徐金海，張曉悟，劉智兵，孫 壘，侯勝軍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116； 2.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221161；3.重慶天府礦業(yè)有限責(zé)任公司三匯二礦，重慶 合川 401535)

1 研究背景

隨著采礦深度的增加，沖擊地壓等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[1-3]。大量研究表明，沖擊地壓主要是由于礦山壓力在煤巖體內(nèi)聚集的大量能量在一定開采擾動(dòng)影響下突然釋放而引發(fā)的[4-5]。因此，研究煤巖組合體在外載荷作用下的能量演化規(guī)律及破壞機(jī)理對(duì)礦井災(zāi)害分析和預(yù)防是非常有必要的。

近些年，不少學(xué)者對(duì)煤巖組合體進(jìn)行了大量的研究。李成杰等[6]研究了煤巖組合體破壞過(guò)程中的變形與破壞規(guī)律，提出組合體不同位置的徑向應(yīng)變不同，應(yīng)力峰前段組合體煤體部分徑向變形受到巖體部分限制作用較顯著，峰后段巖體部分破壞則明顯受到煤體部分劈裂拉伸作用；左建平等[7]對(duì)煤巖組合體進(jìn)行了單軸試驗(yàn)下的聲發(fā)射測(cè)試，指出煤體的聲發(fā)射數(shù)占煤巖組合體內(nèi)部聲發(fā)射總數(shù)的主要部分，且聲發(fā)射的空間分布主要受煤體結(jié)構(gòu)及原生裂隙的影響；王曉南等[8]研究了單軸受壓條件下不同煤巖組合試樣的聲發(fā)射和微震特征，發(fā)現(xiàn)了組合試樣發(fā)生沖擊破壞時(shí)的聲發(fā)射和微震信號(hào)的強(qiáng)度隨試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、沖擊傾向性以及其頂板與煤層的高度比值的增加而增強(qiáng)；左建平等[9]開展了巖樣、煤樣和煤巖組合體的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，研究了不同應(yīng)力條件下煤巖單體及組合體的破壞模式和力學(xué)行為，提出單軸條件下煤巖組合體的破壞以劈裂破壞為主，三軸試驗(yàn)中，煤巖組合體的破壞以剪切破壞為主，且組合體的峰值強(qiáng)度與圍壓基本呈線性關(guān)系。

此外，大量學(xué)者還研究了巖石受外載荷作用下能量演化規(guī)律及破壞機(jī)理。張黎明等[10]進(jìn)行了大理巖、灰?guī)r和砂巖試件的三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了巖石能量非線性演化特征，提出了巖樣屈服前外力功大部分轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能存儲(chǔ)于巖樣內(nèi)部，且強(qiáng)度高的巖石極限存儲(chǔ)能能力愈大；張志鎮(zhèn)等[11]對(duì)紅砂巖試樣進(jìn)行了不同圍壓下的軸向加卸載試驗(yàn)，揭示了巖石彈性能和耗散能演化及分配規(guī)律的圍壓效應(yīng)，得到了隨著圍壓的增高，巖石儲(chǔ)能極限大致呈冪指數(shù)增長(zhǎng)的結(jié)論；王子輝等[12]對(duì)花崗巖進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，分析了循環(huán)加卸載條件下花崗巖聲發(fā)射特征，研究了花崗巖破裂過(guò)程中能量演化特征，指出峰值應(yīng)力前，能量主要為彈性能聚集和釋放，峰值應(yīng)力時(shí)耗散能急增導(dǎo)致巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性的變化，耗散能在峰后階段所占比重持續(xù)增加使得巖石進(jìn)入加速破壞階段；孟慶彬等[13]開展了不同圍壓下巖樣的三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，提出了能耗比(耗散能密度與彈性能密度的比值)表征受載巖樣內(nèi)部損傷積累狀態(tài)，且在峰前階段，能耗比隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，在峰后階段，能耗比先增大后減小，且圍壓可抑制能量的耗散和釋放。

前人對(duì)于煤巖組合體研究主要是單純從力學(xué)特性和變形特征的角度，但是煤巖組合體本身屬于2種不同的介質(zhì)，強(qiáng)度、組分及微細(xì)觀結(jié)構(gòu)等方面差異性較大。因此僅從力學(xué)特性和變形特征角度研究煤巖組合體的破壞機(jī)理具有一定的局限性；并且現(xiàn)階段而言，巖石能量損傷分析主要針對(duì)純巖試件，對(duì)于煤巖組合體的能量損傷演化規(guī)律及破壞機(jī)理研究并不深入。本文設(shè)計(jì)了純煤、煤巖組合體和純巖3種試件單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，深入研究了煤巖組合體輸入能密度、彈性能密度和耗散能密度演化規(guī)律，得到了不同試件的彈性能儲(chǔ)存速率及儲(chǔ)能能力的特性，探討了煤巖組合體能量破壞機(jī)理，為礦井災(zāi)害發(fā)生機(jī)理和防治研究提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試件制備及分組

試驗(yàn)所用的煤樣、巖樣均取自山西某礦煤層及細(xì)砂巖頂板巖層，并嚴(yán)格按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)范要求[14]進(jìn)行加工。煤巖組合體試件制作：首先用取芯機(jī)從煤樣、巖樣鉆取直徑50 mm的圓柱體煤體試件和巖體試件，再利用鋸石機(jī)將取出來(lái)的試件切割成高度50 mm的柱體，然后用平面磨床將其兩端磨平，要求各試樣兩端不平行度≤0.03 mm，兩端直徑偏差≤0.02 mm，最后按1∶1的高度比，用白乳膠將煤樣柱體和巖樣柱體組合成Φ50 mm×H100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。

為了研究循環(huán)加載條件下煤巖組合體的力學(xué)響應(yīng)及能量演化規(guī)律，共設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，以排除試驗(yàn)偶然性。其中第一組為純煤試件，第二組為煤巖組合體試件，第三組為純巖試件，如圖1所示。試驗(yàn)前挑選外觀較好的試件，測(cè)試試件密度及聲波速度，結(jié)果見表1。排除試件內(nèi)部缺陷，以免影響試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試件密度及聲波速度Table 1 Density and acoustic velocity of specimens

圖1 試驗(yàn)試件Fig.1 Experimental specimens

2.2 試驗(yàn)儀器及步驟

采用GCTS RTX-4000巖石伺服機(jī)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行循環(huán)加卸載單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下。

步驟一：先將試件放入伺服機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，并施加2.5 kN初始軸向壓力以固定試件。

步驟二：以每5 kN為一循環(huán)間隔，按照1 kN/s的應(yīng)力加載速率施加軸向應(yīng)力，再以相同的應(yīng)力卸載速率卸載到初始軸向壓力2.5 kN，完成一個(gè)循環(huán)加卸載過(guò)程。

步驟三：重復(fù)步驟二的循環(huán)加卸載過(guò)程，直至試樣破壞。

3 煤巖組合體力學(xué)性能響應(yīng)

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖2給出了循環(huán)加卸載條件下純煤、煤巖組合體、純巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 循環(huán)加卸載條件下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of specimens under cyclic loading and unloading conditions

由圖2可以看出，經(jīng)過(guò)一次循環(huán)卸載后，下一次加載過(guò)程中，當(dāng)外載荷超過(guò)上一次循環(huán)的最大應(yīng)力后，試件的變形曲線基本與原來(lái)單調(diào)加載曲線重合。這表明試件變形受循環(huán)加卸載作用影響較小，試件表現(xiàn)出明顯的變形記憶特征。通過(guò)純煤、煤巖組合體和純巖試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的光滑度可以看出，純煤和純巖試件的變形記憶特征尤其明顯，而煤巖組合體的變形記憶特征相對(duì)較弱，這主要是由于煤體、巖體組分及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的不同，加之煤巖組合體之間黏結(jié)面屬性的因素影響造成的。

3.2 力學(xué)特性變化

圖3給出了循環(huán)加卸載條件下純煤、煤巖組合體、純巖試件的單軸峰值抗壓強(qiáng)度和峰值彈性模量演化規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，單軸峰值抗壓強(qiáng)度為最后一次加載時(shí)的最大應(yīng)力值，峰值彈性模量由最后一次加載時(shí)峰值應(yīng)力的30%～70%近直線段計(jì)算而得。

圖3 試件單軸峰值抗壓強(qiáng)度和峰值彈性模量演化特征Fig.3 Evolution characteristics of peak uniaxial com- pressive strength and peak elastic modulus of specimens

由圖3可知，煤巖組合試件的單軸峰值抗壓強(qiáng)度和峰值彈性模量等力學(xué)參數(shù)與純煤試件相似，而與純巖試件相差較大，同時(shí)煤巖組合體試件的單軸峰值抗壓強(qiáng)度與峰值彈性模量較純煤試件分別增加了41.3%和87.9%；相反，煤巖組合體試件的單軸峰值抗壓強(qiáng)度與峰值彈性模量較純巖試件分別削弱了57.9%和83.6%。這表明煤樣加入巖樣對(duì)純巖試樣單軸峰值抗壓強(qiáng)度的削弱程度大于巖樣加入煤樣對(duì)純煤試樣單軸峰值抗壓強(qiáng)度的加強(qiáng)程度；相反，煤樣加入巖樣對(duì)純巖試樣峰值彈性模量的削弱程度小于巖樣加入煤樣對(duì)純煤試樣峰值彈性模量的加強(qiáng)程度。這主要是由于煤巖組合體在循環(huán)加卸載作用下，應(yīng)變并未與單軸峰值抗壓強(qiáng)度成比例變化。

4 煤巖組合體能量演化規(guī)律

4.1 能量損傷計(jì)算原理

根據(jù)文獻(xiàn)[16]—文獻(xiàn)[18]，由熱力學(xué)第一定律，假設(shè)巖石受外載荷過(guò)程中無(wú)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，則外載荷對(duì)巖石輸入能可以分為2個(gè)部分：一部分為載荷卸載后，可釋放、恢復(fù)的彈性應(yīng)變能Ue；另外一部分為所施加外載荷導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂隙不斷生成、擴(kuò)展和貫穿的不可逆的耗散能Ud。

循環(huán)載荷施加給巖石的輸入能、彈性應(yīng)變能和耗散能分布可以通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線得出，如圖4所示。

圖4 第i次循環(huán)彈性應(yīng)變能和耗散能關(guān)系Fig.4 Relationship between elastic strain energy and dissipation energy in the i-th cycle

(1)

(2)

(3)

式中：ε1,i為試件第i次循環(huán)加卸載條件下加載曲線的初始應(yīng)變；ε2,i為試件第i次循環(huán)加卸載條件下卸載曲線的終值應(yīng)變；ε3,i為試件第i次循環(huán)加卸載條件下加載曲線的極值應(yīng)變；f1,i為試件第i次循環(huán)加卸載條件下加載曲線的應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系；f2,i為試件第i次循環(huán)加卸載條件下卸載曲線的應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系。

4.2 煤巖組合體能量演化規(guī)律

圖5給出了循環(huán)加卸載條件下煤巖組合體輸入能、彈性應(yīng)變能、耗散能與軸向應(yīng)力之間的關(guān)系。

圖5 煤巖組合體能量與軸向應(yīng)力演化規(guī)律Fig.5 Evolution law of energy and axial stress of coal-rock assembly

由圖5可知，循環(huán)加卸載過(guò)程中，煤巖組合體的輸入能密度U、彈性能密度Ue和耗散能密度Ud隨軸向應(yīng)力σ增加而增加，且均表現(xiàn)出與軸向應(yīng)力σ明顯的非線性相關(guān)性，其函數(shù)關(guān)系可以用二次方程進(jìn)行較好擬合，擬合度R2均在0.92以上。煤巖組合體的輸入能密度、彈性能密度和耗散能密度與軸向應(yīng)力之間的關(guān)系可以分為4個(gè)階段：①平穩(wěn)階段，當(dāng)軸向應(yīng)力<5 MPa時(shí)，煤巖組合體在外載荷作用下，內(nèi)部原生微裂隙、缺陷逐漸閉合，此時(shí)能量增長(zhǎng)速率較小，曲線較為平緩，且彈性能密度曲線基本與輸入能密度曲線相重合，表明該階段輸入能主要以彈性能的方式儲(chǔ)存于煤巖組合體內(nèi)，而用于原生裂紋、缺陷擴(kuò)展和新裂紋生成的耗散能量較少；②近線性階段，當(dāng)軸向應(yīng)力由5 MPa增加到12.5 MPa時(shí)，煤巖組合體輸入能和彈性能與軸向應(yīng)力近似呈線性增加關(guān)系，且耗散能增量仍較少，此時(shí)煤巖組合體內(nèi)部微裂隙、缺陷閉合，主要產(chǎn)生可恢復(fù)變形，組合體表現(xiàn)出彈性特性；③急增階段，當(dāng)軸向應(yīng)力從12.5 MPa增加到30 MPa左右時(shí)，煤巖組合體輸入能與彈性能曲線逐漸分離，耗散能增加明顯，表明該階段煤巖組合體產(chǎn)生不可恢復(fù)變形，內(nèi)部裂隙擴(kuò)展、貫穿，并逐漸形成宏觀裂紋；④突跳階段，當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力33 MPa時(shí)，煤巖組合體耗散能出現(xiàn)“突跳”，其中CR1、CR2、CR3分組的耗散能增加量分別為2.4、4.0、3.4 kJ/mm3，遠(yuǎn)大于前三階段各循環(huán)的耗散能增加量，表明煤巖組合體已經(jīng)出現(xiàn)明顯貫穿，產(chǎn)生宏觀裂隙，此時(shí)巖石已經(jīng)完全破壞。

4.3 煤巖組合體能量破壞機(jī)理討論

為研究不同試件受外載荷作用下彈性能增長(zhǎng)速率大小，圖6給出循環(huán)加卸載條件下，純煤、煤巖組合體、純巖試件平均彈性能密度演化曲線。

圖6 不同試件平均彈性能密度演化曲線Fig.6 Evolution curves of average elastic energy density of different specimens

由圖6可知，隨著軸向應(yīng)力增加，純煤、煤巖組合體、純巖試件平均彈性能密度均呈明顯非線性增加趨勢(shì)，其中平均彈性能密度隨軸向應(yīng)力增長(zhǎng)速度以純煤試件最大、煤巖組合體試件次之、純巖試件最小；結(jié)合圖3可知，試件平均彈性能密度增長(zhǎng)速率關(guān)系與試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)關(guān)系表現(xiàn)出相反特征，同時(shí)根據(jù)平均彈性能密度演化曲線間臨近程度可知，煤巖組合體彈性能密度演化規(guī)律更接近于純煤，而與純巖相差較大。

為了研究各試件在外載荷作用下彈性能儲(chǔ)存能力強(qiáng)弱，圖7給出循環(huán)加卸載條件下純煤、煤巖組合體、純巖試件破壞峰值彈性能密度對(duì)比。

圖7 試件破壞峰值彈性能密度對(duì)比Fig.7 Comparison of peak elastic energy density of specimens at failure

由圖7可以看出，煤巖組合體的峰值彈性能密度大于純煤試件的峰值彈性能密度，結(jié)合圖3及式(2)可知，由于單軸抗壓強(qiáng)度增加，煤巖組合體彈性能儲(chǔ)存能力增強(qiáng)，但純巖試件的峰值彈性能密度低于煤巖組合體的峰值彈性能密度。這是由于峰值彈性能密度除了受到單軸抗壓強(qiáng)度的影響，同時(shí)還與峰值應(yīng)變有關(guān)。根據(jù)圖2不同試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線得出，純煤、煤巖組合體、純巖試件的峰值應(yīng)變分別為1.16%、0.87%、0.34%，此時(shí)純巖試件雖然受到較大的外載荷作用，但產(chǎn)生的應(yīng)變量遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)比例的應(yīng)變量，導(dǎo)致純巖試件峰值彈性能密度較小，即儲(chǔ)存彈性能能力較弱；此外，純煤試件彈性能儲(chǔ)存能力與純巖試件儲(chǔ)存能力基本相同。

通過(guò)以上分析可知，在外載荷作用下，各試件彈性能增長(zhǎng)速率，純煤試件強(qiáng)于煤巖組合體，更強(qiáng)于巖石試件；而彈性能儲(chǔ)存能力，煤巖組合體大于純煤、純巖試件。由此可以得出，煤巖組合體能量破壞機(jī)理為：煤巖組合體在外載荷作用下，煤體和巖體部分同時(shí)開始儲(chǔ)存彈性能，但由于相同應(yīng)力增量條件下，煤體彈性能儲(chǔ)存速率遠(yuǎn)大于巖體，煤體首先達(dá)到彈性能儲(chǔ)存極限，產(chǎn)生破壞，其后煤體破壞瞬間釋放的能量傳遞至巖體，使原本未達(dá)到儲(chǔ)能極限的巖體輸入能量突增，并超過(guò)巖體的彈性能儲(chǔ)存能力，最終煤體裂紋擴(kuò)展貫通至巖石內(nèi)部，因此在煤巖組合體內(nèi)煤體彈性能的釋放誘使巖體發(fā)生破壞。

5 結(jié) 論

(1)煤巖組合體的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量位于純煤和純巖試件之間，但不是簡(jiǎn)單的“取平均”，而是更傾向于純煤試件。煤體是控制煤巖組合體力學(xué)特性的主要因素。

(2)外載荷作用下，煤巖體輸入能、彈性能、耗散能隨軸向應(yīng)力增加呈明顯非線性增加趨勢(shì)，且彈性能占比較高，耗散能占比低；能量-應(yīng)力曲線可分為平穩(wěn)階段、近直線階段、急增階段、突跳階段；載荷臨近峰值強(qiáng)度時(shí)，耗散能產(chǎn)生“突跳”，其后試件破壞。

(3)煤巖組合體能量破壞機(jī)理為：外載荷作用使煤體和巖體同時(shí)開始儲(chǔ)存彈性能，由于煤體彈性能儲(chǔ)存速率較快，其內(nèi)部彈性能率先達(dá)到儲(chǔ)能極限，導(dǎo)致煤體破壞并向巖體釋放彈性能，當(dāng)達(dá)到巖體的儲(chǔ)能極限時(shí)，巖體發(fā)生破壞。