真三軸載荷下不同煤巖比例組合體力學響應研究

董 浩

（北京天地華泰礦業管理股份有限公司，北京 100013）

為提高煤炭資源回收率并降低沖擊地壓等動力災害發生頻率及致災程度，沿空掘巷等技術得到廣泛應用于推廣[1]。由于巷幫煤巖強度普遍低于頂、底板，且巷道圍巖是由頂、幫及底板所組成，須看做整體進行分析[2]。大量現場勘測也證明，煤柱失穩破壞并非材料局部破壞引起，而是由于煤層-頂板組合結構的失穩破壞[3-4]。

通過煤巖組合體力學響應分析煤柱變形破壞機理已得到廣泛認可[5-6]。不同組合方式的對比分析是煤巖組合體力學特性研究最常見內容之一，秦忠誠、張澤天[7-8]等采用單軸壓縮方法分析不同煤、巖組合方式下組合結構整體力學特征和破壞特征，并基于此分析組合結構沖擊傾向性；陳光波[9]探究不同煤巖厚度比例對組合體力學特征的影響，指出隨煤厚占比增加力學參量呈減小趨勢；陳紹杰[10]制作5 組不同高度比煤巖組合結構，分析其漸進破壞機理；楊磊[11-12]在研究不同強度比煤巖組合結構在單軸壓縮條件下力學響應的基礎上，發現能量分區演化規律。由于采掘作業導致巷道圍巖應力狀態復雜多變，因此不同加載方式下組合體力學響應規律的研究具有重要意義。Huang[13]采用力控方法分析不同加載速率下煤巖組合體力學特征，發現隨加載速率增加，組合結構各項力學參數均呈增長趨勢；宮鳳強在此基礎上分析低加載速率范圍內，組合結構沖擊傾向性對應變率的響應規律；朱卓慧[14]探究分級循環加卸載條件下組合體力學特征。上述研究均采用真實煤樣開展研究，杜鋒[15]等基于CT 掃描結果，三維重構數值巖心，分析其損傷破壞過程。

沿空掘巷煤柱應力環境復雜，處于相鄰采空區不穩定動壓、巷道開挖卸荷及本工作面回采擾動綜合應力場中，是巷道頂、幫及底板圍巖綜合體的薄弱環節。以現場實測應力演化為真三軸加載加載路徑，可更加真實再現沿空巷道不同掘進方式（沿頂、沿底及沿頂底）下，煤柱力學性質。然而，現階段真三軸實驗多圍繞純煤樣或巖樣開展[16-18]。為此制備不同組合方式立方體試件，采用真三軸方式，以現場實測應力演化為加載路徑，探究不同煤巖比例組合體對該應力路徑力學響應，并增加純煤巖樣試件作為參照進行對比分析。

1 煤巖組合體真三軸加載實驗

實驗煤樣取自山西某礦沿空巷道掘進期間，自現場采集大塊頂板、巷幫與底板煤巖塊，為模擬巷道不同掘進方式(沿頂、沿底及沿頂底)，煤柱力學性質，制備純煤、巖-煤、煤-巖及巖-煤-巖4 種煤巖組合體類型。以現場所獲取的沿空巷道掘采全過程煤柱應力動態演化規律作為加載路徑，采用TRW-3000 型巖石真三軸電液伺服誘變（擾動）試驗系統進行試驗，探究組合體力學響應。

1.1 不同煤層厚度組合體試樣制備

煤巖塊運至實驗室后，采用線切割方法制備尺寸為100 mm×100 mm×x mm 的煤樣與巖樣。其中厚度為100 mm 煤、巖試樣各3 個，厚度為50 mm 煤、巖試樣各6 個，厚度為33 mm 巖石試樣6 個，厚度為34 mm 煤樣3 個。各試樣相互組合得到純煤樣（M）、煤－巖（M－R）、巖－煤（R－M）、巖－煤－巖（R－MR）、純巖樣（R）5 種不同組合方式及煤厚組合試樣，煤層占比分別為100%、50%、34%、0，制備完成的不同煤巖比例組合體試樣如圖1。

圖1 不同煤巖比例組合體試樣Fig.1 Different ratios coal-rock combination specimens

圖1 中巖-煤及煤-巖制備相同試樣，加載階段顛倒煤巖位置即可，為避免煤巖材料原生缺陷對實驗結果影響，每組實驗重復3 次。

試樣制備要求：大尺寸煤巖試塊自巷幫及頂底板取出后，立即用保鮮膜包好，防治風化蝕變影響其力學性質。試樣端面不平行度小于0.01 mm，棱長的偏差小于0.02 mm。試樣切割及端面打磨時需在淋水環境中進行，為避免煤樣含水率對實驗結果產生影響，將加工好的煤樣在相同條件下自然風干1 周。煤巖組合交界面采用AB 膠粘接，確保試樣上下端面平行。

為了解本次實驗所使用煤樣試樣基礎力學性質，自同一批次煤巖塊中各制備2 組標準尺寸（φ50 mm×100 mm）圓柱形試樣，進行單軸壓縮加載，得到的煤巖基礎力學參數見表1。

表1 煤巖基礎力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

1.2 實驗方案

現場工程實踐中，由于煤層厚度并非總與沿空巷道高度相等，以地質條件為依據，常用措施有沿頂、沿底及沿頂底等，在煤巖組合結構中分別對應巖-煤、煤-巖及巖-煤-巖等，同時增加純煤及純巖石試樣作為參照組進行對比分析。

試樣力學行為是對實驗室特定應力路徑的響應[19-20]。為了更加真實模擬沿空巷道全生命周期變形破壞過程，以現場實測所獲取沿空巷道掘采全過程煤柱應力動態演化規律為加載路徑，探究不同組合方式對該應力路徑的力學響應。空心包體法實測原巖應力，實驗過程中z 方向為豎直方向，x 方向為前后方向，y 方向為左右方向，σx、σy、σz即為x、y、z 3個方向的應力，分別為7.6、14.3、11.6 MPa；相鄰工作面回采在側向支承壓力影響下，煤柱載荷增加，σx、σy、σz分別為12.3、17.8、20.4 MPa；沿空掘巷過程中，巷道徑向卸荷，σx卸載0 MPa，σy、σz維持不變；本工作面回采期間，在側向支承壓力作用下，巷道存在變形破壞可能，但在該過程中，巷道軸向和徑向應力變化不明顯，為模擬巷道變形破壞過程，加載σz直至試件破壞，真三軸加載過程如圖2。

圖2 真三軸加載過程Fig.2 Loading process under true triaxial

1）加載至原巖應力狀態。①以0.1 MPa/s 的速率加載σx、σy、σz至7.6 MPa；②保持σx不變，以0.1 MPa/s 的速率加載σy、σz至11.6 MPa；③保持σx、σz不變，以0.1 MPa/s 的速率加載σy至14.3 MPa；④保持σx、σy、σz不變，維持穩定1 min。

2）相鄰工作面回采期間。⑤以0.1 MPa/s 的速率加載σx、σz至12.3 MPa；⑥保持σx不變，以0.1 MPa/s 的速率加載σy、σz至17.8 MPa；⑦保持σx、σy不變，以0.1 MPa/s 的速率加載σz至20.4 MPa；⑧保持σx、σy、σz不變，維持穩定1 min。

3）沿空掘巷期間。⑨保持σy、σz不變，以0.1 MPa/s 的速率將σx卸載至0；⑩保持σx、σy、σz不變，維持穩定1 min。

2 實驗結果與分析

組合體真三軸加載實驗結果見表2。

表2 組合體真三軸加載實驗結果Table 2 Experimental result of coal-rock combination under true triaxial

與煤、巖樣單軸載荷下力學參數對比可知，真三軸載荷下，試樣強度、彈性模量及抗變形能力均有明顯提高：煤樣強度、彈性模量及峰值變形分別提高98.3%、24.0%、145.6%；砂巖強度、彈性模量及峰值變形分別提高38.3%、23.8%、38.6%。峰值變形提高最明顯，強度次之，彈性模量變化幅度最小；對比煤樣與砂巖發現，由于煤樣質地更松散，圍巖對其結構特征的改善作用更明顯，導致其各項力學參數提高幅度均高于砂巖。

2.1 組合體力學參量對組合方式響應特征

不同組合方式試件強度如圖3。

圖3 不同組合方式試件強度Fig.3 Strength of specimens with different combinations

各組合體試件三軸強度介于純煤樣（29.72 MPa）及巖樣（56.51 MPa）之間。值得注意的是，隨著煤層占比增加，試件強度離散性增加，各組標準差依次為0.532、1.172、1.443、1.498（煤厚相等）、2.296。對比M-R 和R-M 2 組發現，與單軸加載不同[21-24]，在三軸載荷下，2 種組合方式強度變化極小，分別為34.57、34.84 MPa，可以認為是由煤巖材料非均質性所產生。

不同組合方式試件彈性模量如圖4。

由圖4 可知，與強度變化規律相同，組合體彈性模量介于純煤樣（1.86 GPa）和巖樣（5.09 GPa）之間。隨著煤層占比增加，各種組合方式試樣組內離散性增大，但增長并不明顯，各組標準差依次為0.095、0.105、0.114、0.118（煤厚相等）、0.139。無論彈性模量亦或組內離散性，M-R 和R-M 2 組均無明顯差別，認為2 組間差異由煤巖材料非均質性造成。

圖4 不同組合方式試件彈性模量Fig.4 Elastic modulus of specimens with different combinations

因M-R 與R-M 2 組煤層占比相同，且由前文分析可知，2 組試樣間力學參量差異由材料非均質性造成，因此在分析煤厚變化對力學參量影響時將兩組合并進行分析，得到試件煤層占比對試樣強度與彈性模量影響趨勢，并進行擬合，力學參量隨煤層占比變化趨勢如圖5。

圖5 力學參量隨煤層占比變化趨勢Fig.5 Effect of coal seam thickness on the mechanical properties of coal–rock combinations

由圖5 可知，試件強度及彈性模量均與煤層占比負相關。隨煤厚占比增加試件強度降低，各組試樣三軸強度分別為56.51、42.21、34.71、29.72 MPa；降低幅度依次為33.9%、21.6%、116.8%。與試件強度相同，隨煤厚增加試件彈性模量降低，分別為5.09、4.26、3.18、1.86 GPa；與強度變化不同的是，降低幅度增大，依次為19.5%、34.0%、71.0%。雖力學參數與煤層占比均呈負相關系，但二者減小趨勢并不相同，彈性模量隨煤厚增加近乎等比例減小，而強度隨煤厚增加而降低的速率逐漸減小。分別采用指數函數與線性函數進行擬合，擬合優度R2均大于0.9，表明擬合方程可以較好反映各力學參量隨煤厚變化趨勢。擬合方程如式（1）：

式中：yσ為試件強度；yE為試件彈性模量；x 為煤層占比。

2.2 組合體變形特征對煤層厚度響應特征

不同組合方式試件峰值應變如圖6。

圖6 不同組合方式試件峰值應變Fig.6 The peak stress of specimens with different combinations

由圖6 可知，與力學參量隨煤層厚度變化規律不同，峰值應變隨煤層占比增加并非單調變化。純煤樣峰值應變最大，其均值為3.45%，純砂巖試樣峰值應變最小，均值為1.94%；組合體試件峰值應變介于二者之間。原因在于煤較砂巖質地疏松，可壓縮變形較大。而煤巖二元組合體與巖-煤-巖三元組合體出現反常的原因為，三元組合增加1 個交界面，交界面采用AB 膠處理，可壓縮性比煤更大。煤的非均質性顯著高于砂巖，致使砂巖試件峰值應變離散性小于煤樣，這與力學參數表現出相同的規律。

3 結 論

1）在真三載荷下煤、巖試樣強度、彈性模量及抗變形能力較單軸壓縮均有顯著提高。峰值變形提高最明顯，強度次之，彈性模量變化幅度最小；將煤樣與砂巖進行對比，發現煤樣各項力學參數提高幅度均高于砂巖。

2）在三軸載荷下，煤-巖與巖-煤2 種組合方式試件力學參量與變形特征相差極小，認為由煤巖材料非均質性造成，與前人采用單軸加載所得結論具有顯著差別。

3）煤巖組合體力學參數介于煤樣與砂巖樣之間，試件強度及彈性模量均與煤層占比負相關，但隨著煤層厚度增加，二者減小趨勢并不相同，彈性模量隨煤厚增加近乎等比例減小，而強度隨煤厚增加而降低的速率逐漸減小。純煤樣峰值應變最大，其均值為3.45%，純砂巖試樣峰值應變最小，均值為1.94%。組合體峰值應變同樣介于煤樣與砂巖樣之間，但隨煤層占比增加，峰值應變并非單調變化，三元組合方式峰值應變大于二元組合體，其原因在于煤巖交界面的可壓縮性比煤更大。

4）由于煤的非均質性較砂巖更加突出，不同組合方式力學參數組內離散性與煤層占比正相關。