玉華礦4-2煤裂隙煤巖三軸壓縮破壞機(jī)理研究

任建喜，陳首佳，岳 東，霍小泉，袁增云，范志海，寇義民，侯正利

（1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000；3.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司 玉華煤礦，陜西 銅川 727000）

玉華煤礦2410工作面具有地質(zhì)條件復(fù)雜、構(gòu)造面多、圍巖節(jié)理發(fā)育完全的特點(diǎn)。工作面回采過程中煤巷頂板下沉量大、兩幫收斂嚴(yán)重，影響了安全生產(chǎn)，急需返修。通過深孔鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，煤巷圍巖含有大量發(fā)育裂隙，由于裂隙的存在，導(dǎo)致煤層的物理力學(xué)性質(zhì)與完整煤巖體有顯著的差異。

早在20世紀(jì)中期，已經(jīng)有學(xué)者注意到巖石的裂隙在很大程度上影響著巖石的強(qiáng)度[1]。目前，對(duì)裂隙巖石的裂紋擴(kuò)展規(guī)律及貫通破壞模式、力學(xué)機(jī)制方面已取得較多的研究成果，豐文清等[2]定量描述了裂隙大小的方法和指標(biāo)，并引用損傷力學(xué)的觀點(diǎn)和巖石強(qiáng)度理論對(duì)該關(guān)系式進(jìn)行了理論分析。肖桃李等[3]進(jìn)行了預(yù)制單裂隙類巖樣三軸壓縮試驗(yàn)，得出來圍壓是試樣宏觀破裂模式的主要影響因素。黃彥華等[4-5]進(jìn)行了裂隙類砂巖試樣三軸壓縮試驗(yàn),得到了裂隙巖樣峰值強(qiáng)度、裂紋損傷閾值等隨圍壓變化的規(guī)律。余明坤等[6]采用聚乳酸樹脂材料和預(yù)埋云母片的方法制作類巖石裂隙試件，進(jìn)行了分步開挖卸載試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：法向應(yīng)力較低時(shí)，更易引起裂隙尖端拉伸裂紋的擴(kuò)展；法向應(yīng)力較高時(shí)，更易引起剪切裂紋的萌生與擴(kuò)展。吳鈺[7]等運(yùn)用RFPA2D數(shù)值模擬軟件研究了裂隙數(shù)量及傾角對(duì)巖石破壞特征的影響。結(jié)果表明：單裂隙巖樣表現(xiàn)出以拉剪破壞為主的漸進(jìn)破裂模式；雙裂隙巖石表現(xiàn)為拉裂破壞與壓剪破壞的組合模式。

目前，研究煤巖變形破壞規(guī)律的成果較多[8-24]，而研究裂隙煤巖的成果較少。更少有學(xué)者涉及三軸壓縮條件下的裂隙煤巖變形破壞機(jī)理的試驗(yàn)研究。為此，采用三軸壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行不同圍巖下玉華礦4-2煤完整煤巖和不同裂隙傾角煤巖三軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，研究不同圍壓下裂隙煤巖的破壞機(jī)理。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 裂隙煤巖的制備

試驗(yàn)所采煤巖樣品取自2410工作面，煤層埋深600 m，平均厚度5.9 m。利用巖心鉆取機(jī)勻速沿垂直層理方向加工成國際標(biāo)準(zhǔn)圓柱準(zhǔn)50 mm×100 mm。采用超聲波檢測設(shè)備對(duì)煤巖樣進(jìn)行無損監(jiān)測，篩選出平均縱波波速在1 600 m/s左右的煤巖試件進(jìn)行試驗(yàn)。將已篩選好的標(biāo)準(zhǔn)試件，采用直徑為0.5 mm金剛石線對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行切縫沿45°和60°方向切割，預(yù)制裂隙寬度不大于0.55 mm，裂隙煤巖裂隙參數(shù)與照片如圖1。

圖1 裂隙煤巖裂隙參數(shù)及照片F(xiàn)ig.1 Fracture parameters and photos of fractured coal and rock

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1）三軸試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)采用TAW—1000微機(jī)控制巖石高溫三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，主要參數(shù)如下：①最大軸向力為1 000 kN，最大圍壓為80 MPa，精度為±1%；②設(shè)備可采用位移、載荷和變形3種方式控制。變形測控范圍：軸向0～10 mm，徑向0～8 mm。

2）聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。聲發(fā)射裝置采用美國物理聲學(xué)公司（PAC）生產(chǎn)的DISP系列8通道全數(shù)字化聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有全數(shù)字化、計(jì)算機(jī)一體化CAT系統(tǒng)、并行DSP處理系統(tǒng)、AE特征參數(shù)與波形同時(shí)采集等技術(shù)特點(diǎn)，既可以實(shí)時(shí)采集，也可以對(duì)聲發(fā)射采集數(shù)據(jù)全過程回放，可多窗口實(shí)時(shí)顯示，具有強(qiáng)大的3維定位功能。

1.3 試驗(yàn)方法

選取煤巖波速相近的27個(gè)試件，分為9組，每組3個(gè)試件，進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，三軸壓縮試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。

表1 三軸壓縮試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 1 Triaxial compression test scheme design

首先施加0.5 kN的軸向壓力以固定煤巖試樣，采用0.01 MPa/s的速率施加圍壓至σ3到達(dá)預(yù)定值，在保持圍壓穩(wěn)定之后采用軸向變形控制，以0.05mm/min的速度施加軸壓。圍壓分別為5、10、15 MPa，并輔以聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證加載數(shù)據(jù)和聲發(fā)射的數(shù)據(jù)同步。為有效過濾噪音信號(hào)對(duì)聲發(fā)射結(jié)果的影響，信號(hào)門檻值設(shè)置為45 dB，采樣頻率為1 MHz。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 完整煤巖三軸壓縮破壞機(jī)理

完整煤巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表2，完整煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線和煤巖破壞照片及素描圖如圖2。

表2 完整煤巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Triaxial compression test results of complete coal and rock

由圖2（a）和圖2（b）可知，煤巖在三軸壓縮狀態(tài)下，無壓密階段，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要分為3個(gè)階段，分別為彈性、屈服、破壞或峰后軟化段3個(gè)階段。這說明在5、10、15 MPa 3種圍壓下，圍壓對(duì)煤巖的壓密作用明顯。試件煤巖在施加圍壓階段已經(jīng)基本完成壓密。完整煤巖試件的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段很長，曲線階段則很短。且隨著圍壓的升高，彈性階段曲線越陡，彈性模量越大。在三軸壓縮條件下，除較低圍壓（σ3=5 MPa）時(shí)，煤巖峰后延性破壞特征明顯，隨著圍壓升高，峰后應(yīng)力跌落幅度明顯增強(qiáng)?？梢姡瑖鷫簩?duì)煤巖脆延性轉(zhuǎn)化具有明顯的影響。

圖2 完整煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線和煤巖破壞照片及素描圖Fig.2 Complete coal rock stress-strain curves and coal rock failure photos and sketches

由圖2（c）～圖2（e）可知，完整煤巖在圍壓5 MPa下，局部呈剪切破壞，說明煤巖在低圍壓下，內(nèi)部節(jié)理裂隙壓密不完全，局部節(jié)理發(fā)育更容易導(dǎo)致其局部剪切破壞；在10 MPa和15 MPa下，整體呈剪切破壞。這說明在高圍壓下煤巖壓密逐漸完全，煤巖體自身節(jié)理對(duì)破壞角度影響減小。

2.2 裂隙煤巖三軸壓縮破壞機(jī)理

裂隙煤巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表3，不同圍壓不同裂隙角度煤巖下應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3和圖4。

圖3 45°裂隙煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線與煤巖破壞照片及素描圖Fig.3 Stress-strain curves of coal and rock with 45°fracture and photos and sketch of coal and rock failure

圖4 60°裂隙煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線與煤巖破壞照片及素描圖Fig.4 Stress-strain curves of coal and rock with 60°fissure,photos and plain graphs of coal and rock failure

表3 裂隙煤巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Triaxial compression test results of fractured coal and rock

在三軸壓縮狀態(tài)下，完整煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后呈平滑式應(yīng)變軟化，60°裂隙煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)呈現(xiàn)平臺(tái)式軟化，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后跌落程度更高。分析認(rèn)為，主要是由于應(yīng)力作用下預(yù)制裂隙尖端微裂隙的萌生、擴(kuò)展及貫通，加劇了裂隙煤巖的破壞，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線上應(yīng)力的跌落與裂紋擴(kuò)展行為相對(duì)應(yīng)。

由裂隙煤巖破壞照片及素描圖可知，裂隙煤巖相比與完整煤巖的破壞都集中于試件下部，這是由于預(yù)制裂隙導(dǎo)致試件中部偏心受壓導(dǎo)致的。在5 MPa和10 MPa下，45°裂隙煤巖樣呈現(xiàn)出由直剪破壞向斜剪破壞過度的破壞形態(tài)，當(dāng)圍壓增大到15 MPa時(shí)候，煤巖完全呈斜剪破壞，且隨著圍壓的增大，破裂角度增加明顯。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，可能由加載過程中在裂隙尖端，產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂隙兩邊產(chǎn)生應(yīng)力差，相當(dāng)于煤巖受剪切荷載，低圍壓下，煤巖強(qiáng)度較低，煤巖抗直剪變形能力弱，進(jìn)而表現(xiàn)出直剪破壞和斜剪破壞的復(fù)合破壞形態(tài)。隨著圍壓升高，煤巖強(qiáng)度升高，煤巖抗直剪變形能力得到提升，因此破壞時(shí)，只表現(xiàn)為斜剪破壞。對(duì)于60°裂隙煤巖，煤巖下部的裂隙發(fā)育完全，60°裂隙煤巖沿裂隙產(chǎn)生剪切破壞。分析可能是由于在加載過程中裂隙閉合，煤巖沿裂隙產(chǎn)生剪切破壞。

2.3 煤巖物理力學(xué)參數(shù)劣化分析

2.3.1 煤巖峰值強(qiáng)度

為分析煤巖三軸壓縮強(qiáng)度與裂隙關(guān)系，進(jìn)行對(duì)不同圍壓完整煤巖和裂隙煤巖三軸壓縮強(qiáng)度進(jìn)行分析，煤巖峰值強(qiáng)度與裂隙關(guān)系如圖5，圖中σP為偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度；σs為軸向壓縮峰值強(qiáng)度；α為裂隙傾角。在相同圍壓作用下，與完整煤巖相比，裂隙煤巖的三軸壓縮強(qiáng)度均大幅度減小。由表2和表3數(shù)據(jù)，對(duì)煤巖三軸抗壓強(qiáng)度和圍壓進(jìn)行線性擬合，煤巖峰值強(qiáng)度與圍壓關(guān)系如圖6。

圖5 煤巖峰值強(qiáng)度與裂隙關(guān)系Fig.5 Relationship between peak strength of coal and rock and fracture

圖6 煤巖峰值強(qiáng)度與圍壓關(guān)系Fig.6 Relationship between peak strength of coal and rock and confining pressure

煤巖峰值軸向應(yīng)力σs與圍壓σ3關(guān)系擬合如下：

完整煤巖：

σs＝8.276 1＋6.740 34σ3－0.148 16σ32，R2＝1。

45°裂隙煤巖：

σs＝－5.032 02＋8.346 36σ3－0.311 7σ32，R2＝1。

60°裂隙煤巖：

σs＝40.715 9－3.329 77σ3＋0.275 72σ32，R2＝1。

從圖6擬合曲線可得，裂隙煤巖和完整煤巖在圍壓增加時(shí)，三軸壓縮強(qiáng)度也在增加，呈非線性增加趨勢。完整煤巖三軸壓縮強(qiáng)度相比于裂隙煤巖三軸壓縮強(qiáng)度增長幅度顯著，說明整煤巖三軸壓縮強(qiáng)度對(duì)圍壓的敏感程度最高，45°裂隙煤巖次之，60°裂隙煤巖對(duì)圍壓敏感性最低。綜合圖5及圖6可得，45°裂隙煤巖相比完整煤巖三軸壓縮峰值強(qiáng)度在圍壓5、10、15 MPa分別降低25.16%、24.02%和30.26%，平均降低26.48%。60°裂隙煤巖相比與完整煤巖三軸壓縮峰值強(qiáng)度在圍壓5、10、15 MPa分別降低19.11%、42.51%、30.56%，平均降低30.72%。60°裂隙煤巖相比與45°裂隙煤巖在10 MPa強(qiáng)度劣化更顯著，隨著裂隙傾角的增加煤巖，煤巖中部產(chǎn)生I型裂紋，直接破壞了煤巖的整體性，造成煤巖峰值強(qiáng)度劣化顯著。

2.3.2 煤巖彈性模量

通過三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出不同圍壓下完整和裂隙煤巖的彈性模量，對(duì)彈性模量和圍壓進(jìn)行線性擬合，煤巖彈性模量與圍壓關(guān)系如圖7。

圖7 煤巖彈性模量與圍壓關(guān)系Fig.7 Relationship between coal rock elastic modulus and confining pressure

煤巖彈性模量E與圍壓σ3關(guān)系擬合結(jié)果如下：

完整煤巖：

E＝2.005＋0.035 51σ3－0.001 37σ32，R2＝1。

45°裂隙煤巖：

E＝2.905-0.068 8σ3+0.005 68σ32，R2＝1。

60°裂隙煤巖：

E＝1.84+0.128 1σ3-0.006 06σ32，R2＝1。

從圖7可得，裂隙煤巖彈性模量的劣化受到裂隙影響較大。45°裂隙的煤巖彈性模量在圍壓5、10、15 MPa分別下降21.37%、33.46%、25.84%，彈性模量平均損失26.89%。這是由于預(yù)制裂隙的存在，造成煤巖的整體性降低，導(dǎo)致三軸壓縮試驗(yàn)過程中裂隙煤巖相比于完整煤巖更早進(jìn)入塑性階段，并在預(yù)制裂隙尖端成微裂隙并發(fā)育貫通，造成了煤巖彈性模量的降低。完整煤巖的彈性模量對(duì)圍壓敏感度高，含有裂隙的煤巖彈性模量敏感性低，當(dāng)裂隙傾角增加到60°時(shí)圍壓對(duì)煤巖彈性模量基本沒有影響。

2.3.3 煤巖泊松比

綜合表2和表3可得，圍壓5、10、15 MPa下完整煤巖的峰值軸向變形分別為0.012 0、0.013 5、0.015 8，裂隙煤巖峰值軸向變形為0.010 1、0.015 8、0.014 9。隨著圍壓的增加，完整煤巖與裂隙煤巖的峰值軸向變形整體都呈增加的趨勢，說明隨著圍壓增加，煤巖延性增加，煤巖的軸向變形能力得到了增強(qiáng)。從表2和表3得出不同圍壓下完整和裂隙煤巖的泊松比，對(duì)泊松比和圍壓進(jìn)行曲線擬合，煤巖泊松比與圍壓關(guān)系如圖8。

圖8 煤巖泊松比與圍壓關(guān)系Fig.8 Relationship between Poisson’s ratio and confining pressure

煤巖泊松比μ與圍壓σ3關(guān)系擬合結(jié)果如下：

完整煤巖：

45°裂隙煤巖：

60°裂隙煤巖：

完整煤巖泊松比隨著圍壓增加，呈顯著減小的趨勢。隨著圍壓的增高，煤巖側(cè)向變形的約束能力增加，側(cè)向變形增加量遠(yuǎn)小于軸向變形增加量，造成煤巖泊松比減小。裂隙煤巖泊松比隨著圍壓增加，顯著呈增大的趨勢。這是由于在高圍壓下煤巖在破壞階段沿著裂隙進(jìn)行滑移，裂隙煤巖試件側(cè)向變形進(jìn)而顯著增加，導(dǎo)致了隨著圍壓增加泊松比增幅較大。

3 裂隙煤巖破壞過程聲發(fā)射特性分析

當(dāng)材料受外力作用或內(nèi)力超過屈服而產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象叫聲發(fā)射，聲發(fā)射信息能很好地反映煤巖內(nèi)部的破裂損傷，聲發(fā)射與裂隙的擴(kuò)展、貫通等演化規(guī)律具有密切的關(guān)系，現(xiàn)采用聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)對(duì)三軸壓縮裂隙煤巖破壞全過程的聲發(fā)射特征進(jìn)行分析[8-10,13,18]。

3.1 完整煤巖三軸壓縮聲發(fā)射特征

不同圍壓完整煤巖三軸壓縮聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9。

圖9 完整煤巖三軸壓縮聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.9 Complete coal rock triaxial compression acoustic emission ringing count and stress-strain curves

從圖9可以看出，在圍壓5 MPa下完整煤巖壓密不完全，完整煤巖的原生孔隙一定程度被壓密，在局部發(fā)生剪切破壞，破裂面面積小，振鈴計(jì)數(shù)相對(duì)較少。當(dāng)圍壓增加至10 MPa和15 MPa時(shí)，完整煤巖的原生孔隙被壓密完全，整體呈剪切破壞，破裂面積大，振鈴計(jì)數(shù)相對(duì)較多。

3.2 裂隙煤巖三軸壓縮聲發(fā)射特征

不同圍壓裂隙煤巖三軸壓縮聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變曲線圖10和圖11。

圖10 45°煤巖三軸壓縮聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.10 Ringing count and stress-strain curves of 45°coal triaxial compression acoustic emission

對(duì)比圖9、圖10和圖11可得：

圖11 60°煤巖三軸壓縮聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.11 Acoustic emission ringing count and stress-strain curves under 60°triaxial compression of coal and rock

在圍壓5 MPa下完整煤巖ε1到0.01左右時(shí)，煤巖進(jìn)入塑性階段，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)開始顯著增加。裂隙煤巖ε1到達(dá)0.006左右時(shí)，開始出現(xiàn)明顯的振鈴計(jì)數(shù)，說明裂隙產(chǎn)生的初始的損傷，由于裂隙尖端產(chǎn)生的集中力，造成煤巖樣更早進(jìn)入塑性階段。

在5 MPa下裂隙煤巖累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)顯著大于完整煤巖，發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是在圍壓5 MPa下完整煤巖僅發(fā)生局部的剪切破壞，破壞程度小，進(jìn)而破壞產(chǎn)生的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)小于裂隙煤巖累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)。

隨著圍壓的升高，完整煤巖的彈性階段相比圍壓5 MPa下更長，吸收的能量越多，破壞時(shí)產(chǎn)生的振鈴計(jì)數(shù)越多。而對(duì)于裂隙煤巖在圍壓15 MPa下的累計(jì)振鈴數(shù)小于圍壓10 MPa，這是由于在隨著圍壓升高，使得裂隙煤巖由復(fù)合破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)樾奔羝茐?，煤巖破壞模式的轉(zhuǎn)變減小了彈性波的釋放，進(jìn)而出現(xiàn)了在圍壓15 MPa下累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)減小的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）裂隙對(duì)煤巖三軸壓縮強(qiáng)度影響顯著，在5、10、15 MPa下，峰值強(qiáng)度平均下降26.48%；預(yù)制裂隙降低煤巖的整體性，在三軸壓縮試驗(yàn)過程中裂隙煤巖更早進(jìn)入塑性階段，導(dǎo)致了煤巖彈性模量的降低；裂隙煤巖在較高的圍壓下側(cè)向變形增加顯著，表明較高圍壓時(shí)裂隙煤巖相比于完整煤巖擴(kuò)容變形能力更強(qiáng)。

2）45°裂隙煤巖宏觀破裂模式受裂隙傾角和圍壓的共同影響。當(dāng)圍壓較小時(shí)，破裂形態(tài)受裂隙傾角的影響較大，當(dāng)圍壓增大到一定程度后，裂隙傾角的影響逐漸減弱，圍壓的作用開始顯現(xiàn)呈斜剪破壞模式；60°裂隙煤巖在低圍壓下僅沿裂隙發(fā)生剪切破壞，隨著圍壓升高，60°裂隙煤巖在裂隙出產(chǎn)出I型裂紋。

3）在相同圍壓下，隨著裂隙角度的增加，煤巖力學(xué)參數(shù)劣化顯著。相同圍壓下，裂隙傾角與振鈴計(jì)數(shù)呈正相關(guān)，說明隨著裂隙傾角的增加煤巖破壞程度越高。

4）煤巖裂隙和深埋是影響4210工作面煤巷嚴(yán)重破壞的重要因素，在煤巷返修支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮裂隙和圍壓對(duì)煤巷圍巖變形的影響?？刂屏严睹簬r變形和頂板松動(dòng)爆破泄壓是進(jìn)行煤巷返修支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題。