任建喜，王曉琳，張 琨，張衛(wèi)軍

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著我國井工煤礦開采深度增加，開采布局及工法愈加復(fù)雜，使得煤巖所處應(yīng)力狀態(tài)更加惡劣，沖擊地壓災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增大，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。沖擊地壓(也稱“沖擊礦壓”，非煤礦山又稱“巖爆”)是礦山井巷和采場周圍的煤、巖體由于變形能釋放而產(chǎn)生的以突然、劇烈、猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象[1]。處于深部開采的煤巖體本身處在高地應(yīng)力、復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力等靜載的綜合作用下，一旦受到動(dòng)態(tài)擾動(dòng)(諸如老頂垮落、斷層活動(dòng)、人工放炮)，在滿足一定的條件時(shí)就會(huì)發(fā)生沖擊破壞[2，3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方法，對煤巖體在沖擊地壓作用下的力學(xué)特性及破壞特征進(jìn)行了研究，從而掌握頂板-煤層-底板相互作用下采動(dòng)等因素誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理和規(guī)律[4-13]。其中，趙毅鑫等[8]運(yùn)用紅外熱成像、聲發(fā)射等監(jiān)測手段，通過對組合煤巖進(jìn)行單軸加載得到了煤巖破壞的前兆信息等特征。左建平等[9]通過單軸和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)分析了煤巖試樣的力學(xué)特性和破壞特征，得到煤柱體內(nèi)不同位置煤巖強(qiáng)度、變形和破壞形式等的不同特征。孫劉偉等[13]結(jié)合鄆城煤礦煤柱沖擊地壓的載荷源自高自重應(yīng)力、強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力與采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加而成的靜載荷。但以往的研究只是在單一加載模式下對煤巖進(jìn)行分析，針對弱沖擊傾向性煤巖在不同加載模式下的力學(xué)特性及能量演化規(guī)律尚缺乏對比研究。本文以彬長礦區(qū)胡家河礦煤巖為研究對象，探究了煤巖在單軸、常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)及動(dòng)靜載組合不同動(dòng)載頻率壓縮試驗(yàn)下的破壞特性，從而掌握煤礦在不同應(yīng)力條件下發(fā)生沖擊地壓的機(jī)制及規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)煤樣取自發(fā)生過沖擊地壓的胡家河煤礦，從綜放工作面上選取比較完整的煤樣，并對煤樣進(jìn)行層理方向的標(biāo)記以便室內(nèi)加工。根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》(GB/T 23561.7—2009)的要求，將煤樣在巖石制樣室內(nèi)沿垂直層理方向加工成直徑50mm、長度100mm的圓柱體試件，且需要保證上下加載表面的整潔度，使其兩端的平行度偏差小于0.05mm，如圖1所示，經(jīng)稱量計(jì)算得煤樣平均密度為1690kg/cm3。為選擇完整性和均質(zhì)性相近的煤樣來減小因各向異性而產(chǎn)生的偏差，采用超聲波檢測設(shè)備對煤樣進(jìn)行檢測，選取平均波速在2100m/s左右的試件進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 煤巖實(shí)物圖

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用西安科技大學(xué)巖土實(shí)驗(yàn)室的DTAW-8000巖石高壓動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分組成，其中加載系統(tǒng)由靜載、動(dòng)載和圍壓三部分組成，同時(shí)動(dòng)載可以施加頻率為1～10Hz的正弦波、矩形波、正切波和三角波等多種波形。

試驗(yàn)通過改變加載模式研究煤巖在不同應(yīng)力環(huán)境下的破壞機(jī)理以及損傷特征，主要分為兩個(gè)部分進(jìn)行，具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 不同加載模式下試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)

將三軸試驗(yàn)圍壓設(shè)定為4個(gè)值，分別為0(單軸壓縮試驗(yàn))、4MPa、8MPa、12MPa。選取煤樣密度和波速相近的12個(gè)試件分為4組，每組3個(gè)試件。首先施加初始軸壓2kN以固定試樣，然后充油并施加圍壓到每個(gè)預(yù)定值。待圍壓穩(wěn)定后，采用軸向位移控制方式進(jìn)行軸向加載，加載速率為0.01mm/s。將試件加載至試件破壞喪失抗壓強(qiáng)度為止，以此分析常規(guī)實(shí)驗(yàn)中不同圍壓下煤樣的力學(xué)強(qiáng)度特征及變形特性，同時(shí)也為后續(xù)動(dòng)載試驗(yàn)中動(dòng)載幅值、荷載分級等提供基本參考數(shù)據(jù)及對比數(shù)據(jù)。

1.2.2 分級動(dòng)載壓縮試驗(yàn)

已有研究表明煤巖所受動(dòng)載應(yīng)力波大部分是由幾組不同頻率和振幅的正弦波疊加而成，動(dòng)載頻率小于10Hz，主頻段區(qū)間主要處于3～5Hz[14-16]。選取煤樣密度和波速相近的試件9個(gè)。試驗(yàn)開始時(shí)首先給試件施加圍壓直至12MPa并穩(wěn)定在該應(yīng)力水平，采用位移加載控制施加軸向靜載至15kN，加載速率為0.01mm/s；待圍壓和軸壓穩(wěn)定以后采用組合加載方式分別施加固定振幅5kN和頻率(2Hz、5Hz、8Hz)的正弦波動(dòng)載，逐步分級提高初始軸向力等級(力分級差為10kN)繼續(xù)加載固定振幅和頻率的正弦波動(dòng)載直至煤樣破壞。具體分級加載力曲線如圖2所示。通過分析不同頻率作用下動(dòng)態(tài)擾動(dòng)對試件破壞的影響程度，來探究動(dòng)載誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)制。

圖2 動(dòng)載加載示意圖

2 常規(guī)加載試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)

煤樣在單軸加載破壞全過程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示，由應(yīng)力與軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、體積應(yīng)變之間的關(guān)系可以看出，煤樣在加載過程中具有明顯的加載壓密階段。煤樣在單軸壓縮條件下的強(qiáng)度較低(峰值強(qiáng)度僅為9.83MPa)，且峰值處的軸向應(yīng)變約為徑向應(yīng)變的2倍；煤樣破壞呈現(xiàn)脆性破壞特征，最終的破壞模式為中間劈裂破壞。這表明煤炭在地下開采過程中開挖臨空面一旦形成，便會(huì)使周圍煤體的應(yīng)力狀態(tài)由三維受力向一維或二維發(fā)生改變；由于煤體的非均質(zhì)及非彈性，這種應(yīng)力狀態(tài)的變化會(huì)使煤體某些部位(地質(zhì)不連續(xù)面)形成一種由差異變形而產(chǎn)生的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 單軸壓縮破壞全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)

不同圍壓條件下煤試件三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。由圖4可知，隨著圍壓的增加，煤巖抗壓強(qiáng)度增大，峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變均增加，煤樣塑性也不斷增強(qiáng)，由脆性逐漸轉(zhuǎn)化為延性。如圖3、圖4(a)，在圍壓為0MPa、4MPa時(shí)，巖石呈脆性破壞；當(dāng)圍壓繼續(xù)增大時(shí)，開始出現(xiàn)塑性流動(dòng)，煤樣破壞具有一定的延性特征，同時(shí)煤樣的儲(chǔ)能能力也顯著增加。這是因?yàn)槊后w屬于結(jié)構(gòu)比較松散的材料，圍壓越大煤樣擠壓就越密實(shí)，內(nèi)部裂隙間的正應(yīng)力和摩擦力增大使得裂隙不容易發(fā)生脹裂和滑移，從而限制了裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，因而承載力更高，儲(chǔ)能能力也就越強(qiáng)。

圖4 不同圍壓條件下煤試件三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過以上分析可知：圍壓越大，煤樣的承載力就越大，則煤樣儲(chǔ)存應(yīng)變能的能力也就越大；這就解釋了深埋煤層由于地處高應(yīng)力水平條件，其內(nèi)部積聚了更大的應(yīng)變能量，這為沖擊地壓的發(fā)生提供了基本的前提，在受到外界人為活動(dòng)影響和內(nèi)部地層運(yùn)動(dòng)時(shí)極易發(fā)生沖擊破壞。

3 動(dòng)靜載荷組合試驗(yàn)

3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

不同頻率下煤樣加載全過程的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比如圖5所示。當(dāng)加載頻率為2Hz時(shí)，煤樣在經(jīng)過7個(gè)靜載等級的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)后發(fā)生破壞；加載頻率為4Hz時(shí)，煤樣在經(jīng)過4個(gè)靜載等級的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)后便發(fā)生破壞；加載頻率為8Hz時(shí)，煤樣在經(jīng)過1個(gè)靜載等級的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)后在提高至下一等級的靜力水平過程中便發(fā)生破壞。煤樣在2Hz、4Hz、8Hz頻率動(dòng)載擾動(dòng)后強(qiáng)度較常規(guī)加載時(shí)分別降低25%、56%、81%，表明煤樣在經(jīng)過動(dòng)載擾動(dòng)以后強(qiáng)度降低，且頻率越高，強(qiáng)度劣化越明顯，煤樣經(jīng)受擾動(dòng)的次數(shù)也就越少。同時(shí)可以看出煤樣在發(fā)生破壞時(shí)峰值強(qiáng)度所對應(yīng)的峰值應(yīng)變均減小(其中2Hz 時(shí)為0.59、4Hz時(shí)為0.48、8Hz時(shí)為0.37)，較常規(guī)同圍壓加載條件下峰值應(yīng)變分別降低了0.55%、0.63%、0.71%，表明煤樣在經(jīng)過動(dòng)載擾動(dòng)未經(jīng)發(fā)生塑性流動(dòng)便迅速發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。

圖5 不同頻率下煤巖動(dòng)載試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 動(dòng)載過程中的損傷特性研究

聲發(fā)射峰值幅度不受門檻值的影響，直接決定聲發(fā)射事件的可測性及反映聲發(fā)射事件的大小，從而可以用來表征煤樣在加載過程中的應(yīng)力階段，連續(xù)有效地監(jiān)測煤樣內(nèi)部在加載過程中的損傷發(fā)展變化狀態(tài)。通過試驗(yàn)中的聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制不同加載頻率下聲發(fā)射峰值幅度和偏應(yīng)力隨試驗(yàn)時(shí)間的演化曲線，如圖6所示。

圖6 煤樣試驗(yàn)過程中聲發(fā)射峰值幅度特征圖

由圖6可以看出，靜載加載時(shí)，聲發(fā)射在彈性階段峰值幅度值很小并稀疏分布，處于沉寂狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力接近峰值時(shí)，聲發(fā)射事件明顯增多，峰值幅度呈現(xiàn)遞增趨勢。動(dòng)載加載時(shí)在每級動(dòng)載波擾動(dòng)過程中，聲發(fā)射峰值幅度都出現(xiàn)“躍升”現(xiàn)象，而后又歸于沉寂直至最后煤巖破壞；雖然不同加載頻率下最終的擾動(dòng)次數(shù)不同，但整個(gè)加載均呈現(xiàn)出相同的聲發(fā)射現(xiàn)象規(guī)律。同時(shí)無論靜載還是動(dòng)載煤樣在發(fā)生破壞的臨界狀態(tài)時(shí)，聲發(fā)射峰值幅度快速增大并密集分布。

聲發(fā)射幅值在動(dòng)載擾動(dòng)時(shí)發(fā)生“躍升”現(xiàn)象，說明動(dòng)載作用下煤樣在初始靜載損傷的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了裂隙的瞬時(shí)擴(kuò)展發(fā)育，損傷速度變快且損傷加劇。同時(shí)動(dòng)載擾動(dòng)時(shí)聲發(fā)射幅值的變化規(guī)律說明動(dòng)載作用下煤巖損傷演化特征與靜力加載時(shí)的損傷完全不同，靜載時(shí)煤巖損傷在整體趨勢上為循序漸進(jìn)，損傷慢慢積累，裂隙逐步發(fā)育充分，直至破壞；而在動(dòng)載加載時(shí)裂隙隨著動(dòng)載波在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)的張開、閉合，使得煤樣損傷程度瞬間加劇。

3.3 動(dòng)載作用下煤巖破壞模式分析

試驗(yàn)表明，單軸壓縮狀態(tài)下煤樣以劈裂破壞為主，即破壞后會(huì)形成明顯的平行于加載方向的貫穿裂縫；對于常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，其破壞形式整體為剪切破壞，即發(fā)生破壞后所形成的貫通剪切破裂面與軸向加載方向成一定角度，如圖7(a)所示。動(dòng)載頻率2Hz時(shí)，煤樣最終分裂成數(shù)塊粒徑不同的煤塊，而其余部分在動(dòng)載波反復(fù)作用下被研磨成碎屑，如圖7(b)所示；頻率4Hz時(shí)，煤樣上下兩端分裂成塊體，中間部位完全破碎呈粉末狀，如圖7(c)所示；當(dāng)頻率提升為8Hz時(shí)，煤樣依然保持原有的輪廓形狀，表面分布著許多微小的沿軸向加載方向的張拉裂隙，中央局部區(qū)域橫向與豎向相互交錯(cuò)而呈現(xiàn)出破碎狀態(tài)，如圖7(d)所示。

由此可見，經(jīng)過動(dòng)載擾動(dòng)后的煤樣裂隙發(fā)育密集，破壞狀態(tài)更加松散破碎，說明煤樣在圍壓和動(dòng)載的相互作用下，煤體產(chǎn)生大量豎向裂縫并在后續(xù)加載過程中不斷擴(kuò)展交錯(cuò)使得其力學(xué)性能嚴(yán)重劣化。同時(shí)，對比常規(guī)三軸試驗(yàn)條件下煤樣的破壞特征可知，煤樣在靜力加載破壞時(shí)的應(yīng)力水平雖然更高，但破壞模式為典型的剪切破壞；這說明煤體內(nèi)部儲(chǔ)存大量的彈性應(yīng)變能僅僅是發(fā)生沖擊地壓的必要條件之一，必須還有外界因素的擾動(dòng)才能誘發(fā)沖擊地壓。

4 結(jié) 論

1)通過對比單軸壓縮和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)可得，單軸壓縮時(shí)煤巖發(fā)生破壞時(shí)強(qiáng)度低，呈現(xiàn)脆性破壞，而隨著圍壓的增加，煤巖的峰值強(qiáng)度及峰值應(yīng)變逐漸提高，煤巖破壞時(shí)的延性特征也越發(fā)明顯?？梢哉f明在煤礦工作面開采或巷道掘進(jìn)過程中，開挖臨空面一旦形成便會(huì)改變煤巖的受力狀態(tài)并造成采掘空間煤體應(yīng)力的重新分布，從而造成周圍煤體的應(yīng)力集中，引發(fā)沖擊地壓事故。

2)常規(guī)三軸壓縮條件下，隨著圍壓的增加，煤巖峰值強(qiáng)度逐漸提高，煤巖內(nèi)部的儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，這表明煤層埋深越大，積聚的能量就越多，越容易發(fā)生沖擊地壓事故。

3)沖擊地壓的發(fā)生是多種因素綜合作用的結(jié)果，高圍壓和臨空開采使得圍巖積聚彈性勢能增大，為沖擊地壓的發(fā)生提供了靜載基礎(chǔ)，此時(shí)一旦受到動(dòng)載的擾動(dòng)，就會(huì)造成能量的急劇釋放，引發(fā)沖擊事故。

4)動(dòng)載作用下煤巖損傷演化特征與靜力加載時(shí)的損傷完全不同，靜載損傷為漸進(jìn)形式，主裂縫充分發(fā)育；而動(dòng)載損傷表現(xiàn)為局部裂隙瞬間發(fā)育，使得煤樣在靜載和動(dòng)載疊加作用下?lián)p傷更加劇烈。