煤巖體結(jié)構(gòu)組分特性及應(yīng)力損傷機(jī)制研究

邵棟梁，王方田

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇徐州 221116）

在地質(zhì)賦存期間，煤巖體始終是一種復(fù)雜的非均質(zhì)且各向異性介質(zhì)，即內(nèi)部含各類天然礦物、自生裂隙和原生孔洞等非連續(xù)面[1-6]；煤層開采期間引起應(yīng)力場動態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)以及覆巖破斷運(yùn)移，加劇了煤巖體自身產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)的快速發(fā)育和擴(kuò)展，危及了采掘空間的支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)[7]。因此，綜合分析靜態(tài)應(yīng)力作用條件下的煤巖體所屬自然礦物組分、裂隙分布形態(tài)（傾角、形態(tài)等）及力學(xué)響應(yīng)機(jī)制對煤炭開采的空間設(shè)計和圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制形成的重要意義。國內(nèi)外學(xué)者圍繞煤巖體原生孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)表征重構(gòu)及應(yīng)力損傷破裂規(guī)律等問題，進(jìn)行了深入探索。張素新等[8]運(yùn)用了掃描電鏡試驗，揭示了煤儲層內(nèi)的孔隙類型、大小和微觀結(jié)構(gòu)；付裕等[9]結(jié)合CT 掃描技術(shù)和三維重建技術(shù)建立了煤巖礦物結(jié)構(gòu)模型，揭示了煤巖微觀結(jié)構(gòu)對宏觀力學(xué)影響的作用機(jī)理；張慧等[10]采用電子顯微測試法分析了煤巖體顯微組分和孔隙裂隙分布特征，拓展了煤巖力學(xué)特性的研究途經(jīng)。鞠楊等[11-12]采用SEM 掃描電鏡及CT 掃描成像等手段研究了煤巖體裂隙結(jié)構(gòu)的分布特征，并借助3D 打印技術(shù)重構(gòu)了含裂隙煤巖體；李化敏等[13]采用X 衍射分析和掃描電鏡實驗研究了巖石孔隙微觀結(jié)構(gòu)特征，對比分析了不同孔隙結(jié)構(gòu)對巖石力學(xué)性能的影響差異；李元海等[14]構(gòu)建了兼有天然孔洞和不同裂紋傾角的巖體試樣模型，指出受多重應(yīng)力作用時巖石裂隙尖端的塑性區(qū)演化規(guī)律和破斷失穩(wěn)模式；汪杰等[15]建立了節(jié)理傾角和載荷作用復(fù)合條件下的巖體損傷演化本構(gòu)模型，揭示了含單結(jié)構(gòu)面的巖體在荷載作用下的力學(xué)特征及損傷演化規(guī)律；韓志銘等[16]研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下兩組交叉貫通節(jié)理巖體的應(yīng)力強(qiáng)度與節(jié)理間距間的函數(shù)表達(dá)式，提出了含2 組節(jié)理巖體的強(qiáng)度預(yù)測模型；蘇承東等[17]通過縱波速度測試、單軸和常規(guī)三軸壓縮實驗對含有不同傾角的天然貫通弱面石灰?guī)r進(jìn)行研究，表明了巖體強(qiáng)度和破裂角均基本滿足庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則；陳新等[18]分析了單軸壓縮下節(jié)理間距和裂隙傾角作用時巖體試件強(qiáng)度影響和變形特性，得出了煤巖體宏觀破裂失穩(wěn)與內(nèi)部節(jié)理、裂隙等缺陷的細(xì)觀損傷力學(xué)聯(lián)系；Prudencio 等[19]探究了雙軸壓縮實驗條件下，既定節(jié)理產(chǎn)狀對巖體應(yīng)力強(qiáng)度和變形方式的影響規(guī)律；Einstein 等[20]開展了巖塊單元堆砌體試件三軸壓縮試驗，研究了不同節(jié)理方位和節(jié)理間距時貫通節(jié)理的試強(qiáng)度和變形特性。鑒于以上學(xué)者的實驗方法和研究成果，以車集煤礦23 煤柱工作面煤巖樣為實驗樣品，綜合利用X 射線衍射儀（XRD）及Quanta 250型掃描電子顯微鏡（SEM）識別煤巖體礦物組分屬性、含量和表面微觀形貌信息；基于實驗室煤巖樣物理力學(xué)測試結(jié)果，運(yùn)用3DEC 數(shù)值模擬軟件中的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型（DFN）構(gòu)建煤巖“塊體-合成體”的結(jié)構(gòu)組分與表體裂隙的計算模型，旨在分析非均質(zhì)、各向異性煤巖樣受靜態(tài)應(yīng)力作用時固體骨架和多產(chǎn)狀裂隙參與損傷破裂的塑性區(qū)發(fā)育特點(diǎn)和分布變化規(guī)律，為大尺寸復(fù)雜煤巖體在工程開挖過程中由多重裂隙發(fā)生起裂、擴(kuò)展和滑移引起的工程失穩(wěn)破壞災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。

1 煤巖微觀礦物組分和形貌特征

1.1 煤巖樣取心和制備

在車集煤礦23 煤柱下工作面的煤柱中巷（即距離工作面開切眼34 m 處）對二2 煤層及其頂板進(jìn)行分段鉆孔取心，煤巖樣取心位置如圖1。

圖1 煤巖樣取心位置Fig.1 Core location of coal and rock samples

利用礦用鉆機(jī)、煤巖樣研磨機(jī)等設(shè)備，制備實驗室標(biāo)準(zhǔn)煤巖樣（50 mm× 50 mm ×100 mm），旨在提供煤巖試樣完成物理力學(xué)性質(zhì)測試、微觀結(jié)構(gòu)和組分研究等試驗。

1.2 煤巖體礦物組分與裂隙結(jié)構(gòu)測試

23 煤柱工作面煤樣和直接頂巖樣的微觀組分與裂隙結(jié)構(gòu)綜合測試方案包括：①利用D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀（XRD）探究煤巖體主要巖性特征和固體骨架的礦物組分類型；②利用Quanta 250 型掃描電子顯微鏡（SEM）分析煤層及直接頂受應(yīng)力擾動狀態(tài)作用下裂隙分類和產(chǎn)狀（角度、密度、尺寸等）分布。

通過解析試驗結(jié)果，對煤體和巷道圍巖的微觀形貌生成可視化的整體感知，為構(gòu)建煤巖體“塊體-合成體”特征對照模型提供了直觀性的屬性支撐和建?；A(chǔ)，煤巖體XRD 與SEM 試驗分析流程如圖2。

圖2 煤巖體XRD 與SEM 試驗分析流程Fig.2 XRD and SEM analysis of coal and rock mass

1.2.1 礦物組分

車集煤礦23 煤柱煤樣和直接頂試樣經(jīng)過破碎、研磨處理，篩選75 μm 以下試驗樣品，利用D8 Advance X 射線衍射儀測定了多重衍射角度條件下的煤巖體光子數(shù)含量，揭示煤體和直接頂?shù)拿簬r體的天然組分結(jié)構(gòu)。其中，試驗裝置主要結(jié)構(gòu)包括X 射線發(fā)生器、狹縫DS/S1、載物臺、檢測器和主機(jī)控制系統(tǒng)，試驗條件為Cu 靶輻射，電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍3°～70°，步距0.1°，接收狹縫0.6 mm，發(fā)射狹縫8 mm。

煤巖體礦物組分測試及試驗參數(shù)如圖3，直接頂衍射試驗測試結(jié)果如圖4，煤體衍射試驗測試結(jié)果如圖5。

圖3 煤巖體礦物組分測試及試驗參數(shù)Fig.3 Coal and rock mineral composition test and experimental parameters

圖4 直接頂衍射試驗測試結(jié)果Fig.4 Test results of immediate roof diffraction test

圖5 煤體衍射試驗測試結(jié)果Fig.5 Test results of coal diffraction test

綜合分析煤巖體取心、制樣過程及XRD 測試結(jié)果可知：

1）23 煤柱直接頂為粉砂巖，巖樣以灰白色為主，塊狀結(jié)構(gòu)明顯且硬度較大；部分呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，具有波狀層理。主要礦物組分為石英（Quartz）及高嶺土（Kaolinite），衍射角度為26°時，石英含量高達(dá)4 800 光子數(shù)，其余測試角度的礦物組分含量較為均勻、穩(wěn)定。

2）煤樣光澤明亮，以亮煤為主；主要含高嶺土、沸石和方解石3 種礦物組分，部分煤樣含少量植物根莖化石。當(dāng)衍射角度處于3°～10°時煤樣內(nèi)礦物以沸石為主；測試角度為12°時高嶺土含量增大至260光子數(shù)；30°～40°時方解石最多，高嶺土次之；大于40°時礦物組分基本不隨測試角度變化。

3）煤巖體作為一種多物質(zhì)沉積性礦物，微觀礦物組分種類具有相似性和唯一性；受復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境和地質(zhì)賦存條件約束，組分含量在不同衍射角度均呈現(xiàn)出非均質(zhì)性，2 種屬性結(jié)合構(gòu)成煤巖體天然非均質(zhì)的固體骨架。

1.2.2 裂隙結(jié)構(gòu)

煤樣和粉砂巖直接頂試樣經(jīng)過破塊、打磨、噴金等工藝處理后，在高真空條件下，利用Quanta250 型掃描電子顯微鏡（SEM）釋放高能量的入射電子束轟擊樣品表面，煤巖體裂隙結(jié)構(gòu)分析示意圖如圖6，煤樣微觀結(jié)構(gòu)如圖7，粉砂巖直接頂巖樣微觀結(jié)構(gòu)如圖8。

圖6 煤巖體裂隙結(jié)構(gòu)分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of coal and rock mass fracture structure analysis

圖7 煤樣微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of coal sample

圖8 粉砂巖直接頂巖樣微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of the immediate roof sample

由圖7 和8 可知，煤樣放大200 倍時，表面致密平整且形態(tài)均勻、表體顆粒似鱗片狀同向排列交織，有少量孔洞與流線狀裂隙，孔洞形態(tài)完整；放大1 000倍時，煤樣表體局部點(diǎn)位的形態(tài)清晰，礦物組織膠結(jié)結(jié)構(gòu)明顯、層理分明；局部點(diǎn)位放大2 000 倍和3 000倍時，煤樣骨架完整且各突起構(gòu)造細(xì)膩、紋路明明晰，表面缺陷形態(tài)多樣且隨機(jī)分布。

粉砂巖巖樣放大200 倍時，礦物組分緊密有序排列、表面結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)附小尺寸孔隙、裂隙隨機(jī)發(fā)育；放大500 倍巖體表面孔隙產(chǎn)狀顯現(xiàn)、凹凸不平；樣品放大1 000 倍及2 000 倍時，小寬度裂隙數(shù)目增加，粗粒礦物相對集中，礦物顆粒形態(tài)各異、大小不一。

煤巖體地質(zhì)賦存期間受層間壓力，其內(nèi)含多種隨機(jī)分布且大小各異的裂隙和缺陷；開采過程中的動載作用加劇了巖體結(jié)構(gòu)各向異性特征的形成。

2 煤巖體三維重構(gòu)及應(yīng)力損傷機(jī)制

綜合分析煤體及圍巖的微觀結(jié)構(gòu)可知，煤巖體的基本結(jié)構(gòu)是由主體造巖礦物和自身裂隙結(jié)構(gòu)2 大因素決定的，其中煤巖體造巖礦物類別和含量分別具有同一性和差異性，造成兩者在微觀形貌特征方面略有不同。經(jīng)大量研究可知，兩者均長期處于地應(yīng)力和構(gòu)造運(yùn)動等復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，開采擾動導(dǎo)致煤巖體周圍應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生二次或多次分配，必然造成塊體骨架和原生缺陷的聯(lián)動損傷，達(dá)到極限荷載會造成整體破壞。

2.1 煤巖體“塊體-合成體”數(shù)值計算模型

利用3DEC 軟件的離散節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型（DFN），基于實驗室礦物組分與裂隙結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，構(gòu)建可視化“塊體-合成體”三維結(jié)構(gòu)，煤巖體“塊體-合成體”三維模型如圖9。

圖9 煤巖體“塊體-合成體”三維模型Fig.9 Three-dimensional model of“solid-composite structure”for coal & rock and the distribution characteristics of fractures

該模型直觀展示煤巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)，其中合成體內(nèi)部尺寸不一、隨機(jī)分布的盤狀結(jié)構(gòu)代表煤巖體內(nèi)部產(chǎn)狀各異的天然缺陷（孔洞、裂隙等），且多向分布的裂隙將煤巖體表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分為不同礦物組分區(qū)域；采用分區(qū)賦值的方法將裂隙和各組分區(qū)

域賦予特征力學(xué)參數(shù)，展現(xiàn)了煤巖體試樣的各向異性、非均質(zhì)性等物理力學(xué)特性，進(jìn)而施加單軸壓縮應(yīng)力觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷劣化機(jī)制。

2.2 煤巖體“塊體-合成體”單軸應(yīng)力損傷特征

通過研究實驗室單軸應(yīng)力對內(nèi)含孔隙、裂隙等天然產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)的實體煤層或圍巖損傷破裂狀況可以看出，煤巖體在靜應(yīng)力作用下的載荷-位移曲線變化趨勢相似且均歷經(jīng)“壓實-彈性-塑性-破壞”4 個階段，多種裂隙結(jié)構(gòu)在應(yīng)力侵蝕時的塑性區(qū)轉(zhuǎn)變歷程尚未直觀展示。塊體宏觀應(yīng)力狀態(tài)和破壞特征如圖10。

圖10 塊體宏觀應(yīng)力狀態(tài)和破壞特征Fig.10 Macroscopic stress state and failure characteristics

利用煤巖體“塊體-合成體”三維模型，將煤巖塊體模擬為被隨機(jī)裂隙分割形成的合成體，展示了初始煤巖塊體內(nèi)部裂隙產(chǎn)狀，并依據(jù)多重裂隙的相互交叉、聯(lián)通規(guī)模將分為Ⅰ-單一型（裂隙單獨(dú)存在未與其他結(jié)構(gòu)聯(lián)通；如條帶狀層理、空洞等）、Ⅱ-切塊型（2 條及以上裂隙相互交叉，生成三角或多邊形塊體，但并未與其他裂隙貫通連接）、Ⅲ-貫穿型（Ⅰ型或Ⅱ型裂隙相互首尾連接形成貫穿裂紋）3 種，其中切塊型裂隙包括三角、四邊和多邊切塊型。旨在說明指定靜載環(huán)境下的煤巖塊體宏觀應(yīng)力狀態(tài)、破壞特征與合成體微觀裂隙分布、損傷行為間的內(nèi)在聯(lián)系。煤巖合成體微觀裂隙分布和損傷行為如圖11。

圖11 煤巖合成體微觀裂隙分布和損傷行為Fig.11 Microscopic fracture distribution and damage behavior of coal-rock composite structure

由圖10、圖11 可知，煤巖合成體受應(yīng)力作用時3 類裂隙均在應(yīng)力作用過程中呈現(xiàn)各自的行為歷程：①單一型裂隙在合成體受應(yīng)力作用初期逐漸受壓密實，通過縮小各礦物組分間的孔隙容積吸收初始應(yīng)力環(huán)境，保證煤巖體度過“密實階段”但塊體穩(wěn)定性尚未造成影響；②因合成體加載過程中未設(shè)置圍壓，多個單一型裂隙間開始擴(kuò)張、發(fā)育，生成切產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)多樣的塊型裂隙（三角、四邊或多邊），持續(xù)性應(yīng)力作用加劇切塊裂隙間的相互擠壓、摩擦，造成塊體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切滑移和擠壓，在一定程度上確保合成體結(jié)構(gòu)處于“彈性階段”；③當(dāng)應(yīng)力條件惡化時，裂隙結(jié)構(gòu)由“Ⅰ型-Ⅱ型”逐步從上至下的張拉損傷而連通后生成貫穿型裂隙，產(chǎn)生不可恢復(fù)“塑性階段”且無法維持煤巖體的自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，到達(dá)極限載荷后破壞。因此，煤層開采擾動期間涉及巷道圍巖或采掘空間穩(wěn)定等問題時應(yīng)最大限度的限制煤巖體的非正常裂隙發(fā)育、破斷，保證煤巖體處于Ⅰ型-Ⅱ型裂隙發(fā)育狀態(tài)，避免因產(chǎn)生Ⅲ型裂隙發(fā)生重大安全事故。

綜上可知，煤巖體的礦物組分和表體裂隙形貌特征作為煤巖塊體的微觀結(jié)構(gòu)，兩者通過組分間的膠結(jié)裂隙隨機(jī)將塊體結(jié)構(gòu)分割為多屬性、多形態(tài)的部分，形成煤巖體非均勻性和各向異性的物理力學(xué)性質(zhì)；隨開采擾動形成應(yīng)力重新分布時，煤巖體試樣內(nèi)部多種裂隙對應(yīng)力損傷機(jī)制主要包括單一裂隙的壓密排列、切塊裂隙的交叉、聯(lián)通和貫穿裂隙的相互貫穿。煤巖體“塊體-合成體”重構(gòu)與響應(yīng)對應(yīng)關(guān)系如圖12。通過實驗室實體試樣分析結(jié)果可知，多重可變應(yīng)力環(huán)境下的大尺寸煤柱工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和控制應(yīng)以分析煤巖體微觀組分和觀察多重裂隙產(chǎn)狀和發(fā)育特征為基礎(chǔ)，維持固體骨架和裂隙結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定，改善應(yīng)力損傷機(jī)制等為工程防控重點(diǎn)。

圖12 煤巖體“塊體-合成體”重構(gòu)與響應(yīng)對應(yīng)關(guān)系Fig.12 Correspondence between reconstruction and response of“solid-composite”coal and rock

3 結(jié) 語

1）運(yùn)用XRD 測試了工作面擾動煤巖體的微觀礦物組分。煤樣主要含高嶺土、沸石及方解石3 種礦物組分，粉砂巖直接頂主要礦物組分為石英及高嶺土；同一試樣隨衍射角度變化其特征參數(shù)變化不一，說明煤巖體初始賦存具有非均質(zhì)特性。

2）采取SEM 實驗方法觀察了煤體和圍巖的顯微形貌結(jié)構(gòu)。煤巖體地質(zhì)賦存期間受層間壓力和構(gòu)造運(yùn)動等應(yīng)力作用造成礦物組分有序緊密排列，各組分力學(xué)性質(zhì)弱化程度不同造成應(yīng)力條件下表面裂隙產(chǎn)狀形體各異，揭示了天然煤巖體具有各向異性的力學(xué)特性。

3）以煤巖體“塊體”微觀結(jié)構(gòu)觀測分析結(jié)果為基礎(chǔ)，建立了三維裂隙“合成體”模型；其中隨機(jī)分布、大小不一的盤狀結(jié)構(gòu)代表煤巖體內(nèi)部組分和裂隙產(chǎn)狀，將實體裂隙分為Ⅰ單一型、Ⅱ切塊型和Ⅲ貫穿型3 種類型，可視化表現(xiàn)實體原生結(jié)構(gòu)特征。

4）探究了煤巖體“實體-合成體”裂隙結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)機(jī)制，主要表現(xiàn)為：Ⅰ型裂隙在受壓作用時發(fā)生組分間的密實運(yùn)動；Ⅱ型裂隙間交叉聯(lián)通，塊狀形態(tài)多樣造成應(yīng)力反應(yīng)集中在各切塊間擠壓、摩擦，發(fā)生剪切損傷；Ⅲ型貫穿裂隙受強(qiáng)應(yīng)力環(huán)境改變產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)且發(fā)生從上至下的張拉損傷，產(chǎn)生不可恢復(fù)“塑性階段”且無法維持試樣的自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，到達(dá)塊體試樣的極限載荷后破壞。