分級靜動組合加載下裂隙煤巖破裂特性

張 琨，張 森，任建喜，王曉琳，張忍杰，張益晨

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.中鐵建工集團山東有限公司，山東 青島 266100)

0 引 言

隨著中國煤炭資源大規(guī)模步入深部開采，礦井沖擊地壓動力災害發(fā)生的強度、頻度日益加劇[1-2]。煤巖體中彈性能釋放的主體、載荷類型與來源、發(fā)生時間與位置、有無斷層與褶曲等具體條件的不同，導致沖擊地壓的類型各異[3]。沖擊地壓誘發(fā)因素的多樣性，形成了從不同角度揭示沖擊地壓發(fā)生機理的理論成果[4-7]。礦井動載擾動會引起煤巖體局部應力增加、強度降低，對擾動范圍內(nèi)煤巖體的應力分布、結構失穩(wěn)破壞模式造成重大影響，引發(fā)不同破壞程度及動載類型的沖擊地壓動力災害現(xiàn)象[8]。

國內(nèi)外學者對復雜應力路徑下含孔隙性巖石的破裂特性開展了系統(tǒng)研究。劉慧等分析孔隙砂巖粒度對其宏觀變形破壞過程和模式的影響規(guī)律[9]。凌志強等揭示巖石在單循環(huán)加卸載作用下的力學特性及能量演化特征[10]。SUN等研究圍壓多級振幅循環(huán)加載下砂巖損傷演化規(guī)律，重新定義了多軸疲勞損傷模型尺寸參數(shù)，改進巖石損傷累積計算方法[11]。王宇等研究增幅疲勞加載頻率對預制裂隙巖石破裂演化特征的影響[12]。YAN等對單片巖石試件開展動靜耦合加載試驗，研究預壓和應變速率對單裂隙巖石試件動態(tài)強度和開裂行為的影響[13]。王磊等采用對不同凍結溫度飽水砂巖開展單軸循環(huán)沖擊試驗，揭示單軸循環(huán)沖擊下凍結砂巖宏觀動力學特性和損傷機理[14]。YANG等揭示動靜耦合循環(huán)加載前后花崗巖縱波速度、透氣性和力學性質(zhì)的變化[15]。YIN等探討巖石在動靜載荷耦合作用下的破壞特征[16]。來興平等研究循環(huán)加卸載條件下天然互層巖樣的強度、變形特征、破壞模式及聲發(fā)射特性[17]。趙濤等通過開展不同負溫下凍結飽和砂巖單軸壓縮及巴西劈裂試驗，揭示不同負溫對凍結砂巖力學特性的影響機制[18]。XIAO等對完整和不同裂隙傾角的花崗巖進行試驗研究，分析裂隙傾角對沖擊荷載下預應力巖石力學響應和破壞行為的影響[19]。宮鳳強等揭示中心直裂紋半圓盤3點彎曲砂巖在不同預靜載水平下受不同擾動頻率載荷的斷裂特性[20]。于利強等研究預制裂隙細砂巖裂紋演化規(guī)律及變形破壞特征[21]。李地元等研究動靜組合加載下深部含裂隙巖體的力學特性和破壞規(guī)律[22]。

以上研究主要以硬質(zhì)巖石或無沖擊傾向性煤巖為試驗對象，而以不同傾角含裂隙沖擊傾向性煤巖為對象的研究仍不多見，對于動力擾動下深埋含裂隙沖擊傾向性煤巖破裂演化特征的研究成果更是少見。因斷層與采動應力、礦震動載之間的相互作用是影響斷層沖擊地壓發(fā)生的關鍵，且沖擊傾向性煤巖具有強度高、承載能力強、破壞現(xiàn)象劇烈的特點，是產(chǎn)生沖擊地壓的主要內(nèi)在因素。研究深埋含斷層地質(zhì)構造與沖擊傾向性煤層采掘活動之間相互作用的力學機制是解決斷層型沖擊地壓防治這一前沿科學問題的理論基礎。采用巖石高壓靜動三軸力學試驗系統(tǒng)，輔以高速攝像機開展不同傾角預制裂隙沖擊傾向性煤巖在“預靜載+動力擾動”作用下的試驗研究，通過煤巖預制裂隙模擬煤巖體賦存的斷層結構特性，為含斷層結構煤巖體因開采等活動誘發(fā)沖擊地壓動力災害的機理研究提供參考。

1 試驗設計及方法

1.1 試樣特征

表1 煤巖沖擊傾向性測定結果

煤巖體實際賦存環(huán)境中，由于采動和頂板破斷產(chǎn)生礦震動載，引起局部斷層活化、錯動，形成了間斷性張開型的斷層結構。因此文中利用巖石數(shù)控金剛石線性切割機對篩選后的煤巖試樣進行不同角度張開裂隙的預制，預制裂隙分別與試件徑向呈30°，45°，60°(圖1)。

圖1 預制裂隙煤巖試樣(mm)Fig.1 Preparation of prefabricated fractured coal samples(mm)

1.2 試驗設備與系統(tǒng)

試驗在西安科技大學深部巖土動靜三軸力學特性實驗室內(nèi)進行，試驗設備為長春DTAW-8000型巖石高壓動力試驗機(圖2)。試驗系統(tǒng)變形加載速率為0.001～7 mm/s，應力加載速率為0.01～300 kN/m，動載頻率為0.1 Hz

圖2 試驗系統(tǒng)Fig.2 Testing systems

1.3 試驗方案

由礦區(qū)勘察和微震監(jiān)測資料得知煤巖體受到的動力擾動與地震波類似，呈正弦波擾動，頻率為3～5 Hz，煤巖受到的動載振幅可達0.38～4.35 MPa，持續(xù)時間通常幾十秒左右，煤巖體質(zhì)點峰值震動一般可達0.1～1 m/s[23-24]。

圖3 裂隙煤巖分級靜動組合加載應力路徑Fig.3 Graded static-dynamic coupled loading stress path of fractured coal rock

采用沖擊傾向性判定試驗中煤巖單軸抗壓強度作為預靜載分級的破壞載荷水平，一級預靜載水平為10%破壞載荷值Δp。為避免試樣在選取動載振幅下突然發(fā)生破壞，故選用破壞荷載的30%作為初始預靜載水平，試驗采用0.001 mm/s的位移加載速率加載至每一級預靜載水平穩(wěn)定后施加動載頻率5 Hz，250個周期和動載幅值為0.1 mm，0.2 mm的正弦動載應力波，進行完整與不同傾角預制裂隙強沖擊傾向性煤巖的“分級預靜載+2種動載振幅擾動”系列試驗(圖3)，通過改變動載振幅水平來實現(xiàn)對不同傾角裂隙煤巖不同程度的動載應力波擾動，直至煤巖試樣發(fā)生破壞，由此模擬含斷層煤巖體在一定預靜載作用下受動載擾動誘發(fā)沖擊地壓的過程。

2 強度變化特征

完整煤巖和60°傾角裂隙煤巖在0.1 mm動載振幅水平下峰值強度相對于靜載單軸抗壓強度峰值分別增大了79.76%，14.59%，在0.2 mm動載振幅水平下，則分別增大了32.05%，9.63%(表2)。完整煤巖與大傾角裂隙煤巖在靜動組合加載下，煤巖內(nèi)部原生裂紋、裂隙被壓密，原生結構緊密程度高，導致峰值強度高于靜力加載，而隨著動載振幅增大，峰值強度增大幅度明顯下降。

表2 強沖擊傾向性煤巖分級靜動組合加載試驗結果

30°，45°傾角裂隙煤巖在振幅0.1 mm動力擾動下的峰值強度相較于靜載單軸抗壓強度峰值分別降低13.84%，29.34%，振幅0.2 mm動力擾動下，分別降低了10.61%，28.22%。分級靜動組合加載下，小傾角裂隙煤巖顯現(xiàn)強度劣化現(xiàn)象，然而隨動載振幅水平增大，強度劣化特征并無明顯波動，裂隙煤巖受動載振幅小幅增大的影響較小。

相同動載振幅下，煤巖預靜載級數(shù)隨預制裂隙傾角增大表現(xiàn)為先減小后增大(圖4)。相同傾角裂隙煤巖中，完整煤巖與60°傾角裂隙煤巖的預靜載級數(shù)隨著動載振幅增大而減小，45°傾角裂隙煤巖在不同動載振幅作用下，預靜載級數(shù)相同，而30°傾角裂隙煤巖加載級數(shù)隨動載振幅增大而增大。同級動載振幅水平下，完整煤巖承載能力遠高于含傾角裂隙試樣，且45°傾角裂隙煤巖在分級靜動組合作用下的承載能力最弱。

圖4 分級靜動組合試驗應力-預靜載級數(shù)關系Fig.4 Relation of stress-prestatic load series in graded static-dynamic coupled tests

3 應力應變特征

完整煤巖和30°，60°傾角裂隙煤巖在0.1 mm動載振幅作用下，隨著預靜載水平的提高，應力、應變量值變化幅度呈降幅現(xiàn)象，完整煤巖降幅現(xiàn)象較為明顯(圖5(a))。達到煤巖初始預靜載應力水平的壓密和彈性階段時，完整煤巖在低水平預靜載作用下，內(nèi)部孔隙、裂紋緩慢發(fā)育，同時在受低水平動載振幅下，微裂紋逐漸被壓密實。經(jīng)過一定“預靜載+動力擾動”后，煤巖內(nèi)部結構緊密程度得到提高，承載能力增強，變形能力大幅度降低，出現(xiàn)應力-應變強化現(xiàn)象，積聚大量彈性變形能。一旦強化階段弱化或結束，煤巖變形能力增大，于其內(nèi)部弱結構處產(chǎn)生大量的微裂紋、裂隙，同時在高水平預靜載和動載下充分發(fā)育、衍生、延展，匯集演化成貫通裂縫，強化階段蓄積的彈性能瞬間得到釋放，發(fā)生沖擊破壞。

完整煤巖與60°傾角裂隙煤巖峰值應力和峰值應變隨著動載振幅水平增長顯現(xiàn)應力-應變劣化特征，而30°與45°傾角裂隙煤巖峰值應力隨動載振幅水平增大表現(xiàn)為微增趨勢(圖5，圖6)。

圖5 預制裂隙煤巖應力-應變-時間關系(動載振幅0.1 mm)Fig.5 Relation of stress-strain-time of prefabricated fractured coal rock(dynamic load amplitude 0.1 mm)

完整煤巖在低水平預靜載和高水平動載振幅下強化現(xiàn)象更加明顯。達到三級預靜載時，初顯強化階段，五級預靜載下出現(xiàn)了強化極點，說明高水平動載振幅加速了完整煤巖的破壞過程，使強化階段提前顯現(xiàn)(圖6(a))。

30°傾角裂隙煤巖應力-應變強化現(xiàn)象出現(xiàn)在二級靜動組合過程中，且隨著動載振幅水平增大，傾角裂隙結構與前期累積損傷在應變強化過后，在高幅應力波下被壓密實形成新生結構體，新生結構在動靜組合加載下顯現(xiàn)脆性疲軟特征，高動載振幅水平起到滯后作用，延長了煤巖結構的承載壽命，為高動載振幅水平下峰值應力與加載級數(shù)增大的原因(圖5(b))；45°傾角裂隙煤巖在整個壓縮破壞過程中無強化現(xiàn)象顯現(xiàn)，在“二級預靜載+動力擾動”作用下預制裂隙瞬間被壓密，變形驟然增大(圖5(c))。0.2 mm動載振幅作用下，動載擾動尚未結束，煤巖突然發(fā)生沖擊破壞，且峰值應變值與極限應變值明顯高于完整煤巖和其它傾角裂隙煤巖(圖6(c))；60°傾角裂隙煤巖強化階段分別出現(xiàn)在三、四級預靜載，整體應力變化趨勢與完整煤巖基本一致，而峰值變形能力卻小于完整煤巖(圖5(d)、圖6(d))。

分級預靜載和0.1，0.2 mm正弦波動載振幅作用下，強沖擊傾向性煤巖總體應力水平隨著裂隙傾角的增大呈先減小后增大的變化趨勢，而煤巖峰值應變與極限應變則顯現(xiàn)先增大后減小。應力-應變強化現(xiàn)象提高了完整煤巖、30°及60°傾角煤巖的承載能力，且隨著動載振幅水平的增大，強化現(xiàn)象提前顯現(xiàn)，加速了煤巖的破壞過程。而45°傾角裂隙煤巖在分級靜動組合加載下的承載能力最弱，且隨著動載振幅水平增大，內(nèi)部結構瞬間弱化而失去承載力，變形急劇增大，脆性破壞特征顯著，沖擊危險性也隨之增大。因此，在深部巖體工程中，應重視此類傾角斷層地質(zhì)構造強沖擊傾向性煤層的開采。

圖6 預制裂隙煤巖應力-應變-時間關系(動載振幅0.2 mm)Fig.6 Relation of stress-strain-time of prefabricated fractured coal rock(dynamic load amplitude 0.2 mm)

4 裂紋擴展特征

30°傾角裂隙煤巖在0.1 mm動載振幅下，翼裂紋從傾角裂隙左尖端顯現(xiàn)。隨著預靜載提高和動力擾動作用下，預制裂隙兩端翼裂紋不斷萌生、擴展，形成多條拉伸裂紋，最后形成宏觀破裂帶(719 s)。強化階段過后，預制裂隙被完全壓密，裂紋數(shù)目、寬度迅速增加，形成多條沿預制裂隙兩端的貫通裂縫，煤巖表面片狀煤塊剝落、微量煤屑彈射(919 s)，煤巖表面破碎程度嚴重(圖7(a))。

45°傾角裂隙煤巖在一級預靜載和0.1 mm動載振幅作用下，預制裂隙右端向下的翼裂紋緩慢延展，向上擴展的翼裂紋逐漸演化成裂隙(726 s)。在二級靜動組合加載過程中，沿預制裂隙左尖端延展的翼裂紋浮現(xiàn)明顯分支貫通裂縫，右尖端翼裂紋被壓密，在翼裂紋上端萌生次生微裂紋(794 s)，煤巖達到峰值強度。二次動載擾動后，次生微裂紋快速擴展，拉應力集中處大量煤屑飛濺(821 s)。達到三級預靜載后，次生裂紋迅速沿煤巖上端衍生、擴展，形成多條拉伸貫通裂縫(864 s)，瞬間失去承載能力，誘發(fā)區(qū)域性的沖擊現(xiàn)象(圖7(b))。

圖7 預制裂隙煤巖裂紋擴展特征(動載振幅0.1 mm)Fig.7 Crack propagation characteristics of prefabricated fractured coal rock(dynamic load amplitude 0.1 mm)

60°傾角預制裂隙煤巖在四級靜動組合加載時，預制裂隙左尖端出現(xiàn)翼裂紋(771 s)。達到五級預靜載時，翼裂紋右尖端顯露分支裂紋，與預制裂隙和翼裂紋形成“三角區(qū)”(899 s)。達到峰值應力水平時，“三角區(qū)”的分支裂紋演化成拐折貫通裂縫，預制裂隙右尖端與分支裂紋交叉處表面浮現(xiàn)煤屑飛濺、煤塊脫落現(xiàn)象(1 272 s)。在達到八級預靜載水平過程中，預制裂隙周圍多條拉伸裂紋，迅速擴展，分支裂縫背面多處形成拐折貫通裂縫(1 426 s)，引發(fā)沖擊破壞(圖7(c))。

高水平動載振幅下，煤巖可見的裂縫數(shù)目、長度、寬度增大，破壞時間大大縮短，且應力-應變強化現(xiàn)象顯著的煤巖破壞時，破壞煤塊彈射現(xiàn)象愈劇烈。一級靜動組合加載下，30°傾角裂隙煤巖預制裂隙中部位置顯現(xiàn)拉伸裂紋(400 s)。短暫強化階段影響下，拉伸裂紋緩慢擴展、衍生(571 s)。四級靜動組合加載時，預制裂隙被完全壓密，預制裂隙兩端的拉伸裂紋亦被壓密，在預制裂隙右尖端衍生翼裂紋，隨著翼裂紋迅速延展，裂紋處出現(xiàn)煤塊彈落現(xiàn)象(886 s)。在達到五級預靜載之前，被壓密的拉伸裂紋演化成貫通裂縫(921 s)，多條翼裂紋迅速折向擴展，呈動載疲軟后的脆性擴展失穩(wěn)破壞(圖8(a))。

圖8 預制裂隙煤巖裂紋擴展特征(動載振幅0.2 mm)Fig.8 Crack propagation characteristics of prefabricated fractured coal rock(dynamic load amplitude 0.2 mm)

45°傾角預制裂隙煤巖在一級靜動組合加載下，預制裂隙左端衍生翼裂紋，伴隨著動載擾動，預制裂隙閉合，閃現(xiàn)分支貫通裂縫(600 s)。煤巖在動載擾動的瞬間壓應力作用下，預靜載期間積聚的大量能量突然耗損，與預制裂隙左尖端翼裂紋拐折相連，形成和預制裂隙共面的破裂面(703 s)。當翼裂紋擴展到一定長度時，與分支裂縫融匯形成拐折貫通，形成宏觀剪切型貫通破裂面(733 s)。最后動載過程尚未結束，裂隙貫通、延伸，衍生多條裂隙，沿預制裂隙面產(chǎn)生明顯錯動，造成煤巖整體剪切破壞，裂隙擴展寬度增大，并伴隨有大量煤屑濺射、煤塊彈出(圖8(b))。現(xiàn)象表明，45°傾角預制裂隙強沖擊傾向性煤巖在高水平動載振幅作用下，強沖擊傾向性煤巖的破壞模式發(fā)生了轉變。

60°傾角裂隙煤巖在三級靜動組合加載下，預制裂隙左尖端形成可見拐折翼裂紋(620 s)，強化現(xiàn)象過后，翼裂紋拐折連接，預制裂隙被壓密，右尖端翼裂紋快速擴展，形成分支微裂紋(780 s)。隨著預靜載提高，預制裂隙再度顯化，翼裂紋及分支裂紋在壓剪荷載下緩慢延展，煤巖內(nèi)部積聚大量塑性變形能(940 s)。在達到七級預靜載過程中，分支裂紋迅速擴展，拐折翼裂紋與預制裂隙右側多條拉伸裂紋在壓剪應力作用下拐折融匯，與分支裂縫形成明顯的共面剪切型貫通破裂面，煤巖突然發(fā)生剪切破壞(1 313 s)，強化階段積聚的彈性能瞬間釋放，煤塊彈射的數(shù)量和距離大于其余傾角裂隙煤巖，并伴隨有劇烈聲響(圖8(c))。

高水平動載振幅作用下，強化現(xiàn)象越明顯，裂隙煤巖沖擊破壞現(xiàn)象愈劇烈，隨動載振幅水平與裂隙傾角的增大，煤巖初始承受的拉應力在壓剪荷載作用下逐漸向剪應力過渡，最終呈剪切破壞。

5 結 論

1)分級靜動組合加載方式影響強沖擊傾向性煤巖的強度。分級靜動組合加載下，完整與60°傾角煤巖峰值強度高于靜力加載，而30°，45°傾角裂隙煤巖顯現(xiàn)強度劣化現(xiàn)象，完整煤巖的峰值強度受動載振幅影響較大。

2)強沖擊傾向性裂隙煤巖應力及變形特征受動載振幅水平的影響較大。在分級靜動組合加載過程中，裂隙煤巖峰值應力隨預制裂隙傾角增大呈先減小后增大的變化趨勢，峰值應變與極限應變則顯現(xiàn)先增大后減小，峰值應力及變形能力在應力-應變強化下得到提高，高動載振幅水平下，強化現(xiàn)象提前顯現(xiàn)，加速了裂隙煤巖的破壞過程。

3)裂隙傾角大小和動載振幅水平對強沖擊傾向性煤巖裂紋擴展及破壞模式有顯著影響。分級靜動組合加載過程中，應力-應變強化現(xiàn)象抑制了裂隙煤巖拉伸裂紋的萌生、擴展和貫通。高水平動載振幅下，隨著預制傾角增大，煤巖由初始承受的拉應力逐漸向剪應力過渡，最終呈剪切破壞。