許 江,馮 丹,程立朝,張先萌,譚皓月,劉 婧

(1．重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044;2．重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,重慶400044)

含瓦斯煤剪切破裂過程細(xì)觀演化

許 江1,2,馮 丹1,2,程立朝1,2,張先萌1,2,譚皓月1,2,劉 婧1,2

(1．重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044;2．重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,重慶400044)

運(yùn)用自主研發(fā)的煤巖細(xì)觀剪切實(shí)驗(yàn)裝置,開展了不同成型壓力條件下含瓦斯煤剪切破裂過程研究。研究含瓦斯煤剪切破裂過程中微細(xì)觀裂紋的開裂、擴(kuò)展、貫通演化規(guī)律,對(duì)比分析成型壓力對(duì)含瓦斯煤抗剪強(qiáng)度及剪切破裂最終形態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn):隨成型壓力增加含瓦斯煤密實(shí)度增大,抗剪強(qiáng)度增大;剪切破裂過程裂紋擴(kuò)展速率與開裂位置偏離預(yù)定剪切面距離有關(guān),預(yù)定剪切面上剪應(yīng)力大擴(kuò)展速率快,偏離預(yù)定剪切面擴(kuò)展裂紋受力減小,擴(kuò)展速率低,甚至?xí)K止擴(kuò)展而不能貫通;裂紋擴(kuò)展形態(tài)與成型壓力有關(guān),成型壓力小,密實(shí)度低,抗剪強(qiáng)度低,裂紋容易擴(kuò)展,剪切帶范圍小,成型壓力大,密實(shí)度高,抗剪強(qiáng)度高,裂紋不容易擴(kuò)展,剪切帶范圍大;含瓦斯煤剪切破裂過程左側(cè)固定右側(cè)受剪切荷載作用,容易形成雁行排列,為實(shí)現(xiàn)最終貫通,破壞雁行排列之間會(huì)有張拉牽引裂紋產(chǎn)生。

含瓦斯煤;剪切;細(xì)觀;成型壓力;雁行排列

煤與瓦斯突出是內(nèi)外力作用下煤巖體剪切破壞所形成的一種動(dòng)力災(zāi)害,煤體內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律與煤巖自身力學(xué)性質(zhì)和受力過程密切相關(guān)。因此研究含瓦斯煤受力破壞過程及微細(xì)觀破裂演化規(guī)律對(duì)揭示煤與瓦斯突出機(jī)制有一定的借鑒意義。

國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)煤巖體受力變形及微細(xì)觀破裂特性開展了研究。E．Z．Lajtai[1]通過人工合成軟弱巖石常規(guī)剪切試驗(yàn)證明:在整個(gè)剪切斷裂過程中,首先萌生一組傾斜的拉裂紋,隨剪應(yīng)力增加,這些拉裂紋相互貫通,形成一個(gè)貫穿的剪切面,最終導(dǎo)致剪切破壞。W．Riedel等[2-3]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),剪切帶是由一系列離散的與剪切方向呈不同角度的裂隙組成的;劉冬梅等[4]對(duì)壓剪應(yīng)力作用下巖石變形破裂全程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),指出巖石破壞既有剪切破壞也有張拉破壞,一定應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞特征;許江等[5-6]運(yùn)用自主研發(fā)的含瓦斯煤巖細(xì)觀剪切試驗(yàn)裝置對(duì)煤巖等材料在不同條件下剪切破壞過程中的裂紋細(xì)觀特性進(jìn)行了研究;H．Horii和 S．Nematnasser[7]研究了單軸壓縮條件下脆性體的微裂紋增長(zhǎng)規(guī)律;凌建明等[8]對(duì)巖石細(xì)觀裂紋損傷及其時(shí)效特性進(jìn)行了研究;朱珍德等[9]開展了紅砂巖應(yīng)變和相應(yīng)表面裂紋的同步觀測(cè)試驗(yàn)研究;尚嘉蘭等[10-11]利用掃描電鏡(SEM)對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石的微細(xì)觀損傷破壞進(jìn)行了觀測(cè),研究了其微損傷的萌生、擴(kuò)展、連接直至破壞的行為;邢寶林等[12]對(duì)型煤機(jī)械強(qiáng)度影響因素進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)成型壓力是主要的影響因素之一;林柏泉等[13]對(duì)含瓦斯煤變形規(guī)律進(jìn)行了研究,變形值作為預(yù)測(cè)煤體突出危險(xiǎn)性的一項(xiàng)指標(biāo),其大小與沒變質(zhì)程度、強(qiáng)度和孔隙性質(zhì)有關(guān)。

綜上所述,學(xué)者們大多研究天然巖石或者人工合成巖石的剪切,并分析其受力變形以及受力狀態(tài)下的裂紋萌生、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),對(duì)含瓦斯煤的剪切微細(xì)觀破裂規(guī)律研究較少。由于原煤標(biāo)準(zhǔn)試件切割打磨較困難,同時(shí)包含有大量微裂隙,經(jīng)壓制成型的型煤煤樣是代替原煤較為常用的試驗(yàn)材料之一,是研究礦山煤巖動(dòng)力災(zāi)害的代表性材料之一,因此本試驗(yàn)擬用壓制成型的型煤煤樣為研究對(duì)象,開展不同成型壓力條件下含瓦斯煤剪切破裂試驗(yàn)研究,以從細(xì)觀尺度分析含瓦斯煤剪切破裂過程中裂紋萌生、擴(kuò)展直至貫通斷裂的時(shí)空演化過程,分析了細(xì)觀裂紋分布特征,并分析了成型壓力對(duì)型煤抗剪強(qiáng)度特性和微細(xì)觀破裂演化規(guī)律的影響。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

1.1 煤樣采集與加工

試驗(yàn)選用重慶松藻煤礦K1煤層煤樣,將采集煤樣放入粉碎機(jī)(圖1(a))內(nèi)打碎,然后用振動(dòng)篩篩分出60～80目的煤粉顆粒(圖1(b))。稱取90 g煤粉,添加10 g黏結(jié)劑(為增加型煤抗剪強(qiáng)度,本次實(shí)驗(yàn)所用的黏結(jié)劑為自來水與乳白膠的質(zhì)量比為3∶1的混合溶液),將黏結(jié)劑與煤粉混合均勻后裝入型煤模具(圖1(c))中,利用200 t材料試驗(yàn)機(jī)(圖1(d))分別在50,75,100 MPa的軸向應(yīng)力下恒定保壓10 min,壓制成40 mm×40 mm×40 mm的煤體,然后再利用脫煤模具(圖1(c))將煤體脫模。將壓制成型的煤體放入80℃的恒溫箱內(nèi)烘干24 h,烘干冷卻后用保鮮膜密封放置于干燥器皿中以備試驗(yàn)用。試驗(yàn)前在剪切觀測(cè)面用白色熒光筆進(jìn)行標(biāo)記,以便觀測(cè)裂紋的開裂擴(kuò)展過程。

圖1 煤樣破碎篩分成型裝置Fig．1 Coal grinding,screening and molding equipment

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)所用含瓦斯煤巖細(xì)觀實(shí)驗(yàn)裝置[5](圖2)主要由加載系統(tǒng)、充瓦斯系統(tǒng)、主體結(jié)構(gòu)和裂紋細(xì)觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4個(gè)部分組合而成。剪切荷載由日本島津AG-I 250 kN型精密材料試驗(yàn)機(jī)提供,并采用位移控制方式加載,其加載速率為0．01 mm/min。試驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)[14]用密封圈及鋼化玻璃進(jìn)行密封,可保證試驗(yàn)過程瓦斯壓力保持恒定,同時(shí)確保試驗(yàn)過程可視化。試件固定座如圖3所示,試件放于固定座中部,并將試件的1/2放入非剪切側(cè),在其上端放置限位壓塊,用螺栓將非剪切側(cè)試件固定,并在剪切側(cè)試件上端放置過渡壓頭,剪切荷載直接作用于過渡壓頭上。

試驗(yàn)過程保持瓦斯壓力恒為1．0 MPa。采用高清攝像機(jī)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程剪切觀測(cè)面進(jìn)行拍攝,以便分析裂紋隨加載時(shí)間的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)束后將前端密封蓋打開,對(duì)剪切觀測(cè)面最終形態(tài)進(jìn)行10倍放大掃描,分析裂紋細(xì)觀形態(tài)。

圖2 細(xì)觀剪切試驗(yàn)裝置[5]Fig．2 Meso-shear test equipment[5]

圖3 試件固定座Fig．3 Seat for specimens fixed

2 試驗(yàn)分析

2.1 剪切強(qiáng)度特性

為降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性,本試驗(yàn)每個(gè)條件至少選取3個(gè)型煤試件進(jìn)行試驗(yàn)。表1給出了不同成型壓力含瓦斯煤的峰值剪切強(qiáng)度,并計(jì)算平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差。在標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0．2的情況下,煤體剪切強(qiáng)度隨成型壓力增加而增大,與前人研究的煤體成型壓力對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律[12]一致。隨成型壓力增大,型煤密實(shí)度增加,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大,抗剪強(qiáng)度增加。

表1 含瓦斯煤峰值剪切強(qiáng)度與成型壓力之間的關(guān)系Table 1 Relation between the peak shear strength and the molding pressure of coal containing gas

2.2 細(xì)觀開裂時(shí)間演化規(guī)律

將試驗(yàn)拍攝視頻與剪應(yīng)力-時(shí)間曲線對(duì)照處理,分析剪切過程中微細(xì)觀裂紋隨時(shí)間的演化特性與規(guī)律。圖4為不同成型壓力條件下含瓦斯煤剪應(yīng)力-時(shí)間曲線,峰值剪應(yīng)力前的上升階段3條曲線基本重合,但是峰值剪切強(qiáng)度之間存在較大差異,峰值剪應(yīng)力后的變化趨勢(shì)也基本一致,在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)剪應(yīng)力起伏變化不大。由于文章篇幅限制,本文取成型壓力100 MPa含瓦斯煤剪切過程進(jìn)行分析。圖4中成型壓力100 MPa含瓦斯煤剪應(yīng)力-時(shí)間曲線上的A～H點(diǎn)與圖5中A～H八張靜態(tài)圖對(duì)應(yīng)。為清晰地觀測(cè)裂紋的擴(kuò)展過程及形態(tài),用Photoshop軟件繪制相應(yīng)的裂紋素描圖,圖中箭頭代表剪切過程中裂紋擴(kuò)展情況。

圖4 含瓦斯煤剪應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig．4 The shear stress-time curves of coal containing gas

(1)OA段,由于煤樣成型壓力較大、顆粒粒徑均勻、壓制密實(shí),剪切初期并沒有明顯的壓密現(xiàn)象,直接進(jìn)入彈性階段。此階段剪應(yīng)力隨時(shí)間增加而增大過程并非完全線性,剪應(yīng)力到達(dá)峰值剪切強(qiáng)度2/3處時(shí)剪應(yīng)力變化速率減小,主要是由于剪應(yīng)力增加過程中煤樣內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微小裂紋或空洞。直至峰值剪切強(qiáng)度A點(diǎn)t=3 075 s,此階段剪切觀測(cè)面并未觀察到裂紋產(chǎn)生,但有一定的剪切位移。

(2)AB段存在明顯的應(yīng)力降現(xiàn)象。峰值剪應(yīng)力十幾秒之后的B點(diǎn),在剪切觀測(cè)面中間部位發(fā)現(xiàn)裂紋,剛起裂的裂紋寬度很小,此時(shí)τ=0．686τmax。主要是由于峰值剪應(yīng)力前煤體內(nèi)部已經(jīng)萌生有微小裂紋,同時(shí)隨剪應(yīng)力增大,裂紋相互影響促進(jìn),加速了裂紋的形成,峰值剪應(yīng)力為巖石所能承受的最大剪應(yīng)力,峰值剪應(yīng)力后產(chǎn)生肉眼可以觀測(cè)的裂紋,裂紋在剪切帶內(nèi)同時(shí)迅速向上下曲折延伸。

(3)BG段剪切時(shí)間占整個(gè)剪切過程的1/2,在長(zhǎng)時(shí)間的剪切過程中剪應(yīng)力變化較小,表現(xiàn)為明顯的塑性特征,是裂紋發(fā)展的主要階段。當(dāng)t=3 865 s時(shí),對(duì)應(yīng)圖4,5中的C點(diǎn),由于要克服煤體中的黏結(jié)力和摩擦力,剪應(yīng)力上升同時(shí)在剪切觀測(cè)面上端產(chǎn)生向下發(fā)展的裂紋,上端開裂裂紋與主裂紋之間形成雁行排列,是剪切過程中的張拉力造成的。剪切力作用下對(duì)預(yù)定剪切面左側(cè)煤體產(chǎn)生拉伸作用,煤體抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,因此在偏離預(yù)定剪切面一定距離處產(chǎn)生裂紋,此裂紋對(duì)含瓦斯煤抗剪強(qiáng)度及主裂紋擴(kuò)展影響不大(圖5中D點(diǎn))。剪切力繼續(xù)增大,t=4 337 s時(shí)剪切觀測(cè)面下端與剪切臺(tái)接觸位置,由于應(yīng)力集中產(chǎn)生由下向上發(fā)展的裂紋,此處裂紋也表現(xiàn)為雁行排列(圖5中E點(diǎn))。由E點(diǎn)到F點(diǎn)裂紋沿原來的方向擴(kuò)展,同時(shí)裂紋寬度增加,會(huì)有煤粉脫落現(xiàn)象。對(duì)比圖5中F點(diǎn)和G點(diǎn)發(fā)現(xiàn)中間一條裂紋的寬度變小,右下端裂紋長(zhǎng)度和寬度都增加,裂紋形態(tài)復(fù)雜化,表明裂紋在擴(kuò)展過程中會(huì)相互影響,擴(kuò)展裂紋部分閉合,同時(shí)為達(dá)到貫通狀態(tài)也會(huì)萌生新的裂紋。在此階段觀測(cè)到中間主裂紋在C點(diǎn)已接近貫通,但含瓦斯煤仍保持大于0．5 MPa的強(qiáng)度,表明裂紋縱向?yàn)榉蔷€性擴(kuò)展,含瓦斯煤內(nèi)部并未完全破壞。

圖5 含瓦斯煤裂紋動(dòng)態(tài)演化過程Fig．5 Crack propagation process of coal containing gas

(4)GI段,裂紋貫通破壞階段。G點(diǎn)為剪切過程中的又一峰值點(diǎn),是試件貫通破壞的前兆,隨后剪應(yīng)力迅速下降,右下端裂紋發(fā)生分叉向上擴(kuò)展,當(dāng)t= 8 607 s時(shí),擴(kuò)展裂紋與中間一條裂紋連通,部分煤粉脫落,剪切觀測(cè)面裂紋達(dá)到貫通狀態(tài)。剪應(yīng)力繼續(xù)下降,t=9 600 s時(shí)煤體失穩(wěn)破壞,試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止,裂紋整體寬度增大。

含瓦斯煤剪切過程中裂紋一般在峰值剪應(yīng)力后出現(xiàn),峰值剪應(yīng)力前的加載階段是微裂紋萌生、能量積累階段,細(xì)觀裂紋的產(chǎn)生是微裂紋累積與相互作用的結(jié)果。由于成型后卸壓過程中的回彈效應(yīng)會(huì)給試件中部造成損傷,裂紋一般在試件中部首先出現(xiàn),同時(shí)向上、下兩端曲折擴(kuò)展延伸,在進(jìn)一步加載過程中試件上端、下端應(yīng)力集中處也會(huì)出現(xiàn)新的開裂點(diǎn)。剪切過程中部分裂紋表現(xiàn)為雁行排列,說明煤體剪切破壞是剪切力與張拉力共同作用的結(jié)果。由于試件的抗拉強(qiáng)度小,在剪切過程中試件上端中間偏左側(cè)存在一定的拉伸應(yīng)力,試件被拉裂產(chǎn)生細(xì)小裂紋,一般延伸不是很長(zhǎng),并未與主裂紋貫通。

將擴(kuò)展裂紋近似為斜直線或者多段直線段,測(cè)量裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化,并繪制裂紋長(zhǎng)度與剪應(yīng)力和時(shí)間之間的關(guān)系曲線。圖 6為成型壓力100 MPa含瓦斯煤裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與剪應(yīng)力和時(shí)間之間的關(guān)系曲線,其中1～4號(hào)裂紋與圖5(h)中4條裂紋相對(duì)應(yīng)。1號(hào)裂紋在峰值剪應(yīng)力后首先擴(kuò)展,擴(kuò)展速率極快,擴(kuò)展300 s后接近貫通。2號(hào)裂紋在剪應(yīng)力-時(shí)間曲線漸進(jìn)第2個(gè)峰值時(shí)產(chǎn)生,3號(hào)在第2個(gè)峰值后產(chǎn)生,兩條裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)1號(hào)裂紋較緩慢,兩條裂紋擴(kuò)展加速階段對(duì)應(yīng)剪應(yīng)力-時(shí)間曲線中的又一個(gè)應(yīng)力降。1號(hào)裂紋在試驗(yàn)3 200 s之后的擴(kuò)展速率緩慢,最終達(dá)到貫通狀態(tài),2號(hào)和3號(hào)裂紋在剪切過程中停止擴(kuò)展,并未達(dá)到貫通狀態(tài)。這證實(shí)了裂紋在預(yù)定剪切面附近受力大,擴(kuò)展迅速;偏離預(yù)定剪切面受力減小,擴(kuò)展速率降低,剪切作用力不足以使裂紋貫通。在試驗(yàn)8 000 s時(shí)剪應(yīng)力-時(shí)間曲線達(dá)到另一個(gè)高峰,隨后觀測(cè)到4號(hào)裂紋產(chǎn)生并迅速擴(kuò)展,對(duì)應(yīng)剪應(yīng)力迅速下降,含瓦斯煤接近貫通破裂。裂紋擴(kuò)展一般滯后于峰值剪應(yīng)力,同時(shí)裂紋擴(kuò)展速率與剪應(yīng)力降低速率之間存在關(guān)聯(lián),剪應(yīng)力降低速率越快,裂紋擴(kuò)展速率越快。

圖6 裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與剪應(yīng)力和時(shí)間之間的關(guān)系Fig．6 Relation between length of crack propagation, shear stress and time

2.3 細(xì)觀開裂空間演化規(guī)律

通過繪聲繪影編輯的高清攝像靜態(tài)圖并不能觀測(cè)到一些細(xì)小裂紋的形態(tài),為更形象地分析試件破壞后裂紋最終形態(tài),試驗(yàn)結(jié)束后將前密封蓋打開,用體視顯微鏡對(duì)剪切觀測(cè)面進(jìn)行10倍放大掃描,每張掃描范圍5 mm×4 mm。將掃描圖片進(jìn)行拼接組合處理,導(dǎo)入Photoshop軟件放大到實(shí)際像素繪制裂紋素描圖,對(duì)于一些肉眼很難觀測(cè)到的細(xì)小裂紋也能清晰的展示。

圖7(a)為成型壓力100 MPa含瓦斯煤剪切破壞后試件剪切觀測(cè)面掃描拼圖,圖中箭頭代表裂紋的擴(kuò)展方向,其擴(kuò)展順序可由圖5知,部分裂紋與預(yù)定剪切面呈一定角度發(fā)展,因此擴(kuò)展過程會(huì)部分偏離預(yù)定剪切面。1號(hào)裂紋為主裂紋,起裂方向基本與預(yù)定剪切面平行,在向下發(fā)展過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)折與預(yù)定剪切面呈一定角度向左下方擴(kuò)展。2號(hào)裂紋起裂方向與預(yù)定剪切面之間存在一定角度,因偏離預(yù)定剪切面的裂紋所受剪切力較小,在相同剪切力作用下預(yù)定剪切面附近裂紋發(fā)展迅速,偏離預(yù)定剪切面裂紋受到阻力很難發(fā)展,裂紋寬度較窄,擴(kuò)展距離較小,不能達(dá)到貫通狀態(tài)。3號(hào)裂紋起裂時(shí)與預(yù)定剪切面夾角較小,隨剪切力增大裂紋沿原開裂方向擴(kuò)展,偏離預(yù)定剪切面,在下端向上1/3處裂紋寬度迅速變窄,由于阻力作用不能達(dá)到完全貫通。1號(hào)裂紋基本貫通,但偏離預(yù)定剪切面,在試件接近完全破壞時(shí)連接1號(hào)和3號(hào)裂紋的4裂紋產(chǎn)生,并迅速向上發(fā)展使試件沿預(yù)定剪切面破裂。同時(shí)觀測(cè)到剪切帶是由一系列離散的與剪切方向呈不同角度的裂隙組成的[2-3]。

圖7 含瓦斯煤剪切觀測(cè)面裂紋擴(kuò)展Fig．7 The cracks on shear observation plane

圖7(b)為裂紋素描圖,用灰色表示裂紋周邊的煤粉脫落,右上端為剪切過程產(chǎn)生的剪切位移,有圓形虛線框?yàn)榱鸭y擴(kuò)展分叉點(diǎn)。素描圖真實(shí)地展現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展寬度、形態(tài),以及煤粉脫落的破碎帶,并展現(xiàn)了部分拼圖中不能清晰展現(xiàn)的細(xì)小裂紋。

對(duì)掃描拼圖中矩形框框住部分放大處理,圖中灰色部分代表擴(kuò)展裂紋周圍破碎區(qū),并伴隨煤粉脫落。對(duì)于非脆性固體剪切破壞主要是兩種情況:一是塞積帶前方應(yīng)力集中使微裂紋在粒子本身內(nèi)成核;另一種是由于粒子間結(jié)合不良使界面產(chǎn)生空穴[15]。一旦裂紋成核,隨剪切位移增大,空穴拉長(zhǎng),最終出現(xiàn)空穴聚集,宏觀裂紋產(chǎn)生,試件失穩(wěn)破壞。試驗(yàn)過程第2種情況居多,裂紋在顆粒結(jié)合較薄弱的面成核,形成空穴,進(jìn)一步加載形成連通裂紋,同時(shí)在顆粒周圍產(chǎn)生裂紋時(shí),顆粒會(huì)錯(cuò)位移動(dòng)甚至脫落。裂紋沿薄弱面成核所需力較小,對(duì)于粒內(nèi)成核一般發(fā)生在應(yīng)力集中處,能量較大,因此裂紋多沿膠結(jié)程度低的連接處擴(kuò)展,在應(yīng)力集中處才會(huì)穿過堅(jiān)硬顆粒擴(kuò)展。剪切過程中遇到堅(jiān)硬顆粒裂紋多發(fā)生分叉或轉(zhuǎn)折,裂紋擴(kuò)展角度發(fā)生變化,一些細(xì)小裂紋伴隨產(chǎn)生。裂紋擴(kuò)展角度具有不規(guī)則性,但整體在預(yù)定剪切面周圍發(fā)展,偏離角度不大,圖7(c)標(biāo)注有部分裂紋擴(kuò)展角度,發(fā)現(xiàn)一些裂紋近似平行發(fā)展,裂紋間會(huì)由于牽引或張拉作用而貫通。受剪切力作用,預(yù)定剪切面右側(cè)產(chǎn)生向下的剪切位移,當(dāng)裂紋完全包圍顆粒時(shí),顆粒一般會(huì)傾斜,脫離主體,同時(shí)下端由于應(yīng)力集中、剪切過程相互摩擦錯(cuò)動(dòng),出現(xiàn)嚴(yán)重破碎區(qū),并有部分煤粉凸起、脫落。圖7(c)的b2中裂紋擴(kuò)展?fàn)恳饔?引起部分橫向細(xì)小裂紋產(chǎn)生。

將其他成型壓力條件下含瓦斯煤剪切破裂后剪切觀測(cè)面掃描圖做相同處理,并繪制素描圖進(jìn)行對(duì)比分析如圖8所示,分析成型壓力對(duì)裂紋最終形態(tài)的影響。隨成型壓力增大,裂紋復(fù)雜程度及剪切帶寬度(黑色虛線圈起部位)增大,與煤體抗剪強(qiáng)度成正比。成型過程中壓力越大,煤體密實(shí)度越高,剪切破裂過程裂紋越不容易擴(kuò)展,甚至?xí)霈F(xiàn)橫向裂紋。成型壓力為100 MPa的煤體剪切破裂裂紋普遍在中部發(fā)育,形態(tài)復(fù)雜,細(xì)小裂紋較多。成型壓力為50 MPa和75 MPa的煤體剪切破裂主裂紋較清晰,單裂紋擴(kuò)展寬度大,只是在煤體中上部有多條裂紋擴(kuò)展。含瓦斯煤的破裂形式與裂紋形態(tài)與原始應(yīng)力狀態(tài)之間存在重要聯(lián)系,揭示了實(shí)際工程中不同采深煤體破裂形態(tài)存在差異。

圖8 含瓦斯煤剪切破裂素描Fig．8 Shear cracks sketch drawing of gas-filled coal

2.4 局部雁行排列

試驗(yàn)過程中,受剪切力作用會(huì)有雁行排列式裂紋產(chǎn)生,如圖5所示,單裂紋與剪切帶總走向有一夾角,但銜接重復(fù)長(zhǎng)度較短,是小變形條件下初始張破裂呈雁行排列而組成的剪切帶[16]。圖8從宏觀角度描繪不同成型壓力條件下煤體裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),裂紋整體形態(tài)為左下右上傾斜,寬窄不一,雁行排列較為明顯。雁行排列形式與其受力狀態(tài)有關(guān)[17],預(yù)定剪切面左側(cè)為固定狀態(tài),右側(cè)受向下的剪切力,剪裂面為右旋剪裂面,剪切裂紋呈現(xiàn)右型雁行排列,一條或一組裂紋將止而未止,在旁邊又出現(xiàn)另一些裂紋,他們彼此平行,互相靠的較近,首尾相間銜接,單條裂紋出現(xiàn)緩S型。圖中雁行排列裂紋最終形態(tài)可能會(huì)連通,主要是剪切荷載作用下預(yù)定剪切面右側(cè)試件產(chǎn)生剪切位移,為達(dá)到最終剪切貫通破壞狀態(tài),雁行排列間產(chǎn)生牽引或張拉式連通裂紋。

3 結(jié) 論

(1)隨成型壓力增大,含瓦斯煤密實(shí)度增加煤顆粒間連結(jié)緊密,抗剪強(qiáng)度也因此增大。

(2)裂紋一般在峰值剪應(yīng)力后出現(xiàn),在預(yù)定剪切面周圍開裂位置具有隨機(jī)性,剪切過程中會(huì)在應(yīng)力集中處產(chǎn)生二次開裂,峰值后裂紋擴(kuò)展時(shí)間較長(zhǎng),同時(shí)裂紋相互影響導(dǎo)致開裂裂紋寬度部分變窄,并伴隨有張拉牽引裂紋產(chǎn)生。

(3)裂紋在預(yù)定剪切面附近所受剪切荷載大,擴(kuò)展速率快,隨偏離預(yù)定剪切面距離增大擴(kuò)展時(shí)所受剪切力減小,裂紋擴(kuò)展困難,裂紋寬度變窄,擴(kuò)展一小段距離后停止,剪切帶寬度及裂紋擴(kuò)展復(fù)雜程度隨成型壓力增大而增大,同時(shí)裂紋擴(kuò)展速率越快,剪應(yīng)力降低速率越快。

(4)含瓦斯煤剪切破壞過程中會(huì)產(chǎn)生雁行排列,為達(dá)到最終貫通破壞,雁行排列間也會(huì)產(chǎn)生連通裂紋,同時(shí)試驗(yàn)過程中張拉作用與剪切作用并存。

(5)由于本試驗(yàn)只考慮了表面裂紋的擴(kuò)展情況,并不完全清楚內(nèi)部裂紋的發(fā)展,未來將結(jié)合聲發(fā)射定位技術(shù)來研究裂紋擴(kuò)展機(jī)理,進(jìn)而了解瓦斯運(yùn)移規(guī)律,為進(jìn)一步工程實(shí)踐提供重要依據(jù)。

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Mesoscopic evolution of coal containing gas’s shear fracture

XU Jiang1,2,FENG Dan1,2,CHENG Li-chao1,2,ZHANG Xian-meng1,2,TAN Hao-yue1,2,LIU Jing1,2
(1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal Gas Seam,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

With the self-developed meso-shear test equipment for coal and rock shear fracture tests on coal containing gas were carried out under different molding pressures．The rules of the cracks’initiation,evolution and transfixion were studied at a mesoscopic level．Also different molding pressure impacts on shear strength and the final shear fracture were analyzed．The results suggest that the coal density and the shear strength increase with the increase of molding pressure．The speed of crack propagation is related to the distance between the predetermined shear plane and the cracking position．On predetermined shear plane the shearing stress is high and the speed is fast,and the propagation crack force decreases as it is away from the predetermined shearing plane,even cannot be transfixed．The crack morphology is related to molding pressure of gas-filled coal．The crack propagation is easy with low molding pressure,low density and shear strength．The crack propagation is difficult with high molding pressure,high density and shear strength．Because the left of the coal is fixed and the right is loaded during the shear fracture process,it is easy to form echelon crack．Eventually the tension cracks will be developed between echelon cracks．

coal containing gas;shearing;mesoscopic;molding pressure;echelon crack

TD713．1

A

0253-9993(2014)11-2213-07

2013-10-29 責(zé)任編輯:許書閣

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05034-004);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2011CB201203);煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2011DA105287-ZD201203)

許 江(1960—),男,四川成都人,教授,博士生導(dǎo)師。Tel:023-65111236,E-mail:jiangxu@cqu．edu．cn

許 江,馮 丹,程立朝,等．含瓦斯煤剪切破裂過程細(xì)觀演化[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(11):2213-2219．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1570

Xu Jiang,Feng Dan,Cheng Lichao,et al．Mesoscopic evolution of coal containing gas’s shear fracture[J]．Journal of China Coal Society, 2014,39(11):2213-2219．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1570