煤巖組合體性質(zhì)與比例影響力學(xué)特性規(guī)律

陳光波，張 帥，李 譚,3，張國華，呂鵬飛

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.山東鼎安檢測技術(shù)有限公司 煤炭事業(yè)部，山東 濟(jì)南 250000；3.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；4.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

隨著開采深度的加深和開采廣度的加大，煤礦地質(zhì)動力災(zāi)害發(fā)生的頻次和烈度逐漸增加，尤其沖擊地壓最為嚴(yán)重[1-3].煤礦井下沖擊地壓的發(fā)生是積聚在煤巖系統(tǒng)中的能量快速釋放的結(jié)果.煤系地層中的煤層與巖層以自然共存的形式形成煤巖系統(tǒng)，因此，開展單一煤層或單一巖層的研究有失全面，開展煤巖組合體的研究更貼合工程實際狀況，對于探索沖擊地壓問題也具有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義.

許多專家針對煤巖組合體開展了大量研究.劉少虹[4-5]研究動靜加載下的應(yīng)力波傳播機(jī)制、能量耗散、突變模型、混沌機(jī)制問題.李曉璐[6]運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了煤巖組合體的沖擊傾向性.姚精明[7]等研究堅硬頂板煤巖組合體破壞的電磁輻射規(guī)律.姜耀東[8]等對煤巖組合體失穩(wěn)滑動過程開展了相關(guān)實驗研究.王曉南[9]等研究煤巖組合體的聲發(fā)射和微震效應(yīng).左建平[10-11]、朱卓慧[12]等研究煤巖組合體峰前軸向裂紋演化與非線性模型和煤巖組合體的分級加卸載特性.郭偉耀[13]運用 PFC模擬軟件研究了煤巖強(qiáng)度與煤巖高度對組合體力學(xué)特性的影響.陳光波、秦忠誠[14-15]研究煤巖組合體破壞前的能量分布規(guī)律、能量積聚關(guān)鍵層位.常悅[16]等實驗研究了煤巖組合體的力學(xué)特性和滲流規(guī)律.付斌[17]等運用RFPA軟件研究不同組合條件下煤巖組合體的力學(xué)特性和破壞過程.薛俊華[18]等研究串聯(lián)煤巖對沖擊傾向性的影響.竇林名[19]等、趙善坤[20]、牟宗龍[21]等研究煤巖組合體的變形破裂規(guī)律和沖擊傾向性.肖曉春[22]等試驗研究煤巖單體試件和組合試件的聲發(fā)射特性及沖擊傾向性.劉剛[23]等研究“三硬”煤巖組合體沖擊傾向性.秦忠誠[24]、張澤天[25]等研究組合方式對煤巖組合體力學(xué)特性和破壞特征的影響.上述專家從煤巖組合體的力學(xué)特征、破壞機(jī)制、沖擊傾向、聲發(fā)射特征等方面開展了較多的研究，然而對于試件破壞前的能量積聚特征研究較少，而導(dǎo)致試件破壞最重要的恰恰是破壞前積聚的能量，這也正是井下沖擊地壓發(fā)生的根本原因.

據(jù)此，以煤礦重大事故-沖擊地壓為背景，開展煤巖組合體的沖擊效應(yīng)和能量積聚的實驗研究，揭示不同類型的煤巖組合體的沖擊效應(yīng)和能量積聚規(guī)律，探索煤巖高度比對組合體沖擊效應(yīng)和能量積聚規(guī)律的影響，以期為煤炭資源開采過程中沖擊地壓的防治研究提供借鑒.

1 實驗方法與方案

實驗材料取自于黑龍江省龍煤集團(tuán)鶴崗分公司峻德煤礦的 17煤層的煤層及頂、底板中細(xì)砂巖和粗砂巖.峻德煤礦 17層煤全區(qū)分布，煤層厚度2.33～8.25 m，分布不均，煤層傾角約0o，頂板和底板中均存在細(xì)砂巖和粗砂巖，且厚度較大.根據(jù)前期對煤、粗砂巖、細(xì)砂巖進(jìn)行煤巖單體實驗，得知煤的強(qiáng)度為10 MPa左右，粗砂巖強(qiáng)度為55 MPa左右，細(xì)砂巖強(qiáng)度可達(dá)到112 MPa.為避免出現(xiàn)試件較大差異，試件取自于同一巷道.

根據(jù)巖石力學(xué)實驗測定要求，設(shè)計煤巖組合體試件總體尺寸為標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸，即φ50 mm×100 mm的圓柱體.為對比巖煤高度比對沖擊效應(yīng)和能量積聚規(guī)律的影響，設(shè)計巖煤高度比共5種，為3:1、2:1、1:1、1:2、1:3，組合類型共3種，為細(xì)砂巖-煤（XM）、粗砂巖-煤（CM）、細(xì)砂巖-煤-粗砂巖（XMC）.實驗采用 TAW-2000kN微機(jī)控制電液伺服巖石試驗系統(tǒng)，見圖1，采用0.005 mm/s的位移加載速率對組合試件開展全過程加載實驗.具體實驗方案，見表1.

圖1 巖石三軸試驗系統(tǒng)Fig.1 rock triaxial test system

表1 煤巖組合體實驗方案Tab.1 experimental scheme of coal-rock combination

按照組合試件的要求，制備符合要求的組合體，其中，典型的組合體試件見圖2.對組合體試件開展單軸壓縮實驗.

圖2 典型的煤巖組合試件Fig.2 typical coal-rock combined bodies

2 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)

按照實驗要求對組合體開展單軸壓縮實驗，獲得實驗數(shù)據(jù)，由于篇幅有限，每組數(shù)據(jù)不一一列出，將每種組合體5組實驗數(shù)據(jù)取平均值，見表2.

表2 煤巖組合體實驗數(shù)據(jù)平均值Tab.2 average value of experimental data of coal-rock assemblage

3 巖性與比例對組合體力學(xué)特征影響

3.1 巖性對組合體力學(xué)特征影響

為研究巖性對組合體抗壓強(qiáng)度的影響，繪制圖3.由圖3可知，5種不同煤巖高度比（3:1、2:1、1:1、1:2、1:3）的XM組合體抗壓強(qiáng)度比CM組合體抗壓強(qiáng)度大，也就是說，相同比例的組合體，細(xì)砂巖與煤的組合體的強(qiáng)度較大，這主要受到除煤已外的其他組分強(qiáng)度的影響，砂巖強(qiáng)度越大，組合體整體強(qiáng)度大，但從另一方面來說，組合體的強(qiáng)度比較接近煤的強(qiáng)度，雖有提高，但幅度較小.因此可判斷，組合體強(qiáng)度主要取決于軟弱煤體的強(qiáng)度.

圖3 巖性對組合體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 effect of lithology on combined body strength

XMC（1:1:1）組合體的強(qiáng)度為16.17 MPa，其強(qiáng)度在XM（2:1）組合體強(qiáng)度（16.33 MPa）和CM（2:1）組合體強(qiáng)度（16.05 MPa）之間；XMC（1:2:1）組合體的強(qiáng)度為15.28 MPa，其強(qiáng)度在XM（1:1）組合體強(qiáng)度（15.78 MPa）和 CM（1:1）組合體強(qiáng)度（14.88 MPa）之間.由此也可以說明，除煤以外的組分強(qiáng)度越大，組合體整體強(qiáng)度就越大.

為研究巖性對沖擊傾向性的影響，繪制圖4.由圖4可知，同一比例的組合體，XM組合體的沖擊能量指數(shù)較比CM組合體高，沖擊傾向性更大.XMC（1:1:1）組合體的沖擊能量指數(shù)為 0.94，在 XM（2:1）組合體（1.05）和CM（2:1）組合體（0.88）之間；XMC（1:2:1）組合體的沖擊能量指數(shù)為1.77，其沖擊能量指數(shù)在XM（1:1）組合體（1.98）和CM（1:1）組合體（1.56）之間.由此說明，組合體中組分硬度差別越大，沖擊傾向性更強(qiáng).工程實際中，堅硬頂板或堅硬底板條件下更容易發(fā)生沖擊地壓.

圖4 巖性對組合體沖擊傾向性的影響Fig.4 influence of lithology on the impact tendency

3.2 巖煤高度比對組合體力學(xué)特征的影響

為研究巖煤高度比對組合體抗壓強(qiáng)度的影響，繪制圖5.由圖5可知，XM組合體和CM組合體隨著巖煤高度比的增大，抗壓強(qiáng)度逐漸減小.XMC（1:1:1）組合體（巖石與煤的比例為 2:1）強(qiáng)度為16.17MPa，XMC（1:2:1）組合體（巖石與煤比例為1:1）強(qiáng)度為15.28MPa.XMC（1:1:1）組合體強(qiáng)度比XMC（1:2:1）組合體大.這也說明，隨著巖煤高度比增大，組合體強(qiáng)度均有不同程度的減小.

圖5 巖煤高度比對組合體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 effect of rock-coal ratio on combined body strength

為研究巖煤高度比對組合體沖擊傾向的影響，繪制圖6.由圖6可知，XM組合體和CM組合體均隨著巖煤高度比的增大，沖擊能量指數(shù)明顯增大，沖擊傾向性更強(qiáng).XMC（1:1:1）組合體（巖煤高度比為2:1）沖擊能量指數(shù)為0.94，XMC（1:2:1）組合體（巖煤高度比為 1:1）沖擊能量指數(shù)為 1.77.XMC（1:1:1）組合體比XMC（1:2:1）組合體沖擊傾向性更強(qiáng).由此來看，隨著巖煤高度比增大，組合體沖擊傾向性逐漸增強(qiáng).這也是工程實際中厚煤層易于發(fā)生沖擊地壓的原因.

圖6 巖煤高度比對組合體沖擊傾向性的影響Fig.6 effect of rock-coal ratio on impact tendency

4 巖性與比例對組合體能量積聚影響

組合體在試驗機(jī)的加載作用下發(fā)生彈性形變，積聚彈性能，當(dāng)積聚的彈性能達(dá)到組合體的儲能極限，組合體突然破壞.組合體破壞前積聚的最大彈性能稱為組合體的能量積聚.通常采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值前與橫坐標(biāo)軸圍成的面積計算.

4.1 巖性對組合體能量積聚的影響

為研究巖性對組合體能量積聚的影響，繪制圖7.由圖7可知，5種不同煤巖高度比（3:1、2:1、1:1、1:2、1:3）的CM組合體峰前積聚能量比XM組合體多.因為煤的性質(zhì)和比例相同的，所以煤組分積聚的能量相等.由此可以推斷，粗砂巖在該應(yīng)力條件下積聚的能量比細(xì)砂巖多.但這一結(jié)論與細(xì)砂巖的儲能極限較強(qiáng)并不沖突，僅僅是在某一應(yīng)力下，粗砂巖積聚能量比細(xì)砂巖多.

圖7 巖性對組合體能量積聚的影響Fig.7 effect of lithology on energy accumulation

XMC（1:1:1）組合體峰前能量為 4.26×104J/m3，在 XM（2:1）組合體和 CM（2:1）組合體之間；XMC（1:2:1）組合體的強(qiáng)度為4.71 MPa，在XM（1:1）組合體和CM（1:1）組合體之間.由此來看，相同應(yīng)力條件下，軟弱巖層更容易積聚更多的能量，堅硬巖層積聚較少能量，主要起夾持作用.堅硬巖層夾持煤體形成能量承載結(jié)構(gòu).

4.2 巖煤高度比對組合體能量積聚的影響

為研究巖煤高度比對組合體能量積聚的影響，繪制圖8.由圖8可知，無論是XM組合體和CM組合體，均隨著巖煤高度比的增大，峰前積聚能量逐漸增多.由此來看，煤所占比例越大，組合體積聚能量越多.這說明煤在組合體能量的主要載體，對于組合體的變形和破壞起關(guān)鍵作用.

圖8 巖煤高度比對組合體能量積聚規(guī)律的影響Fig.8 influence of rock-coal ratio on the law of energy accumulation of combined body

5 組合體破壞力學(xué)分析及能量傳遞

5.1 煤巖組合體破壞過程力學(xué)分析

為研究煤巖組合體在動力作用下的失穩(wěn)破壞機(jī)理，探討煤巖組分之間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建了煤巖組合體力學(xué)模型，見圖9.

圖9 組合試件相互作用模型Fig.9 a model for the interaction of combined body

煤和巖石組分構(gòu)成煤巖組合體，在載荷F的作用下保持力學(xué)平衡狀態(tài)，巖石組分和煤組分的載荷位移曲線可由式（1）、式（2）表示.巖石組分的峰值載荷比煤組分的峰值載荷大.

式中，U1為巖石組分位移，mm；U2為煤組分位移，mm.

組合體為力學(xué)平衡狀態(tài)，由此可得

設(shè)?F為力的增量，根據(jù)式（1）、式（2）可得

式中，?U1為巖石組分的位移增量，mm；?U2為煤組分的位移增量，mm.

設(shè)煤巖組合體總位移增量為?U，則

將式（4）～式（6）聯(lián)立可得取α= l imΔU2ΔU，則

根據(jù)式（7）、式（8），對煤巖組合體動力作用下的失穩(wěn)破壞過程進(jìn)行分析，主要分以下階段：

第一階段為組合體的彈性儲能階段.組合體在力的作用下，由曲線點O至點A1、點A2，煤組分和巖石組分均存在能量耗散和積聚，但兩種組分的能量積聚均大于能量耗散，因此，組合體不斷儲存彈性能，式中λ1、λ2均為定值.

第二階段為組合體的塑性儲能階段.煤組分曲線由線性到非線性的轉(zhuǎn)化，由彈性階段轉(zhuǎn)為塑性階段，該階段煤體發(fā)生較大不可逆變形，同時伴隨著能量耗散和積聚.該階段能量耗散較多，但仍然小于能量積聚，表現(xiàn)為曲線A2B2階段.此過程，λ2逐漸減小至0（峰值點）.由于巖石組分強(qiáng)度較大，巖石處于彈性階段，仍然積聚能量，但能量積聚速度較慢.該階段巖石組分的λ1為定值.此階段組合體總體處于能量積聚階段，λ2/λ1逐漸減小為0（峰值處），?U2/ ?U不斷增大至1（峰值處）.

第三階段為組合體的失穩(wěn)破壞階段.煤組分最先喪失承載能力，煤體裂紋發(fā)展迅速，破壞突然.此階段對應(yīng)巖石曲線上的B1C1階段.當(dāng)巖石的能量釋放速率大于煤體能量吸收速率時，便會發(fā)生失穩(wěn)破壞，對應(yīng)于圖9中點C2：λ1與λ2大小相等，符號相反，即λ1+λ2=0，公式?U2/ ?U→∞.

第四階段為煤巖組合體的殘余變形階段.煤巖組合體存在殘余能量，但不足以引起劇烈破壞，變形比較緩慢，新裂紋數(shù)量較少，主要為裂紋界面之間的摩擦滑移.組合體通過自身變形，逐漸達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài).

5.2 煤巖組合體失穩(wěn)破壞的能量傳遞機(jī)制

圖10為兩種比較典型的組合體的破壞形態(tài).由圖10可知，組合體主要的破壞組分是煤，然而除了煤之外，組合體的其他組分也出現(xiàn)裂隙，并且裂隙的方向與組合體的軸向一致，屬于劈裂破壞類型.另外，實驗發(fā)現(xiàn)，煤最先出現(xiàn)裂隙，最先破壞，巖石組分破壞在煤組分破壞之后，但破壞程度較小，主要表現(xiàn)為裂紋裂隙的萌生、貫通.

圖10 組合體的破壞形態(tài)Fig.10 failure form of combined body

究其原因，主要是組合體受試驗機(jī)的不斷加載，雖然存在能量的損耗，但總體積聚大量能量，見圖11（a）.由于煤組分的儲能極限較低，因此，當(dāng)積聚的能量達(dá)到組合體的儲能極限時，軟弱的煤組分最先發(fā)生破壞，以此釋放大量的彈性能，見圖11（b）.煤組分釋放的彈性能瞬間傳遞給直接接觸的巖石組分，導(dǎo)致巖石組分的能量瞬間增多，達(dá)到巖石組分的儲能極限，巖石組分中的原生裂隙開始擴(kuò)展、貫通，最終在巖石組分表面形成裂紋，發(fā)生變形破壞，見圖11（c）.

圖11 煤巖組合體破壞過程能量傳遞機(jī)制示意Fig.11 schematic of energy transfer mechanism in failure process of coal-rock combined body

6 結(jié)論

（1）研究了煤巖性質(zhì)和比例對組合體抗壓強(qiáng)度和沖擊傾向性的影響.組合體的抗壓強(qiáng)度取決于軟弱組分的抗壓強(qiáng)度，介于組分抗壓強(qiáng)度之間；組分之間硬度差別越大，組合體的沖擊性向性越強(qiáng)，揭示了堅硬頂板或堅硬底板條件下的煤層開采易于發(fā)生沖擊地壓的機(jī)理；煤組分比例越大，組合體強(qiáng)度越小，組合體的沖擊傾向性越強(qiáng)，揭示了厚煤層開采易于發(fā)生沖擊地壓的機(jī)理.

（2）研究了煤巖性質(zhì)和巖煤高度比對組合體能量積聚的影響.相同應(yīng)力條件下，軟弱巖層能量積聚能力更強(qiáng)，堅硬巖層能量積聚能力弱，堅硬巖層主要起夾持作用；煤組分比例越大，組合體積聚能量越多.煤組分是組合體能量的主要載體，對于組合體的失穩(wěn)破壞起關(guān)鍵作用.

（3）構(gòu)建了煤巖組合體力學(xué)模型，并結(jié)合模型分析了組合體從加載到完全失穩(wěn)破壞4個過程進(jìn)行分析；探討了組合體失穩(wěn)破壞過程中煤巖組分之間的能量傳遞機(jī)制，揭示了煤組分先破壞巖石組分后破壞的機(jī)理.

（4）煤巖界面傾角、組分接觸方式、煤巖內(nèi)部裂隙等因素對力學(xué)特性規(guī)律的影響是下一步研究的重點，對于研究不同煤層傾角下煤巖系統(tǒng)失穩(wěn)破壞和煤巖系統(tǒng)在采動影響下的失穩(wěn)破壞具有重要參考價值.