段志旭

（同煤集團虎龍溝煤業(yè)公司，山西 朔州 038300）

在放煤過程中，對工作面頂煤應力狀態(tài)的研究甚少，而礦下采煤工作面是距離作業(yè)人員最近的地方，也是瓦斯集中涌出危險最大的部位，因此對工作面頂煤應力狀態(tài)的研究顯得尤為重要[1-3]。采用室內(nèi)三軸力學試驗，通過軸壓來模擬支承壓力，圍壓模擬水平應力，便可模擬煤巖體放煤過程中采動應力規(guī)律及破壞機理[4]。本文正是通過三軸試驗來模擬順序、間隔和兩端向中間放煤過程中的頂煤破斷機理。

1 試驗基本參數(shù)的選取

在試驗過程中，如何確定頂煤煤巖體峰值應力大小及軸向和環(huán)向應力比例十分關(guān)鍵。在放頂煤開采過程中，煤巖在三種不同放煤方式下的應力集中系數(shù)K 值不同，且煤層厚度及頂煤的部位不同，K值也存在差異。通過數(shù)值模擬分析，7 m、11 m 及19 m 煤層“危險區(qū)域”分別位于頂煤中部、下部和下部。7 m 薄煤層在順序、間隔和兩端向中間放煤過程中，K 值分別為1.83、2.21、2.53；11 m 較厚煤層下部在順序、間隔和兩端向中間放煤過程中，K 值分別為1.78、1.81、2.08；19 m 特厚煤層下部“危險區(qū)域”在順序、間隔和兩端向中間放煤過程中，K 值分別為1.84、1.87、2.19。因此，在頂板及煤層物理力學性質(zhì)相似的情況下，順序放煤工作面頂煤應力集中系數(shù)概化為1.50～1.80，而間隔放煤為1.80～2.10，兩端向中間放煤為2.10～2.50。

2 試驗測試設備及試驗方案

2.1 試驗設備

本次試驗使用的試驗設備是MTS815 Flex Text GT 巖石力學測試系統(tǒng)，如圖1 所示。設備主要技術(shù)指標如下：

（1）靜力學試驗

軸向荷載：4600 kN（壓縮）、2300 kN（拉伸）；軸向位移：0～100 mm（±50 mm）；圍壓：140 MPa；溫度：室溫0～20℃。

（2）動力學試驗

振動頻率：最大達5 Hz 以上；相位差：0～2π任意設定。

（3）主要測量技術(shù)性能指標

軸向荷載：0～4600 kN（壓縮）、0～2300 kN（拉伸）；軸向位移：0～100 mm（±50 mm）；軸向變形：±4 mm（單軸雙橋測量）、-2.5 mm～5.0 mm（三軸高溫高壓雙橋測量）；橫向變形：-2.5 mm～ +12.5 mm（單軸）、-2.5 mm～ +8.0 mm（三軸高溫高壓）。

2.2 試驗方案

本次試驗的試樣來自26 號煤塊，共選取了6個試樣M26-3、M26-4、M26-7、M26-8、 M26-9、M26-10 進行模擬試驗。M26-3 試件表示該試件是鉆取自26 號煤塊的第3 個試件。試件尺寸、質(zhì)量等基本信息參見表1。

表1 試樣基本信息表

試驗過程中，通過升高軸壓的同時卸載圍壓，來模擬頂煤垂直應力升高和水平應力降低的變化，對應具體模擬試驗步驟如下：

（1）靜水壓力階段：以3 MPa/min 的加載速率施加圍壓壓力至12 MPa，即圖2 中OA 段；

（2）卸壓加載階段：3 種不同放煤工序條件下，煤巖體受采動應力影響均由靜水壓力狀態(tài)逐漸變化至對應軸向應力集中系數(shù)，煤巖體在順序放煤、間隔放煤、兩端向中間放煤等3 種典型放煤工序條件下破壞時分別等于1.5、2.0、2.5，軸向應力差（σ1-σ3）增加和橫向應力σ3卸載之比分別為1.625:1、2.25:1、2.875:1，分別對應圖2 中AB 段、AC 段、AD 段。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 力學強度

試驗煤樣應力～軸向應變、環(huán)向應變及體變曲線見圖3。由圖可知，在順序、間隔及兩頭向中間這三種放煤方式下，煤巖試件峰值應力分別為19.21 MPa，25.3 MPa 和27.69 MPa，煤巖體應力集中系數(shù)K 值分別為1.61、2.10 和2.31，與7 m 薄煤層中部“危險區(qū)域”在順序、間隔和兩端向中間放煤過程中的應力集中系數(shù)較為接近。比較不同放煤方式的應力應變曲線可知，軸向變形、橫向變形和體積變形在峰值應力時突然下跌，順序放煤體積出現(xiàn)了破壞階段的體積膨脹，而其他放煤方式未出現(xiàn)體積膨脹。

圖2 不同放煤工序試驗加載路徑示意圖

圖3 不同放煤方式下煤巖體應力-應變曲線

3.2 破壞模式

各試件在試驗前后的外觀對比見圖4?？梢钥吹剑煌琶汗ば驐l件下，均發(fā)生剪切破壞，破裂面都是沿著試件內(nèi)部“薄弱”層理面發(fā)生擴展，且試件破壞時發(fā)生比較顯著的變形，這主要是煤巖內(nèi)部裂紋產(chǎn)生、擴展和匯聚的結(jié)果。試驗過程中，應力首先在試件端部層理處急劇增加，并開始出現(xiàn)裂紋，逐漸沿著層理方向擴展和匯聚，在圍壓降到某個臨界值時，試件內(nèi)部微小裂紋沿主應力方向貫通。

圖4 煤樣試驗前后形貌對比

雖然三種放煤方式下煤巖試件都是剪切破壞，但煤巖體破壞特征存在差異，具體表現(xiàn)為：煤巖試件端部起裂點的部位、破壞面的大小、破壞面與軸向的夾角及整個破壞過程的速率不同。表2 為三種不同放煤方式下破壞面與軸向的夾角統(tǒng)計表，可以看到，三種放煤方式下破壞面與軸向的夾角逐漸增大。另從試件破壞形態(tài)可以看到，三種放煤方式下，試件端部起裂點的位置也存在差異。主要體現(xiàn)為：順序放煤時，起裂點主要位于試件直徑方向的端點處；間隔放煤時，試件端部的起裂點稍微遠離端點；在兩端向中間放煤時，起裂點靠近試件端部的圓心處。這表明，放煤方式不同，煤巖試件內(nèi)部起裂點的位置存在差異，是一個試件端部逐漸向著圓心靠近的過程。

另從試件破壞形態(tài)還可以看到，三種放煤方式下，煤巖體破壞發(fā)生的時間存在差異，即破壞速率不同。順序放煤時，由于軸向應力差（σ1-σ3）增加和橫向應力σ3卸載之比在三種放煤方式中最小，其破壞過程較為緩慢。而相對順序放煤，后兩者煤巖試件在達到峰值應力后迅速發(fā)生破壞，是一個相對快速激烈的過程。表明間隔放煤和兩端向中間放煤時煤巖試樣顯著的擴容破壞將發(fā)生于峰值后期，宏觀裂紋的迅速擴展與破壞階段?？梢酝茰y，在間隔和兩端向中間放煤時，如果煤巖所處初始地應力環(huán)境較高，且煤巖體材料本身堅硬完整，內(nèi)部將會聚集大量的彈性應變能；如果考慮堅硬頂?shù)装?、堅硬煤層的三硬條件，那么在放頂煤開采過程中，采用間隔及兩端向中間放煤時，頂煤煤巖在采動應力的影響下，可能導致彈性應變能的突然猛烈釋放，同時頂煤煤巖體內(nèi)部將會產(chǎn)生大量的裂隙，這將為瓦斯的集中涌出提供通道，影響煤炭的安全開采。

表3 不同放煤工序下煤樣破壞面與軸向的夾角統(tǒng)計表

綜合以上試驗分析可知，順序放煤時，頂煤對應的應力最小，間隔放煤其次，兩端向中間放煤對應的應力最大，是最危險的一種放煤方式。因此建議在進行不同厚度煤巖的開采時，首先應該選用合理的放煤方式。

4 結(jié)論

（1）順序放煤時，煤樣的破壞是一個“緩慢”的過程，在煤巖峰值應力附近出現(xiàn)了較大的變形，對應的體積變形出現(xiàn)了體積膨脹。間隔及兩端向中間放煤，煤巖試件在達到峰值應力后迅速發(fā)生破壞，是一個相對快速激烈的過程。

（2）在順序放煤過程中，煤樣裂紋緩慢有序地擴展連通，而間隔放煤和兩端向中間放煤時，煤樣材料的情況與其相反，加載變形前期能量耗散較少，而峰值后階段的災變破壞動能儲備充分，易發(fā)生猛烈突然的能量急劇釋放與破壞。