煤柱-頂板結(jié)構(gòu)能量演化特征及穩(wěn)定性研究

李瑞金 ，李 譚 ，陳光波 ，李 康

（1.晉能控股煤業(yè)集團 馬道頭煤業(yè)公司，山西 大同 037003；2.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

為了保障煤礦安全高效開采，煤礦井下留設(shè)了大量煤柱，這些煤柱及其頂板系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定了整個采場乃至地表的安全，一旦組合系統(tǒng)體發(fā)生失穩(wěn)破壞，將導致災(zāi)難性后果[1-2]。大量研究證明，許多煤礦事故的發(fā)生不僅是煤柱或頂板巖層單獨失穩(wěn)引起的，而是煤層及其頂板巖層所構(gòu)成的煤-巖系統(tǒng)失穩(wěn)引發(fā)的[3-6]。同時，在煤礦開采過程中，煤-巖系統(tǒng)除受地應(yīng)力作用外，還會受到硐室爆破、巷道掘進及工作面回采等工程活動的影響[7-9]。煤-巖系統(tǒng)在類似循環(huán)加卸載作用下必然會引起損傷，使煤柱-頂板結(jié)構(gòu)的承載能力降低，導致巷道、煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞[10-12]。因此，對循環(huán)加卸載作用下的煤柱-頂板結(jié)構(gòu)變形破壞及能量演化特征進行研究，能夠為煤礦開采過程中煤柱-頂板結(jié)構(gòu)變形破壞、能量演化機制等研究提供參考，有效控制煤-巖系統(tǒng)變形失穩(wěn)，預測防治災(zāi)害事故的發(fā)生，保證煤礦安全高效生產(chǎn)。

截至目前，許多學者將煤柱-頂板結(jié)構(gòu)簡化為煤-巖組合體，對其力學特性和能量演化特征進行研究。趙毅鑫等[13]對比分析了不同煤-巖組合體煤巖組合體失穩(wěn)破壞過程中紅外熱像、聲發(fā)射特征及應(yīng)變的變化規(guī)律，得到了煤-巖組合體漸進失穩(wěn)的前兆特征；左建平等[14-15]研究了煤-巖組合體在循環(huán)載荷作用下的力學特性、能量演化規(guī)律及破壞特征；陳光波等[16]研究了不同巖性和不同煤-巖高度比對煤-巖組合體力學特性和能量積聚規(guī)律的影響；李譚等[17]分析了煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下的能量耗散規(guī)律；郭偉耀等[18]通過PFC 數(shù)值模擬軟件對比分析了巖石強度和煤-巖高度比對煤-巖組合體力學特性的影響；竇林名等[19-20]利用聲發(fā)射和電磁輻射分析了巖石強度對煤-巖組合體沖擊傾向性的影響規(guī)律；陳紹杰等[21]對比分析了不同煤-巖高度比砂巖頂板-煤柱組合體的力學特性和破壞規(guī)律；姜耀東等[22]研究分析了不同軸向載荷下煤-巖組合體失穩(wěn)滑動的產(chǎn)生條件和位移演化特征；王曉南等[23]研究了煤-巖組合體發(fā)生沖擊破壞時的聲發(fā)射特征和微震信號的強度變化規(guī)律。

以上學者對煤-巖組合體的力學特性、聲發(fā)射特征及能量演化規(guī)律等進行了大量研究，但是，不同加載條件下煤-巖高度比對煤-巖組合體變形特征、能量演化和漸進失穩(wěn)特征研究較少。為此，以不同煤-巖高度比的煤-巖組合體為研究對象，分別進行單軸壓縮試驗和單軸循環(huán)加卸載試驗，通過加卸載過程中的柔量變化對煤-巖組合體加載和卸載過程中的變形特征進行分析，研究煤-巖結(jié)構(gòu)體變形與能量演化之間的變化關(guān)系；在此基礎(chǔ)上利用加卸載響應(yīng)比對煤-巖組合體的穩(wěn)定性進行分析，對煤-巖組合體穩(wěn)定性進行定量評價，通過加卸載響應(yīng)比得到了煤-巖結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性與煤-巖高度比之間的變化關(guān)系。

1 試驗部分

試驗所選用的砂巖、煤來自晉能集團馬道頭煤礦8208 工作面頂板和巷旁煤柱。由于巷旁留設(shè)煤柱的高度是一致的，但是煤柱上方頂板巖層的厚度是變化的，所以將現(xiàn)場中煤柱和頂板的高度比進行簡化，將實驗室中煤-巖組合體的煤-巖高度比分別設(shè)置為1∶3、1∶2、1∶1、2∶1 和3∶1，通過實驗室中不同煤-巖高度比對煤-巖組合體的能量演化和穩(wěn)定性的影響反應(yīng)現(xiàn)場中不同頂板厚度對煤柱-頂板的影響。首先將砂巖和煤試塊加工成直徑50 mm，高度不同的圓柱體，要求圓柱體兩端平行度不大于0.02 mm，然后按照1∶3、1∶2、1∶1、2∶1 和3∶1 的煤-巖高度比，將砂巖試件和煤試件組合成?50 mm×100 mm 的標準試件，砂巖試件和煤試件之間用AB 膠黏結(jié)。部分試件如圖1。

圖1 部分試件Fig.1 Part of coal-rock specimens

試驗采用TAW-2000KN 微機控制電液伺服巖石力學試驗系統(tǒng)，試驗采用應(yīng)力控制模式，加載速率1.5 kN/s。首先進行煤-巖組合體單軸加載試驗，獲得煤-巖組合體力學參數(shù)。然后進行煤-巖組合體循環(huán)加卸載試驗，先以1.5 kN/s 速度進行加載，當載荷達到12 kN（煤單軸抗壓強度的35%～45%）時，以相同速率卸載至2 kN，再以1.5 kN/s 的速度加載至14 kN，然后再以相同的速率卸載至2 kN，后1 次循環(huán)的加載應(yīng)力峰值比前1 次循環(huán)的應(yīng)力峰值增加2 kN，以此方式繼續(xù)進行加載、卸載，直至煤-巖組合體發(fā)生破壞停止試驗，每組試驗選擇3 個試件進行試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 峰值應(yīng)力

不同高度比的組合體在單軸加載試驗和循環(huán)加卸載試驗中的平均峰值強度如圖2。

圖2 峰值強度變化曲線Fig.2 Variation curves of peak strength

從圖2 中能夠看出：煤-巖組合體在單軸加載及循環(huán)加卸載作用下的峰值強度均隨煤-巖高度比的增加而逐漸降低；煤-巖高度比越小，巖石發(fā)生軸向壓縮變形所消耗的能量相對越多，即煤-巖組合體內(nèi)巖石高度越大，其發(fā)生軸向變形破壞時需要的軸向應(yīng)力越大，進而提高了組合體整體的峰值強度。

相同高度比的煤-巖組合體在循環(huán)加卸載試驗中的峰值強度均低于單軸加載試驗中的峰值強度。當煤-巖高度比為1∶3、1∶2、1∶1、2∶1 和3∶1 時，煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下的峰值強度比單軸加載作用下的峰值強度分別降低了27.95、20.46、10.95、7.87、4.28 MPa。煤-巖高度比越小，由循環(huán)加卸載引起的組合體峰值強度降低量越大。因為煤-巖高度比越小，煤-巖組合體的峰值強度越高，循環(huán)加卸載的次數(shù)越多，煤-巖組合體中裂隙發(fā)育、擴展的時間越多，裂隙發(fā)展的越充分，使得煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下的峰值強度降低量越大。

2.2 變形特征

彈性應(yīng)變和殘余應(yīng)變能夠有效反映煤-巖組合體在外部載荷作用下的變形特征。循環(huán)加卸載過程中彈性應(yīng)變與殘余應(yīng)變計算示意圖如圖3。

圖3 彈性應(yīng)變與殘余應(yīng)變計算示意圖Fig.3 Schematic diagram of elastic strain and residual strain

2.2.1 彈性應(yīng)變演化特征

彈性應(yīng)變變化規(guī)律如圖4。

圖4 彈性應(yīng)變變化規(guī)律Fig.4 Variation law of elastic strain

由圖4（a）可知：彈性應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加。當循環(huán)次數(shù)相同時，煤-巖高度比越大，彈性應(yīng)變也越大。

由圖4（b）可知：隨煤-巖高度比的增加，組合體平均彈性應(yīng)變逐漸增加，總彈性應(yīng)變逐漸降低；煤-巖高度比從1∶3 增加至3∶1 過程中，組合體平均彈性應(yīng)變增加率為46.03%，總彈性應(yīng)變降低率為46.25%。主要是因為煤-巖高度比大的組合體彈性模量較小，相同載荷作用下產(chǎn)生的彈性應(yīng)變較大，平均每次循環(huán)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變較大。同時，煤-巖高度比大的組合體破壞時需要的應(yīng)力較小，使得組合體的循環(huán)加卸載次數(shù)較少，發(fā)生破壞時累計的彈性應(yīng)變較少。

2.2.2 殘余應(yīng)變演化特征

殘余應(yīng)變變化規(guī)律如圖5。

圖5 殘余應(yīng)變變化規(guī)律Fig.5 Variation law of residual strain

從圖5（a）可以看出：煤-巖組合體在第1 次循環(huán)時產(chǎn)生的殘余應(yīng)變較大；當煤-巖高度比分別為1∶3、1∶2、1∶1、2∶1 及3∶1 時，組合體在第1 次循環(huán)產(chǎn)生的殘余應(yīng)變分別占總殘余應(yīng)變的46.05%、48.85%、58.40%、63.21%及69.57%；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，殘余應(yīng)變急劇下降，這主要是由于煤-巖組合體中的孔洞、裂隙在第1 次循環(huán)載荷作用下被壓實，從而形成較大的殘余應(yīng)變；煤-巖高度比越大，組合體在第1 次循環(huán)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)變占總殘余應(yīng)變的百分比越大。分析認為：組合體中煤試件內(nèi)部的孔洞、裂隙較多，煤-巖高度比越大，煤試件占煤-巖組合體的體積百分比越大，組合體內(nèi)存在的孔洞、裂隙數(shù)量越多，載荷作用下產(chǎn)生的殘余變形越大，組合體穩(wěn)定性越差。根據(jù)放大的殘余應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)：在組合體破壞前，殘余應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線存在較大的波峰，主要是組合體產(chǎn)生了較大的裂隙或是斷裂，發(fā)生了較大的殘余應(yīng)變，是引起試件最終失穩(wěn)破壞的前兆。

由圖5（b）可知：隨著煤-巖高度比的增加，組合體平均殘余應(yīng)變和總殘余應(yīng)變逐漸增加；煤-巖高度比從1∶3 增加至3∶1 過程中，組合體的平均殘余應(yīng)變和總殘余應(yīng)變分別增加了123.26%、506.20%；煤-巖高度比越大，煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下的平均殘余應(yīng)變和總殘余應(yīng)變也越大，主要是因為煤-巖高度比較大的煤-巖組合體的彈性模量較小，相同載荷作用下產(chǎn)生的殘余應(yīng)變較大，組合體穩(wěn)定性較差。

2.3 柔量演化特征

在對煤-巖結(jié)構(gòu)體變形量進行計算時，是將煤-巖組合體看成一個整體進行計算的，所以此處柔量計算公式中的變形是煤-巖組合體的總變形量。

煤-巖組合體在加卸載作用下的柔量變化曲線如圖6。

由圖6 可知：在第1 次循環(huán)加卸載結(jié)束時，組合體產(chǎn)生的加載柔量較大，后隨著循環(huán)次數(shù)的增加，加載柔量迅速降低；加載柔量變化曲線大致呈“L”形。主要是由于煤-巖組合體內(nèi)存在大量孔隙和裂隙，循環(huán)加卸載初期，較小的載荷變化使得煤-巖組合體產(chǎn)生較大變形。后隨著循環(huán)載荷增加，煤-巖組合體內(nèi)孔隙裂隙逐漸被壓實，載荷增加引起的組合體變形量減少，組合體柔量變化不大，大致呈直線發(fā)展。

循環(huán)次數(shù)相同時，煤-巖高度比越大，加載柔量越大，說明煤-巖高度比越大，單位應(yīng)力變化引起的應(yīng)變越大，組合體易發(fā)生形變，穩(wěn)定性差。主要是因為煤試件的彈性模量小，相同載荷下產(chǎn)生變形量大，煤-巖高度比越大，煤試件在組合體中的體積比例越大，相同載荷下產(chǎn)生變形量大，組合體穩(wěn)定性差。

3 能量演化特征

巖石的變形破壞是能量驅(qū)動下的一種狀態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象[26-28]。通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠表征循環(huán)加卸載過程中的能量變化。循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7。

圖7 循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.7 Stress-strain diagram of cyclic loading and unloading

加載曲線下的面積為第i次循環(huán)中試件的輸入能量ui，卸載曲線下的面積為該次循環(huán)產(chǎn)生的彈性能uie，兩者之差為該次循環(huán)產(chǎn)生的耗散能uid，計算公式如下：

式中：εi為第i次循環(huán)中試件的總應(yīng)變；εie為第i次循環(huán)中試件的彈性應(yīng)變；σ為應(yīng)力。

3.1 能量演化特征

能量變化曲線如圖8。

圖8 能量變化曲線Fig.8 Energy variation curves

由圖8 能夠看出，在整個循環(huán)加卸載過程中，組合體內(nèi)部的彈性能密度始終比耗散能密度大，表明組合體內(nèi)部彈性能密度占輸入能密度的比例始終較大。

在循環(huán)加卸載初期，輸入能、彈性能和耗散能的增長速率較低，能量-應(yīng)力關(guān)系曲線相對較為平緩，輸入能和彈性能曲線較為接近，說明此階段輸入能主要以彈性能的方式儲存在組合體內(nèi)部，僅有較小部分演化為耗散能。隨著應(yīng)力逐漸增加，組合體進入彈性變形階段，輸入能、彈性能和耗散能呈近似線性增長。隨著應(yīng)力繼續(xù)增加，組合體輸入能、彈性能和耗散能大幅度增加，組合體進入破裂發(fā)展階段。

整個循環(huán)加卸載過程中能量演化趨勢用函數(shù)關(guān)系式進行表達，能量演化擬合方程見表1。

表1 循環(huán)載荷過程中能量演化擬合方程Table 1 Fitting equation of energy evolution during cyclic loading

從表1 能夠看出：擬合效果顯著，相關(guān)性系數(shù)R2均在0.97 以上，煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下的輸入能、彈性能和耗散能隨著軸向應(yīng)力水平的增加而呈非線性增長。

當作用在煤-巖組合體上的載荷相同時，煤-巖高度比越大，作用在組合體上的輸入能、彈性能和耗散能越多。當煤-巖高度比分別為1∶3、1∶2、1∶1、2∶1 和3∶1 時，組合體破壞時的彈性能較第1 次循環(huán)結(jié)束時彈性能的增加率分別為2 122.71%、798.25%、470.17%、447.00%及329.88%；組合體破壞時的耗散能較第1 次循環(huán)結(jié)束時耗散能的增加率分別為1 588.06%、757.87%、592.74%、500.24%及263.50%。煤-巖高度比越大，煤-巖組合體在循環(huán)載荷作用下的彈性能和耗散能的增加率越低。這主要是由于煤-巖高度比小的組合體在循環(huán)加卸載初期較小載荷作用下產(chǎn)生的彈性能較少，破壞時的彈性能較多，循環(huán)加卸載初期的彈性能與破壞時的彈性能差異較大，使得彈性能增加率較大。煤-巖高度比越大，組合體中巖石高度越小，循環(huán)加卸載初期的較小載荷使其產(chǎn)生較大殘余應(yīng)變，產(chǎn)生的耗散能較多，但其循環(huán)次數(shù)少，破壞前產(chǎn)生的耗散能較少，循環(huán)加卸載初期的耗散能與破壞前的耗散能的差值較小，所以耗散能增加率也較小。

組合體在循環(huán)加卸載作用下平均彈性能、總彈性能與煤-巖高度比的變化曲線如圖9。

由圖9 可知：隨著煤-巖高度比的增加，組合體的平均彈性能逐漸增加，總彈性能逐漸降低；高度比為3∶1 的組合體比高度比為1∶3 的組合體平均彈性能增加了32.87%，總彈性能降低了51.05%；煤-巖高度比越大，煤-巖組合體平均每次循環(huán)產(chǎn)生的彈性能越大，但總彈性能越低，主要是由于煤-巖高度比大的組合體強度較小，在循環(huán)加卸載作用下平均每次循環(huán)產(chǎn)生的彈性能較多，但其循環(huán)次數(shù)較少，使得累計的總彈性能也較少。

組合體在循環(huán)加卸載作用下平均耗散能、總耗散能與煤-巖高度比的變化曲線如圖10。

圖10 耗散能-高度比變化曲線Fig.10 Curves of dissipated energy and height ratio

由圖10 可知：隨著煤-巖高度比的增加，組合體平均耗散能逐漸增加，總耗散能逐漸降低；高度比為3∶1 的組合體比高度比為1∶3 的組合體平均耗散能增加了104.84%，總耗散能降低了38.82%；煤-巖高度比越大，煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下平均每次循環(huán)產(chǎn)生的耗散能越大，但總耗散能越低，主要是由于煤-巖高度比大的組合體峰值強度較小，相同載荷作用下巖石產(chǎn)生的殘余應(yīng)變較大，使得平均每次循環(huán)產(chǎn)生的耗散能較多。同時，煤-巖高度比大的組合體發(fā)生失穩(wěn)破壞需要的載荷也相應(yīng)較小，循環(huán)次數(shù)較少，累計的總耗散能較少。

3.2 變形與能量演化

根據(jù)煤-巖組合體在循環(huán)加卸載過程中變形特征及能量演化特征的，得到的彈性應(yīng)變與彈性能、殘余應(yīng)變與耗散能的變化趨勢分別如圖11、圖12。

圖11 彈性應(yīng)變與彈性能的變化趨勢Fig.11 Variation trend of elastic strain and elastic energy

圖12 殘余應(yīng)變與耗散能的變化趨勢Fig.12 Variation trend of residual strain and dissipated energy

從圖11 可以看出：彈性應(yīng)變和彈性能的變化趨勢相似；組合體的平均彈性應(yīng)變與平均彈性能均隨著煤-巖高度比的增加而逐漸升高，組合體的總彈性應(yīng)變與總彈性能均隨著煤-巖高度比的增加而逐漸降低。說明組合體在外力載荷作用下產(chǎn)生的彈性能主要用于組合體內(nèi)部的彈性應(yīng)變。

從圖12 可以看出：平均殘余應(yīng)變與平均耗散能的變化趨勢相似，但組合體的總殘余應(yīng)變與總耗散能的變化趨勢相反；組合體的平均殘余應(yīng)變與平均耗散能均隨著煤-巖高度比的增加而逐漸升高；總殘余應(yīng)變隨著煤-巖高度比的增加而增加，總耗散能隨著煤-巖高度比的增加而逐漸降低。說明煤-巖高度比越大，較小的耗散能就會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)變，也間接說明了煤-巖高度比越大，煤-巖組合峰值強度越小，組合體越不穩(wěn)定。

3.3 彈性能量指數(shù)

彈性能量指數(shù)WET能夠反映煤樣加載過程中能量的積聚與耗散。彈性能量指數(shù)越大，破壞時發(fā)生沖擊的可能性也就大，煤柱-頂板結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。巖石的彈性能量指數(shù)WET作為沖擊地壓的傾向性指標并給出了判別標準：

煤-巖組合體在循環(huán)加卸載過程中的破壞均是開始于組合體中的煤試件，第1 條宏觀裂隙出現(xiàn)在煤試件中，試驗最后的終止也是以煤試件的完全失穩(wěn)而停止；在整個循環(huán)加卸載過程中，巖石試件起到的作用是儲存加載過程對煤-巖組合體做功的能量施加在巖石試件上的部分能量，卸載過程又將這部分儲存的能量向外釋放，這部分向外釋放的能量有一部分作用在煤試件上，進一步促進煤試件的漸進失穩(wěn)[29-31]。在煤-巖組合體循環(huán)加卸載試驗中，煤-巖組合體的穩(wěn)定性主要取決于煤試件的穩(wěn)定性，所以選擇彈性能量指數(shù)作為煤-巖組合體穩(wěn)定性的參考依據(jù)之一。

不同煤-巖高度比的組合體的彈性能量指數(shù)變化曲線如圖13。

圖13 彈性能量指數(shù)變化曲線Fig.13 Variation curves of elastic energy index

由圖13 可知：彈性能量指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出不同程度的波動，當煤-巖高度比為1∶3 的組合體在循環(huán)到第8、第9 和第13 次時的彈性能量指數(shù)＞5.0，此時的煤-巖組合體均具有強沖擊傾向。組合體的彈性能指數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加雖有一定的波動，在第13 次循環(huán)前具有一定的上漲趨勢。這說明煤-巖組合體強度越強，在循環(huán)加卸載作用下的彈性能指數(shù)具有上漲的趨勢；煤-巖組合體強度越小，在循環(huán)加卸載作用下的彈性能指數(shù)具有緩慢下降的趨勢。

4 加卸載響應(yīng)比

加卸載響應(yīng)比（LURR）理論由中國學者尹祥礎(chǔ)提出，最初用于地震預測[32]。在此基礎(chǔ)上，許多學者應(yīng)用LURR 理論來分析煤柱的穩(wěn)定性[33-34]。

加卸載響應(yīng)比主要是定量描述非線性系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)的程度，以應(yīng)變作為響應(yīng)。

式中：X為響應(yīng)；ΔR、Δp分別為荷載p和響應(yīng)R對應(yīng)的增量；Δε、Δσ分別為應(yīng)變和應(yīng)力的變化；E為彈性模量。

加卸載響應(yīng)比Y可表示為，

式中：X+、X-分別為加載響應(yīng)和卸載響應(yīng)；E+、E-分別為加載彈性模量和卸載彈性模量。

對于線性系統(tǒng)，X+=X-=c（c為常數(shù)），加卸載響應(yīng)比Y=1；對于非線性系統(tǒng)，Y值與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)；當系統(tǒng)穩(wěn)定時，Y≈1；當系統(tǒng)偏離穩(wěn)定狀態(tài)時，Y＞1；當系統(tǒng)不穩(wěn)定時，Y→∞。因此，Y值可以定量地描述非線性系統(tǒng)的偏離度。

不同煤-巖高度比的煤-巖組合體的加卸載響應(yīng)比變化曲線如圖14，煤-巖組合體平均加卸載響應(yīng)比隨不同煤-巖高度比的變化曲線如圖15。

圖14 加卸載響應(yīng)比變化曲線Fig.14 Variation curves of load-unload response ratio

圖15 平均加卸載響應(yīng)比變化曲線Fig.15 Average load-unload response ratio

由圖14 可知：在循環(huán)加卸載初期和后期，響應(yīng)比較大，響應(yīng)比在循環(huán)加卸載中期變化較為平穩(wěn)，說明煤-巖組合體在循環(huán)加卸載初期和后期的穩(wěn)定性較差，在循環(huán)加卸載中期穩(wěn)定性較好，但組合體在循環(huán)加卸載初期和后期穩(wěn)定性差的原因是不同的。由于煤-巖組合體內(nèi)存在大量的原生孔洞、裂隙，以及組合體中煤試件和巖石試件交接處存在一定縫隙，使得組合體穩(wěn)定性較差，隨著循環(huán)加卸載載荷逐漸增加，組合體內(nèi)部原生孔洞、裂隙逐漸被壓縮，加卸載響應(yīng)比逐漸降低，在1.0～1.1 的范圍內(nèi)波動，組合穩(wěn)定性逐漸增強。隨著循環(huán)載荷繼續(xù)增加，被壓縮裂隙逐漸向外擴展延伸，相互貫通，形成較大宏觀裂隙，并伴隨有煤壁外鼓、片幫等現(xiàn)象，此時組合體響應(yīng)比再次升高，組合體穩(wěn)定性差。

由圖15 可知：隨著煤-巖高度比的增大，平均加卸載響應(yīng)比逐漸增大；煤-巖高度比越大，加卸載響應(yīng)比越大，煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下越不穩(wěn)定。主要是因為煤試件中孔洞、裂隙較為發(fā)育，載荷作用下的穩(wěn)定性差，煤試件在組合體中的體積比例越大，相同載荷下產(chǎn)生越容易產(chǎn)生變形，組合體穩(wěn)定性越差。

在煤-巖高度比由1∶3 提高到3∶1 的過程中，加卸載響應(yīng)比提高了14.05%。其中，當煤-巖高度比從1∶3 增加到1∶1 時，加卸載響應(yīng)比增加0.88%；當煤-巖高度比從1∶1 增加到3∶1 時，加卸載響應(yīng)比增加了13.29%。當煤-巖高度比＜1 時，加卸載響應(yīng)比隨煤-巖高度比的增大變化較小；當煤-巖高度比＞1 時，加卸載響應(yīng)比隨煤-巖高度比的增大而變化較大。將加卸載響應(yīng)比與煤-巖高度比進行擬合，擬合結(jié)果如下：

當煤巖高度比從1∶3 增加到1∶1 時：

當煤巖高度比從1∶1 增加到3∶1 時：

5 變形破壞與能量演化機制

煤-巖組合體在循環(huán)載荷作用下發(fā)生疲勞損傷，在遠低于其強度極限下發(fā)生破壞。煤-巖高度比越大，煤試件在組合體中所占的比例越大，組合體發(fā)生破壞時需要的能量也越少,越容易發(fā)生變形，穩(wěn)定性越差。煤-巖高度比小的組合體失穩(wěn)破壞時，儲存在巖石內(nèi)的能量向外釋放，加劇了組合體中煤試件的破壞程度，進一步降低了組合體的穩(wěn)定性。同時，煤-巖高度比越大，峰值強度越小，較小的載荷就會促使裂隙發(fā)育、擴展，組合體破壞經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)越少，穩(wěn)定性越差。

此外，煤-巖組合體的變形破壞除受能量演化機制影響外，還受煤試件和巖石試件之間連接方式的影響。煤-巖組合體中巖石試件與煤試件之間的連接方式主要有2 種：①巖石試件與煤試件通過黏結(jié)劑黏結(jié)為1 個整體，巖-煤交界面處存在黏聚力；②巖石試件與煤試件自然疊放為1 個整體，巖-煤交界面不存在黏聚力。

巖石試件與煤試件的連接方式影響著組合體的力學特性，不同連接方式下組合體的強度特性不完全相同，主要研究巖石試件和煤試件間采用黏結(jié)劑進行黏結(jié)的組合體的力學特性。文獻[13]和文獻[35]認為，當煤-巖界面的黏聚力和摩擦力大于煤巖界面巖石一側(cè)的極限拉應(yīng)力，巖石試件發(fā)生破裂破壞。對試驗過程中煤-巖組合體裂隙發(fā)育、擴展情況進行觀察，裂隙首先在組合體中煤試件內(nèi)發(fā)育，且裂隙沿軸向應(yīng)力方向擴展，裂隙擴展至煤-巖交界面處未向巖石試件延伸，巖石試件在循環(huán)加卸載過程中未形成較大裂隙擴展。說明煤-巖交界面的黏聚力和摩擦力小于煤巖交界面巖石一側(cè)的極限拉應(yīng)力，巖石試件未發(fā)生變形破裂破壞。

6 結(jié)論

1）煤-巖組合體在單軸加載及循環(huán)加卸載作用下的峰值強度均隨煤-巖高度比的增加而逐漸降低。相同高度比的煤-巖組合體在循環(huán)加卸載試驗中的峰值強度均低于單軸加載試驗中的峰值強度。煤-巖高度比越大，由循環(huán)加卸載引起的組合體峰值強度降低量越小。

2）煤-巖高度比越大，煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下平均彈性應(yīng)變、平均殘余應(yīng)變和總殘余應(yīng)變越大。煤-巖高度比越大的組合體在第1 次循環(huán)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)變占總殘余應(yīng)變的百分比越大。加載柔量變化曲線大致呈傾斜的“L”形。煤-巖高度比越大，加載柔量越大，單位應(yīng)力變化引起的應(yīng)變越大。

3）當作用在煤-巖組合體上的載荷相同時，煤-巖高度比越大，作用在組合體上的輸入能、彈性能和耗散能越多。煤-巖高度比與平均彈性應(yīng)變、平均彈性能、平均殘余應(yīng)變、平均耗散能和總殘余應(yīng)變呈正比關(guān)系，與總彈性應(yīng)變、總彈性能和總耗散能呈反比關(guān)系。

4）煤-巖高度比越大，加卸載響應(yīng)比越大，煤-巖組合體在循環(huán)加卸載作用下越不穩(wěn)定。當煤-巖高度比＜1 時，加卸載響應(yīng)比隨煤-巖高度比的增大變化較?。划斆?巖高度比＞1 時，加卸載響應(yīng)比隨煤-巖高度比的增大而變化較大。