不同傾角煤巖組合巖石力學(xué)試驗(yàn)及破壞特征*

沈文兵,余偉健,2*,潘豹

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

由于煤體和巖體的力學(xué)性質(zhì)的差異性,會(huì)出現(xiàn)不一致的變形特性.于是,國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了研究帶傾角煤巖組合體在不同條件下的破壞特性以及力學(xué)模型分析,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大多采用煤巖組合體試樣進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn).目前,研究不同傾角組合形式如0°，15°，30°，45°，60°組合體的力學(xué)性質(zhì)與破壞形式能為薄煤層的開采提供理論依據(jù),進(jìn)而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件改善礦區(qū)的開采方案[1].郭東明等[2]通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn)來研究煤巖接觸面傾角不同的組合體試件破壞機(jī)制;張澤天等[3]對(duì)不同組合體在單軸和三軸壓縮作用下的力學(xué)特性和破壞特征的差異性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)分析;齊慶新等[4]通過組合煤巖試驗(yàn)研究指出組合煤巖試件與單體煤巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系存在著明顯的差異,例如變形的程度在減小、被破壞的程度更加猛烈和彈塑性變形特征更加顯著等.

左建平等[5-8]對(duì)煤-巖組合體在不同圍壓條件下的抗壓強(qiáng)度、變形特征、裂紋演化、峰后強(qiáng)度等以及在單軸和三軸荷載作用下煤、巖石及0°傾角煤巖組合體的整體強(qiáng)度及破壞機(jī)制進(jìn)行了較全面的分析;余偉健等[9-10]對(duì)煤巖接觸面不同傾角的組合體進(jìn)行了較為完整細(xì)致的分析,探究了不同傾角的煤巖組合體破壞特征及變形特性,并總結(jié)了煤-巖-錨組合錨固件中錨桿的作用及其機(jī)理;劉杰等[11]研究了不同煤巖體在單軸壓縮條件下所發(fā)生的破壞過程、破壞特征、應(yīng)力應(yīng)變特征,分析了力學(xué)強(qiáng)度對(duì)于組合試樣的力學(xué)行為影響;蘭永偉等[12]研究了不同組合條件下煤巖組合體的力學(xué)強(qiáng)度、彈性模量、沖擊傾向性等力學(xué)特性.李紀(jì)青等[13]研究了單體煤模型及煤巖組合體模型的沖擊傾向性,得出了煤巖組合模型的沖擊傾向性指標(biāo)均高于單體煤模型,并建議采用組合模型來評(píng)價(jià)煤巖沖擊傾向性.左鍵平、陳巖等[14]研究了組合體強(qiáng)度受煤的影響較大，其峰前積蓄能量及峰后耗散能量與單軸抗壓強(qiáng)度基本呈正比關(guān)系,煤、巖-煤、煤-巖及巖-煤-巖依次增大;與煤樣單體相比,組合體的沖擊能量指數(shù)增大,煤巖組合體提高了煤的沖擊傾向性,因此對(duì)沖擊地壓礦井的煤巖組合體進(jìn)行沖擊傾向性鑒定,對(duì)預(yù)測(cè)及防止沖擊地壓的發(fā)生產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響.

有關(guān)不同傾角煤巖組合體的變形特性以及力學(xué)破壞特征還沒有研究足夠充分,因此本文選用南方薄煤層中的砂巖與煤巖結(jié)合成不同傾角的煤巖體進(jìn)行巖石力分析以及應(yīng)力-應(yīng)變分析來探究其力學(xué)破壞機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 試件的加工制作

本試驗(yàn)所使用的單體以及組合體的煤巖、砂巖均來自湖南某礦區(qū),將取得的砂巖與煤巖通過專業(yè)機(jī)構(gòu)加工制備成單體試件即煤?jiǎn)误w與砂巖單體如圖1(b).試件嚴(yán)格按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)標(biāo)準(zhǔn)制成高徑比2∶1，直徑50 mm，高度100 mm.本實(shí)驗(yàn)的傾斜煤巖組合體是由砂巖與煤巖通過云石膠相接觸粘合組成不同角度的組合體試件,此組合體以砂巖與煤巖的徑向線為軸心,按1∶1的比例組合成為0°，15°，30°，45°，60°這5種不同傾角的煤巖組合體,其高徑比也為2∶1(直徑50 mm,高度100 mm)，部分試件如圖1(a)所示,要求各圓柱體兩端平行度必須小于0.02 mm.砂巖與煤巖單體試件作為本實(shí)驗(yàn)的參考對(duì)照試件.為了減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差和離散型,每種組合體各取5個(gè)試件且從5組數(shù)據(jù)中選取2組較為接近的數(shù)值為本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖1 組合體與煤巖單體部分標(biāo)準(zhǔn)試件

1.2 單軸壓縮試驗(yàn)方案與設(shè)備

如圖2(a)所示,采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖石力學(xué)研究所制的RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試件施加軸向壓力并自動(dòng)采集試件的軸向應(yīng)變.由于此試驗(yàn)設(shè)備僅有一套軸向傳感器而無(wú)法對(duì)組合體的煤體與巖體同時(shí)進(jìn)行環(huán)向應(yīng)變的測(cè)定,因此分別對(duì)煤體與巖體在相同高度處分別粘貼2個(gè)120-10AA電阻應(yīng)變片分別為軸向應(yīng)變片和環(huán)向應(yīng)變片,此測(cè)定數(shù)值由D3816N應(yīng)變采集系統(tǒng)自動(dòng)采集，如圖2(b)所示.

圖2 試驗(yàn)設(shè)備及應(yīng)變片

其次,對(duì)煤巖組合體進(jìn)行單軸加載試驗(yàn),通過試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件預(yù)加載,預(yù)加載完成后同時(shí)開啟應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試與RMT試驗(yàn)系統(tǒng)加載.加載方式采用控制位移的形式,考慮到應(yīng)變儀數(shù)據(jù)記錄頻率為2 Hz ,為避免測(cè)得數(shù)據(jù)點(diǎn)過少,加載速度設(shè)為0.1 kN/s,直至試件破壞.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤與砂巖

圖3是煤?jiǎn)误w與砂巖單體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(其中C代表煤?jiǎn)误w，R代表巖體，從5組實(shí)驗(yàn)中分別選取3組相近的實(shí)驗(yàn)數(shù)值在圖中予以表示).從圖3中的曲線可以看出煤體與巖體的極限抗壓強(qiáng)度有差異，其中巖體的差異較小,而煤體試件差異較大,最大的抗壓強(qiáng)度為26.56 MPa,最小的為14.97 MPa.因此提取3種試樣的抗壓強(qiáng)度的平均值來減小試件材料帶來的數(shù)值上的誤差.其巖體平均抗壓強(qiáng)度是31.67 MPa,而煤?jiǎn)误w的平均抗壓強(qiáng)度是20.76 MPa.煤?jiǎn)误w與砂巖相比，其抗壓強(qiáng)度要低于砂巖,這是因?yàn)槊后w內(nèi)部的缺陷以及松散導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度較低.

圖3 煤體與砂巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線

如圖4所示,煤體與砂巖均為脆性破壞,為了更好地觀察其破壞特征，在試驗(yàn)前用熱塑袋將其包裹,使其破壞后不易飛濺傷人又能很好地觀察.由于煤體沖擊性較大，表面形成不規(guī)則的裂紋且周圍存在壓碎的碎塊,而砂巖在達(dá)到抗壓極限時(shí)則清楚地聽到噼里啪啦的響聲，也能很清楚地觀察到其裂紋分布及貫通裂縫,從而判斷出主要是剪切破壞.

圖4 煤體與砂巖的破壞特征

2.2 不同傾角煤巖組合體

2.2.1 組合體的軸向變形

選取試驗(yàn)中典型破壞的4種不同傾角試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖5所示，從圖5可以看出，煤巖組合體受載后變形破壞經(jīng)歷了4個(gè)階段:壓密階段、彈性階段、塑性變形階段以及峰后破壞階段，這與煤?jiǎn)误w與砂巖單體試件的破壞過程類似.0°傾角的煤巖組合體極限抗壓強(qiáng)度高于其他傾角的組合體,傾角30°以下的煤巖組合體破壞得更快，這說明主要受到剪切破壞，同時(shí)還受到煤巖交界面的約束影響.45°以上的煤巖組合體抗壓強(qiáng)度降低,其煤體破壞得更為嚴(yán)重，這說明45°傾角的煤巖組合體不僅僅受到壓剪破壞還受到滑移破壞,且以滑移破壞為主,其峰后變形量增大.

圖5 不同傾角煤巖組合體的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由于傾角45°以上的界面對(duì)煤巖體的破壞影響較大,該組合體中煤巖破壞主要是由于滑移導(dǎo)致了組合體體系的失效,從而承載力下降,如果要防止該條件下發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,應(yīng)首先考慮防止該類型的滑移破壞的發(fā)生.

2.2.2 組合體的環(huán)向應(yīng)變

由圖3中煤與砂巖的單體應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,煤與砂巖的抗壓強(qiáng)度與變形存在很大的差異,相對(duì)于砂巖來說,煤?jiǎn)误w的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖單體,而且其變形相對(duì)于砂巖要大.由這兩者組合而成的煤巖組合體就存在著物理力學(xué)性質(zhì)上的差異,對(duì)于較為脆弱的煤?jiǎn)误w來說，其首先會(huì)發(fā)生破碎以及破壞,若是煤內(nèi)部極不規(guī)整且比較松散則破壞更為明顯,且沖擊傾向性會(huì)很大.而對(duì)于組合體中的砂巖來說，煤破壞后將使砂巖破壞在受載后,砂巖的破壞滯后于煤.圖6是傾角為30°的煤巖組合體的應(yīng)變時(shí)間曲線,從圖6可以看出這種滯后效應(yīng)，煤達(dá)到破壞的時(shí)間是255 s左右,而煤破壞后緊跟著砂巖達(dá)到285 s左右應(yīng)變片才失效,其兩者之間相差30 s的時(shí)間,煤提前30 s左右處于不穩(wěn)定的狀態(tài),砂巖則滯后于煤.從而可以得出煤巖組合體之間存在著差異性且破壞不具有同步性,試件的破壞具有非均勻性的特點(diǎn).

圖6 傾角30°煤巖組合體環(huán)向應(yīng)變與時(shí)間曲線

由于應(yīng)變采集器測(cè)得煤體與巖體在破壞后的環(huán)向應(yīng)變存在不規(guī)律性，誤差很大,這對(duì)于測(cè)定煤巖體之間的應(yīng)變帶來不便,因此取各煤巖組合體在峰前破壞之前的數(shù)值來觀察其規(guī)律性，如表1所示.煤體的環(huán)向應(yīng)變明顯高于砂巖的環(huán)向應(yīng)變,且煤體的最大環(huán)向應(yīng)變?yōu)? 388.99 με,而砂巖的最大環(huán)向應(yīng)變?yōu)? 288.12 με,由此可知煤體的環(huán)向應(yīng)變高于砂巖的環(huán)向應(yīng)變.

表1 不同傾角煤巖組合體環(huán)向應(yīng)變與時(shí)間

將表1的峰前破壞前200 s的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,如圖7所示.煤體各角度的相關(guān)系數(shù)R2在0.996 7左右,巖體擬合的相關(guān)系數(shù)R2在0.997 8左右.從圖7的擬合曲線可以看出，煤巖組合體在受壓時(shí)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)應(yīng)變也在增長(zhǎng),但是不同傾角的煤巖體環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的速度有所不同，煤體的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度較巖體增長(zhǎng)得快.因此在荷載作用下不同傾角煤巖體的整體破壞不同.圖7中曲線始終保持一定的穩(wěn)定狀態(tài),曲線成非線性演化特征.

圖7 不同傾角煤巖組合體數(shù)據(jù)擬合曲線

3 討論

3.1 煤巖組合體力學(xué)分析

由于砂巖和煤巖本身的力學(xué)性質(zhì)差異較大,煤巖組合系統(tǒng)受載時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的變形.相同荷載下,組合體兩端砂巖部分的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變皆要小于煤體部分的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，且?guī)r體與煤體接觸面處由高強(qiáng)度云石膠粘結(jié)使組合體在煤巖接觸面不會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng).組合體試件受壓力學(xué)模型如圖8所示，由圖8a可知，在煤巖交界面處的上下邊緣(煤體擠壓易碎區(qū))發(fā)生破壞的可能性最大[10],其次是煤巖體的次應(yīng)力疊加區(qū),當(dāng)垂直力不斷增大使得應(yīng)力疊加逐漸增大,直至破壞,形成從煤體到巖體的貫穿裂縫,隨著傾角越來越大破壞也越來越大.在這里假設(shè)(1)煤巖組合體的強(qiáng)度服從莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則;(2)傾斜煤巖體結(jié)構(gòu)面服從莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則;(3)帶傾角煤巖組合體各項(xiàng)同性.

如圖8b所示,由莫爾應(yīng)力圓理論可知，帶傾角的煤巖組合體接觸面的法向應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ可以由第一和第三主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算[15]:

圖8 組合體試件受壓力學(xué)模型

(1)

式中：σ1為煤巖組合體受到的最大主應(yīng)力即為軸向應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力即圍壓應(yīng)力；β為煤巖交界面與水平面的角度,隨著傾角的增大σ與τ將增大.

假設(shè)煤巖組合體間結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度服從庫(kù)倫準(zhǔn)則,則有

τ=c+σtanφ.

(2)

式中：c=c0,cw;φ=φ0,φw;其中c0,cw分別為煤巖組合系統(tǒng)和煤巖結(jié)構(gòu)面的黏聚力(MPa);φ0,φw為煤巖組合系統(tǒng)和煤巖結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角(°),將(1)與(2)聯(lián)立可得出:

(3)

即式(3)為煤巖組合體結(jié)構(gòu)面的破壞強(qiáng)度條件.由于本實(shí)驗(yàn)中采用煤體與巖體兩種材料,因此本文中的黏聚力和摩擦角只是為了沿用傳統(tǒng)的概念,用于描述煤巖體整體性質(zhì),此性質(zhì)更多表現(xiàn)的是煤體與巖體接觸面的性質(zhì).對(duì)于式(3)中φw為煤巖結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角,根據(jù)莫爾圓及包絡(luò)線可以得出,而β為煤巖結(jié)構(gòu)面與水平面的交角.該推導(dǎo)的公式僅僅用于帶傾角的煤巖組合體,在圍壓的作用下煤巖接觸面產(chǎn)生剪切滑移破壞的條件.

3.2 組合體試件破壞特征

不同傾角煤巖組合體的經(jīng)典破壞形式如圖9所示，從圖9可看出組合體的破壞集中于煤體部位.由此可知,不同傾角試件破壞后的完整性差別較大.其中,0°與15°的試件完整性最好,這也更好地解釋了組合體的強(qiáng)度與煤?jiǎn)误w的強(qiáng)度接近的原因.從圖9中可以看出,主要裂紋分布于煤體部分,角度多為一條豎直線,煤體表面的裂紋分布密集且均勻,局部出現(xiàn)環(huán)形的膨脹;0°試件完整性較好,主要裂紋分布于煤體部分,裂紋的角度有所偏斜.對(duì)于傾角30°試件煤體表面的裂紋分布較密，且在主裂紋拐點(diǎn)處裂紋分布要多于巖體;傾角45°的試件的裂紋貫穿了煤體與巖體,這主要是剪切破壞.而傾角45°的試件在煤體與巖體處有微小的滑移現(xiàn)象,在這里需要注意的是煤巖體接觸面是由云石膠粘接而成的組合體,組合體達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度下,煤巖體并沒有直接在接觸面滑移,而是在煤體與巖體上發(fā)生滑移,接觸面處有完整的粘接.但是由于受力較大,45°試件的巖體底部明顯受到擠壓破壞.相較于45°試件,傾角60°的試件就有一條明顯的貫穿于煤體與巖體的裂縫,且在巖體部分更為明顯,對(duì)于45°試件滑移現(xiàn)象微小來說,傾角60°的試件具有較大的滑移現(xiàn)象,其滑移裂紋貫穿煤巖體,以滑移破壞為主,伴隨著壓剪破壞.主裂紋分布在煤體部分且傾角較大,煤體表面裂紋分布不均，多集中在主裂紋拐點(diǎn)處,煤體中部有很明顯的向外鼓起,滑移破壞與剪切破壞產(chǎn)生的裂縫共同發(fā)展和貫通,形成宏觀的破裂帶[16].

圖9 不同傾角煤巖組合體的經(jīng)典破壞形式

由此可知,隨著煤巖組合體傾角的增加,組合體單軸抗壓強(qiáng)度逐漸接近巖體強(qiáng)度,破壞時(shí)傾角大的試件巖體破壞程度大,且傾角≥45°后會(huì)產(chǎn)生滑移破壞.隨著試件荷載增加,煤體進(jìn)入塑性階段,內(nèi)部裂隙開始發(fā)育,煤巖組合體傾角小的試件應(yīng)力分布均勻,煤體截面裂隙發(fā)育程度一致,破壞時(shí)裂紋貫通煤體側(cè)面，裂紋密集，局部出現(xiàn)煤巖交界面的膨脹效應(yīng);而煤巖組合體傾角大的試件由于應(yīng)力的疊加效應(yīng)使得貫穿裂縫更為明顯,尤其巖體部位,且試件破壞主要為煤巖接觸面的滑移破壞為主.

4 結(jié)論

1)煤巖組合體的破壞方式主要呈現(xiàn)一種傾斜的剪切裂紋,其破壞主要集中于煤體部分,破壞的強(qiáng)度更接近于煤?jiǎn)误w的破壞強(qiáng)度,且沿煤體部位的主裂紋處分散著細(xì)而密集的次裂紋.

2)煤體在應(yīng)變片失效之前的環(huán)向應(yīng)變明顯大于巖體在破壞前的環(huán)向應(yīng)變,且煤體與巖體的環(huán)向應(yīng)變值隨著煤巖接觸面傾角的增大而增大.煤體破壞30 s左右之后巖體才開始破壞,這反映巖體的破壞滯后于煤體,煤體與巖體整體破壞不一致,破壞具有異性不同步、非均勻特征.

3)對(duì)于傾角≤30°的煤巖組合體來說裂紋分布較少,巖體的整體性比較好，沒有太大的破壞特征,抗壓強(qiáng)度比較接近,且裂紋主要分布在煤體部位.當(dāng)傾角≥45°煤巖組合體受壓變形時(shí),煤巖接觸面附近有明顯的破壞特征且有滑移現(xiàn)象,此時(shí)的煤體發(fā)生了壓剪破壞,在煤巖接觸面具有應(yīng)力集中,出現(xiàn)了從煤體貫穿巖體的剪切裂紋,同時(shí)出現(xiàn)壓剪復(fù)合破壞.