組合方式對煤巖組合體力學特性和沖擊傾向性影響實驗研究

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2017.05

09文章編號： 1672-9315（2017）05-0655-07

（山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590）

摘要：為探討組合方式對煤巖組合體力學特性和沖擊傾向性的影響，基于煤巖單體試件單軸壓縮實驗，對自主構建的二元、三元組合體開展單軸壓縮實驗研究，探討不同組合體力學特性和沖擊傾向性規律。結果表明：組合體呈“碎狀”、“錐形”、“Y形”破壞；應力應變曲線對比明顯，有煤參與的組合體，壓密階段明顯，無煤參與的組合體，彈、塑性階段顯著；組合體強度受中間試件和上下試件接觸面積的影響：中間試件相同時，上下試件接觸面積越大，組合體強度越?。唤M合體中彈性模量小的軟弱巖層是能量積聚的主要載體；組合體組分之間硬度差別越大，沖擊能量指數越大，沖擊傾向性越強。關鍵詞：沖擊地壓；組合方式；煤巖組合體；沖擊能量指數中圖分類號：TD 324文獻標志碼： A

Effects of combination mode on mechanical properties and

rock burst tendency of the coalrock combinations

QIN Zhongcheng，CHEN Guangbo，QIN Qiongjie

（College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）Abstract：In order to investigate the influence of combination mode on the mechanical properties and impact tendency of the coalrock combination，the experimental research on the uniaxial compression of the binary and ternary assemblage is carried out.The mechanical properties and impact tendency of different combinations are discussed.The research proves that the combination shows “broken destruction”，“conical destruction” and “Y destruction”.The stressstrain curve shows distinct contrast： the compaction stage is obvious when the coal is involved in the combination.However，the elastic and plastic phases are remarkable when the coal is not involved in the combination.The strength of the combination is affected by the contact area between the middle specimen and the upper and lower specimens： when the middle specimen is the same，the contact area of the upper and lower specimens is larger and the strength of the combination is smaller.Weak rock stratum with small elastic modulus in the combination is the main carrier of energy accumulation.The greater the hardness difference between the composite components，the greater the impact energy index，and the stronger the impact tendency.Key words：rock burst；combination mode；coalrock combination；rock burst tendency

0引言隨著煤礦開采深度不斷加深和開采強度不斷增強，煤礦動力災害發生頻次和強度亦逐漸增加，尤其是沖擊地壓最為嚴重[1-3]。目前，國內外學者對沖擊地壓的研究，主要集中在3個方面[4-6]：①沖擊地壓發生機理；②沖擊地壓監測及預報；③沖擊地壓防治。近年來，國內外學者針對煤巖組合體沖擊效應進行了研究。左建平等[7-9]研究了煤巖體單軸、三軸壓縮的破壞特征和聲發射的不同。劉杰等[10]對不同組合煤巖試樣單軸壓縮過程的破裂形式、應力應變以及聲發射特性進行了研究。張澤天等[11]對不同組合方式煤巖組合體進行了單軸、三軸壓縮試驗研究。劉少虹[12]建立了一維動靜載下煤巖組合系統的非線性動力學模型。劉波、王曉南、趙同彬等[13-15]對煤巖體沖擊破壞進行了研究。陸菜平等[16-17]對煤巖體破壞時聲電效應、電磁輻射規律進行了試驗研究。竇林名等[18]研究了組分比例對煤巖體沖擊傾向性的影響。郭東明等[19]研究了傾角對組合體沖擊效應的影響。周宗紅等[20]模擬不同圍壓和不同傾角條件下組合體力學和聲發射特征。而運用實驗手段，開展組合方式對煤巖組合體力學特性和沖擊效應影響的研究較少。工程實際中，煤系地層由多種軟硬不同的巖層構成，這些巖層相間互層形成特有的力學性質，巖層組合不同，層間相互作用不同，沖擊效應亦不同。據此，筆者對煤巖層互層方式進行簡化，通過不同組合方式煤巖組合體單軸壓縮實驗，探究了組合方式對煤巖組合體力學特性和沖擊傾向性的影響，以期為煤炭資源開采過程中煤層和巖層不同互層沖擊效應的研究提供參考。

1實驗系統實驗地點在黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室。實驗采用TAW-2000

KN微機控制電液伺服巖石實驗系統（圖1）對試件進行全過程破壞實驗。圖2為測量試件應變的引伸計。

2實驗過程及結果

2.1煤巖單體基礎實驗選取黑龍江峻德煤礦17煤層及頂板細砂巖和粗砂巖進行實驗。試件加工遵照國家標準執行。對煤、細砂巖、粗砂巖分別加工6個標準試件（圖3）。

以位移控制加載方式，0.005 mm/s的加載速率分別對試件單軸壓縮，得到試件抗壓強度等參數。為減小誤差，對6組參數取均值（表1）。

2.2煤巖組合體實驗為簡單模擬工程現場沖擊情況，構建二元、三元組合試件模型（圖4）。

組合要求

1）上下巖塊為同種巖塊，中間巖塊為直徑50 mm，高100 mm的標準試件；2）為保證實驗時中間試件最先破壞，設定面積條件：S上/下>Rc中/Rc上/下·S中；3）試件接觸面積不同時，試件之間架設剛度極大、變形微小的鋼板。

二元組合：CFC，FCF，GCG，CGC，GFG，FGF；三元組合：FGCF，GFCG，CGFC.每種組合分別做6組

實驗。部分組合體如圖5所示。實驗過程與21

相同，得試件破壞形態（圖6）、應力應變曲線（圖7）、抗壓強度等參數平均值（表2）。

3實驗結果分析

3.1強度特征與破壞特征GCG，FCF，FGCF，GCFG組合體抗壓強度10～12 MPa，因為煤中裂隙、孔隙較多，且分布不均，壓縮時，裂紋擴展迅速，承載力下降，破壞時間短，呈“碎狀”破壞。CGC組合體破壞時間長，壓密過程明顯，這是煤中裂隙、孔隙不斷閉合導致的。FGF組合體中砂巖結構致密，壓密時間短，彈性階段為直線，持續時間長，呈“錐形”破壞。CFGC組合體壓密階段和彈性階段都較明顯。CFC組合體壓密階段、彈性階段較CGC組合體明顯，是因為細砂巖抗壓強度是粗砂巖的2.32倍。GFG組合體彈性階段持續時間長，呈“Y形”破壞。綜上所述，組合體強度特征與破壞特征受組分特性影響較大。由圖8知，GCG，FCF，CGC，CFC，FGCF，GCFG，CFGC組合體抗壓強度10～12 MPa，強度較低；FGF組合體抗壓強度53.57 MPa，接近粗砂巖抗壓強度；GFG組合體抗壓強度30.77 MPa.試驗機對中間試件的作用是通過上下巖塊來完成的，上下巖塊的面積不同，力的傳遞也不同，因此，組合體整體抗壓強度受中間試件和上下巖塊面積影響。中間試件相同時，上下巖塊接觸面積越大，組合體強度越低。

3.2沖擊能量指數分析沖擊能量指數（KE）指：試件在單軸壓縮狀態下，應力應變曲線峰值前積聚的變形能（Es）與峰值后消耗的變形能（Ex）的比值。巖石試件與煤試件破壞時沖擊能量指數判別標準不一，見表3可得組合體沖擊傾向性（表4）。

由表4知，GCG，FCF組合體都為強沖擊傾向性，但FCF組合體沖擊能量指數（6.019）比GCG組合體（5.137）大，表明FCF組合體沖擊傾向性比GCG組合體更強；CGC，CFC組合體都為強沖擊傾向，但CFC組合體沖擊能量指數（3.760）比CGC組合體（2.613）大，表明CFC沖擊傾向性強于CGC；FGF，GFG組合體為弱沖擊傾向。以上分析表明：組合體各組分之間硬度差別越大，沖擊傾向性越強。煤層頂底板越硬，越容易發生沖擊，越軟越不易發生沖擊。軟弱頂底板可通過自身變形耗散能量，而堅硬頂底板變形困難，能量釋放速度快，易引發沖擊。GCG，FCF，CGC，CFC，FGCF，GCFG，CFGC組合體為強沖擊傾向性，而FGF、GFG為弱沖擊傾向性。這表明：有煤試件參與的組合體沖擊傾向性強于無煤試件參與的組合體，煤試件主導著組合體的沖擊傾向，煤體自身屬性是發生沖擊地壓的主控因素，圍巖系統是誘發沖擊的必要條件。三元組合體的沖擊傾向性強，這表明：煤層頂板上方堅硬巖層、煤層底板下方的堅硬巖層以及煤層中夾存的較厚矸石層也對沖擊地壓發生起一定作用，易引發沖擊。工程實際中，需針對以上情況加以處理，對離煤層較遠的堅硬巖層或較厚夾矸層也應重視。

3.3組合體應力和能量分析組合體各組分之間力的傳遞是均等的，據此可得：σ上、下×S上、下=σ中×S中，從而求得中間標準試件所受應力，見表5.根據中間標準試件應力應變曲線，可得該應力下積聚的能量，即曲線下包絡的面積，以煤試件為例，如圖9所示。組合體其他組分積聚能量等于組合體總能量減去中間標準試件上的能量（表5）。

由表5知

1）GCG組合體煤積聚的能量占總能量的714%，粗砂巖占28.6%.FCF組合體煤積聚的能量占總能量的88.5%，細砂巖占11.5%.CGC組合體煤積聚的能量占總能量的79.6%，粗砂巖占204%.CFC組合體煤積聚的能量占總能量的790%，細砂巖占21.0%.FGF組合體粗砂巖積聚的能量占總能量的61.2%，細砂巖占38.8%.GFG組合體粗砂巖積聚的能量占總能量的76.5%，細砂巖占23.5%；2）FGCF組合體，煤積聚的能量占總能量的79.8%，粗砂巖占12.1%，細砂巖占8.1%.GCFG組合體，煤積聚的能量占總能量的74.0%，粗砂巖占22.0%，細砂巖占4.0%.CFGC組合體，煤積聚的能量占能量的76.3%，粗砂巖占18.8%，細砂巖上占4.9%.綜上所述，對于二元組合，有煤參與的組合體，煤積聚能量較多，無煤參與的組合體，粗砂巖積聚能量較多；對于三元組合，煤積聚能量最多，粗砂巖次之，細砂巖最少。這表明：在軟硬不同的組合煤巖層中，彈性模量越大的堅硬巖塊，儲能越??；而彈性模量越小的軟弱巖層，在能量儲存上更占優勢，更容易積聚能量。

4結論1）組合體破壞特征受各組分硬度影響較大。不同組合體呈“碎狀”、“錐形”和“Y形”破壞；有煤參與的組合體，壓密階段明顯，無煤參與的組合體，彈、塑性階段顯著；2）組合體強度受中間試件強度和上下試件接觸面積的影響。中間試件相同時，上下試件接觸面積越大，組合體強度越低；3）由軟硬不同的巖層相間互層構成的煤巖力學系統中，彈性模量較小的軟弱巖層較比堅硬巖層更容易積聚能量，是引發沖擊地壓能量積聚的主要載體，是能量積聚的關鍵層；4）組合體組分之間硬度差別越大，組合體沖擊傾向性越強。由于堅硬頂底板和軟弱頂底板能量釋放機制不同，煤層頂底板越硬，越容易發生沖擊地壓，反之，越不易發生沖擊地壓。

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