不同組合方式煤巖組合體強度及聲發射特征分析

周元超，劉傳孝，馬德鵬，趙 振

（山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

煤體在地層中往往不是單獨存在的，而是存在于巖層中，所以在開采煤炭過程中巷道的開挖及煤體的采出除了對該煤層造成破壞外，也會對煤層上下巖層結構的受力產生影響，進而導致煤巖界面的失穩破壞，因此在煤礦的開采過程中需考慮巖層與上下煤層之間的相互作用，將煤和巖石組成的煤巖體來研究其整體的力學性質具有非常重要的意義。針對煤巖組合體的研究，付斌[1-4]等對不同圍壓和不同組合傾角條件下的巖煤組合體，進行了力學特性的模擬。郭偉耀[5]利用顆粒流軟件 PFC2D對不同煤巖強度比和巖煤高度比的煤巖體進行模擬研究。王曉南[6-10]等對巖煤組合體沖擊破壞的聲發射以及沖擊傾向性方面進行了研究；王學濱[11-12]對煤巖兩體模型的變形及裂紋演化特征進行了研究。在組合方式的研究方面張澤天[13-15]等利用 MTS－815試驗機對不同組合方式的煤巖組合體進行單軸壓縮試驗，分析不同組合方式下試樣的強度及變形破壞特征差異；趙毅鑫、聶鑫[16-18]等對煤巖組合體變形破壞前兆信息的試驗以及煤巖組合體的力學特性進行了研究。由于煤巖結構復雜多樣，不同的影響因素對煤巖組合體的影響程度不同，現有針對組合體特征研究的文獻大都考慮某一方面的影響，基于此，為更加全面的分析不同影響因素下煤巖組合體的力學及聲發射特征，設計多種不同煤巖高度比及不同組合方式的組合體，利用RFPA2D模擬軟件對其進行數值模擬分析，探討不同影響因素對組合體強度及其聲發射特征的影響。

1 模型的建立與參數選擇

采用RFPA數值分析軟件建立不同組合的煤巖體計算模型，模型總體尺寸為寬×高＝50 mm×120 mm，單元劃分為寬×高＝100×240，其中組合煤巖體高度為100 mm，模型上下各設置厚度為10 mm的墊板。煤巖組合體模型如圖1，本文將煤與巖石的組合方式分為巖－煤、煤－巖、巖－煤－巖3種，并按照不同高度比，對其進行單軸壓縮模擬試驗，具體試驗參數及方案見表1與表2。

圖1 煤巖組合體模型

表1 組合煤巖體力學參數

表2 不同巖煤高度比及不同組合方式模擬方案

試驗采用平面應變模型，依照Weibull分布來確定模型細觀單元強度，破壞準則采用修正的莫爾－庫侖準則。數值試驗方案為單軸壓縮試驗，加載方式為軸向位移加載，每步加載位移增量為0.002 mm，直至模型破壞。其他計算控制參數如下：殘余強度百分比0.1，最大壓應變系數200，殘余泊松比1.1，拉壓比 1/10，最大拉應變系數 1.5。

2 不同高度比的煤巖組合體損傷破壞特征

2.1 組合體抗壓強度分析

在單軸壓縮條件下，分別對不同高度比的3種組合方式進行試驗。用A表示煤，B表示巖石用AB、B－A、B－A－B 依次表示煤－巖、巖－煤、巖－煤－巖 3種組合方式。不同組合方式在高度比下的抗壓強度模擬結果見表3。由表3可知，A－B型組合方式，當煤與巖的高度比為1∶3時，其單軸抗壓強度為11.59 MPa，由于巖石比煤結構致密抗壓強度大，所以此時組合體的強度要大于煤樣的強度，而隨著煤樣在組合體中高度的增大，其整體抗壓強度越來越小。當煤樣和巖樣的高度在組合體中為1∶1時，強度減小到8.47 MPa，隨著煤樣占比的繼續增大，當其高度比變為 5∶2時，組合體的強度減小到 7.93 MPa。同樣對于B－A型組合方式，當煤與巖高度比為1∶3時，其抗壓強度為11.07 MPa，隨著煤－巖高度比增加至3∶1 時，其抗壓強度減小到 7.87 MPa。對于 B－A－B型組合方式此規律性同樣存在。因此從該組模擬試驗結果得出隨著煤樣在組合體中所占高度比的增大，組合體的抗壓強度逐漸減小。

表3 不同組合方式在不同高度比下的抗壓強度模擬結果MPa

根據試驗結果數據對不同煤巖高度比d與組合體單軸抗壓強度E（d）進行擬合。可得：

對E（d）求一階導數，得到考慮煤－巖高度比與組合體強度演化方程為：

由式（2）可得，煤－巖高度比d與組合體的單軸抗壓強度E呈正相關，煤樣在組合體中所占比例越大，其組合體的抗壓強度越小。

2.2 組合體聲發射特征分析

2.2.1 聲發射事件分析

研究表明，聲發射是當材料或結構受到損傷和破壞時，其內部產生裂隙。聲發射信息能夠比較準確地反映組合體內部的損傷破壞情況，所以所釋放出來的應變能。煤巖的聲發射特征能較好地描述其變形和損傷演化特性。

以上巖下煤的巖－煤（B－A型）組合方式為例，對煤巖高度比為 1∶3、1∶1、3∶1 的組合體進行分析。各組試樣的聲發射事件曲線如圖2，當煤－巖的高度比為1∶3時，組合體加載到第33步達到最大應力值11.07 MPa，而聲發射數在第34步時突然增加至175，到第35步時的聲發射數都達到最大值340。高度比1∶1聲發射事件如圖3，當煤－巖的高度比為1∶1時，組合體加載至32步時達到應力最大值8.46 MPa，在第34步時聲發射數達到最大值為1 090次。高度比3∶1聲發射事件如圖4。隨著煤樣占比的繼續增大，煤－巖的高度比為3∶1時，當加載至40步時組合體的應力達到最大值7.87 MPa，此時聲發射數增加到159次，加載到第41步時聲發射數達到最大值1 541次。

圖2 高度比1∶3聲發射事件

圖3 高度比1∶1聲發身事件

圖4 高度比3∶1聲發身事件

通過試驗結果分析當試樣內部發生損傷破壞時，應力水平發生突降，試樣內部會產生大量的聲發射，而試樣內一旦出現裂紋，組合體的承載能力就會降低，組合體內應力將重分布再平衡，聲發射事件數也就必然增多。當加載到最大應力值附近時，聲發射較為集中，聲發射數目達到最大，兩者之間呈現出正相關，說明聲發射與應力之間相互關聯。

2.2.2 聲發射能量分析

試驗中巖樣與煤樣的模型高度比可作為實際工程中頂板與煤的組合體模型，選取上巖下煤B－A型的組合方式進行試驗結果分析，如圖5，在加載到20步之前，3種組合體的聲發射數目較少，聲發射累計能量大約為7×10－9MJ左右，這是由于剛開始加載組合體內部還未出現裂隙組合體產生的聲發射數很少。隨著荷載的增加，大約加載到32步時，試樣中加載的應力水平達到較高水平，試樣開始產生破壞，組合體內聲發射能量均有了明顯的提高，煤與巖高度比為 1∶3 的組合體其產生的聲發射能量為1.01×10－7MJ，明顯高于其它2種高度比的組合，煤與巖高度比為1∶1和3∶1的聲發射能量相差不大，分別為4.27×10－8J和 2.56×10－8MJ，但 1∶1 的煤巖組合體的聲發射能量稍大。在加載到60步時3種試件均已破壞，其中高度比為1∶3的組合體聲發射累計能量為6.31×10－7MJ，而煤與巖高度比為 1∶1 的組合體聲發射累計能量為 1.54×10－7MJ，煤與巖高度比為 3∶1 的組合體聲發射累計能量 1.27×10－7MJ。因此煤與巖高度的比值會對聲發射能量產生顯著影響，即組合試樣中巖樣高度比例越高，聲發射信號越強，其產生的聲發射能量越多。

3 不同組合方式的煤巖組合體損傷破壞特征

3.1 不同組合方式抗壓強度分析

圖5 不同高度比巖-煤組合方式聲發射能量圖

對煤－巖，巖－煤，以及煤－巖－煤組合體進行單軸壓縮模擬試驗，在相同的煤巖高度比下得到3種組合體的抗壓強度，其抗壓強度的大小如圖6，經過多組不同試驗方案得出，在煤巖高度比相同的條件下，上部為煤樣，下部為巖石的煤巖組合方式其單軸抗壓強度是最大的。而巖－煤、巖－煤－巖組合體的單軸抗壓強度依次降低。這種規律性在煤巖的高度比較小時更加明顯。當煤與巖高度比為1∶3，煤巖組合的單軸抗壓強度分別為11.59 MPa，巖煤組合體的抗壓強度為11.07 MPa；巖－煤－巖組合體的抗壓強度為10.52 MPa。當煤與巖高度比為1∶2時，煤巖組合體的抗壓強度為10.26 MPa，而巖－煤組合體的抗壓強度為9.67 MPa，巖－煤－巖組合體的抗壓強度僅為9.06 MPa。隨著煤巖高度比的進一步增加，隨著煤巖高度比的增大，當煤巖高度比為1∶1時煤巖組合體的單軸抗壓強度為8.47 MPa，巖煤組合體的抗壓強度為8.46 MPa，巖－煤－巖組合體的抗壓強度為8.23 MPa，3種組合方式的單軸抗壓強度幾乎相等，組合體的抗壓強度趨于同一水平。可知在煤巖高度比相同的情況下抗壓強度的由大到小的組合方式依次為煤－巖、巖－煤、巖－煤－巖，當組合體中煤樣所占的比例越來越大時，組合體的組合方式對抗壓強度產生的影響越來越小。

圖6 組合體不同組合方式的強度示意圖

3.2 不同組合方式對組合體聲發射特征

3.2.1 聲發射事件分析

分別選取煤樣與巖石高度比為1∶2的煤－巖、巖－煤、巖－煤－巖組合體為例進行聲發射分析。煤－巖組合體的加載步－應力與聲發射振鈴數如圖7，該組合體在加載到第35步時，應力達到10.26 MPa，在35步前后聲發射振鈴數也達到最大，最大值為513次。巖－煤組合方式加載步－應力與聲發射振鈴數如圖8，當加載到30步時應力達到最大值為9.67 MPa，而聲發射振鈴數此時也達到最大值625次。巖－煤－巖的組合方式加載步－應力與聲發射振鈴數如圖9，當組合體加載到27步時達到最大應力值9.06 MPa，此時聲發射數達到320次，并且當加載到第33步時達到最大值845次。因此組合體在應力達到最大時聲發射比較活躍，一般最大聲發射數的出現稍滯后于應力最大值出現。

圖7 煤-巖聲發射能量與應力圖

圖8 巖-煤聲發射能量與應力圖

圖9 巖-煤-巖聲發射能量與應力圖

3.2.2 聲發射能量特征分析

為探究不同組合方式的聲發射能量情況，選取煤與巖高度比為1∶2的煤－巖、巖－煤、巖－煤－巖組合方式進行聲發射能量分析。相同高度比不同組合方式聲發射能量如圖10，由圖10可以看出，每種組合方式在加載到最大應力之前，其聲發射能量相差不大，隨著荷載的增加組合體內部出現破壞，聲發射能量逐漸累積增大，其中煤－巖組合方式的聲發射能量增長明顯，最終其聲發射累積能量達到最大2.17×10－6MJ，而巖－煤組合方式的聲發射累積能量次之為 1.11×10－6MJ，巖－煤－巖的組合方式所產生的聲發射能量最小為 9.31×10－7MJ。可以發現組合體產生的聲發射能量與其抗壓強度成正比，即抗壓強度越大所產生的聲發射能量也就越多。

圖10 相同高度比不同組合方式聲發射能量

4 結論

1）隨著煤樣在組合體中高度比的增大，組合體的抗壓強度逐漸減小。

2）巖樣與煤樣的高度比值會對聲發射能量產生顯著影響，即組合體中巖樣的比例越高，聲發射信號越強，能量也越多。

3）在煤巖高度比相同的情況下組合體抗壓強度由大到小的組合方式依次為煤-巖、巖-煤、巖-煤-巖，當組合體中煤樣所占的比例越來越大時，組合方式對抗壓強度產生的影響越來越小。

4）組合體的聲發射能量與其抗壓強度的大小成正比，即，抗壓強度越大，所產生的聲發射能量也就越多。