靜載下含預(yù)制裂隙煤巖力學(xué)特性及破壞特征試驗研究*

任建喜 谷 禹 賈龔杰 王曉琳 岳 東 霍小泉

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

0 引 言

隨著我國淺埋煤炭資源的枯竭,煤礦生產(chǎn)日益向深部進(jìn)軍,預(yù)估在將來的20年,我國大多數(shù)煤礦都將進(jìn)入到千米的深度(陳浮等,2021)。深部的高地應(yīng)力及各種復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境使煤巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生極大的變化,同時開采技術(shù)的成熟使煤礦趨于高強(qiáng)度的集約化生產(chǎn),造成巷道圍巖所處應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化,煤礦發(fā)生沖擊地壓的強(qiáng)度和頻率顯著增加(潘一山等,2003; 姜耀東等,2014)。沖擊地壓是指煤巖在達(dá)到極限強(qiáng)度后,受采動等影響積聚在煤巖內(nèi)部的大量彈性能劇烈釋放的過程,通常伴隨著瓦斯突出、瓦斯爆炸等次生災(zāi)害(謝和平等,2015)。

目前,針對沖擊地壓發(fā)生機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,劉少虹等(2013,2014)采用霍布金森桿試驗系統(tǒng),對不同沖擊傾向性煤巖動力破壞過程的載荷規(guī)律進(jìn)行了研究。鄭文紅等(2015)通過三軸條件下的電荷感應(yīng)實驗,研究煤巖破壞程度與電荷釋放間的關(guān)系。宮鳳祥等(2017)通過對煤巖進(jìn)行不同量級的加載率單軸壓縮試驗,考察加載率對煤巖沖擊傾向性影響,得到臨界加載率附近煤巖沖擊性突變明顯。李鵬波等(2018)通過對煤巖進(jìn)行力學(xué)試驗,并基于試驗所得的煤巖擴(kuò)容數(shù)據(jù)證明彈性波引起的圍巖擴(kuò)容是導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的直接原因。蔣軍軍等(2018)運用MTS-1500動態(tài)試驗機(jī),對大尺寸的沖擊傾向性卸荷煤巖進(jìn)行動靜組合加載試驗,研究了煤巖在整個加載過程中的宏觀力學(xué)表現(xiàn)和損傷特性。張廣輝等(2020)通過對煤巖進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變分級循環(huán)加載試驗,分析得到煤巖失穩(wěn)破壞過程中聲發(fā)射能量特征規(guī)律。任建喜等(2021)對不同加載模式下具有沖擊傾向性煤巖的力學(xué)特性及破壞機(jī)理進(jìn)行了研究,證明沖擊地壓是靜載和動載共同作用的結(jié)果,其中高水平靜載為沖擊地壓發(fā)生的基礎(chǔ)條件,動載則是其主要的誘發(fā)條件。大量工程實踐表明,大多數(shù)沖擊地壓多發(fā)生在斷層等構(gòu)造區(qū)域附近。斷層等大型宏觀裂隙造成整個煤巖應(yīng)力場分布復(fù)雜化,在改變煤巖力學(xué)性質(zhì)的同時加劇了沖擊危險性(張科學(xué)等,2017; 張寧博等,2019; 任政等,2021)。隨著認(rèn)識的深化,沖擊地壓機(jī)理的研究也開始從完整煤巖本身破壞機(jī)理出發(fā)向裂隙煤巖轉(zhuǎn)變。唐紅梅等(2016)對裂隙巖石單軸壓縮下裂紋擴(kuò)展模式與破壞特征進(jìn)行了研究。王笑然等(2018)對砂巖進(jìn)行裂隙預(yù)制,對其加載過程中的裂隙擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究。趙建軍等(2019)研究了不同裂隙長度對凍融下裂隙巖石力學(xué)性質(zhì)的損傷影響。趙海軍等(2019)通過連續(xù)-非連續(xù)方法,對裂隙巖體裂紋擴(kuò)展規(guī)律與強(qiáng)度變化情況進(jìn)行了研究。成小雨等(2022)則利用相似材料預(yù)制裂隙對巖體的動力損傷破壞特性進(jìn)行了研究。

綜上所述,目前研究或停留于完整煤巖力學(xué)特性及破壞機(jī)理方面研究,或局限于其他裂隙巖體破壞特性研究,而對裂隙煤巖自身力學(xué)特性及破壞特征的研究較少。因此,目前針對裂隙煤巖的研究還遠(yuǎn)未成熟。鑒于此,本文在原煤巖試件上預(yù)制不同傾角的宏觀裂隙,進(jìn)行單軸及不同圍壓作用下的加載試驗,并輔以聲發(fā)射監(jiān)測及高速攝影技術(shù)對裂隙擴(kuò)展規(guī)律以及煤巖破壞特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果有助于提高對沖擊地壓形成機(jī)理的認(rèn)識。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

本次試驗煤巖選自彬長礦區(qū)某礦綜掘工作面,煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組,平均埋深710m,煤巖類型以暗淡煤為主,夾半暗及半亮型煤,煤巖頂板為泥質(zhì)粉砂巖,底板為泥巖,根據(jù)礦區(qū)勘測資料得煤層所受原巖應(yīng)力約為12MPa。將選取的煤塊做以下加工處理:將煤塊按照垂直層理的方向加工成直徑50mm、高度100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件,保證試件兩端的平行度偏差小于0.05mm。采用超聲波檢測儀測定試樣的縱波波速,剔除波速差異較大者,減小試件差異性過大帶來的試驗誤差,加工好的完整試件如圖1所示; 然后使用金剛石線性切割機(jī)在試件裂隙中央預(yù)制一條貫通裂隙,其中裂縫與試件徑向的角度分別為30°、45°、60°,裂隙寬度約為1.5mm,保證裂隙兩尖端與試件左右兩側(cè)的間距為10mm,加工好的預(yù)制裂隙煤巖如圖2所示。試件共計24個,分4組,其中1組為完整試件,其余3組為裂隙傾角30°、45°、60°的試件。

圖1 加工完成后的標(biāo)準(zhǔn)煤試件

圖2 裂隙煤巖實物圖及示意圖

1.2 試驗系統(tǒng)

本次試驗系統(tǒng)主要包括加載系統(tǒng)、圖像監(jiān)測系統(tǒng)及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng),具體如圖3所示。加載系統(tǒng)為DTAW-8000巖石高壓動力試驗系統(tǒng),可施加最大靜態(tài)軸向荷載為8000kN、最大圍壓50MPa,支持位移、應(yīng)變、應(yīng)力3種加載控制方式。

圖3 試驗加載系統(tǒng)示意圖

采用DISP系列8通道全數(shù)字化聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng),該監(jiān)測系統(tǒng)可對煤巖加載破壞的全過程進(jìn)行實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集,采用耦合劑將4個高承壓聲發(fā)射探頭均勻地固定在試件不同位置,聲發(fā)射探頭為定制的弧面高承壓探頭,保證試件與探頭的貼合度,提高聲發(fā)射信號采集的效果。

1.3 試驗方案

分別進(jìn)行完整煤巖及不同傾角裂隙煤巖的單軸壓縮試驗及三軸壓縮試驗。單軸壓縮試驗采用位移控制方式進(jìn)行軸向加載,加載速率為0.01mm·s-1,直至將試件加載至完全喪失抗壓強(qiáng)度為止。在加載開始時同步進(jìn)行聲發(fā)射信號采集并采用高速攝影機(jī)進(jìn)行實時錄像; 三軸壓縮試驗為了研究煤巖不同埋深、不同地應(yīng)力條件下的受力變形及破壞特征,將圍壓設(shè)定為4個值,分別為4MPa、8MPa、12MPa、16MPa,采用位移控制方式進(jìn)行軸向加載,加載速率為0.01mm·s-1,將試件加載至完全喪失抗壓強(qiáng)度為止。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同圍壓作用下完整煤巖力學(xué)及破壞特征分析

圖4為完整煤巖單軸壓縮過程中的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。從圖中可以明顯的看出,煤巖的單軸壓縮過程可分為4個階段:原生孔裂隙壓密閉合階段(OA)、彈性變形階段(AB)、彈塑性變形階段(BC)及峰后破壞階段; 但與常規(guī)巖石相比,煤巖峰后破壞階段并不明顯,在達(dá)到峰值應(yīng)力后產(chǎn)生“突降式”的應(yīng)力跌落,試件瞬間失去強(qiáng)度; 破壞過程中發(fā)生瞬間爆沖現(xiàn)象并伴隨尖銳的聲響,發(fā)生明顯的脆性破壞。由最終的破壞特征圖也可以看出,與傳統(tǒng)的劈裂張拉破壞不同,該礦煤巖破壞時更加劇烈,除了形成多條貫穿裂縫以外,還會伴生大量的次生裂縫,在張拉破壞帶處形成破碎區(qū),破壞程度高,這說明該礦煤巖破壞時釋放能量劇烈,具有極強(qiáng)的沖擊傾向性。

圖4 完整煤樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞特征圖

圖5a為不同圍壓條件下完整煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以看出,煤巖在單軸加載時強(qiáng)度低、變形小,而隨著圍壓的增大,強(qiáng)度及變形能力都得到有效提高,并且圍壓越大,提高的效果也越明顯。結(jié)合表1可以看出從圍壓0MPa到16MPa,峰值強(qiáng)度提高了400%,峰值軸向應(yīng)變增大了125%,彈性模量增大了115%。分別對峰值強(qiáng)度、彈性模量與圍壓的關(guān)系進(jìn)行線性擬合,擬合結(jié)果如圖5b所示,煤巖的峰值強(qiáng)度及彈性模量與圍壓具有良好的線性特征關(guān)系。煤巖結(jié)構(gòu)相較于其他巖體結(jié)構(gòu)來說內(nèi)部比較松散,而圍壓將煤巖擠壓密實,內(nèi)部微裂隙之間的正應(yīng)力和摩擦力也隨之增大,使裂隙不易發(fā)生脹裂和滑移,限制了裂隙的擴(kuò)展發(fā)育,因而承載力更高,儲能能力也就越強(qiáng)。

表1 煤巖三軸壓縮條件下峰值強(qiáng)度及變形參數(shù)

圖5 不同圍壓條件下完整煤巖應(yīng)力-應(yīng)變特征圖

圖6為不同圍壓下煤巖的破壞特征圖,隨著圍壓的增大,煤巖由單軸時的張拉劈裂破壞逐漸轉(zhuǎn)化為剪切破壞; 煤巖在4MPa、8MPa時的剪切裂縫角度分別為38.2°、58.5°,裂縫長度較小,為局部剪切破壞,而當(dāng)圍壓增大到12MPa、16MPa時,剪切裂縫角度增至61.5°、69.5°,呈整體剪切破壞特征。這是因為在低圍壓作用下,內(nèi)部原生孔裂隙壓密不完全,煤巖破壞更易受其內(nèi)部原有裂隙的影響,導(dǎo)致煤巖呈局部剪切破壞; 而隨著圍壓的增大,煤巖被完全壓密,煤巖內(nèi)部裂隙對煤巖破壞狀態(tài)影響逐漸降低,其破裂角度主要受煤巖自身力學(xué)特性的影響,因此高圍壓下煤巖呈整體剪切破壞。

圖6 不同圍壓條件作用下煤巖破壞特征圖

2.2 不同傾角裂隙煤巖力學(xué)及破壞特征分析

表2為不同傾角裂隙煤巖單軸壓縮時的強(qiáng)度變形參數(shù)表,裂隙為30°、45°、60°時的峰值強(qiáng)度分別為11.74MPa、10.27MPa、8.55MPa,較完整煤巖的強(qiáng)度分別降低了13%、24%、37%。根據(jù)以往的試驗研究,通常靜載作用下45°裂隙巖體強(qiáng)度為最低,并不符合本次試驗規(guī)律,筆者認(rèn)為,在進(jìn)行裂隙預(yù)制的過程中,裂隙傾角越大的同時裂隙長度也隨之增加,由此推測在裂隙傾角≤45°時,此時煤巖強(qiáng)度主要受傾角角度影響,而裂隙傾角≥45°時,裂隙長度對強(qiáng)度影響占主導(dǎo)地位,同時說明裂隙的存在破壞了煤巖原有的力學(xué)結(jié)構(gòu),降低了煤巖的承載能力,并且傾角越大,強(qiáng)度劣化越明顯。同時峰值軸向應(yīng)變較完整煤巖分別增大了22%、34%、12%,彈性模量較完整煤巖分別降低了8%、39%、35%。究其原因,由于裂隙的存在,使煤巖在受壓時在裂隙尖端處受壓剪作用增大,裂隙尖端擴(kuò)展出新裂隙,并且隨著裂隙傾角的增大,裂隙尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象提前發(fā)生,最后貫通整個試件,使煤巖提前喪失抗壓強(qiáng)度。軸向應(yīng)變與彈性模量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,45°裂隙煤巖相比30°、60°裂隙煤巖在軸向壓縮時,預(yù)制裂隙有效承載面積更大,更易被壓實。

表2 不同傾角裂隙煤巖單軸壓縮峰值強(qiáng)度及變形參數(shù)

圖7為不同傾角裂隙煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖及破壞特征圖。裂隙煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線同樣具有典型的壓密、彈性變形等不同的4個變形階段,同時每個階段又具有不同于完整煤巖的差異性特征。裂隙煤巖因為宏觀裂隙的存在導(dǎo)致壓密階段較長,這是因為在預(yù)制裂隙過程時并未對裂隙處進(jìn)行填充,其內(nèi)部空間變大,提高軸向與徑向方向上的變形空間,同時彈性階段較短且不明顯,彈塑性變形階段出現(xiàn)應(yīng)力波動,并在達(dá)到峰值應(yīng)力前發(fā)生流變變形。這是因為預(yù)制裂隙尖端應(yīng)力分布不均,極易產(chǎn)生高應(yīng)力集中區(qū),雖然煤巖整體處于低應(yīng)力水平,但裂隙尖端或其四周在高應(yīng)力作用下提前起裂擴(kuò)展,較完整煤巖提前進(jìn)入彈塑性階段。

圖7 不同傾角裂隙煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞特征圖

通過高速攝影機(jī)捕捉的實時畫面與應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖中數(shù)字序號標(biāo)注處)進(jìn)行對應(yīng)發(fā)現(xiàn),每一次的應(yīng)力跌落都對應(yīng)裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展延伸。同時,從最后的破壞特征圖可以看出,裂隙煤巖最終破壞程度較完整煤巖較為緩和,未發(fā)生全面爆沖現(xiàn)象,僅在裂隙尖端發(fā)生局部的破碎彈射區(qū)。對于完整煤巖來說,其內(nèi)部存在大量隨機(jī)分布的微觀裂隙,因此應(yīng)力集中區(qū)是隨機(jī)分布的。而對于預(yù)制裂隙煤巖,其應(yīng)力集中區(qū)總是分布在裂隙兩尖端及其附近,加載時總是先在預(yù)制裂隙附近開裂,即預(yù)制裂隙對于煤巖的破壞起決定性作用,不僅改變煤巖的力學(xué)特性,還使其破壞形式發(fā)生變化。

2.3 裂隙煤巖圍壓效應(yīng)分析

由圖8a可以看出,裂隙煤巖在圍壓4MPa時因為受到圍壓的側(cè)向約束作用,應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值應(yīng)力前趨于平滑,并且產(chǎn)生明顯的塑性流動現(xiàn)象; 裂隙煤巖在經(jīng)過數(shù)次“突降-上升-突降”的階段后,發(fā)生應(yīng)力跌落現(xiàn)象,瞬間失去承載能力; 結(jié)合其破壞特征圖可知,宏觀裂隙在加載過程中不斷擴(kuò)展延伸,形成貫穿試件的剪切滑移面,最終突破圍壓的約束作用沿預(yù)制裂隙面發(fā)生整體剪切失穩(wěn)破壞,并在預(yù)制裂隙尖端上下部分形成破碎區(qū)。

圖8 圍壓作用下裂隙煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞特征圖

裂隙煤巖在4MPa時較單軸壓縮時的強(qiáng)度及變形能力均得到了提升,即圍壓的存在對裂隙煤巖同樣存在側(cè)向約束作用。而當(dāng)圍壓水平繼續(xù)提升到8MPa時,3種裂隙煤巖強(qiáng)度均降低了200%,破壞時的變形量也成倍增大,徑向應(yīng)變最大達(dá)到-9.4%,軸向應(yīng)變最大達(dá)到了6.33%,呈現(xiàn)出與完整煤巖不同的圍壓效應(yīng),如圖8b所示。這是由于低圍壓時,圍壓使裂隙煤巖密實性提高,此時圍壓主要起到側(cè)向約束作用,煤巖不易發(fā)生失穩(wěn)破壞; 而高圍壓條件下,煤巖體自身屬于脆性巖體,在達(dá)到8MPa圍壓水平過程中,煤巖內(nèi)部產(chǎn)生擠壓變形,內(nèi)部新裂隙發(fā)育,存在初始損傷,使其在后期加載時相較于4MPa圍壓下的煤巖更易發(fā)生失穩(wěn)破壞,呈現(xiàn)出“逆圍壓效應(yīng)”。根據(jù)其破壞特征圖也可看出,8MPa圍壓下的煤巖破碎更為徹底,表明了其內(nèi)部裂隙較多,初始損傷現(xiàn)象嚴(yán)重; 同時裂隙煤巖在高圍壓下達(dá)到峰值強(qiáng)度后迅速發(fā)生破壞,具有明顯的脆性特征。

3 裂隙煤巖破壞聲發(fā)射特征演化規(guī)律分析

圖9為單軸壓縮條件下不同傾角裂隙煤巖的應(yīng)力、聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射累積振鈴數(shù)隨時間的變化曲線圖?？梢灾庇^地反映裂隙煤巖在受載過程中裂隙起裂、擴(kuò)展貫通直至失穩(wěn)破壞的演化特征,根據(jù)煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線4個變形階段匹配聲發(fā)射參數(shù)變化,將煤巖失穩(wěn)破壞聲發(fā)射演化規(guī)律分為4個階段。

圖9 裂隙煤巖單軸壓縮應(yīng)力和振鈴計數(shù)時程變化曲線

(a)初始壓密階段——聲發(fā)射沉寂期。此階段完整煤巖及裂隙煤巖聲發(fā)射活動很少,聲發(fā)射振鈴計數(shù)都相對較小,聲發(fā)射累積振鈴曲線近乎水平,只有零星微弱的聲發(fā)射信號產(chǎn)生。

(b)彈性變形階段——聲發(fā)射初始活躍期。此階段完整煤巖因為受Kaiser效應(yīng)的影響,幾乎沒有聲發(fā)射事件產(chǎn)生; 而裂隙煤巖因為存在宏觀裂隙,煤巖提前開裂,聲發(fā)射振鈴計數(shù)出現(xiàn)第1個峰值,聲發(fā)射累積振鈴曲線陡增; 聲發(fā)射計數(shù)的峰值點和應(yīng)力曲線的波動點是相互對應(yīng)的,因此聲發(fā)射信號參數(shù)很好地反應(yīng)了裂隙煤巖的損傷開裂情況。

(c)塑性軟化階段——聲發(fā)射過渡期。此階段完整煤巖聲發(fā)射事件發(fā)生較為平穩(wěn); 裂隙煤巖局部應(yīng)力集中效應(yīng)更劇烈,宏觀裂隙的擴(kuò)展會產(chǎn)生聲發(fā)射計數(shù)的激增點,且每兩次激增點之間都會伴隨一段低幅值的信號波動。這是因為應(yīng)力集中區(qū)的能量得到初步釋放,此時裂隙的擴(kuò)展受阻,聲發(fā)射進(jìn)入“平靜期”,兩次激增點之間的“平靜期”便是能量的再次積聚過程,這也從側(cè)面說明宏觀裂隙的開裂、擴(kuò)展發(fā)育是一個反復(fù)的“蓄能-耗能-蓄能”的過程。

(d)破壞階段——聲發(fā)射爆發(fā)期。完整煤巖和裂隙煤巖在達(dá)到峰值強(qiáng)度時,積聚的彈性能瞬間釋放,尤其是完整煤巖,由于沒有經(jīng)歷過裂隙煤巖階段性釋能的過程,導(dǎo)致其最終破壞時彈性能的急劇釋放,聲發(fā)射計數(shù)在峰值應(yīng)力處達(dá)到極大值,聲發(fā)射累積曲線斜率在整個受載過程最大。

結(jié)合不同傾角裂隙煤巖聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計振鈴數(shù)綜合分析可得,聲發(fā)射計數(shù)并不連續(xù),與應(yīng)力大小無相關(guān)性,裂隙開裂擴(kuò)展釋放的彈性波導(dǎo)致聲發(fā)射事件的產(chǎn)生,裂隙擴(kuò)展速度越快,聲發(fā)射特征值參數(shù)越大; 隨著裂隙傾角增大,裂隙面之間的的摩擦滑移現(xiàn)象加劇,聲發(fā)射特征值參數(shù)隨之增大; 聲發(fā)射極值點往往發(fā)生在裂隙開裂擴(kuò)展所產(chǎn)生的應(yīng)力跌落處和峰值應(yīng)力附近。

4 結(jié) 論

(1)單軸壓縮條件下的完整煤巖在達(dá)到峰值強(qiáng)度后產(chǎn)生“突降式”應(yīng)力跌落,試件瞬間發(fā)生整體爆沖破壞,沖擊現(xiàn)象明顯; 隨著圍壓的增大,煤巖的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變隨之提高,煤巖發(fā)生明顯的剪切破壞,且剪切破裂角呈遞增趨勢。

(2)宏觀裂隙降低了煤巖的承載力及彈性模量,在傾角30°～60°范圍內(nèi),裂隙傾角越大煤巖的強(qiáng)度劣化越明顯,峰值軸向應(yīng)變與彈性模量先增大后減小; 宏觀裂隙對煤巖破壞形式起到?jīng)Q定性作用,煤巖在裂隙尖端及附近形成破碎區(qū),破壞特征變成在裂隙附近的局部彈射破壞。

(3)裂隙煤巖在圍壓作用下呈現(xiàn)出“逆圍壓效應(yīng)”,即當(dāng)圍壓增大到一定程度時,煤巖強(qiáng)度不再隨著圍壓的增大而增大,而是呈現(xiàn)出降低的趨勢; 高圍壓作用下煤巖發(fā)生明顯的脆性破壞,破壞程度加劇。

(4)完整煤巖與裂隙煤巖聲發(fā)射階段與其破壞過程相對應(yīng)。完整煤巖由于沒有釋能過程,在爆發(fā)期釋放最大能量,聲發(fā)射計數(shù)達(dá)到極值; 裂隙煤巖的每一次應(yīng)力跌落使聲發(fā)射計數(shù)產(chǎn)生激增點,裂隙的開裂、擴(kuò)展是“蓄能-耗能-蓄能”的過程。