王 鈺 石 杰 鞏 金

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918）

近年來，隨著煤炭資源的持續(xù)開采，淺部煤層資源逐漸枯竭，煤炭開采不得不向深部轉(zhuǎn)移。此外，我國部分地區(qū)薄煤層普遍存在，常常形成工作面巷道或硐室布置在兩個(gè)或兩個(gè)以上的巖層中，形成特有的“巖層-煤層-巖層”復(fù)合結(jié)構(gòu)。在深部高地應(yīng)力及工作面回采應(yīng)力擾動(dòng)的影響下，“巖煤巖”復(fù)合結(jié)構(gòu)的巷道圍巖常出現(xiàn)不均勻變形、失穩(wěn)破壞等問題，容易引發(fā)各種礦山災(zāi)害。因此，對于巖煤巖復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特征的研究是保障煤炭開采安全高效發(fā)展的重要課題。

煤巖組合體結(jié)構(gòu)越來越受到大家的廣泛關(guān)注，大量學(xué)者針對煤巖組合體強(qiáng)度[1-4]、破壞模式[1]、聲發(fā)射[3]和損傷特征[4]等方面展開了研究，取得了可喜成果。然而，室內(nèi)試驗(yàn)中試樣重復(fù)性差，組合體試件內(nèi)部破壞特征難以觀測，試驗(yàn)結(jié)果離散性強(qiáng)，開展大批量的試驗(yàn)研究難度大，將數(shù)值模擬引入煤巖組合體的研究中十分必要。郭曉亞等[5]基于COMSOL 數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了煤巖和煤巖煤組合體模型，研究煤巖組合體破壞失穩(wěn)及能量演化規(guī)律；Ma 等[6]通過PFC 數(shù)值模擬軟件研究了不同加載速率下煤-巖組合體的強(qiáng)度、變形及能量特征；周元超等[7]利用RFPA2D 數(shù)值模擬軟件研究了不同高度比的煤巖組合體在不同組合方式下力學(xué)特性和聲發(fā)射特征；郭東明等[8]基于數(shù)值模擬方法，對4 種不同傾角組合煤巖體進(jìn)行了研究，獲得了單軸和三軸壓縮條件下組合煤巖體的宏觀破壞機(jī)制，并分析了煤巖組合體中煤、巖不同傾角交界面對煤巖組合體整體變形破壞的影響。學(xué)者們利用COMSOL、PFC、RFPA2D 等模擬軟件，研究了組合體細(xì)觀破壞機(jī)制和能量演化規(guī)律，取得了一定成果。

目前針對煤巖組合體的研究已經(jīng)取得了相當(dāng)多的成果，不僅增強(qiáng)了對煤巖組合體的理解，也為解決實(shí)際開采過程中的問題提供了理論支持。然而，針對巖煤巖組合結(jié)構(gòu)的研究卻較少。針對以上問題，本文利用離散元模擬軟件PFC（Particle Flow Code），對不同高度比的巖煤巖組合體強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，以期對煤巖組合體變形失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行探索，為工作面安全回采提供參考。

1 巖煤巖組合體模型及模擬方案

顆粒流數(shù)值模擬軟件PFC（Particle Flow Code）已經(jīng)在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其在礦山崩落開采、邊坡穩(wěn)定、地下工程的破裂損傷、巖體損傷以及多場耦合等問題的研究上表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。其平行黏結(jié)模型（Parallel Bond Model）對于巖土體力學(xué)和破壞行為的仿真效果已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。這種模型可以模擬顆粒間的力學(xué)交互作用，捕捉巖土材料的破壞過程，對復(fù)雜的礦山環(huán)境和工況進(jìn)行有效的模擬。本文選取PFC 模擬軟件作為主要研究工具，借助平行黏結(jié)模型探究不同高度比的巖煤巖組合體強(qiáng)度特性，并進(jìn)一步揭示其變形失穩(wěn)機(jī)理。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺寸，建立了50 mm× 100 mm 的巖煤巖組合體數(shù)值模型，分別設(shè)置顆粒粒徑最大值和最小值為0.3 mm 和0.45 mm，于模型區(qū)域中共生成顆粒10 039 個(gè)。為研究不同高度比對巖煤巖組合體試樣強(qiáng)度的影響，設(shè)置了煤巖總高度與砂巖高度比為0.25、0.5、1 和2 的四種方案，如圖1。

圖1 數(shù)值模型與方案

為了確保影響因素的唯一性，采用了相同的顆粒粒徑來進(jìn)行數(shù)值模擬。由于PFC 中顆粒的細(xì)觀參數(shù)不能直接對應(yīng)巖石的宏觀參數(shù)，因此通過室內(nèi)試驗(yàn)分別標(biāo)定了巖體和煤體的細(xì)觀參數(shù)，具體參數(shù)詳見表1。在模擬過程中，參考室內(nèi)試驗(yàn)的設(shè)置，并以0.01 mm/s 的速率進(jìn)行加載，同時(shí)使用FISH 編程實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣在加載過程中的強(qiáng)度參數(shù)和裂紋擴(kuò)展變化情況。

2 高度比對巖煤巖組合體強(qiáng)度特征的影響

2.1 高度比對組合體強(qiáng)度參數(shù)的影響

為研究高度比對巖煤巖組合體強(qiáng)度特性的影響，選取了起裂應(yīng)力、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量四種典型強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行分析。這些參數(shù)不僅可以反映巖煤巖組合體的基本強(qiáng)度特性，還可以理解其在不同高度比下的變形和破壞過程。其中，起裂應(yīng)力可以反映材料在受力后開始產(chǎn)生微裂紋的應(yīng)力值，有助于了解材料的初期損傷行為。本文中起裂應(yīng)力通過監(jiān)測微裂紋數(shù)量獲得，將微裂紋數(shù)為1 時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力作為起裂應(yīng)力。另一方面，峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變值被視為峰值應(yīng)變。在應(yīng)力應(yīng)變曲線中，取彈性段來計(jì)算彈性模量。

如圖2（a）所示，隨著煤巖高度比的增加，試樣的起裂應(yīng)力呈現(xiàn)整體減小的趨勢。值得注意的是，當(dāng)煤巖高度比由0.25 增加至0.5 時(shí)，試樣的起裂應(yīng)力呈現(xiàn)出驟減的趨勢。當(dāng)高度比從0.5 增加到2 時(shí)，起裂應(yīng)力的減小趨勢變?yōu)榻凭€性。表明在該階段，雖然煤層高度繼續(xù)增加，砂巖層厚度繼續(xù)減小，但是對起裂應(yīng)力的影響逐漸降低，不再出現(xiàn)驟減的情況。

圖2 高度比對巖煤巖試樣強(qiáng)度參數(shù)的影響

在組合體峰值應(yīng)力變化方面，如圖2（b），組合體強(qiáng)度整體表現(xiàn)出隨煤巖高度比增加而減小的趨勢，最終逐漸趨于穩(wěn)定。這種趨勢從側(cè)面印證了煤層與砂巖對于整體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不同。當(dāng)煤巖高度比分別為0.25、0.5、1 和2 時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度相應(yīng)為31.8 MPa、28.9 MPa、26.5 MPa 和25.2 MPa。

如圖2（c）所示，隨著煤巖高度比的增加，巖煤巖組合體試樣的峰值應(yīng)變整體表現(xiàn)出增加的趨勢。這可能是因?yàn)槊簩咏Y(jié)構(gòu)更容易發(fā)生形變，隨著煤層厚度的增加，對應(yīng)的砂巖厚度減小，在達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，組合體的變形量也相應(yīng)增加。通過對比圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，起裂應(yīng)力與峰值應(yīng)變之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。具體來說，隨著起裂應(yīng)力的降低，峰值應(yīng)變則呈現(xiàn)出增加的趨勢，二者的變化方向正好相反。這說明，在強(qiáng)度降低（表現(xiàn)為起裂應(yīng)力降低）的情況下，試樣在受力后產(chǎn)生的變形（表現(xiàn)為峰值應(yīng)變）會(huì)增大。

在組合體彈性模量變化方面，發(fā)現(xiàn)組合體彈性模量整體趨勢與峰值應(yīng)力的變化趨勢相似。隨著煤巖高度比的增加，試樣的彈性模量表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，表明煤巖高度比增加對組合體的剛度（表現(xiàn)為彈性模量）產(chǎn)生負(fù)面影響。具體而言，當(dāng)煤巖高度比分別為0.25、0.5、1 和2 時(shí)，試樣的彈性模量分別為9.1 GPa、7.0 GPa、5.0 GPa 和4.4 GPa，如圖2（d）。

從研究結(jié)果來看，隨著巖煤巖組合體中煤層厚度的增加，試樣的起裂應(yīng)力、峰值應(yīng)力和彈性模量都顯示出整體的減小趨勢。這可能是因?yàn)閺?qiáng)度相對較弱的煤層對組合體的整體強(qiáng)度產(chǎn)生了削弱的影響。特別是當(dāng)煤巖高度比從0.25 增加到0.5 時(shí)，試樣的起裂應(yīng)力和峰值應(yīng)變均出現(xiàn)了顯著的減小，這可能表明在這一高度比下，試樣的承載能力發(fā)生了急劇變化，可認(rèn)為高度比為0.5 時(shí)為巖煤巖試樣承載能力發(fā)生急劇變化的閾值。因此，現(xiàn)場回采時(shí)，當(dāng)煤巖層的高度比大于0.5 時(shí)，建議采取加強(qiáng)圍巖支護(hù)等預(yù)防措施，以降低礦山災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。這些措施可能包括加強(qiáng)圍巖的支護(hù)，調(diào)整采礦參數(shù)，以及實(shí)施有效的礦山災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)等?？偟膩碚f，本研究為深部礦山的安全生產(chǎn)提供了有力的理論依據(jù)和參考指導(dǎo)。

2.2 高度比對巖煤巖組合體AE 特征的影響

聲發(fā)射技術(shù)是一種有效的非破壞檢測方法，廣泛應(yīng)用于巖石內(nèi)部微裂紋發(fā)展的實(shí)時(shí)監(jiān)測。聲發(fā)射計(jì)數(shù)可以反映試樣在加載過程中微裂紋的發(fā)展情況，因此對于分析其破壞機(jī)理具有重要意義。在本研究中，使用FISH 語言對巖煤巖組合體在不同高度比下的聲發(fā)射變化特征進(jìn)行了研究。FISH 是一種嵌入在離散元軟件PFC 中的腳本語言，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算和模型操作。通過FISH 語言對試樣中極小應(yīng)變微元內(nèi)的裂紋數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，并對不同高度比下組合體試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)進(jìn)行了比較，具體結(jié)果如圖3。

圖3 不同加載速率下試樣AE 特征

通過分析聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)巖煤巖組合體試樣在不同高度比下的聲發(fā)射特性可分為三個(gè)主要階段：線彈性階段、裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段以及峰值階段。這三個(gè)階段各自對應(yīng)了聲發(fā)射的平靜期、發(fā)育期以及爆發(fā)期。

1）線彈性階段對應(yīng)的聲發(fā)射平靜期：在此階段，試樣內(nèi)部微裂紋發(fā)展較緩慢，聲發(fā)射活動(dòng)相對較低，可以認(rèn)為此時(shí)處于聲發(fā)射平靜期。這一階段對應(yīng)了組合體的彈性形變階段。

2）裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段對應(yīng)的聲發(fā)射發(fā)育期：隨著加載的繼續(xù)，試樣內(nèi)部微裂紋開始加速發(fā)展，對應(yīng)的聲發(fā)射活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，表明進(jìn)入了聲發(fā)射發(fā)育期。這一階段的特點(diǎn)是裂紋的快速擴(kuò)展和聲發(fā)射活動(dòng)的明顯增強(qiáng)。

3）峰值階段對應(yīng)的聲發(fā)射爆發(fā)期：當(dāng)加載進(jìn)入峰值階段，試樣內(nèi)部微裂紋迅速擴(kuò)展至破壞，聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)入爆發(fā)期。這一階段的特點(diǎn)是試樣的破壞和聲發(fā)射活動(dòng)的劇增。

由圖3 可以看出，隨著“巖-煤-巖”組合體中煤巖高度比的增加，聲發(fā)射平靜期的時(shí)間范圍逐漸擴(kuò)大，同時(shí)聲發(fā)射爆發(fā)期所對應(yīng)的聲發(fā)射最大計(jì)數(shù)也逐漸減小。這一發(fā)現(xiàn)揭示了煤巖高度比與聲發(fā)射特性之間的密切聯(lián)系。具體而言，當(dāng)煤巖高度比為0.25，即弱屬性煤巖高度最小時(shí)，試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)最多，裂紋發(fā)育最為完全，且破壞更為劇烈。這表明，當(dāng)弱屬性煤巖占比較小的時(shí)候，組合體內(nèi)部的應(yīng)力集中效應(yīng)更為明顯，導(dǎo)致裂紋發(fā)育更為活躍，破壞更為劇烈。然而，當(dāng)弱屬性煤巖的高度逐漸增加，即煤巖高度比逐漸增大時(shí)，試樣破壞時(shí)產(chǎn)生的裂紋逐漸減少。這一現(xiàn)象可能是因?yàn)槊簬r的存在使得組合體的整體強(qiáng)度降低，從而降低了應(yīng)力集中效應(yīng)，減緩了裂紋的發(fā)育。同時(shí)，增加的煤巖部分可能導(dǎo)致組合體整體塑性變形能力增強(qiáng)，對破壞有一定的緩沖作用，因此聲發(fā)射計(jì)數(shù)減少。

3 結(jié)論

1）隨著巖煤巖組合體中煤巖的增加，試樣起裂應(yīng)力、峰值應(yīng)力和彈性模量整體呈減小趨勢，弱屬性煤巖對組合體強(qiáng)度有劣化作用，煤巖高度比為0.5時(shí)為巖煤巖試樣承載能力發(fā)生急劇變化的閾值。

2）煤巖組合體試樣聲發(fā)射整體可分為三個(gè)階段：線彈性階段對應(yīng)的聲發(fā)射平靜期、裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段對應(yīng)的聲發(fā)射發(fā)育期以及峰值階段對應(yīng)的聲發(fā)射爆發(fā)期。

3）隨著煤巖高度比的增加，聲發(fā)射平靜期的范圍逐漸增加，聲發(fā)射爆發(fā)期所對應(yīng)的AE 最大計(jì)數(shù)逐漸減小。隨著弱屬性煤巖高度逐漸增加，試樣破壞時(shí)產(chǎn)生的裂紋逐漸減少，試樣塑性變形更強(qiáng)。