巖石強度對于組合試樣力學行為及聲發射特性的影響

劉 杰,王恩元,宋大釗,楊勝利,鈕 月

(1.中國礦業大學安全工程學院,江蘇徐州 221008;2.中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室,江蘇徐州 221008)

巖石強度對于組合試樣力學行為及聲發射特性的影響

劉 杰1,2,王恩元1,2,宋大釗1,2,楊勝利1,2,鈕 月1,2

(1.中國礦業大學安全工程學院,江蘇徐州 221008;2.中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室,江蘇徐州 221008)

為研究巖石強度對煤、巖體整體失穩的影響,測試并研究了不同組合煤巖試樣單軸壓縮過程的破裂形式、應力應變特性、試樣強度、聲發射特性等規律,分析了巖石強度對于組合試樣力學行為的影響。結果表明:組合試樣應力－應變曲線位于煤體和巖石之間,更加靠近煤體;隨著巖石強度的升高,組合試樣從屈服到達峰值的速度越來越快;煤體相同條件下,巖石的強度較低時,組合試樣裂紋會向巖石內擴展,同時巖石發生拉伸破壞,巖石強度較大時,破裂主要發生在煤體內;組合煤巖試樣屈服點和峰值的應力比值相差不大,屈服點和峰值的應變比值隨巖石強度的升高不斷升高,兩者比值和巖石強度呈線性關系;組合試樣峰值應力處聲發射信號能量值和脈沖值隨巖石強度的增加呈線性升高。

組合煤巖試樣;巖石強度;應力－應變曲線;聲發射

煤巖動力災害是煤巖體在載荷作用下發生的突發性破壞或失穩現象,主要包括煤與瓦斯突出和沖擊地壓等[1－2]。深部開采條件下,煤巖體的破壞不僅受自身裂隙結構面的影響,而且受到煤巖整體結構及強度的影響[3],因此將頂底板巖石和煤層看作一個系統研究其破裂機制對于預防煤巖動力災害具有重要的意義。

在測試巖石應力－應變曲線過程中,將試驗機看作圍巖,試樣看作含裂隙巖體,試樣破壞時可以模擬現場動力失穩現象[4],研究人員發現試驗機剛度對于試樣破壞時的猛烈程度具有重要影響[5]。然而試驗機的剛度遠大于試樣,與現場圍巖性質相差較多,因此許多學者采用兩種性質不同的裂隙巖體相互組合對現場動力失穩現象進行研究,陳忠輝、唐春安等[6－7]利用試驗和數值模擬研究了串聯組合體的應力－應變曲線及聲發射特性。林鵬等[8]模擬了兩巖體系統受力破壞過程,解釋了由破裂體與非破裂體組成的巖體系統失穩破裂前的微震前兆規律。謝和平、左建平等[9－11]通過試驗研究了錢家營礦區組合體在不同受力條件下的破壞模式和應力應變特征、聲發射特性以及組合煤巖分級加卸載特性。郭東明、張澤天等[12－13]研究了不同傾角和組合方式對組合煤巖的強度與破壞機制的影響。鄧旭彪等[14]應用FLAC－3D軟件研究了幾何參數對兩體結構破壞的影響。黃炳香等[15]研究了加載速率對薛湖礦組合煤巖力學特性的影響。

近年來,以組合試樣的沖擊傾向性為對象,分析頂底板巖石對動力災害的影響規律引起了學者的重視,并進行了大量研究。劉波等[16]、齊慶新等[17]研究了不同高度比的煤巖組合試樣沖擊傾向性,發現組合試樣的沖擊傾向性指數高于單一煤樣。竇林名、陸菜平等[18－20]試驗研究了不同組合類型的頂板－煤樣－底板組合試樣的沖擊傾向性演化規律,發現隨著煤體強度、巖石強度及厚度的增加,組合試樣的沖擊傾向性隨之增強,康立軍、李曉璐等[21]的研究結果驗證了上述結果。

以上研究有助于認識組合試樣與單一煤巖試樣的力學差異,然而巖石強度對組合試樣的力學行為、破壞形式的影響。隨開采深度的增加,煤層應力越來越大,頂底板巖石的力學性質對于煤層應力的影響越來越大,進而對煤、巖整體失穩的影響越來越大,研究不同頂底板巖石強度對組合試樣力學性質的影響,對于預防深部煤巖體失穩具有重要的意義。

本文選用不同強度的巖石和同一種煤樣連接而成組合試樣,進行單軸壓縮試驗,分析其應力－應變曲線特征、試樣單軸抗壓強度、破壞形式及聲發射特性規律。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

對煤礦采掘工作面而言,圍巖發生失穩破裂前變形主要集中在煤體,因此組合試樣中煤體尺寸越大對于觀測變形越有利,但是頂底板巖石能夠傳遞上部和下部載荷以及在破裂發生時向外釋放能量,因此煤體所占比例不能無限大,最終組合試樣選用尺寸及組合方式如圖1所示。

圖1 組合試樣Fig.1 Sketch map of composite sample

試驗所用巖石試樣取自山西寺家莊煤礦(SR)、黑龍江新路煤礦(XR)、河南梁北煤礦(LR)、安徽金黃莊礦(JR)和北京大安山煤礦(DR),煤樣取自山西寺家莊煤礦(SC)。

根據國家標準和國際巖石力學學會標準,將巖石加工為兩種尺寸:?50 mm×30 mm和?50 mm× 100 mm;煤樣加工為兩種尺寸:?50 mm×40 mm和?50 mm×100 mm。其中?50 mm×100 mm標準試樣用于測試煤巖樣的力學性質;?50 mm×30 mm巖樣和?50 mm×40 mm煤樣按照圖1組合成組合試樣,將組合試樣分為5組,每組3個,如圖2所示,組合試樣組成及尺寸見表1。

圖2 組合試樣Fig.2 Composite samples

表1 組合試樣組成及尺寸Table 1 Compostion and size of samplesmm

1.2 試驗系統及步驟

1.2.1 試驗系統

試驗系統分為加載系統和聲發射采集系統,如圖3所示。加載系統采用YAW型伺服壓力機加載,壓力機最大載荷3 000 kN,加載速率精度±1%,可以采用載荷和位移兩種控制方式;聲發射采集采用美國聲學公司研制開發的CTA－1采集儀,選取兩個聲發射通道,1號聲發射傳感器布置于煤體,2號聲發射傳感器布置于巖石。

1.2.2 試驗步驟

試樣準備完成后,應變片分別粘貼于煤體和巖石試樣,連接聲發射采集系統,并進行儀器調試;將試樣放置于YAW伺服壓力機以300 N/s的速率進行加載,直至試樣破裂,測試其應力應變特性及組合試樣聲發射變化規律。

2 試驗結果

2.1 應力-應變曲線和破壞形態

圖3 試驗系統Fig.3 Test systems of composite samples

通過對組合試樣進行單軸壓縮試驗,得到了組合試樣的應力－應變曲線,如圖4所示,可以看出,組合煤巖的應力－應變曲線位于巖石和煤體的應力－應變曲線之間,與煤體的應力－應變曲線更加相似和接近。組合試樣和煤體應力－應變曲線存在顯著的屈服階段。單一煤樣受載時,應力峰值過后試樣發生較大的變形最終失去承載能力,而組合試樣在峰值應力過后發生較小的變形即發生破裂,說明組合試樣的破裂速度較單一煤樣快。

不同的巖石強度使得組合試樣從屈服點到峰值點這一階段存在差異。巖石強度較低時,如圖4中第I(巖石強度38.66 MPa),II(巖石強度57.86 MPa)兩組試樣,進入屈服階段后發生較大的應變才到達峰值應力,應力－應變曲線伴隨出現明顯的非線性過程;巖石強度逐漸增加時,試樣從屈服至峰值應力過程逐漸縮短,當巖石強度增加到94.57 MPa時,如圖4中第V組試樣所示,組合試樣應力－應變曲線中屈服至峰值應力階段非常短,說明隨著巖石強度的逐漸升高,組合試樣從屈服到達峰值應力所產生的應變越來越小,也就是說,試樣從內部發生裂紋擴展到試樣達到其強度極限越來越快。

圖5為5組組合試樣最終破裂形式,可以看出,組合試樣中煤體的破裂程度較巖石更高。在測試單一煤樣力學性質時,煤樣逐漸失去承載能力,很少出現煤塊飛濺和動力現象;然而組合試樣加載初期,煤體就會出現噼啪聲,伴隨有小煤塊飛濺,最終破裂時,煤體下部呈現出“三角形”形狀。煤體受壓會在內部產生徑向拉應力,而煤體抗拉強度遠低于其抗壓強度,可以推測,在遠離煤樣兩端靠近中部的區域產生的拉應力最大,煤體會最先剝落,由于上、下兩端巖石的夾持作用,兩端面處徑向破裂較試樣中部不明顯,因此試樣臨近破裂時,會在煤體內形成“X”型裂紋,煤體破裂后上部形成的“倒三角形”,煤體在自身重力的作用下垮落,進而形成最終破裂時的“三角形”形狀。

圖4 應力－應變曲線Fig.4 Stress-strain curves

圖5 組合試樣破裂形式Fig.5 Failure modes of composite samples

第I組和第II組試樣破裂時,裂紋向頂板巖石內擴展,造成巖石的破裂,形成了如圖5(a),(b)所示的裂紋。由裂紋的破裂面可以看出,巖石被分為兩部分,裂紋面較為齊整,表現為拉伸破裂。第III,IV,V組組合試樣巖石強度升高,破裂主要發生在煤體內,如圖5(c)～(e)所示。

2.2 特征應力和特征應變

圖6為第I組組合試樣應變時間曲線和應力－應變曲線,可以看出,在加載的初期(OA),試樣內部裂隙發育,隨加載的進行應變速率逐漸升高,之后隨張開裂隙越來越少,應變速率逐漸降低,因此OA段應變速率呈現先升高后降低的趨勢,相應地應力－應變曲線呈現上凹型。試樣內原生裂隙被壓實后,加載進入的彈性階段(AB),試樣可近似看作連續彈性介質體,此時試樣的應變呈線性升高,相應地應力－應變曲線呈線性增加。當應力達到試樣的屈服強度后,試樣內部裂紋開始擴展,加載進入BC段,此時應變速率逐漸增加,應力－應變曲線呈現出顯著的非線性變化。載荷達到試樣的抗壓強度后,內部裂紋出現大規模的擴展貫通,導致試樣失去承載能力。

由組合試樣應力－應變曲線可以看出,屈服點應力σy、應變εy和峰值點應力σc、應變εc對于分析試

圖6 應變－時間曲線和應力－應變曲線Fig.6 Strain-time curves and stress-strain curves

2.3 聲發射變化規律

圖7 特征應力和應變比值變化Fig.7 Characteristics stress and characteristics strain

圖8 應力和聲發射測試結果Fig.8 Results of stress and acoustic emission

聲發射信號反映的是試樣內部裂紋的閉合擴展和能量的釋放,組合試樣中不同的巖石對于試樣的破裂形式和破裂強度產生影響,尤其是在試樣發生破裂時,煤體發生破裂時巖石會向外釋放能量從而加劇試樣的破壞,此時會對聲發射信號產生明顯的影響。圖9為5組組合試樣峰值應力處聲發射信號能量值和脈沖值,即聲發射信號能量值和脈沖值的最大值隨巖石強度的變化,其中E為能量值,C為脈沖數。可以看出,隨著組合試樣中巖石強度的升高,聲發射信號能量和計數最大值均不斷升高,并且兩個通道的聲發射信號能量值和脈沖值近似呈線性升高。巖石強度從38.66 MPa升高到94.57 MPa時,1,2號通道聲發射能量分別增加了713.92%,67.53%,1,2號通道聲發射計數分別增加98.91%,30.63%,說明巖石強度的增加顯著增加了聲發射信號的最大值。

圖9 聲發射最大值隨巖石強度變化規律Fig.9 Change rules of acoustic emission maximum with the rock strength

3 結 論

(1)組合煤巖試樣應力－應變曲線位于煤體和巖石之間,并且更加靠近煤體;巖石強度增加會明顯縮短組合試樣從屈服點至峰值應力的過程;相比單一試樣而言,組合試樣受載過程中,存在明顯的碎塊飛濺現象,煤體最終呈現“X”型裂紋破裂;煤質相同的情況下,巖石強度較低,試樣破裂裂紋會向巖石內擴展,巖石強度較大時,破裂主要發生在煤體內。

(2)屈服點和峰值點的應力比值隨巖石強度的升高未出現明顯的變化,保持在0.8附近波動;屈服點和峰值點的應變比值隨巖石強度的升高不斷增大,兩者呈現良好的線性關系。

(3)聲發射信號能量和脈沖的最大值隨巖石強度的升高同時增加,巖石強度從38.66 MPa升高到94.57 MPa時,1,2號通道峰值應力處聲發射能量分別增加了713.92%,67.53%,1,2號通道聲發射計數分別增加98.91%,30.63%,并且峰值應力處的聲發射能量和巖石強度呈良好的線性關系。

[1] 王恩元,何學秋,李忠輝,等.煤巖電磁輻射技術及其應用[M].北京:科學出版社,2009.

Wang Enyuan,He Xueqiu,Li Zhonghui,et al.EMR technology of coal or rock and its application[M].Beijing:Science Press,2009.

[2] 王 振.煤巖瓦斯動力災害新的分類及誘發轉化條件研究[D].重慶:重慶大學,2010.

Wang Zhen.Study on new classification and induction and transforming conditions of dynamic sisasters in coal mine[D].Chongqing: Chongqing University,2010.

[3] Liu Congliang,Tan Zhixiang,Deng Kazhong,et al.Synergistic instability of coal pillar and roof system and filling method based on plate model[J].International Journal of Mining Science and Technology,2013,23:145－149.

[4] Hudson J A,Brown E T,Fairhurst C.Optimizing the control of rock failure in servo-controlled laboratory tests[J].Rock Mechanics, 1971,3(4):217－224.

[5] Cook N G W.Thefailure of rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science&Geomechanics Abstract, 1965,2(4):389－403.

[6] Chen Z H,Tang C A,Huang R Q.A double rock sample model for rockbursts[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science,1997,34(6):991－1000.

[7] 劉建新,唐春安,朱萬成,等.煤巖串聯組合模型及沖擊地壓機理的研究[J].巖土工程學報,2004,26(2):276－280.

Liu Jianxin,Tang Chun’an,Zhu Wancheng,et al.Rock-coal model for studying the rockburst[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2004,26(2):276－280.

[8] 林 鵬,唐春安,陳忠輝,等.二巖體系統破壞全過程的數模擬和實驗研究[J].地震,1999,19(4):413－418.

Lin Peng,Tang Chun’an,Chen Zhonghui,et al.Numerical and experimental study of deformation and failure behavior in a double rock specimen system[J].Earthquake,1999,19(4):413－418.

[9] 左建平,謝和平,吳愛民,等.深部煤巖單體及組合體的破壞機制與力學特性研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(1):84－92.

Zuo Jianping,Xie Heping,Wu Aimin,et al.Investigation on failure mechanisms and mechanical behaviors of deep coal-rock single body and combined body[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(1):84－92.

[10] 左建平,謝和平,孟冰冰,等.煤巖組合體分級加卸載特性的試驗研究[J].巖土力學,2011,32(5):1287－1296.

Zuo Jianping,Xie Heping,Meng Bingbing,et al.Experimental research on loading-unloading behavior of coal-rock combination bodies at different stress levels[J].Rock and Soil Mechanics, 2011,32(5):1287－1296.

[11] 左建平,裴建良,劉建鋒,等.煤巖體破裂過程中聲發射行為及時空演化機制[J].巖石力學與工程學報,2011,30(8):1564－1570.

Zuo Jianping,Pei Jianliang,Liu Jianfeng,et al.Investigation on acoustic emission behavior and its time-space evolution mechanism in failure process of cola-rock combined body[J].Chinese Journalof Rock Mechanics and Engineering,2011,30(8):1564－1570.

[12] 郭東明,左建平,張 毅,等.不同傾角組合煤巖體的強度與破壞機制研究[J].巖土力學,2011,32(5):1333－1339.

Guo Dongming,Zuo Jianping,Zhang Yi,et al.Research on strength and failure mechanism of deep coal-rock combination bodies of different inclined angles[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(5): 1333－1339.

[13] 張澤天,劉建鋒,王 璐,等.組合方式對煤巖組合體力學特性和破壞特征影響的試驗研究[J].煤炭學報,2012,37(10): 1677－1681.

Zhang Zetian,Liu Jianfeng,Wang Lu,et al.Effects of combination mode on mechanical properties and failure characteristics of the coal-rock combinations[J].Journal of China Coal Society,2012,37 (10):1677－1681.

[14] 鄧緒彪,胡海娟,徐 剛,等.兩體巖石結構沖擊失穩破壞的數值模擬[J].采礦與安全工程學報,2012,29(6):833－839.

Deng Xubiao,Hu Haijuan,Xu Gang,et al.Numerical simulation for burst failure of two-body rock structure[J].Journal of Mining &Safety Engineering,2012,29(6):833－839.

[15] Huang Bingxiang,Liu Jiangwei.The effect of loading rate on the behavior of samples composed of coal and rock[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2013,61:23－30.

[16] 劉 波,楊仁樹,郭東明,等.孫村煤礦－1 100 m水平深部煤巖沖擊傾向性組合試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23 (14):2402－2408.

Liu Bo,Yang Renshu,Guo Dongming,et al.Burst-prone experiments of coal-rock combination at－1 100 m level in Suncun Coal Mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(14):2402－2408.

[17] 李紀青,齊慶新,毛德兵,等.應用煤巖組合模型方法評價煤巖沖擊傾向性探討[J].巖石力學與工程學報,2005,24(S1): 4805－4810.

Li Jiqing,Qi Qingxin,Mao Debing,et al.Discussion on evolution method of bursting liability with composite model of coal and rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005,24(S1):4805－4810.

[18] Dou Linming,Lu Caiping,Mu Zonglong,et al.Experimental study of rock burst tendency of coal-rock compound samples[J].Progress in Safety Science and Techmology,2006,6:1729－1732.

[19] Lu Caiping,Dou Linming,Li Huimin.Research on the evaluation of relieve-shot effect by microseism[J].Controlling Seismic Hazard and Sustainable Development of Deep Mines,2009(1):307－312.

[20] 陸菜平.組合煤巖的強度弱化減沖原理及其應用[D].徐州:中國礦業大學,2007.

Lu Caiping.Intensity weakening theory for rockburst of compound coal-rock and its application[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2007.

[21] 李曉璐,康立軍,李宏艷,等.煤－巖組合體沖擊傾向性三維數值試驗分析[J].煤炭學報,2011,36(12):2064－2067.

Li Xiaolu,Kang Lijun,Li Hongyan,et al.Three-dimensional numerical simulation of burst-prone experiments about coal-rock combination[J].Journal of China Coal Society,2011,36(12):2064－2067.

Effects of rock strength on mechanical behavior and acoustic emission characteristics of samples composed of coal and rock

LIU Jie1,2,WANG En-yuan1,2,SONG Da-zhao1,2,YANG Sheng-li1,2,NIU Yue1,2

(1.Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2 Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

In order to study the effect of rock strength on the overall instability of coal and rock,different coal and rock composite samples were tested under uniaxial compression condition,and the failure mode,stress-strain characteristics, uniaxial compression strength and acoustic emission characteristics during the uniaxial compression process were researched,besides,the effect of rock strength on mechanical behavior of composite samples was analyzed.The results show that the stress-strain curve of composite sample situates between that of the rock and the coal but closer with the coal stress-strain curve.With the increasing of rock strength,the rate of the combination sample from yield to peak is faster and faster.When the rock strength is low,the crack propagation in coal body expands to the rock,and tensile failure happens to the rock.With the same coal in the composite samples,when the rock strength is high,rupture occurs mainly in the coal.The ratio of yield point stress and peak stress of composite samples vary quite little with each other,the ratio of yield point strain and peak strain increases with the rising of the rock strength,and the ratio has line-ar relationship with rock strength.The energy and pulse of acoustic emission signals at the peak strength point of the combination sample increase linearly with rock strength rising.

coal-rock composite samples;rock strength;stress-strain characteristics;acoustic emission characteristics

TU458

A

0253－9993(2014)04－0685－07

劉 杰,王恩元,宋大釗,等.巖石強度對于組合試樣力學行為及聲發射特性的影響[J].煤炭學報,2014,39(4):685－691.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1490

Liu Jie,Wang Enyuan,Song Dazhao,et al.Effects of rock strength on mechanical behavior and acoustic emission characteristics of samples composed of coal and rock[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):685－691.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1490

2013－10－18 責任編輯:畢永華

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B07－2);國家自然科學青年基金資助項目(51304205);教育部科學技術研究項目(113031A)

劉 杰(1986—),男,山東鄒平人,博士研究生。Tel:0516－83884695,E－mail:liujie0805@163.com