蔡永博，王凱，徐超

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083； 2.共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點實驗室，北京 100083

我國以煤炭為主體的能源消費結(jié)構(gòu)長期未變[1-4]。煤田賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，在開采過程中易發(fā)生瓦斯突出、沖擊地壓等礦井災(zāi)害，多數(shù)礦井災(zāi)害不只是巖體和煤體的單體破壞，更多情況下是煤巖層狀組合系統(tǒng)的破壞[5-7]。

地層中煤巖層狀組合系統(tǒng)是由不同厚度、不同力學(xué)特性、不同滲透能力的多種組分結(jié)合而成的天然層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。在多組分巖性、尺寸和原生界面的結(jié)構(gòu)等因素的共同影響下，原生煤巖組合體系統(tǒng)特性與單一煤體、單一巖體性質(zhì)有很大區(qū)別，以原生煤巖組合體為研究對象探究礦井災(zāi)害防治機(jī)制更加貼近實際。研究原生煤巖組合體損傷變形機(jī)制是由地質(zhì)煤巖單體研究到地質(zhì)煤巖組合體系統(tǒng)研究的重要過渡，對礦井災(zāi)害防治具有重要意義[8-9]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在煤巖單體及人工組合體力學(xué)特性方面的研究成果豐富。楊磊等[10]對單軸條件下煤巖組合體的能量演化規(guī)律與破壞機(jī)制進(jìn)行了研究，表明煤巖組合體的單軸抗壓強度與彈性模量介于純煤和巖石試件之間，且更接近于純煤試件。陳光波等[11]開展了不同煤巖高度比的煤巖組合體加載試驗，表明組合體破壞峰前總能量與煤巖高度比有關(guān)。聶百勝等[12]研究了煤巖組合體加載過程中力學(xué)性質(zhì)與電磁輻射特征之間的關(guān)系。陳巖等[13]運用單軸循環(huán)加卸載方式對煤巖組合體變形及裂紋演化規(guī)律進(jìn)行了研究，探討了軸向裂紋應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系。張澤天等[14]、劉杰等[15]通過對不同組合方式煤巖組合體加載，分析了巖石強度及組合方式對組合試樣力學(xué)特性和破壞特征的影響，發(fā)現(xiàn)煤巖組合體破壞主要發(fā)生在煤體中。左建平等[7，16]分別對巖樣單體、煤樣單體及不同人工煤巖組合體進(jìn)行單軸力學(xué)試驗及聲發(fā)射信號測試分析，獲得了不同人工煤巖組合體的變形及強度特征，初步揭示了巖石、煤、人工煤巖組合體的聲發(fā)射行為及時空演化機(jī)制。趙毅鑫等[17]通過單軸加載試驗總結(jié)了煤巖組合體變形破壞前兆信息變化規(guī)律。Liu等[18]通過單軸加載試驗發(fā)現(xiàn)，煤巖組合體中煤的強度與煤巖高度比和巖石強度有關(guān)。

學(xué)者們采用數(shù)值模擬方法對不同界面形式組合體的力學(xué)特性做了一些研究。郭東明等[19-20]運用擴(kuò)展有限元計算方法針對不同傾角煤巖組合體單軸條件下壓縮變形情況進(jìn)行了模擬，分析了單軸荷載下不同傾角煤巖組合體的破壞特征。Zhao等[21]針對不同界面效應(yīng)下的煤巖組合體的損傷演化機(jī)制進(jìn)行了模擬分析。曹吉勝等[22]運用RFPA 軟件對不同分形維數(shù)及不同傾角煤巖組合體力學(xué)特征和破壞機(jī)制進(jìn)行數(shù)值試驗研究，發(fā)現(xiàn)界面傾角及分形維數(shù)對組合體的破壞強度、破裂形式、彈性模量及損傷有明顯的影響。付斌等[23-24]模擬研究了不同圍壓條件下煤巖組合體力學(xué)特性及聲發(fā)射特征。趙善坤等[25]運用RFPA2D對不同高度比和不同巖石強度、厚度、均質(zhì)性及接觸面角度下煤巖組合體的沖擊傾向性進(jìn)行數(shù)值模擬試驗，得到了煤巖組合體沖擊傾向性高于純煤層或巖層測定結(jié)果的結(jié)論。

目前，國內(nèi)外學(xué)者取得的研究成果主要體現(xiàn)在以煤、巖單體及人工煤巖組合體為研究對象的力學(xué)特性、變形破壞特征等方面，對地層中煤和巖石天然結(jié)合的原生組合體的力學(xué)特性、變形破壞特征及前兆信息規(guī)律等方面的研究成果鮮有報道。本文擬通過單軸壓縮試驗手段，以原生煤巖組合體、人工煤巖組合體及煤巖單體為研究對象，對比分析試樣損傷變形特征，探究原生煤巖組合體力學(xué)特性及聲發(fā)射行為規(guī)律，為進(jìn)一步揭示煤巖動力災(zāi)害提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗加載設(shè)備為RLW-500G煤巖三軸蠕變-滲流試驗系統(tǒng)[26]，該設(shè)備最大軸向加載壓力為 500 kN，可實現(xiàn)荷載控制和變形控制等加載方式，加載控制精度為±1%。變形控制范圍為軸向0～15 MPa、徑向0～7 MPa，控制精度為0.5%。

試驗中聲發(fā)射測試設(shè)備為美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)，采樣頻率為5 000 kHz，閾值為46 Db。系統(tǒng)采用PCI-Ⅱ 板卡，具有處理速度快、噪聲低、閾值低、穩(wěn)定性可靠等特點。

1.2 試樣制備

本文試驗樣品采自山西某礦，取樣地點為該礦8號煤層掘進(jìn)工作面，由于組合體界面易損壞，為保證樣品的完整性，在現(xiàn)場取得大塊煤巖組合體樣品，運至地面后分割為小塊再加工成所需實驗試樣。試樣加工按照國際巖石力學(xué)學(xué)會建議的試驗方法進(jìn)行，對試樣兩端及側(cè)面進(jìn)行打磨，保證不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。分別制備尺寸為φ50 mm×100 mm的煤樣和巖樣、φ50 mm×50 mm的煤樣和巖樣、φ50 mm×100 mm的天然組合體(本文稱原生煤巖組合體)試樣。其中原生煤巖組合體樣品煤體部分和巖體部分高度均為50 mm，并將φ50 mm×50 mm的煤樣和巖樣自然拼接成φ50 mm×100 mm的組合體(本文稱人工煤巖組合體)試樣備用。圖1為加工好的部分試樣，表1為試樣的基本物理參數(shù)。

圖1 樣品圖片

表1 試樣編號及參數(shù)

組合體剖面的界面放大如圖2所示，人工煤巖組合體界面相對光滑，而原生煤巖組合體界面表現(xiàn)出不規(guī)則形狀，存在較多不規(guī)則裂隙并有礦物質(zhì)填充(圖1中亮紋部分)。

圖2 組合體剖面的界面放大圖Fig.2 Interface magnification diagram of combination profiles

1.3 試驗方案

對原煤煤樣、巖石試樣、原生煤巖組合體試樣及人工組合體試樣分別進(jìn)行單軸加載，試驗采用載荷加載控制方式，速率為100 N/s，采用引伸計測量試樣的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，試驗過程中同步采集試樣損傷破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。對于組合體試樣，軸向應(yīng)變測量值為煤體和巖體的軸向應(yīng)變之和，徑向應(yīng)變均為測量煤體部分的應(yīng)變值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試樣變形和強度特征

圖3為4種試樣在單軸加載條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知，單軸條件下巖石試樣的抗壓強度達(dá)到134 MPa，遠(yuǎn)高于其他試樣抗壓強度，人工煤巖組合體試樣、原生煤巖組合體試樣和煤樣抗壓強度依次降低，分別為35 MPa、22.6 MPa、19 MPa。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of specimens

相比于其他試樣，在達(dá)到峰值荷載之前，煤樣的軸向應(yīng)變最大，巖石的軸向應(yīng)變最小，這與二者的彈性模量差異有關(guān)。巖樣在彈性階段表現(xiàn)出較好的線彈性特征，在破壞階段峰后應(yīng)力跌落較快，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。

2個組合體軸向應(yīng)變值介于煤樣和巖樣之間，這可能是因為在相同應(yīng)力條件下，組合體中巖體部分的應(yīng)變小于煤體部分，同時組合體中煤體部分尺寸小于全煤試樣煤體尺寸。受不同介質(zhì)彈性模量差異與介質(zhì)尺寸效應(yīng)雙重影響，使相同應(yīng)力條件下組合體試樣軸向應(yīng)變值小于煤樣而大于巖樣。

對比原生煤巖組合體試樣和人工煤巖組合體試樣二者應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，發(fā)現(xiàn)相同應(yīng)力條件下人工組合體試樣軸向應(yīng)變大于原生煤巖組合體試樣。原生組合體界面與人工組合體界面結(jié)構(gòu)上的差異是出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變差異的主要原因，這可能與不同界面間的摩擦效應(yīng)等因素相關(guān)。

2.2 試樣聲發(fā)射(AE)特征

在加載過程中，同一試樣AE計數(shù)曲線與能量值曲線規(guī)律均能反映在加載過程中試樣的損傷情況，二者規(guī)律基本一致。4種試樣加載過程中應(yīng)力及AE計數(shù)隨時間的變化曲線如圖4所示，由圖發(fā)現(xiàn)，4個試樣加載過程中聲發(fā)射振鈴計數(shù)曲線發(fā)展規(guī)律均表現(xiàn)出一定的階段性特征，具有相似性。

在加載初期，試樣內(nèi)部原生裂隙閉合及少量裂隙擴(kuò)展，試樣未發(fā)生大的破壞，試樣處于壓密階段，總體AE計數(shù)較低。

隨后試樣進(jìn)入彈性階段，AE計數(shù)基本穩(wěn)定。由于試樣所受應(yīng)力不足以形成新的微裂紋，聲發(fā)射事件主要由事件內(nèi)部閉合裂紋發(fā)生滑移產(chǎn)生。

隨著荷載的繼續(xù)增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值荷載的70%～80%時，試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量新生裂紋，有一定的塑性破壞，聲發(fā)射事件活躍，AE計數(shù)升高。

在達(dá)到峰值荷載時，試樣內(nèi)部微裂紋貫通并逐漸形成宏觀破裂面，試樣發(fā)生大的損傷破壞，AE計數(shù)最大。

從AE計數(shù)值角度對比，試樣的聲發(fā)射規(guī)律具有一定的差異性。在加載初期，巖樣內(nèi)部聲發(fā)射信號相對較弱，這是因為一般情況下巖石內(nèi)部原生裂隙數(shù)量遠(yuǎn)小于煤體內(nèi)部原生裂隙，且?guī)r樣抗壓強度遠(yuǎn)大于煤樣，加載初期巖石內(nèi)部裂隙閉合和滑移活動較少，因此巖樣AE計數(shù)較低。煤體原生裂隙多、抗壓強度低，在較低的荷載作用下，3個含煤試樣內(nèi)部裂隙出現(xiàn)較多的閉合和滑移活動，AE計數(shù)值也相對較高。

對比原生煤巖組合體試樣及人工煤巖組合體試樣AE計數(shù)隨時間變化關(guān)系，原生煤巖組合體試樣AE計數(shù)峰值略高于人工煤巖組合體。在達(dá)到峰值應(yīng)力之前，原生煤巖組合體更早地出現(xiàn)了較大的AE計數(shù)值，且持續(xù)時間更長。通過對比2種組合體系統(tǒng)變量，原生界面的存在使原生煤巖組合體試樣在加載屈服破壞階段內(nèi)部裂隙發(fā)育貫通現(xiàn)象活躍，且早期損傷破壞主要發(fā)生在組合體界面或附近煤巖體。

3 結(jié) 論

本文對原生煤巖組合體、人工煤巖組合體及煤巖單體分別進(jìn)行了單軸加載試驗及聲發(fā)射行為研究，得到以下結(jié)論：

(1) 單軸加載條件下，4種試樣單軸抗壓強度從大到小依次為巖樣、人工煤巖組合體試樣、原生煤巖組合體試樣和煤樣。組合體受載變形和抗壓強度受介質(zhì)間界面條件、不同介質(zhì)彈性模量差異與介質(zhì)尺寸效應(yīng)等多重因素影響。

(2) 原生界面影響下原生煤巖組合體在加載屈服破壞階段內(nèi)部裂隙發(fā)育貫通現(xiàn)象相對活躍，且早期損傷主要發(fā)生在原生煤巖組合體界面或附近煤巖體。

(3) 煤巖組合體界面的差異對煤巖組合體力學(xué)性質(zhì)、聲發(fā)射特征具有較大影響。