煤巖組合體分級循環加卸載力學特性的實驗研究

朱卓慧，馮濤，宮鳳強，葉洲元，喻智(.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，40083；.湖南科技大學 能源與安全工程學院，湖南 湘潭，40)

煤巖組合體分級循環加卸載力學特性的實驗研究

朱卓慧1,2，馮濤2，宮鳳強1，葉洲元2，喻智2
(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；
2.湖南科技大學 能源與安全工程學院，湖南 湘潭，411201)

使用MTS815巖石力學實驗系統，對煤巖組合體進行單軸分級循環加卸載實驗，對煤巖組合體在分級循環加卸載實驗條件下的力學特性進行分析。研究結果表明：在單軸分級循環加卸載實驗條件下，煤巖組合體破壞以剪切破壞機制為主；與單軸抗壓強度實驗結果相比，在單軸分級循環加卸載作用下，煤巖組合體內部微觀裂紋得到擴展，試樣的整體強度降低，試樣破壞更徹底；在分級加卸載過程第1階段中，煤巖組合體單循環應變曲線及能耗曲線呈現先驟然下降然后平緩下降的趨勢，初始應力與耗散能和應變呈現正相關關系。

煤巖組合體；分級循環加卸載；整體強度；耗散能

上保護層開采能夠使下部具有瓦斯突出危險性的煤層受到采動影響而減小突出危險性，是防治煤與瓦斯突出的有效措施。上保護層開采過程中巷道掘進、工作面開采、老頂初次來壓、周期來壓等對底板及被保護煤層產生反復的應力擾動，此時，被保護煤層與上保護層底板共同組成一種極復雜的巖石結構，由于其內部結構復雜，在不同的外部應力作用下會產生不同的宏觀力學表現[1]。巖石在不同應力條件下的破壞實際上是內部微裂紋、微缺陷在荷載作用下斷裂、發展、聚合及相互作用的宏觀體現[2-3]。巖石宏觀力學特性的表現決定于內部細觀結構在不同應力條件下的力學響應[4]。人們對煤巖組合體進行了研究，如：郭東明[5]等通過對4種不同傾角組合煤巖體單軸實驗、三軸實驗和有限元分析，得出傾角與煤巖組合體破壞強度、圍壓與煤巖組合體破壞強度、傾角與煤巖組合體黏聚力之間的關系；劉文崗[6]基于能量積聚-釋放誘發沖擊地壓的原理進行了組合體結構加載失穩實驗，發現煤巖組合體在加卸載過程和破壞失穩過程中表現出穩定態能量積蓄、非穩態釋放特性是非線性動力學過程；劉少虹等[7-8]運用改進的霍普金森壓桿對動靜載下煤巖結構的應力波傳播機制與能量耗散進行了研究，分析了應力波幅值和靜載對煤巖組合體中應變波波形、透射系數的影響等規律。通過理論分析和非線性力學模型建立，得到了一維動靜加載下煤巖組合系統的破壞判據、突跳位移和能量釋放的數學表達式，發現外載能量與自身固有能量之間的相互作用是導致模型階段性演化過程和混沌現象出現的原因；王學濱[9]運用拉格朗日元法，對彈性巖石與彈性-應變軟化煤體所構成的平面應變兩體模型破壞過程進行了模擬，并分析了巖石高度對應力-應變曲線、煤體變形速率、煤體破壞模式及剪切增量分布的影響；左建平等[10]使用MTS815實驗機和聲發射檢測系統對單體巖石、單體煤和煤巖組合體進行單軸實驗下的聲發射測試，對三者的破壞機制進行了對比；劉杰等[11]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，分析了巖石強度對煤、巖體整體失穩的影響；牟宗龍等[12]分析了巖-煤-巖組合體受載過程中各部分的位移、加速度、剛度及能量等物理參量的演化規律，提出了以煤體峰值后剛體和巖石卸載剛度為基本參量的組合體破壞的判別條件；張澤天等[13]利用MTS815巖石力學實驗系統，對巖-煤-巖、巖-煤及煤-巖3種組合方式試件進行了單軸和三軸壓縮實驗，對其力學特性及破壞特征進行了研究。為分析巖石在反復應力作用下的力學響應，尤明慶等[14-15]對大理石、矽卡巖進行了循環加卸載實驗，實驗表明循環加卸載情況下，試樣的整體強度得到提高；而周家文等[16]對砂巖進行了單軸循環加卸載實驗，實驗結果表明砂巖的循環加卸載強度比單軸壓縮強度小得多；劉建鋒等[17]通過研究循環荷載作用下巖石的阻尼特性，分析出了動彈模、阻尼比、動載荷之間的關系；楊永杰等[18]研究了鮑店礦3煤試樣循環載荷作用下的強度、變形及疲勞損傷過程。由于巖石的構造差異，不同的巖石在循環加卸載條件下具有不同的力學變化趨勢。鑒于煤巖組合體的特殊構造，煤巖組合體在循環加卸載作用下的力學響應更特殊。左建平等[19]對煤巖組合體進行了不同應力水平的循環加卸載實驗，對煤巖組合體的強度、耗散能、殘余變形、彈性模量等進行了研究。為更好地模擬開采過程中上保護層底板與被保護煤層組成的煤巖組合體受力狀態，本文作者采用原煤與砂巖組合試件進行分級循環加卸載實驗，對煤巖組合體在循環加卸載條件下的力學特性進行研究。

1　煤巖組合體試件及實驗方案

實驗所用原煤體采自貴州盤江煤電(集團)有限公司金佳礦，埋深500 m。使用直徑為50 mm的鉆機鉆取煤巖試樣，用巖石切割機將煤巖柱切割成直徑×高為50 mm×50 mm的小圓柱，用磨平機對煤巖樣進行研磨，保證兩端不平行度不大于0.01 mm，上下兩端偏差不大于0.02 mm。經組合，煤巖組合體均為直徑×高為50 mm×100 mm的小圓柱，徑高比為1:2。

為減少原煤體裂隙對實驗結果的影響，首先對煤樣波速進行測定，從中選取波速相近的煤體進行實驗。本實驗共加工28組試件，選取其中波速相近的3組進行單軸實驗，4組進行分級加卸載實驗。實驗使用湖南科技大學MTS815巖石力學測試系統。

軸抗壓強度實驗采用力控制加載方式，采用0.02 kN/s的加載速率，直到試件破壞，對試件的單軸抗壓強度進行測量。分級循環加卸載實驗采用力控制方式,采用0.02 kN/s的加載速率加載至設定的初始平均力，采用組合加載方式加固定振幅(6 kN)和頻率(1 Hz)的斜波循環載荷，逐步分級提高初始平均力等級(力分級差值取1.5 kN)，加載固定振幅和頻率的斜波循環載荷直到煤巖組合體破壞。分級加卸載方案見表1，分級加卸載力曲線見圖1。

表1　分級循環加卸載實驗方案Table 1　Multistage cyclical loading-unloading test plan

圖1　力加卸載示意圖Fig.1　Schematic of force loading-unloading test

2　煤巖組合體常規單軸實驗

單軸實驗測得煤巖組合體平均單軸抗壓強度為20.91 MPa。對砂巖實驗進行單軸抗壓強度實驗，測得砂巖單軸抗壓強度如表2所示。由表2可知：砂巖試樣的破壞強度高于煤的破壞強度。在實驗過程中，隨著荷載增加，煤體上首先出現微裂紋，當達到峰值荷載時，煤體產生典型的單斜面剪切破壞，部分部位出現粉碎性破壞，局部區域有煤樣剝落。單軸荷載條件下煤巖組合體的實驗參數及變形破壞如表3和圖2所示。

表2　單軸荷載下砂巖的基本物理力學參數Table 2　Fundamental physico-mechanical parameters of sandstone under uniaxial compression test

表3　單軸荷載下煤巖組合體的基本物理力學參數Table 3　Fundamental physico-mechanical parameters of coal-rock combination bodies under uniaxial compression tests

圖2　單軸荷載條件下煤巖組合體變形破壞圖Fig.2　Failure models of coal-rock combination bodies under uniaxial compression loading

3　煤巖組合體分級循環加卸載實驗

為模擬采礦工程中煤巖體所受循環荷載作用，對煤巖組合體進行單軸分級循環加卸載實驗，實驗結果如表4所示。從表4可見：在分級加卸載條件下，煤巖組合體的破壞強度(平均15.81 MPa)，相對單軸壓縮強度(平均20.91 MPa)有所降低。其主要原因是在分級加卸載過程中，內部裂紋在長時間循環擾動下不斷擴張，進而破壞煤巖組合體的整體性，降低其強度。在煤巖組合體分級加卸載實驗中，煤巖體組合體破壞仍為單斜面剪切破壞，但煤體比單軸壓縮實驗時更破碎，如圖3所示。從破壞機制看，分級加卸載條件下試件仍以剪切破壞機制為主，但與單軸實驗相比，煤體更破碎，這主要是分級加卸載導致煤體內部疲勞損傷所致。實驗結果表明：循環加卸載有助于煤巖組合體內部微裂紋的發展，能夠降低煤巖組合體的整體強度。

4　煤巖組合體循環加卸載能耗分析

在上保護層開采過程中，隨著頂板周期來壓和采煤機割煤振動的影響，煤巖組合體受循環加卸載應力作用，本實驗中煤巖組合體第1階段循環加卸載能模擬該情形下煤巖組合體的受力作用。提取MR-4，MR-5，MR-6和MR-7這4個試件第1階段應力應變曲線如圖4所示。

由圖4可知：煤巖組合體同一循環中加載和卸載曲線通常不重合，應力應變曲線形成多樣式的滯回環。這是煤巖組合體自身材料特性及原生缺陷、結合巖石材料的黏滯性所致。當加載和卸載曲線幾乎重合時，意味著此時煤巖組合體已經接近完全脆性材料，隨著應力增加，此時的煤巖組合體將破壞。

圖3　分級加卸載條件下煤巖組合體變形破壞圖Fig.3　Failure models of coal-rock combination bodies in multistage cyclical loading-unloading tests

表4　分級循環加卸載下煤巖組合體的物理力學參數Table 4　Physico-mechanical parameters of coal-rock combination bodies in multistage cyclical loading-unloading tests

由圖5可知：隨著循環加卸載次數增加，滯回環面積逐漸減小。滯回環面積代表1個循環過程中煤巖組合體能量耗散，因此，隨著循環加卸載次數增加，單個循環能量耗散減小，累計耗散增加。圖4、圖5顯示滯回環面積與初始應力呈正相關關系，初始應力越大的試件其能耗越大。這是由于循環加卸載過程中，較大的初始應力能夠充分閉合試件內部微觀結構，提高了單循環的能量耗散。

圖4　煤巖組合體循環加卸載第1階段應力應變曲線圖Fig.4　Stress-strain curves of coal-rock combination bodies at the first stage of cyclical load tests

圖5　煤巖組合體第1階段能耗曲線Fig.5　Energy dissipation curves of coal-rock combination bodies in the first cycle

5　煤巖組合體循環加卸載應變分析

煤體和砂巖作為沉積類巖石，在長期沉積環境下，礦物內部發育有大量的節理、裂紋、孔洞等微觀結構，同時還伴隨有水、瓦斯等物質，這導致煤巖組合體在循環加卸載過程中具有明顯的非線性彈性行為和滯后特性。對4個試樣第1階段各循環軸向應變進行統計，結果如圖6所示。

由圖6可看出：伴隨循環加卸載的進行，應變在整個過程中逐漸減少；在初始階段，由于煤巖體內部大量原生裂隙被壓實，應變量大；隨著循環加卸載進行，微觀結構減少，應變逐漸減少，并逐漸趨于穩定。試件的應變與初始應力成正相關關系，這是因為循環加卸載前期，較大的初始應力閉合了更多的微觀結構，造成了更大的應變；而在同一階段循環加卸載后期，可閉合微觀結構變少，應變相應減小。

圖6　煤巖組合體第1階段軸向應變統計結果Fig.6　Statistical results of strain of coal-rock combination bodies at the first stage

6　結論

1)煤巖組合體在同一循環中加載和卸載曲線通常不重合，應力應變曲線形成多樣式的滯回環，這主要是煤巖組合體自身材料特性、內部原生缺陷及材料的黏滯性所致。當加載和卸載曲線幾乎重合時，意味著此時煤巖組合體已經接近完全脆性材料，隨著應力增加，此時的煤巖組合體將發生剪切破壞。

2)隨著循環加卸載次數增加，滯回環面積逐漸減小。隨著循環加卸載次數增加，單個循環能量耗散減小，累計耗散能增加。此外，滯回環面積與初始應力呈正相關關系，初始應力越大的試件能耗越大。其原因在于在循環加卸載過程中，較大的初始應力能夠充分閉合試件內部微觀結構，提高單循環的能量耗散。

3)隨著循環次數增加，第1階段中單循環滯回環面積和應變都呈現驟然下降然后逐漸緩慢下降的趨勢，表明循環初始階段煤巖組合體內部大量微觀結構被壓密，致使應變急劇增加，后期微觀結構減少變形難度增大，同時初始應力與耗散能和應變呈現正相關趨勢。

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(編輯陳燦華)

Experimental research of mechanical properties on grading cycle loading-unloading behavior of coal-rock combination bodies at different stress levels

ZHU Zhuohui1,2,FENG Tao2,GONG Fengqiang1,YE Zhouyuan2,YU Zhi2
(1.School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;
2.School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

To research the mechanical properties of coal-rock combination bodies under multistage and cyclical loading-unloading,a multistage and cyclical uniaxial loading-unloading test(consisting of repeated loading and unloading)was conducted by using the MTS815 System.The results show that the shear failure is the main failure type occurring in the coal-rock combination bodies under multistage uniaxial cyclical loads.Crack propagation in the coal-rock combination bodies under multistage cyclical loads reduces the overall strength of the samples,resulting in more severe failure than in uniaxial compression test.At the first stage of the testing,the strain curve and energy dissipation curve of the samples for a single cycle tend to drop sharply and then go into a slower decline.Moreover,the initial stress shows a positive correlation with dissipate energy and strain.

coal-rock combination body;multistage cyclical loading-unloading;overall strength;energy dissipation

馮濤，教授，博士生導師，從事復雜煤層開采研究；E-mail:tfeng@hnust.edu.cn

TU45

A

1672-7207(2016)07-2469-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.039

2015-07-26；

2015-09-24

國家自然科學基金資助項目(51274095，51204068)；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放研究基金資助項目(13KF06)(Projects(51274095,51204068)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(13KF06)supported by the Open Projects of State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,CUMT)