張 艷，張 柯，侯婷婷

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000； 2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611700；3.商丘工學(xué)院，河南 商丘 476000)

目前與煤層伴生的巖土工程性質(zhì)對(duì)井下和露天開采作業(yè)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和安全具有重要意義，特別是煤巖組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為反映了煤巖界面在不同加載條件下的組合。隨著大規(guī)模高強(qiáng)度煤炭開采和開采技術(shù)的不斷提高，巷道設(shè)計(jì)逐漸由巖巷向煤巷過渡。大采深煤層巷道的穩(wěn)定性在很大程度上取決于RCR組合體在高應(yīng)力條件下的整體破壞特性。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤巷穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究，但僅有少量文獻(xiàn)對(duì)RCR試樣的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，尤其是對(duì)不同煤層厚度的RCR試樣在常規(guī)壓縮條件下的力學(xué)行為進(jìn)行了較為全面的研究[1]。顆粒流模型模擬方法能夠有效地反映巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征，從根本上揭示巖石變形破壞的機(jī)理。本文首先通過工程鉆探取芯，獲得天然RCR試樣并對(duì)其進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，目的是揭示煤層厚度對(duì)RCR質(zhì)量變形、強(qiáng)度和破壞模式的影響，進(jìn)一步揭示RCR質(zhì)量的破壞機(jī)理。研究結(jié)果可為闡明不同煤層厚度RCR質(zhì)量在煤炭資源開采過程中的力學(xué)特性及失穩(wěn)破壞機(jī)理提供參考。

1 RCR試樣的制備

1.1 鉆探機(jī)械的選擇

本文選取廣西工程機(jī)械研究所研制的中小型RTU系列取樣鉆機(jī)為礦井周邊巖土鉆探取芯的機(jī)械設(shè)備，主要有RTU-1、5、10、10A、30型等型號(hào)[2]。完成了1、5、10、30、75 m的鉆機(jī)系列，基本完善了淺層取樣鉆探鉆機(jī)系列。

RTU-5型取樣鉆機(jī)為手持式鉆機(jī)，鉆進(jìn)最大孔深1 m，汽油機(jī)帶動(dòng)，功率1.1 kW；RTU-1型(圖1)取樣鉆機(jī)包括汽油機(jī)、金剛石動(dòng)力頭、螺旋動(dòng)力頭和給進(jìn)加壓機(jī)構(gòu)4部分組成；該鉆機(jī)也是采用汽油機(jī)帶動(dòng)，并且最大缺點(diǎn)在于固定在鉆機(jī)架上，只能垂直向下鉆孔，無法在壁上分不同的角度進(jìn)行鉆孔取樣，樣品直徑也不符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其主要技術(shù)參數(shù)[3]見表1。

圖1 RTU-1型取樣鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)鉆探取芯示意Fig.1 Schematic for field drilling and coring of RTU-1 sampling rig

表1 RTU-5型取樣鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Technical parameters statistics of RTU - 5 sampling drill

1.2 RCR試樣標(biāo)本制備

本文研究的煤巖通過RTU-1型鉆機(jī)取芯自山西某煤的礦的同一工作面。工作面位于10號(hào)煤層，深度在地下920～1 047 m[4]。該巖石為粉砂巖，為灰黑色中厚層狀巖石。煤和巖石塊被多層塑料薄膜包裹，以保持其原始狀態(tài)。根據(jù)測(cè)試計(jì)劃，在不同高度處理后選擇樣本進(jìn)行研究，沒有任何的外力機(jī)械性破壞。然后，取芯后的樣本被合并成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成的RCR試樣，直徑50 mm,高度100 mm,以適當(dāng)?shù)捻樞蛴脧?qiáng)力膠粘合[5]，如圖2所示。

圖2 RCR試樣結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of RCR sample structure

試樣的加工精度(平行度、平面度和垂直度)符合國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。將選定的標(biāo)本放入孵化器中，以便所有標(biāo)本在相同的相對(duì)濕度條件下。此外，在測(cè)試期間，室溫保持一致，以消除影響濕度、溫度及其他因素。

2 壓縮試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

2.1 測(cè)試設(shè)備和程序

單軸壓縮試驗(yàn)采用RWQU-2000伺服控制巖壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖3所示。該測(cè)試系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。所有樣品以0.005 mm/s的應(yīng)變速率加載[6]。單軸壓縮試驗(yàn)在自然狀態(tài)(室溫和濕度)下進(jìn)行。為了獲得在單軸壓縮試驗(yàn)下隨煤厚變化的力學(xué)行為，設(shè)計(jì)了5個(gè)試驗(yàn)方案。煤的高度分別為0(純巖樣本)、20、30、40、100 mm(圖2)。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種方案的試樣數(shù)不得少于3個(gè)，并選取有效數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖3 RWQU-2000伺服控制巖壓試驗(yàn)機(jī)Fig.3 RWQU-2000 servo controlled rock pressure testing machine

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析研究

(1)整體應(yīng)力—應(yīng)變曲線。不同煤厚的煤、巖石和RCR試樣的總體應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。RCR試件的整體應(yīng)力—應(yīng)變曲線與純煤或巖石試件相似，包括壓實(shí)階段、彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。試驗(yàn)結(jié)果表明，RCR試樣的整體彈性模量位于巖石和煤之間。屈服階段受煤層厚度變化的影響[7]。屈服階段的持續(xù)時(shí)間隨著煤層厚度的減少而減少。由于荷載控制和力學(xué)性能的加載方法，試樣的破壞持續(xù)時(shí)間從峰值應(yīng)力到完全破壞非常短。

圖4 RCR試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線示意Fig.4 Stress-strain curve of RCR specimen

此外，這些試樣在煤或巖石中的壓實(shí)度較大也是不正常的。原因是在測(cè)試期間，由于液壓油中的空氣不能被足夠的排出，測(cè)試設(shè)備沒有很好的工作。壓實(shí)階段同時(shí)也包括了空氣的變形?？諝鈮簩?shí)不夠，導(dǎo)致軸向載荷難以施加，致使壓實(shí)相的軸向應(yīng)變?cè)龃?。結(jié)果表明，用于數(shù)值模型微觀參數(shù)標(biāo)定的彈性模量和破壞模式的試驗(yàn)結(jié)果不受影響，僅受壓實(shí)階段的影響。因此，在這項(xiàng)研究中可以忽略壓實(shí)階段的影響。

(2)機(jī)械參數(shù)。RCR試件煤層厚度對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗壓彈性模量的影響如圖5所示。RCR試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量都隨著煤層厚度的減小而增加。也就是說，在相同的工程地質(zhì)學(xué)條件下，煤層的承載力隨著煤層厚度的減小而增大。此外，還揭示了薄煤層巷道掘進(jìn)時(shí)，由于承載能力較高，煤壁塑性區(qū)寬度可能小于厚煤層。

圖5 煤厚、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量之間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves among coal thickness,uniaxial compressive strength and elastic modulus

3 RCR試件數(shù)值模擬分析研究

3.1 數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)特性描述

仿真軟件PFC2D有2種不同的鍵合模型，分別是用于模擬顆粒材料和致密材料的接觸鍵合模型(CBM)和平行鍵合模型(PBM)。PBM有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)[8]，一方面，平行鍵可以在顆粒之間傳遞力和力矩，另一方面，鍵的斷裂可以導(dǎo)致宏觀剛度的立即下降。巖石是由不同大小和形狀的礦物顆粒組成的多孔材料，這些顆粒通過水泥黏結(jié)在一起。在常規(guī)加載條件下，巖石的破壞模式宏觀上包括劈裂破壞、剪切破壞、拉伸破壞及其組合，微觀上包括剪切破壞和拉伸破壞。巖石的宏觀破壞伴隨著顆粒破壞(微裂紋)的積累和合并。在PBM中，材料的微觀特性是由顆粒和鍵的剛度和強(qiáng)度參數(shù)來描述的。因此，采用PBM本構(gòu)模型描述取芯后的RCR試件。

3.2 數(shù)值 RCR 試樣及模擬程序

數(shù)值樣品的高度和寬度分別為100 mm和50 mm，與實(shí)驗(yàn)樣品的高度和寬度相似。數(shù)值樣本被離散成11 693個(gè)粒子。粒子的大小遵循一個(gè)均勻的分布，從0.3～0.4 mm不等。煤和巖石的平均單位分別為1 800 kg/m3和2 600 kg/m3[9]。生成模型后，通過分組這些球狀顆粒來建立RCR標(biāo)本。在實(shí)驗(yàn)研究中，只設(shè)計(jì)了3種RCR標(biāo)本，因?yàn)闃?biāo)本不夠，難以制備。為了詳細(xì)研究煤層厚度對(duì)RCR試樣強(qiáng)度、變形和破壞機(jī)理的影響，設(shè)計(jì)了6種RCR試樣，如圖6所示。

煤的高度分別為10、20、30、40、50、60 mm[10]。對(duì)不同煤層厚度的RCR試樣在不同圍壓(0、2、5、10、15、20 MPa)下進(jìn)行了一系列常規(guī)壓縮試驗(yàn)。

圖6 RCR試件數(shù)值仿真模型Fig.6 Numerical simulation model of RCR specimen

3.3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)和數(shù)值應(yīng)力應(yīng)變曲線在單軸壓縮下的比較如圖7所示。從圖7可以看出，數(shù)值模擬曲線和實(shí)驗(yàn)曲線都包括彈性變形階段、裂紋萌生和擴(kuò)展階段以及不穩(wěn)定破壞階段。

圖7 巖石試驗(yàn)對(duì)比曲線示意Fig.7 Schematic diagram of rock test comparison curve

然而，實(shí)驗(yàn)樣品在低應(yīng)力水平下也有壓實(shí)和非線性變形階段，這在數(shù)值樣品中沒有觀察到。這是因?yàn)閴簩?shí)階段很難在數(shù)值模擬中重復(fù)顯現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果之間的力學(xué)參數(shù)比較見表2。

在表2中，σc定義為單軸抗壓強(qiáng)度，E為應(yīng)力—應(yīng)變曲線線性部分的斜率。根據(jù)表3，它清楚地表明，模擬的峰值應(yīng)力和彈性模量幾乎等于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試了數(shù)值煤巖試樣的抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)度在安全數(shù)值的5%～20%內(nèi)，分別為1.79 MPa和11.99 MPa[11]，煤和巖石的實(shí)驗(yàn)破壞模式、數(shù)值破壞在仿真模擬下和真實(shí)試樣的破壞模式是軸向分裂，這與實(shí)驗(yàn)得到的相似。

表2 材料機(jī)械參數(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比Tab.2 Experimental comparison of mechanical parameters of materials

3.4 不同煤厚的 RCR 試樣的數(shù)值結(jié)果

在10 mm厚煤層不同圍壓下具有的RCR試樣的軸向偏應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖8 應(yīng)力—應(yīng)變曲線關(guān)系示意Fig.8 Schematic diagram of stress-strain curve

從圖8可以看出，隨著圍壓的增加，RCR試件的屈服應(yīng)力和峰值應(yīng)力逐漸增加。10 mm厚煤層，顯示了不同圍壓下不同煤層厚度的試樣的普遍應(yīng)力—應(yīng)變規(guī)律。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，RCR試件的變形和強(qiáng)度行為一般不僅取決于煤層厚度，還取決于圍壓。

4 煤巖失效及破壞規(guī)律分析

4.1 失效機(jī)理

不同煤層厚度的RCR試樣在不同圍壓下的破壞模式如圖9所示。

如圖9(a)所示，在σ3為0 MPa時(shí)，RCR試樣的失效主要是由于煤段的失效引起的。煤層厚度越薄，煤層破壞越嚴(yán)重。如圖9(b)和9(c)所示，在σ3為2、5 MPa時(shí)，除了厚度為10 mm或20 mm的情況外，RCR試樣的破壞也主要是由煤層斷面破壞引起的。

總之，RCR試樣的失效主要是由于在低圍壓條件下煤段的失效引起的。其原因是煤層的整體承載力小于巖層的承載力，煤層的破壞導(dǎo)致RCR試件的載荷釋放。如果煤層厚度足夠薄，則煤層的整體承載力隨著煤層厚度的減小，RCR試件的承載力增大，煤層斷面可能產(chǎn)生裂紋。此外，RCR試樣的破壞機(jī)理是煤層厚度小于30 mm時(shí)，煤段為整體破壞，而煤層厚度大于30 mm時(shí)，煤段為剪切破壞。這是因?yàn)楦鶕?jù)摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度理論，當(dāng)RCR試樣的煤層厚度足夠厚時(shí)，在煤層剖面上可以形成宏觀剪切面。當(dāng)σ3在10～20 MPa內(nèi)時(shí)，RCR試樣的破壞是由于煤層的破壞引起的巖石剖面，如圖9(d)—9(f)所示。原因如下：①當(dāng)煤體斷裂時(shí)，釋放的能量足以引起巖石斷面的破壞，因?yàn)樵诟邍鷫合聝?chǔ)存的能量較高[12]。②隨著圍壓的增加，RCR試樣變得越來越均勻。此外，當(dāng)煤層厚度大于30 mm時(shí)，煤層剖面存在明顯的剪切帶，除巖石剖面存在剪切帶外，其余部分與低圍壓條件下的剪切帶相似。當(dāng)煤層厚度小于30 mm時(shí)，破壞機(jī)制是煤層部分的嚴(yán)重破壞和巖石部分的剪切破壞。

圖9 試件在不同圍壓條件下的破壞分析Fig.9 Failure analysis of specimens under different confining pressures

4.2 煤厚對(duì)變形行為的影響

圍壓和煤層厚度對(duì) RCR 試件彈性模量的影響如圖10所示。從圖10(a)可以看出，對(duì)于相同的煤層厚度，隨著圍壓的增加，當(dāng)圍壓小于5 MPa時(shí)，RCR試樣的彈性模量均呈非線性增加。以40 mm厚煤層為例，隨著圍壓的增加，RCR試樣的彈性模量從1.62 GPa增加到1.75 GPa。然而，當(dāng)圍壓大于5 MPa時(shí)，隨著圍壓的增加，RCR試樣的彈性模量幾乎保持穩(wěn)定。這種現(xiàn)象的解釋可能是RCR試樣變得越來越多，并隨著圍壓的增加而均勻。

圖10 圍壓和煤層厚度對(duì)RCR試件彈性模量的影響Fig.10 Influence of confining pressure and coal seam thickness on elastic modulus of RCR specimen

從圖10(b)可以看出，對(duì)于相同的圍壓，RCR試樣的彈性模量都隨著煤層厚度的增加而非線性地減小。這是因?yàn)殡S著煤的比例增加，RCR試樣的性能與彈性模量較低的煤樣更相似。圍壓和煤厚對(duì) RCR 試樣峰值軸向應(yīng)變的影響如圖11所示。由圖11可知，隨著圍壓的增加，對(duì)于相同的煤厚，RCR試樣的峰值軸向應(yīng)變非線性增加，但增加速率是不同的。隨著煤層厚度的增加，RCR試樣的峰值軸向應(yīng)變的增加速率增加，直到達(dá)到40 mm。隨著煤厚的增加和圍壓關(guān)系，RCR試樣的峰值軸向應(yīng)變呈現(xiàn)非線性方差。當(dāng)σ3=0和2 MPa時(shí)，峰值軸向應(yīng)變隨著煤層厚度的增加先減小后增加。以σ3=2 MPa為例，隨著煤厚的增加，峰值軸向應(yīng)變由2.292 8×10-2減小到1.698 6×10-2，然后由1.698 6×10-2增大到1.827 4×10-2。當(dāng)σ3=5 MPa時(shí)，峰值軸向應(yīng)變先由2.477 8×10-2增加到2.968 8×10-2，然后由2.968 8×10-2減至2.720 5×10-2，這與σ3=0和2 MPa時(shí)的峰值軸向應(yīng)變不同，峰值軸向應(yīng)變最大值為20 mm。當(dāng)σ3在10～20 MPa內(nèi)時(shí)，即使峰值軸向應(yīng)變先增大后減小，煤層厚度的最大值仍為40 mm或50 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

通過物理鉆探取芯技術(shù)，獲得天然RCR試樣并對(duì)其進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)。結(jié)果表明，RCR試樣的整體彈性模量和峰值應(yīng)力位于巖石和煤之間。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用PFC2D對(duì)不同厚度RCR試樣進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同厚度RCR試樣在常規(guī)壓縮試驗(yàn)條件下的力學(xué)行為。主要結(jié)論如下:

(1)RCR試件的變形和強(qiáng)度行為不僅取決于煤層厚度，還取決于圍壓。①RCR試樣的彈性模量隨著圍壓的增加而非線性增加，然后幾乎保持穩(wěn)定。然而，在相同的圍壓下，彈性模量隨著煤層厚度的增加而非線性地減小。②RCR試樣的峰值軸向應(yīng)變隨著圍壓的增加而非線性增加。隨著煤厚的增加，當(dāng)σ3小于5 MPa時(shí)，軸向應(yīng)變峰值先減小后增大；當(dāng)σ3大于5 MPa時(shí)，軸向應(yīng)變峰值先增大后減小。③峰值應(yīng)力隨著圍壓的增加而增加，但是對(duì)于不同的煤厚，峰值應(yīng)力增加的速率是不同的。

圖11 圍壓和煤厚對(duì)RCR試樣峰值軸向應(yīng)變的影響Fig.11 Influence of confining pressure and coal thickness on peak axial strain of RCR specimen

(2)對(duì)于相同的圍壓，峰值應(yīng)力也隨著煤層厚度的減小而增大。在低圍壓條件下，RCR試件的破壞主要是由于煤層斷面的破壞。當(dāng)煤層厚度小于30 mm時(shí)，RCR試樣的破壞機(jī)理是煤層斷面的整體嚴(yán)重破壞，而當(dāng)煤層厚度大于30 mm時(shí)，破壞機(jī)理是煤層斷面的剪切破壞。在高圍壓下，RCR試樣的破壞是由煤層和巖層的破壞引起的。2個(gè)煤段都存在明顯的剪切帶而當(dāng)煤層厚度小于30 mm時(shí)，破壞機(jī)理是煤層破壞嚴(yán)重，巖層發(fā)生剪切破壞。研究成果為井下下和露天開采作業(yè)安全設(shè)計(jì)及生產(chǎn)提供了依據(jù)。