增大，煤巖組合體由塑性破壞逐漸向脆性破壞過(guò)渡，表明煤的厚度會(huì)對(duì)煤巖組合體的破壞模式產(chǎn)生較大的影響。

3.2 煤的厚度對(duì)煤巖組合體強(qiáng)度的影響規(guī)律分析

單軸壓縮下粗粒砂巖、煤及4種煤巖組合體試樣的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 單軸壓縮下粗粒砂巖、煤及煤巖組合體的力學(xué)參數(shù)

由表2可知，粗粒砂巖和煤的單軸抗壓強(qiáng)度σc分別為25.01～27.77、21.05～24.24 MPa，平均值分別為26.14、 22.97 MPa；峰值應(yīng)變?chǔ)與分別為5.69×10-3～6.00×10-3、14.26×10-3～17.32×10-3，平均值分別為5.85×10-3、15.85×10-3；彈性模量E分別為6.28～7.03、1.39～1.77 GPa，平均值分別為6.53、1.59 GPa。

由上述分析可知，粗粒砂巖和煤的單軸抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯的差別，但是二者之間的峰值應(yīng)變和彈性模量差異很大。煤的峰值應(yīng)變是粗粒砂巖的 2.7倍；粗粒砂巖的彈性模量是煤的4.1倍。當(dāng)煤巖組合體中煤的厚度為5、10、15、20 mm時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別為18.17～21.07、20.02～20.61、17.90～18.83、21.69～23.43 MPa，平均抗壓強(qiáng)度分別為19.55、20.38、18.51、22.29 MPa。

煤巖組合體抗壓強(qiáng)度與煤的厚度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 煤的厚度對(duì)煤巖組合體強(qiáng)度的影響曲線

由圖3可知，當(dāng)煤巖組合體中煤的抗壓強(qiáng)度與粗粒砂巖強(qiáng)度差距較小時(shí)，煤的厚度對(duì)煤巖組合體抗壓強(qiáng)度的影響也較小。

3.3 煤的厚度對(duì)煤巖組合體峰值應(yīng)變的影響規(guī)律分析

煤巖組合體峰值應(yīng)變與煤的厚度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 煤巖組合體峰值應(yīng)變與煤的厚度的關(guān)系曲線

由表2和圖4可知，當(dāng)煤巖組合體中煤的厚度為5、10、15、20 mm時(shí)，其峰值應(yīng)變的變化范圍分別為5.70×10-3～6.36×10-3、6.70×10-3～7.56×10-3、7.25×10-3～7.39×10-3、7.73×10-3～8.38×10-3，平均值分別為5.98×10-3、7.06×10-3、7.33×10-3、8.09×10-3。與粗粒砂巖相比，含不同厚度煤的煤巖組合體試樣的峰值應(yīng)變分別增大了2.2%、20.7%、25.3%、38.3%。

由上述分析及圖4可知，煤巖組合體中煤的厚度對(duì)其峰值應(yīng)變有顯著的影響，隨著煤巖組合體中煤的厚度逐漸增大，峰值應(yīng)變也逐漸增大，二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。這主要是由于煤的峰值應(yīng)變比粗粒砂巖的峰值應(yīng)變大很多，隨著煤的厚度逐漸增大，影響程度也越大所致。因此，采用線性函數(shù)對(duì)其曲線進(jìn)行擬合，其方程為：

y=5.79+0.10x

(1)

式中：y為峰值應(yīng)變；x為煤巖組合體中煤的厚度，mm。

3.4 煤的厚度對(duì)煤巖組合體彈性模量的影響規(guī)律分析

煤巖組合體彈性模量與煤的厚度的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 煤巖組合體彈性模量與煤的厚度的關(guān)系曲線

由表2和圖5可知，當(dāng)煤巖組合體中煤的厚度為5、10、15、20 mm時(shí)，其彈性模量的變化范圍分別為4.45～4.70 、3.55～4.02、3.32～3.51、2.90～3.30 GPa；平均彈性模量分別為4.54、3.82、3.40、3.15 GPa。與粗粒砂巖相比，含不同厚度煤的煤巖組合體試樣的彈性模量分別降低了30.5%、41.5%、48.2%、51.8%。

由上述分析及圖5可知，煤巖組合體中煤的厚度對(duì)其彈性模量也有顯著的影響，但與峰值應(yīng)變的關(guān)系不相同，煤的厚度與彈性模量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這主要是由于粗粒砂巖與煤的彈性模量相差較大，導(dǎo)致煤巖組合體試樣的彈性模量減小，但隨著煤的厚度增大，這種影響逐漸減小。因此，采用指數(shù)函數(shù)對(duì)其曲線進(jìn)行擬合，其方程為：

y=3.11+3.36×0.85x

(2)

式中y為彈性模量，GPa。

4 煤巖組合體試樣的宏觀破壞特征

粗粒砂巖和4種煤巖組合體試樣的破壞特征如圖6所示。

(a)粗粒砂巖

由圖6可知，粗粒砂巖主要是以張拉破壞為主，能形成貫通的裂紋，但煤巖組合體試樣破壞時(shí)，其破壞形式與粗粒砂巖存在明顯差異。煤巖組合體試樣破壞時(shí)砂巖部分還是以張拉破壞為主，但裂紋的起裂位置都始于結(jié)合面，且逐漸往上發(fā)展，隨著煤的厚度逐漸增大，裂紋擴(kuò)展更長(zhǎng)，逐漸貫通粗粒砂巖部分。這表明煤的存在會(huì)對(duì)粗粒砂巖裂紋的發(fā)展產(chǎn)生阻礙效應(yīng)，但隨著煤的厚度逐漸增大，這種效應(yīng)有所減弱。

從圖6中還可以發(fā)現(xiàn)，煤巖組合體中煤的厚度對(duì)煤的部分破壞特征也有顯著的影響，煤巖組合體中煤的厚度為5 mm時(shí)，煤體中的裂紋很少，并且以豎向裂紋為主；但當(dāng)煤巖組合體中煤的厚度增大到10 mm時(shí)，煤體中裂紋的數(shù)量有所增加，出現(xiàn)了不同方向的裂紋，并以水平和垂直裂紋為主；當(dāng)煤巖組合體中煤的厚度增大到15 mm時(shí)，煤體中不僅出現(xiàn)了豎向裂紋、水平裂紋，還出現(xiàn)了破碎區(qū)；當(dāng)煤的厚度增大到20 mm時(shí)，煤體中出現(xiàn)了大量的裂紋，與前 3種試樣相比，裂紋數(shù)量明顯增多，并且裂紋方向各異，破碎區(qū)的面積更大。

5 結(jié)論

1)煤巖組合體中煤的厚度對(duì)其波速和密度都有影響，煤巖組合體的波速和密度隨著煤的厚度的增加，其密度和波速逐漸減小，波速的降低幅度分別為10.1%、15.4%、17.8%、21.3%，密度的降低幅度分別為3.1%、3.3%、6.5%、9.0%。

2)煤巖組合體中煤的厚度對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度影響較小，但對(duì)峰值應(yīng)變有顯著的影響。煤巖組合體中煤的厚度與其峰值應(yīng)變呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)煤巖組合體中煤的厚度為5、10、15、20 mm時(shí)，峰值應(yīng)變分別為5.98×10-3、7.06×10-3、7.33×10-3、8.09×10-3，與粗粒砂巖相比，其峰值應(yīng)變分別增大了2.2%、20.7%、25.3%、38.3%。

3)煤巖組合體中煤的厚度不僅對(duì)其峰值應(yīng)變有影響，而且對(duì)其彈性模量也有顯著的影響。當(dāng)煤巖組合體中煤的厚度為5、10、15、20 mm時(shí)，彈性模量分別為4.54、3.82、3.40、3.15 GPa，與粗粒砂巖相比，其彈性模量分別降低了30.5%、41.5%、48.2%、51.8%。煤巖組合體中煤的厚度與其彈性模量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。