馮康武

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037）

煤與瓦斯突出是一個(gè)極其復(fù)雜的煤（巖）動(dòng)力過(guò)程，目前普遍被接受的是綜合假說(shuō)，即煤與瓦斯突出是應(yīng)力、瓦斯和煤的自身特性綜合作用的結(jié)果[1]。而煤的力學(xué)特性是決定煤的自身特性的一個(gè)重要方面，包括煤的力學(xué)強(qiáng)度和破壞方式[2]，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)測(cè)試結(jié)果，不同煤的單軸力學(xué)強(qiáng)度差異較大，對(duì)于結(jié)構(gòu)完整的硬煤，單軸抗壓強(qiáng)度可超過(guò)10 MPa，而對(duì)于節(jié)理發(fā)育的煤種或者構(gòu)造軟煤，單軸抗壓強(qiáng)度可小于3 MPa。但由于煤礦井下采掘工作面煤層賦存的復(fù)雜性，同一種類(lèi)的煤層中往往存在一定的“軟煤”分層，這種軟煤分層是指由于受到地質(zhì)構(gòu)造的影響，正常結(jié)構(gòu)的煤在構(gòu)造活動(dòng)中形成的碎粒煤和糜棱煤，這種“軟煤”分層對(duì)于煤層整體的單軸抗壓強(qiáng)度具有嚴(yán)重的影響[3]。在煤的力學(xué)參數(shù)方面，張慶賀等[4]采用顆粒流軟件模擬了不同吸附性氣體對(duì)煤的損傷作用機(jī)理，測(cè)定了不同吸附性氣體作用下型煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度和破壞形態(tài)；王剛等[5]借助PFC2D進(jìn)行了煤體的抗壓及抗拉試驗(yàn)?zāi)M，建立了煤體宏觀(guān)力學(xué)參數(shù)與細(xì)觀(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，并對(duì)煤體進(jìn)行不同圍壓和瓦斯壓力條件下常規(guī)三軸顆粒流模擬試驗(yàn)；高瑞元等[6]借助PFC 軟件對(duì)石門(mén)揭煤過(guò)程進(jìn)行了顆粒流數(shù)值模擬，得出石門(mén)揭煤區(qū)域內(nèi)各單元發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性。綜上分析，軟煤分層與正常煤體的力學(xué)性質(zhì)差異巨大，且對(duì)煤層整體的力學(xué)性質(zhì)有很大的影響，目前已有大量采用顆粒流方法進(jìn)行的研究，但均未考慮含軟煤分層對(duì)復(fù)合煤層整體的力學(xué)性能的影響，或者僅考慮單純的軟煤或正常硬煤的細(xì)觀(guān)參數(shù)?；诿旱V井下采掘工作面煤層賦存的實(shí)際情況，采用PFC2D軟件對(duì)含軟煤分層的復(fù)合煤層進(jìn)行單軸壓縮顆粒流模擬，從細(xì)觀(guān)角度分析試樣受荷后內(nèi)部顆粒位移場(chǎng)分布、裂紋數(shù)目、破裂發(fā)展過(guò)程，建立軟煤分層與荷載耦合作用下煤的單軸壓縮模型試驗(yàn)，以期為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

1 含軟煤分層復(fù)合煤樣數(shù)值模型

1.1 硬煤宏細(xì)觀(guān)參數(shù)

試驗(yàn)所用煤樣取自吉林省營(yíng)城礦業(yè)有限公司，所有試樣均取自同一煤層同一地點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤樣進(jìn)行單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)后，得出原生煤體的彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等宏觀(guān)力學(xué)參數(shù)，同時(shí)通過(guò)多組數(shù)值模擬試驗(yàn)擬合，得到宏細(xì)觀(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。原生煤平行黏結(jié)細(xì)觀(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，原生煤顆粒接觸細(xì)觀(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

1.2 構(gòu)造軟煤宏細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室制作型煤的方法，或根據(jù)文獻(xiàn)[3]中相關(guān)結(jié)論采用散體力學(xué)的理論，利用散體力學(xué)試驗(yàn)和摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則求得構(gòu)造軟煤的黏聚力和內(nèi)摩擦角、單軸抗壓強(qiáng)度等宏觀(guān)力學(xué)參數(shù)，具體方法如下：

表1 原生煤平行黏結(jié)細(xì)觀(guān)參數(shù)Table 1 Micro mechanical parameters of parallel bonding of hard coal

表2 原生煤顆粒接觸細(xì)觀(guān)參數(shù)Table 2 Micro mechanical parameters of particle contact of hard coal

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；c 為黏聚力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）。

同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造煤的相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)，得到構(gòu)造煤的宏觀(guān)力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，然后代入式（1）可求得煤的單軸抗壓強(qiáng)度，通過(guò)宏觀(guān)力學(xué)參數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)特征，對(duì)構(gòu)造煤的細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，軟煤平行黏結(jié)細(xì)觀(guān)參數(shù)見(jiàn)表3，軟煤顆粒接觸細(xì)觀(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 軟煤平行黏結(jié)細(xì)觀(guān)參數(shù)Table 3 Micro mechanical parameters of parallel bonding of soft coal

表4 軟煤顆粒接觸細(xì)觀(guān)參數(shù)Table 4 Micro mechanical parameters of particle contact of soft coal

2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

由于煤礦井下采掘工作面的軟弱分層變化多種多樣，在數(shù)值試驗(yàn)中均對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化為均一厚度的面狀分層，并對(duì)含不同厚度和不同傾角的軟弱分層試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M[8-12]。不同軟煤厚度、不同傾角軟媒（厚度10 mm）的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1、圖2。

圖1 不同軟煤厚度的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.1 Stress-strain curves of different thickness of soft coal

圖2 不同傾角軟煤應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Stress-strain curves of different dip of soft coal

根據(jù)曲線(xiàn)變化情況，應(yīng)力-應(yīng)變可分為5 個(gè)階段：①初始?jí)嚎s階段：應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈上下波動(dòng)起伏狀，幾乎無(wú)裂紋產(chǎn)生；②彈性變形階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)近似呈直線(xiàn)，隨著荷載增加，在軟煤分層內(nèi)部逐漸開(kāi)始產(chǎn)生微裂紋，隨著載荷逐步增加，裂紋數(shù)目增加，但是增加不明顯，裂紋發(fā)展為逐步擴(kuò)展階段；③應(yīng)變硬化階段：此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)顯著非線(xiàn)性，隨施加載荷繼續(xù)增加，拉伸裂紋發(fā)展，剪切裂紋開(kāi)始出現(xiàn)，微裂紋逐漸發(fā)展貫通為長(zhǎng)裂紋；④應(yīng)變軟化階段：試樣承載能力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，內(nèi)部出現(xiàn)圍繞貫通裂縫的塑性區(qū)，顆粒黏結(jié)遭到區(qū)域性破壞，應(yīng)力從峰值出現(xiàn)迅速衰減；⑤殘余強(qiáng)度階段：試件出現(xiàn)塊體整體滑移，承載力已逐步降低為0。

2.2 軟煤分層厚度對(duì)力學(xué)特性的影響

從圖1 可以看出，隨著軟煤分層厚度的逐步增加，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度逐步減小，不含軟煤分層時(shí)，煤樣單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)到6.42 MPa，當(dāng)軟煤分層厚度由10、20 mm 逐步增加到50 mm，出現(xiàn)如下規(guī)律：①單軸抗壓強(qiáng)度隨軟煤分層厚度增加呈現(xiàn)出非線(xiàn)性減小的關(guān)系，軟煤分厚度超過(guò)30 mm 后，試樣單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)跳躍性減小；②除單軸抗壓強(qiáng)度減小之外，煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變，隨著軟煤分層厚度的增加，試件在峰后破壞過(guò)程中的塑性硬化特征表現(xiàn)的越明顯；③隨著軟煤分層厚度增加，試樣軸向應(yīng)力峰值所對(duì)應(yīng)的變形量在逐漸減小，變形量的減小趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度的減小趨勢(shì)相同，均是在軟煤分層厚度超過(guò)30 mm 后出現(xiàn)跳躍性減小。

2.3 軟煤分層傾角對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

從圖2 可以看出，當(dāng)軟煤分層厚度一定時(shí)（保持在10 mm），隨著軟煤分層傾角的逐步增加，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了小幅波動(dòng)，出現(xiàn)了增大-減小-增大的過(guò)程。而隨著軟煤分層傾角的逐漸增大，裂紋的萌生和擴(kuò)展方式也出現(xiàn)了明顯的變化，隨著軟煤分層傾角的逐漸增大，總的裂紋數(shù)量沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但拉伸裂紋和剪切裂紋的數(shù)量以及出現(xiàn)時(shí)間均發(fā)生了較為明顯的變化。裂紋總數(shù)量中，拉伸裂紋占比均達(dá)到80%以上，而剪切裂紋均在壓縮后期出現(xiàn)，煤樣試件的破壞主要為拉伸破壞。隨軟煤分層傾角增大，剪切裂紋出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后，拉伸裂紋的出現(xiàn)代表拉伸破壞，剪切裂紋的出現(xiàn)代表滑動(dòng)破壞，說(shuō)明試樣出現(xiàn)滑動(dòng)破壞的時(shí)間逐漸后移。不同傾角軟煤夾層試樣破壞形態(tài)如圖3。

2.4 含軟煤分層煤樣試件的破壞模式

破壞模式分析主要是從含軟煤分層煤樣試件的破壞細(xì)觀(guān)特征進(jìn)行描述，分析裂紋的萌生、擴(kuò)展和宏觀(guān)裂紋的貫通以及試樣整體失去承載能力的過(guò)程，揭示試樣的破壞機(jī)制。根據(jù)上述分析，軟煤分層傾角是影響試件破壞模式的主要參數(shù)，主要分為以下3 種破壞類(lèi)型：

1）沿交界面的層裂破壞。這種破壞類(lèi)型最典型的體現(xiàn)在軟煤分層傾角為90°時(shí)，施加載荷初期時(shí)，試件沿交界面處開(kāi)始出現(xiàn)拉伸微裂紋，到4 000 步時(shí)，拉伸裂紋出現(xiàn)了第1 次躍升，同時(shí)，在交界面處初次出現(xiàn)了剪切裂紋，所有裂紋均是在材料的交界面處萌生并逐漸向軟煤夾層內(nèi)擴(kuò)展，并最終形成貫穿交界面的宏觀(guān)裂紋，形成沿交界面的拉伸或滑動(dòng)破壞。

圖3 不同傾角軟煤夾層試樣破壞形態(tài)Fig.3 The failure mode of soft coal interlayer samples with different inclinations

2）拉伸破壞。載荷初始階段，試件沿交界面處開(kāi)始出現(xiàn)由拉應(yīng)力所造成的微裂紋，隨著載荷的逐漸增加，試件內(nèi)部出現(xiàn)橫向的宏觀(guān)裂紋，伴隨著剪切裂紋的萌生，軸向應(yīng)力逐漸達(dá)到峰值，拉伸裂紋和剪切裂紋都出現(xiàn)急速的上升，橫向宏觀(guān)裂紋和豎向宏觀(guān)裂紋開(kāi)始貫通，試件底部或者中部出現(xiàn)塊狀劈裂，并伴隨出現(xiàn)大面積開(kāi)裂，形成宏觀(guān)大裂縫。以圖2 中含軟煤分層傾角0°的試樣破壞類(lèi)型為典型。

3）復(fù)合破壞。以拉伸破壞和層裂破壞相結(jié)合的破壞類(lèi)型，在試件初始?jí)好茈A段，試件軟煤分層內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)拉伸性質(zhì)的微裂紋，當(dāng)荷載逐步增加，交界面處也逐漸萌生微裂紋，拉伸破壞產(chǎn)生的微裂紋開(kāi)始增多，微裂紋逐步貫通，當(dāng)軸向應(yīng)力逐步接近峰值時(shí)，交界面處出現(xiàn)大量的剪切裂紋，拉伸裂紋也急速增加，由于裂紋的逐步貫通，與交界面成一定角度的塊體出現(xiàn)宏觀(guān)裂縫，最終試件失去承載能力。以圖2 中含軟煤分層傾角為15°和30°的試樣破壞類(lèi)型為典型。

3 結(jié) 論

1）研究結(jié)果表明，軟煤分層厚度是影響復(fù)合煤層試樣單軸抗壓強(qiáng)度的重要參數(shù)，當(dāng)軟煤分層厚度增加時(shí)，導(dǎo)致含軟煤分層的試樣單軸抗壓強(qiáng)度降低，尤其當(dāng)軟煤分層厚度大于30 mm 臨界值時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)跳躍性急劇降低。且隨軟煤分層厚度增加，煤樣由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。

2）軟煤分層的傾角主要影響試件內(nèi)部裂紋的萌生和擴(kuò)展方式，傾角越大，剪切裂紋萌生的時(shí)間越晚，剪切裂紋在總裂紋數(shù)中所占比例越小。而拉伸破壞在煤樣試件總體破壞過(guò)程中起主導(dǎo)作用，隨軟煤分層傾角的增大，拉伸破壞的主導(dǎo)作用降低。

3）含軟煤分層的試樣破壞主要包括沿交界面的層裂破壞、拉伸破壞和復(fù)合破壞3 種類(lèi)型，軟煤分層傾角為0°時(shí)煤樣主要表現(xiàn)為內(nèi)部發(fā)生拉伸破壞；軟煤分層傾角在20°時(shí)主要表現(xiàn)為發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞結(jié)合的復(fù)合破壞；當(dāng)軟煤分層傾角在90°時(shí)，破壞類(lèi)型主要是交界面滑動(dòng)和拉伸的層裂破壞。