董 浩

（北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013）

為提高煤炭資源回收率并降低沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生頻率及致災(zāi)程度，沿空掘巷等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用于推廣[1]。由于巷幫煤巖強(qiáng)度普遍低于頂、底板，且巷道圍巖是由頂、幫及底板所組成，須看做整體進(jìn)行分析[2]。大量現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)也證明，煤柱失穩(wěn)破壞并非材料局部破壞引起，而是由于煤層-頂板組合結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞[3-4]。

通過煤巖組合體力學(xué)響應(yīng)分析煤柱變形破壞機(jī)理已得到廣泛認(rèn)可[5-6]。不同組合方式的對(duì)比分析是煤巖組合體力學(xué)特性研究最常見內(nèi)容之一，秦忠誠(chéng)、張澤天[7-8]等采用單軸壓縮方法分析不同煤、巖組合方式下組合結(jié)構(gòu)整體力學(xué)特征和破壞特征，并基于此分析組合結(jié)構(gòu)沖擊傾向性；陳光波[9]探究不同煤巖厚度比例對(duì)組合體力學(xué)特征的影響，指出隨煤厚占比增加力學(xué)參量呈減小趨勢(shì)；陳紹杰[10]制作5 組不同高度比煤巖組合結(jié)構(gòu)，分析其漸進(jìn)破壞機(jī)理；楊磊[11-12]在研究不同強(qiáng)度比煤巖組合結(jié)構(gòu)在單軸壓縮條件下力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)能量分區(qū)演化規(guī)律。由于采掘作業(yè)導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變，因此不同加載方式下組合體力學(xué)響應(yīng)規(guī)律的研究具有重要意義。Huang[13]采用力控方法分析不同加載速率下煤巖組合體力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)隨加載速率增加，組合結(jié)構(gòu)各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；宮鳳強(qiáng)在此基礎(chǔ)上分析低加載速率范圍內(nèi)，組合結(jié)構(gòu)沖擊傾向性對(duì)應(yīng)變率的響應(yīng)規(guī)律；朱卓慧[14]探究分級(jí)循環(huán)加卸載條件下組合體力學(xué)特征。上述研究均采用真實(shí)煤樣開展研究，杜鋒[15]等基于CT 掃描結(jié)果，三維重構(gòu)數(shù)值巖心，分析其損傷破壞過程。

沿空掘巷煤柱應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，處于相鄰采空區(qū)不穩(wěn)定動(dòng)壓、巷道開挖卸荷及本工作面回采擾動(dòng)綜合應(yīng)力場(chǎng)中，是巷道頂、幫及底板圍巖綜合體的薄弱環(huán)節(jié)。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力演化為真三軸加載加載路徑，可更加真實(shí)再現(xiàn)沿空巷道不同掘進(jìn)方式（沿頂、沿底及沿頂?shù)祝┫?，煤柱力學(xué)性質(zhì)。然而，現(xiàn)階段真三軸實(shí)驗(yàn)多圍繞純煤樣或巖樣開展[16-18]。為此制備不同組合方式立方體試件，采用真三軸方式，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力演化為加載路徑，探究不同煤巖比例組合體對(duì)該應(yīng)力路徑力學(xué)響應(yīng)，并增加純煤巖樣試件作為參照進(jìn)行對(duì)比分析。

1 煤巖組合體真三軸加載實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)煤樣取自山西某礦沿空巷道掘進(jìn)期間，自現(xiàn)場(chǎng)采集大塊頂板、巷幫與底板煤巖塊，為模擬巷道不同掘進(jìn)方式(沿頂、沿底及沿頂?shù)?，煤柱力學(xué)性質(zhì)，制備純煤、巖-煤、煤-巖及巖-煤-巖4 種煤巖組合體類型。以現(xiàn)場(chǎng)所獲取的沿空巷道掘采全過程煤柱應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化規(guī)律作為加載路徑，采用TRW-3000 型巖石真三軸電液伺服誘變（擾動(dòng)）試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，探究組合體力學(xué)響應(yīng)。

1.1 不同煤層厚度組合體試樣制備

煤巖塊運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，采用線切割方法制備尺寸為100 mm×100 mm×x mm 的煤樣與巖樣。其中厚度為100 mm 煤、巖試樣各3 個(gè)，厚度為50 mm 煤、巖試樣各6 個(gè)，厚度為33 mm 巖石試樣6 個(gè)，厚度為34 mm 煤樣3 個(gè)。各試樣相互組合得到純煤樣（M）、煤－巖（M－R）、巖－煤（R－M）、巖－煤－巖（R－MR）、純巖樣（R）5 種不同組合方式及煤厚組合試樣，煤層占比分別為100%、50%、34%、0，制備完成的不同煤巖比例組合體試樣如圖1。

圖1 不同煤巖比例組合體試樣Fig.1 Different ratios coal-rock combination specimens

圖1 中巖-煤及煤-巖制備相同試樣，加載階段顛倒煤巖位置即可，為避免煤巖材料原生缺陷對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

試樣制備要求：大尺寸煤巖試塊自巷幫及頂?shù)装迦〕龊?，立即用保鮮膜包好，防治風(fēng)化蝕變影響其力學(xué)性質(zhì)。試樣端面不平行度小于0.01 mm，棱長(zhǎng)的偏差小于0.02 mm。試樣切割及端面打磨時(shí)需在淋水環(huán)境中進(jìn)行，為避免煤樣含水率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，將加工好的煤樣在相同條件下自然風(fēng)干1 周。煤巖組合交界面采用AB 膠粘接，確保試樣上下端面平行。

為了解本次實(shí)驗(yàn)所使用煤樣試樣基礎(chǔ)力學(xué)性質(zhì)，自同一批次煤巖塊中各制備2 組標(biāo)準(zhǔn)尺寸（φ50 mm×100 mm）圓柱形試樣，進(jìn)行單軸壓縮加載，得到的煤巖基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中，由于煤層厚度并非總與沿空巷道高度相等，以地質(zhì)條件為依據(jù)，常用措施有沿頂、沿底及沿頂?shù)椎?，在煤巖組合結(jié)構(gòu)中分別對(duì)應(yīng)巖-煤、煤-巖及巖-煤-巖等，同時(shí)增加純煤及純巖石試樣作為參照組進(jìn)行對(duì)比分析。

試樣力學(xué)行為是對(duì)實(shí)驗(yàn)室特定應(yīng)力路徑的響應(yīng)[19-20]。為了更加真實(shí)模擬沿空巷道全生命周期變形破壞過程，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所獲取沿空巷道掘采全過程煤柱應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化規(guī)律為加載路徑，探究不同組合方式對(duì)該應(yīng)力路徑的力學(xué)響應(yīng)?？招陌w法實(shí)測(cè)原巖應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)過程中z 方向?yàn)樨Q直方向，x 方向?yàn)榍昂蠓较颍瑈 方向?yàn)樽笥曳较?，σx、σy、σz即為x、y、z 3個(gè)方向的應(yīng)力，分別為7.6、14.3、11.6 MPa；相鄰工作面回采在側(cè)向支承壓力影響下，煤柱載荷增加，σx、σy、σz分別為12.3、17.8、20.4 MPa；沿空掘巷過程中，巷道徑向卸荷，σx卸載0 MPa，σy、σz維持不變；本工作面回采期間，在側(cè)向支承壓力作用下，巷道存在變形破壞可能，但在該過程中，巷道軸向和徑向應(yīng)力變化不明顯，為模擬巷道變形破壞過程，加載σz直至試件破壞，真三軸加載過程如圖2。

圖2 真三軸加載過程Fig.2 Loading process under true triaxial

1）加載至原巖應(yīng)力狀態(tài)。①以0.1 MPa/s 的速率加載σx、σy、σz至7.6 MPa；②保持σx不變，以0.1 MPa/s 的速率加載σy、σz至11.6 MPa；③保持σx、σz不變，以0.1 MPa/s 的速率加載σy至14.3 MPa；④保持σx、σy、σz不變，維持穩(wěn)定1 min。

2）相鄰工作面回采期間。⑤以0.1 MPa/s 的速率加載σx、σz至12.3 MPa；⑥保持σx不變，以0.1 MPa/s 的速率加載σy、σz至17.8 MPa；⑦保持σx、σy不變，以0.1 MPa/s 的速率加載σz至20.4 MPa；⑧保持σx、σy、σz不變，維持穩(wěn)定1 min。

3）沿空掘巷期間。⑨保持σy、σz不變，以0.1 MPa/s 的速率將σx卸載至0；⑩保持σx、σy、σz不變，維持穩(wěn)定1 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

組合體真三軸加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 組合體真三軸加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental result of coal-rock combination under true triaxial

與煤、巖樣單軸載荷下力學(xué)參數(shù)對(duì)比可知，真三軸載荷下，試樣強(qiáng)度、彈性模量及抗變形能力均有明顯提高：煤樣強(qiáng)度、彈性模量及峰值變形分別提高98.3%、24.0%、145.6%；砂巖強(qiáng)度、彈性模量及峰值變形分別提高38.3%、23.8%、38.6%。峰值變形提高最明顯，強(qiáng)度次之，彈性模量變化幅度最小；對(duì)比煤樣與砂巖發(fā)現(xiàn)，由于煤樣質(zhì)地更松散，圍巖對(duì)其結(jié)構(gòu)特征的改善作用更明顯，導(dǎo)致其各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)提高幅度均高于砂巖。

2.1 組合體力學(xué)參量對(duì)組合方式響應(yīng)特征

不同組合方式試件強(qiáng)度如圖3。

圖3 不同組合方式試件強(qiáng)度Fig.3 Strength of specimens with different combinations

各組合體試件三軸強(qiáng)度介于純煤樣（29.72 MPa）及巖樣（56.51 MPa）之間。值得注意的是，隨著煤層占比增加，試件強(qiáng)度離散性增加，各組標(biāo)準(zhǔn)差依次為0.532、1.172、1.443、1.498（煤厚相等）、2.296。對(duì)比M-R 和R-M 2 組發(fā)現(xiàn)，與單軸加載不同[21-24]，在三軸載荷下，2 種組合方式強(qiáng)度變化極小，分別為34.57、34.84 MPa，可以認(rèn)為是由煤巖材料非均質(zhì)性所產(chǎn)生。

不同組合方式試件彈性模量如圖4。

由圖4 可知，與強(qiáng)度變化規(guī)律相同，組合體彈性模量介于純煤樣（1.86 GPa）和巖樣（5.09 GPa）之間。隨著煤層占比增加，各種組合方式試樣組內(nèi)離散性增大，但增長(zhǎng)并不明顯，各組標(biāo)準(zhǔn)差依次為0.095、0.105、0.114、0.118（煤厚相等）、0.139。無論彈性模量亦或組內(nèi)離散性，M-R 和R-M 2 組均無明顯差別，認(rèn)為2 組間差異由煤巖材料非均質(zhì)性造成。

圖4 不同組合方式試件彈性模量Fig.4 Elastic modulus of specimens with different combinations

因M-R 與R-M 2 組煤層占比相同，且由前文分析可知，2 組試樣間力學(xué)參量差異由材料非均質(zhì)性造成，因此在分析煤厚變化對(duì)力學(xué)參量影響時(shí)將兩組合并進(jìn)行分析，得到試件煤層占比對(duì)試樣強(qiáng)度與彈性模量影響趨勢(shì)，并進(jìn)行擬合，力學(xué)參量隨煤層占比變化趨勢(shì)如圖5。

圖5 力學(xué)參量隨煤層占比變化趨勢(shì)Fig.5 Effect of coal seam thickness on the mechanical properties of coal–rock combinations

由圖5 可知，試件強(qiáng)度及彈性模量均與煤層占比負(fù)相關(guān)。隨煤厚占比增加試件強(qiáng)度降低，各組試樣三軸強(qiáng)度分別為56.51、42.21、34.71、29.72 MPa；降低幅度依次為33.9%、21.6%、116.8%。與試件強(qiáng)度相同，隨煤厚增加試件彈性模量降低，分別為5.09、4.26、3.18、1.86 GPa；與強(qiáng)度變化不同的是，降低幅度增大，依次為19.5%、34.0%、71.0%。雖力學(xué)參數(shù)與煤層占比均呈負(fù)相關(guān)系，但二者減小趨勢(shì)并不相同，彈性模量隨煤厚增加近乎等比例減小，而強(qiáng)度隨煤厚增加而降低的速率逐漸減小。分別采用指數(shù)函數(shù)與線性函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度R2均大于0.9，表明擬合方程可以較好反映各力學(xué)參量隨煤厚變化趨勢(shì)。擬合方程如式（1）：

式中：yσ為試件強(qiáng)度；yE為試件彈性模量；x 為煤層占比。

2.2 組合體變形特征對(duì)煤層厚度響應(yīng)特征

不同組合方式試件峰值應(yīng)變?nèi)鐖D6。

圖6 不同組合方式試件峰值應(yīng)變Fig.6 The peak stress of specimens with different combinations

由圖6 可知，與力學(xué)參量隨煤層厚度變化規(guī)律不同，峰值應(yīng)變隨煤層占比增加并非單調(diào)變化。純煤樣峰值應(yīng)變最大，其均值為3.45%，純砂巖試樣峰值應(yīng)變最小，均值為1.94%；組合體試件峰值應(yīng)變介于二者之間。原因在于煤較砂巖質(zhì)地疏松，可壓縮變形較大。而煤巖二元組合體與巖-煤-巖三元組合體出現(xiàn)反常的原因?yàn)?，三元組合增加1 個(gè)交界面，交界面采用AB 膠處理，可壓縮性比煤更大。煤的非均質(zhì)性顯著高于砂巖，致使砂巖試件峰值應(yīng)變離散性小于煤樣，這與力學(xué)參數(shù)表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

3 結(jié) 論

1）在真三載荷下煤、巖試樣強(qiáng)度、彈性模量及抗變形能力較單軸壓縮均有顯著提高。峰值變形提高最明顯，強(qiáng)度次之，彈性模量變化幅度最?。粚⒚簶优c砂巖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)煤樣各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)提高幅度均高于砂巖。

2）在三軸載荷下，煤-巖與巖-煤2 種組合方式試件力學(xué)參量與變形特征相差極小，認(rèn)為由煤巖材料非均質(zhì)性造成，與前人采用單軸加載所得結(jié)論具有顯著差別。

3）煤巖組合體力學(xué)參數(shù)介于煤樣與砂巖樣之間，試件強(qiáng)度及彈性模量均與煤層占比負(fù)相關(guān)，但隨著煤層厚度增加，二者減小趨勢(shì)并不相同，彈性模量隨煤厚增加近乎等比例減小，而強(qiáng)度隨煤厚增加而降低的速率逐漸減小。純煤樣峰值應(yīng)變最大，其均值為3.45%，純砂巖試樣峰值應(yīng)變最小，均值為1.94%。組合體峰值應(yīng)變同樣介于煤樣與砂巖樣之間，但隨煤層占比增加，峰值應(yīng)變并非單調(diào)變化，三元組合方式峰值應(yīng)變大于二元組合體，其原因在于煤巖交界面的可壓縮性比煤更大。

4）由于煤的非均質(zhì)性較砂巖更加突出，不同組合方式力學(xué)參數(shù)組內(nèi)離散性與煤層占比正相關(guān)。