單軸壓縮下不同煤巖組合體峰前、峰后變形能變化規律研究

蘭永偉，高紅梅，張國華，李興偉，朱文博

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 100819；2.黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；3.黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

煤礦生產過程中，隨著采深的增大，煤巖體所受的地壓增大，誘發的沖擊地壓等動力災害越來越多，嚴重危害著煤礦的安全生產[1-5]。對多種工作面回采方式的研究表明[6]，煤礦開采過程中除引起煤體變形破壞外，還引起煤體頂底板的變形破壞，在它們共同作用下產生煤巖互層的整體失穩破壞，開采過程需既要考慮單元煤巖體的力學性質，同時也要考慮巖層與煤層之間的相互作用。因此，研究不同組合比例條件下煤巖組合體峰前、峰后變形能變化規律，對于現場工程實踐具有十分重要的現實意義。

國內外許多學者對煤巖組合體力學特性進行了研究。PETUKHOV等[7]分析了兩體系統和“堅硬頂底板-薄層”系統的穩定性問題，最早提出了煤巖體整體穩定性問題。左建平等[8-10]通過MTS815試驗機研究了煤巖體分級加卸載過程中的破壞特性以及單體巖石、單體煤和煤巖組合體在單軸試驗下的聲發射特性，研究了不同開采卸荷條件下的應力路徑對圍巖的力學行為影響，以及不同圍壓作用下煤-巖組合體破壞行為及強度特征。郭東明等[11]分析了煤巖組合不同傾角對煤巖組合體整體變形破壞的影響。劉杰等[12]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，分析了巖石強度對于組合試樣力學行為的影響。竇林名等[13]研究了組合煤巖體試樣的變形破裂規律及沖擊傾向性。蘭永偉等[14]研究了不同組合條件下煤巖組合體的強度、彈性模量、沖擊傾向性等力學特性。上述研究主要針對組合整體進行了穩定性、聲發射、破壞特征、影響因素相關研究，而對不同組合形式、不同組合單元對煤巖體峰前、峰后變形能影響規律仍迫切需要深入研究。

本文結合現場圍巖體賦存情況，對不同組合類型、不同組合單元高度比例下的組合體進行單軸壓縮試驗，分析了不同組合條件下、不同組合單元對煤巖組合體的峰前、峰后變形能影響，為峻德煤礦井下開采設計及開采過程中沖擊地壓的防治研究提供了參考。

1 試驗研究

1.1 試驗方案

煤巖樣來源于峻德煤礦，采用TAW-2000KN微機控制電液伺服巖石試驗系統進行試驗。試件加工遵照《煤和巖石物理力學性質測定方法》的規定執行。試驗中煤用C表示、細砂巖用F表示、粗砂巖用G表示。為了研究組合單元煤、細砂巖、粗砂巖及不同組合類型下，組合體峰前、峰后能量變化規律，把組合單元煤、細砂巖、粗砂巖加工成標試件，同時設計了FCG組合體和FGC組合體，兩種組合體相比只是組合單元煤位置不同，組合單元高度所占比例相同。FCG組合體組合單元按高度比1∶1∶1、2∶1∶1、3∶1∶1、2∶1∶2、1∶1∶2、1∶1∶3制作、FGC組合體組合單元按高度比1∶1∶1、2∶1∶1、3∶1∶1、2∶2∶1、1∶2∶1、1∶3∶1制作，為了減小誤差，各種比例條件下組合體各自制作了3組試件，然后取平均值進行研究。

組合體全應力-應變曲線所圍面積以峰值強度點為界，可以分為左右兩個部分，左半部分面積代表達到峰值強度時，峰前積聚的變形能；右半部分面積代表試件從破裂到破壞整個過程所消耗的能量。 按照這個原理，實驗系統對數據進行了處理，試驗后峰前、峰后變形能具體數值計算機軟件開發系統直接提供。

1.2 煤、巖樣單軸實驗

采用TAW-2000KN微機控制電液伺服巖石試驗系統，用位移控制加載的方式對加工好的試件進行變形破壞實驗。具體參數見表1(C代表煤、F代表細砂巖、G代表粗砂巖)。按照國家標準加工成標準試件，利用巖石試樣加工設備分別對細砂巖、煤、粗砂巖進行取芯、切割、打磨制成試驗試件。制成標準試件的煤巖樣見圖1。

1.3 不同組合條件下煤巖樣單軸實驗

按照試驗方案設計好的組合體組合單元比例，把煤巖樣切割成小的組合單元，上下端打磨光滑，用AB膠體按照設計比例把各組合單元黏合形成組合體，組合體近似標準試樣，組合單元、組合體試樣，如圖1所示。

2 結果分析

通過單軸壓縮實驗，獲得不同比例條件下組合體峰前積聚的變形能和峰后消耗的變形能，具體數據見表2。

表1 煤巖樣相關參數

圖1 煤巖樣照片

Fig.1 Photos of coal and rock samples

表2 煤巖組合體相關參數

2.1 峰前變形能

由表1、表2和圖2(a)可知，隨著組合件中細砂巖高度所占比例的增大，FCG組合體、FGC組合體峰前積聚的變形能呈波動性變化。 從整個變形曲線來看，FCG組合體變形波動小，FGC組合體變化大，FCG組合體峰前所積聚的變性能均值0.249 kJ，FGC組合體峰前所積聚的性能均值0.400 kJ，相比來說FGC組合體峰前積聚的變形能大于FCG組合體積聚的變形能；FCG組合、FGC組合體峰前積聚的變形大于煤體峰前積聚的變形能0.096 kJ，小于細砂巖(17.08 kJ)、粗砂巖(2.757 kJ)峰前積聚的變形能。由表1、表2和圖2(b)可知，隨著組合件中粗砂巖高度所占比例的增大，FCG組合體峰前積聚的變形能是波動性變化，先增大后減小，總體趨勢是減小，FGC組合體峰前積聚的變形能是波動性變化，先減小后增大再減小。但從曲線變化來看，FGC組合體變化大。

由表1、表2和圖2可知，整個細砂巖、粗砂巖高度比例變化過程中，FCG組合體在細砂巖、煤、粗砂巖高度所占比均為33%時，峰前積聚能量最大；FGC組合體在細砂巖、粗砂巖高度所占比例均為40%，煤高度所占比例為20%時，峰前積聚能量最大。說明每種組合體都存在一組組合單元高度比，在此條件下，組合體峰前積聚變形能最大。FCG組合體煤上部是細砂巖，下部是粗砂巖，FGC組合體煤上部是粗砂巖、細砂巖，下部是實驗平臺加壓板，加圧板剛度比粗砂巖大，在夾持作用下，FGC組合體更容易存儲變形能，峰前積聚的變形能大。由于組合單元自身組成及組合體在加工過程中各組合單元接觸面膠體黏合，造成組合體積聚的變形能呈波動性變化。從實驗數據及變化曲線來看，組合體組合類型及組合體組合單元所處位置對峰前能量積聚有大的影響。

圖2 不同組合、細砂巖、粗砂巖高度所占比例不同條件下組合體峰前能積聚的變形能變化圖

Fig.2 The deformation energy variation diagram of pre-peak energy accumulation of the composite with the different combination,proportion of the fine sandstone and the coarse sandstone height

按照實驗設計方案，同種類型組合體，在不同比例組合體中，選取細砂巖、粗砂巖高度比例相同、煤所占高度比相同的組合體進行比較。由表2和圖3(a)可知，在細砂巖、粗砂巖高度所占比例在20%、25%、33%變化過程中，組合體煤所占比例變化過程為20%、25%、33%，對應的粗砂巖、細砂巖比例變化過程為60%、50%、33%。比較可以得出，組合體峰前積聚的變形能受細砂巖高度比例影響大，究其原因與各自組合體組成單元高度比例有關。細砂巖、粗砂巖高度比例在20%條件下，各自組合體中煤高度比例是20%，對應組合體中粗砂巖60%，細砂巖60%，除去相同因素20%煤、20%細砂巖、20%粗砂巖，細砂巖組組合體還有40%粗砂巖，粗砂巖組組合體還有40%細砂巖，此時粗砂巖組峰前積聚的變形能大，起決定作用的是粗砂巖組組合體中剩余的40%細砂巖，所以組合體中細砂巖、粗砂巖在高度比例所占20%條件下，細砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素。

同理，細砂巖、粗砂巖高度所占比例25%時，得出的結論與上述相同。細砂巖、粗砂巖高度比例變化過程為40%、50%、60%時，煤變化過程為20%、25%、20%，對應的粗砂巖、細砂巖高度比例變化過程為40%、50%、60%。細砂巖、粗砂巖在同比例比較時，組合體中煤所占比相同。細砂巖、粗砂巖高度比例在50%條件下，各自組合體中煤高度比例是25%，對應組合體中粗砂巖25%，細砂巖25%，除去相同因素25%煤、25%細砂巖、25%粗砂巖，細砂巖組組合體還有25%細砂巖，粗砂巖組組合體還有25%粗砂巖，此時細砂巖組峰前積聚的變形能大，起決定作用的是細砂巖組組合體中剩余的25%細砂巖，所以組合體中在細砂巖、粗砂巖在高度比例占50%的條件下，細砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素。同理細砂巖、粗砂巖高度所占比例60%時，得出的結論與上述相同。

由表2和圖3(b)可知，組合體峰前積聚的變形能大小受細砂巖、粗砂巖高度比例交替影響，表現在圖3(b)中就是曲線在該過程中相交，假設交點對應處橫坐標為a%，添加分析方法同上，高度比例在[20%～a%)條件下，同高度比例的細砂巖、粗砂巖形成的組合體，粗砂巖組聚積變形能大，比較可知細砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素；高度比例在(a%～33%)條件下，同高度比例的細砂巖、粗砂巖形成的組合體，細砂巖組聚積變形能大，比較可知粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素。隨著組合件中細砂巖、粗砂巖高度比例變化呈40%、50%、60%增大，在此變化過程中曲線有交點，假設交點對應處橫坐標為b%。高度比例在(40%～b%)條件下，同高度比例的細砂巖、粗砂巖形成的組合體，粗砂巖組聚積變形能大，比較可知粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素；高度比例在(b%～60%]條件下，同高度比例的細砂巖、粗砂巖形成的組合體，細砂巖組聚積變形能大，此時細砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素。

圖3 相同組合類型、相同高度所占比例、不同組合單元條件下組合體峰前能積聚的變形能變化圖

Fig.3 The deformation energy variation diagram of pre-peak energy accumulation of the composite with the same combination type,the proportion of the same height and the different combination elements

2.2 峰后消耗的變形能

由表1、表2和圖4中(a)可知，隨著組合件中細砂巖比例呈20%、25%、33%、40%、50%、60%增大，FCG組合體、FGC組合體體峰后消耗的變形能呈波動性變化，FCG組合體變形波動小，FGC組合體變化大。組合單元在相同比例不同位置條件下，FCG組合體峰后消耗的變性能平均為0.133 kJ，FGC組合體峰前所積聚的變性能平均為0.199 kJ，相比來說，FGC組合體峰后消耗的變形能大于FCG組合體峰后消耗的變形能；FCG組合體、FGC組合體峰后消耗的變形能大于煤體峰后消耗的變形能0.019 kJ，小于細砂巖(8.003 kJ)、粗砂巖(0.988 kJ)峰后消耗的變形能。說明組合體組合形式及組合體組合單元所處位置對峰后消耗的變形能有大的影響。由表1、表2和圖4(b)可知，隨著組合件中粗砂巖高度所占比例呈20%、25%、33%、40%、50%、60%的增大，FCG組合體峰后消耗的變形能是先減小后增大再減小，呈波動性變化；FGC組合體峰后消耗的的變形能是先減小后增大再減小、增大，呈波動性變化。 但從曲線變化來看，FGC組合體變化更大。

由表1、表2和圖4可知，FCG組合體、FGC組合體在細砂巖、粗砂巖高度所占比均為40%時，峰后消耗的變形能最大，說明每種組合體都存在一組最佳組合單元高度比，在此情況下，組合體峰后消耗的變形能最大。

由表2和圖5(a)可知，在細砂巖、粗砂巖高度所占比例在20%、25%、33%變化過程中，比較可以得出組合體峰后消耗的變形能大小受細砂巖、粗砂巖高度比例交替影響，表現在圖5(a)中就是曲線在該過程中相交，假設交點對應處橫坐標為c%，高度比例在[20%～c%)條件下，同高度比例的細砂巖、粗砂巖形成的組合體，粗砂巖組消耗的變形能大，組合體中在細砂巖、粗砂巖在高度比例所占20%條件下，細砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素；同理細砂巖、粗砂巖高度所占比例小于c%時，得出的結論與上述相同。高度比例在(c%～33%)條件下，粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素；隨著組合件中細砂巖、粗砂巖高度比例呈40%、50%、60%增大，組合體峰后消耗的變形能大小受細砂巖、粗砂巖高度比例交替影響，表現在圖5(a)中就是曲線在此過程中相交，假設交點對應處橫坐標為d%，細砂巖、粗砂巖高度比例在(40%～d%)條件下，粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素；高度比例在(d%～60%]條件下，同高度比例的細砂巖、粗砂巖形成的組合體，細砂巖組消耗的變形能大，細砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素。

圖4 不同組合、細砂巖、粗砂巖高度所占比例不同條件下組合體峰后消耗的變形能變化圖

Fig.4 The deformation energy variation diagram of post-peak energy consumption of the composite with the different combination,the proportion of fine sandstone and coarse sandstone height

圖5 相同組合類型、相同高度所占比例、不同組合單元條件下組合體峰后消耗的變形能變化圖

Fig.5 The deformation energy variation diagram of post-peak energy consumption of the composite with the same combination type,the proportion of the same height and the different combination elements

由表2和圖5(b)可知，在細砂巖、粗砂巖高度所占比例在20%、25%、33%變化過程中，對比以上組成可以得出，粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰前積聚變形能大小的主要因素；同理25%條件下也可得出上述結論。粗砂巖高度比例呈40%、50%、60%變化時，組合體中細砂巖呈40%、25%、20%變化，煤呈20%、25%、20%變化。細砂巖、粗砂巖高度比例在50%條件下，粗砂巖高度所占比例是決定組合體峰后消耗變形能大小的主要因素；同理60%條件下也可得出上述結論。(說明：FGC組合體組合比例為1∶1∶1和2∶2∶1時，細砂巖、粗砂巖高度所占比例相等分別為33%和40%，此時測得峰前、峰后消耗的變形能相等，所以無法比較。)

3 結 論

1) FCG組合體峰前變形能介于0.210～0.321 kJ之間，峰后消耗變形能介于0.108～0.180 kJ之間，FGC組合體峰前變形能介于0.176～0.689 kJ之間，峰后消耗變形能介于0.069～0.315 kJ之間，煤峰前0.096 kJ，峰后0.019 kJ，細砂巖峰前17.08 kJ，峰后8.003 kJ；粗砂巖峰前2.757 kJ，峰后0.988 kJ。FCG組合體、FGC組合體與組合單元煤、細砂巖、粗砂巖峰前、峰后變形能相比，組合體峰前、峰后變形能大于煤的變形能，小于細砂巖和粗砂巖的變形能。

2) 組合體組合類型不同，對組合體峰前、峰后變形能影響不同。組合單元煤所處位置對組合體峰前、峰后有較大影響。隨著組合體中細砂巖、粗砂巖高度比例的增大，組合體峰前、峰后變形能變化FGC組合體大于同比例下的FCG組合體。FCG組合體在細砂巖、煤、粗砂巖高度所占比均為33%時，峰前積聚能量最大，在細砂巖、粗砂巖高度所占比例均為40%，煤高度所占比例為20%時，峰后消耗的變形能最大；FGC組合體在細砂巖、粗砂巖高度所占比例均為40%，煤高度所占比例為20%時，峰前積聚變形能和峰后消耗的變形能最大。

3) 細砂巖、粗砂巖在各自所占比例相同條件下，組合體峰前積聚的變形能大小主要影響因素由組合單元高度所占比例決定，不同比例下，細砂巖、粗砂巖組合單元所起的作用不同。粗砂巖、細砂巖高度所占比例在20%、25%、33%、40%、50%、60%變化時，FCG組合體，細砂巖是決定組合體峰前積聚變形能的主要因素，峰后消耗的變形能受細砂巖、粗砂巖所占高度比交替影響；FGC組合體，峰前積聚變形能受細砂巖、粗砂巖所占高度比交替影響，粗砂巖所占高度比是決定組合體峰后消耗變形能的主要因素。