煤巖體結構組分特性及應力損傷機制研究

邵棟梁，王方田

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇徐州 221116；2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇徐州 221116）

在地質賦存期間，煤巖體始終是一種復雜的非均質且各向異性介質，即內部含各類天然礦物、自生裂隙和原生孔洞等非連續面[1-6]；煤層開采期間引起應力場動態運轉以及覆巖破斷運移，加劇了煤巖體自身產狀結構的快速發育和擴展，危及了采掘空間的支護穩定狀態[7]。因此，綜合分析靜態應力作用條件下的煤巖體所屬自然礦物組分、裂隙分布形態（傾角、形態等）及力學響應機制對煤炭開采的空間設計和圍巖結構穩定性控制形成的重要意義。國內外學者圍繞煤巖體原生孔隙、裂隙結構表征重構及應力損傷破裂規律等問題，進行了深入探索。張素新等[8]運用了掃描電鏡試驗，揭示了煤儲層內的孔隙類型、大小和微觀結構；付裕等[9]結合CT 掃描技術和三維重建技術建立了煤巖礦物結構模型，揭示了煤巖微觀結構對宏觀力學影響的作用機理；張慧等[10]采用電子顯微測試法分析了煤巖體顯微組分和孔隙裂隙分布特征，拓展了煤巖力學特性的研究途經。鞠楊等[11-12]采用SEM 掃描電鏡及CT 掃描成像等手段研究了煤巖體裂隙結構的分布特征，并借助3D 打印技術重構了含裂隙煤巖體；李化敏等[13]采用X 衍射分析和掃描電鏡實驗研究了巖石孔隙微觀結構特征，對比分析了不同孔隙結構對巖石力學性能的影響差異；李元海等[14]構建了兼有天然孔洞和不同裂紋傾角的巖體試樣模型，指出受多重應力作用時巖石裂隙尖端的塑性區演化規律和破斷失穩模式；汪杰等[15]建立了節理傾角和載荷作用復合條件下的巖體損傷演化本構模型，揭示了含單結構面的巖體在荷載作用下的力學特征及損傷演化規律；韓志銘等[16]研究了不同應力狀態下兩組交叉貫通節理巖體的應力強度與節理間距間的函數表達式，提出了含2 組節理巖體的強度預測模型；蘇承東等[17]通過縱波速度測試、單軸和常規三軸壓縮實驗對含有不同傾角的天然貫通弱面石灰巖進行研究，表明了巖體強度和破裂角均基本滿足庫倫強度準則；陳新等[18]分析了單軸壓縮下節理間距和裂隙傾角作用時巖體試件強度影響和變形特性，得出了煤巖體宏觀破裂失穩與內部節理、裂隙等缺陷的細觀損傷力學聯系；Prudencio 等[19]探究了雙軸壓縮實驗條件下，既定節理產狀對巖體應力強度和變形方式的影響規律；Einstein 等[20]開展了巖塊單元堆砌體試件三軸壓縮試驗，研究了不同節理方位和節理間距時貫通節理的試強度和變形特性。鑒于以上學者的實驗方法和研究成果，以車集煤礦23 煤柱工作面煤巖樣為實驗樣品，綜合利用X 射線衍射儀（XRD）及Quanta 250型掃描電子顯微鏡（SEM）識別煤巖體礦物組分屬性、含量和表面微觀形貌信息；基于實驗室煤巖樣物理力學測試結果，運用3DEC 數值模擬軟件中的節理網絡模型（DFN）構建煤巖“塊體-合成體”的結構組分與表體裂隙的計算模型，旨在分析非均質、各向異性煤巖樣受靜態應力作用時固體骨架和多產狀裂隙參與損傷破裂的塑性區發育特點和分布變化規律，為大尺寸復雜煤巖體在工程開挖過程中由多重裂隙發生起裂、擴展和滑移引起的工程失穩破壞災害防治提供理論依據。

1 煤巖微觀礦物組分和形貌特征

1.1 煤巖樣取心和制備

在車集煤礦23 煤柱下工作面的煤柱中巷（即距離工作面開切眼34 m 處）對二2 煤層及其頂板進行分段鉆孔取心，煤巖樣取心位置如圖1。

圖1 煤巖樣取心位置Fig.1 Core location of coal and rock samples

利用礦用鉆機、煤巖樣研磨機等設備，制備實驗室標準煤巖樣（50 mm× 50 mm ×100 mm），旨在提供煤巖試樣完成物理力學性質測試、微觀結構和組分研究等試驗。

1.2 煤巖體礦物組分與裂隙結構測試

23 煤柱工作面煤樣和直接頂巖樣的微觀組分與裂隙結構綜合測試方案包括：①利用D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀（XRD）探究煤巖體主要巖性特征和固體骨架的礦物組分類型；②利用Quanta 250 型掃描電子顯微鏡（SEM）分析煤層及直接頂受應力擾動狀態作用下裂隙分類和產狀（角度、密度、尺寸等）分布。

通過解析試驗結果，對煤體和巷道圍巖的微觀形貌生成可視化的整體感知，為構建煤巖體“塊體-合成體”特征對照模型提供了直觀性的屬性支撐和建模基礎，煤巖體XRD 與SEM 試驗分析流程如圖2。

圖2 煤巖體XRD 與SEM 試驗分析流程Fig.2 XRD and SEM analysis of coal and rock mass

1.2.1 礦物組分

車集煤礦23 煤柱煤樣和直接頂試樣經過破碎、研磨處理，篩選75 μm 以下試驗樣品，利用D8 Advance X 射線衍射儀測定了多重衍射角度條件下的煤巖體光子數含量，揭示煤體和直接頂的煤巖體的天然組分結構。其中，試驗裝置主要結構包括X 射線發生器、狹縫DS/S1、載物臺、檢測器和主機控制系統，試驗條件為Cu 靶輻射，電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍3°～70°，步距0.1°，接收狹縫0.6 mm，發射狹縫8 mm。

煤巖體礦物組分測試及試驗參數如圖3，直接頂衍射試驗測試結果如圖4，煤體衍射試驗測試結果如圖5。

圖3 煤巖體礦物組分測試及試驗參數Fig.3 Coal and rock mineral composition test and experimental parameters

圖4 直接頂衍射試驗測試結果Fig.4 Test results of immediate roof diffraction test

圖5 煤體衍射試驗測試結果Fig.5 Test results of coal diffraction test

綜合分析煤巖體取心、制樣過程及XRD 測試結果可知：

1）23 煤柱直接頂為粉砂巖，巖樣以灰白色為主，塊狀結構明顯且硬度較大；部分呈灰黑色，泥質膠結，具有波狀層理。主要礦物組分為石英（Quartz）及高嶺土（Kaolinite），衍射角度為26°時，石英含量高達4 800 光子數，其余測試角度的礦物組分含量較為均勻、穩定。

2）煤樣光澤明亮，以亮煤為主；主要含高嶺土、沸石和方解石3 種礦物組分，部分煤樣含少量植物根莖化石。當衍射角度處于3°～10°時煤樣內礦物以沸石為主；測試角度為12°時高嶺土含量增大至260光子數；30°～40°時方解石最多，高嶺土次之；大于40°時礦物組分基本不隨測試角度變化。

3）煤巖體作為一種多物質沉積性礦物，微觀礦物組分種類具有相似性和唯一性；受復雜應力環境和地質賦存條件約束，組分含量在不同衍射角度均呈現出非均質性，2 種屬性結合構成煤巖體天然非均質的固體骨架。

1.2.2 裂隙結構

煤樣和粉砂巖直接頂試樣經過破塊、打磨、噴金等工藝處理后，在高真空條件下，利用Quanta250 型掃描電子顯微鏡（SEM）釋放高能量的入射電子束轟擊樣品表面，煤巖體裂隙結構分析示意圖如圖6，煤樣微觀結構如圖7，粉砂巖直接頂巖樣微觀結構如圖8。

圖6 煤巖體裂隙結構分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of coal and rock mass fracture structure analysis

圖7 煤樣微觀結構Fig.7 Microstructure of coal sample

圖8 粉砂巖直接頂巖樣微觀結構Fig.8 Microstructure of the immediate roof sample

由圖7 和8 可知，煤樣放大200 倍時，表面致密平整且形態均勻、表體顆粒似鱗片狀同向排列交織，有少量孔洞與流線狀裂隙，孔洞形態完整；放大1 000倍時，煤樣表體局部點位的形態清晰，礦物組織膠結結構明顯、層理分明；局部點位放大2 000 倍和3 000倍時，煤樣骨架完整且各突起構造細膩、紋路明明晰，表面缺陷形態多樣且隨機分布。

粉砂巖巖樣放大200 倍時，礦物組分緊密有序排列、表面結構完整，內附小尺寸孔隙、裂隙隨機發育；放大500 倍巖體表面孔隙產狀顯現、凹凸不平；樣品放大1 000 倍及2 000 倍時，小寬度裂隙數目增加，粗粒礦物相對集中，礦物顆粒形態各異、大小不一。

煤巖體地質賦存期間受層間壓力，其內含多種隨機分布且大小各異的裂隙和缺陷；開采過程中的動載作用加劇了巖體結構各向異性特征的形成。

2 煤巖體三維重構及應力損傷機制

綜合分析煤體及圍巖的微觀結構可知，煤巖體的基本結構是由主體造巖礦物和自身裂隙結構2 大因素決定的，其中煤巖體造巖礦物類別和含量分別具有同一性和差異性，造成兩者在微觀形貌特征方面略有不同。經大量研究可知，兩者均長期處于地應力和構造運動等復雜應力環境，開采擾動導致煤巖體周圍應力狀態發生二次或多次分配，必然造成塊體骨架和原生缺陷的聯動損傷，達到極限荷載會造成整體破壞。

2.1 煤巖體“塊體-合成體”數值計算模型

利用3DEC 軟件的離散節理網絡模型（DFN），基于實驗室礦物組分與裂隙結構測試結果，構建可視化“塊體-合成體”三維結構，煤巖體“塊體-合成體”三維模型如圖9。

圖9 煤巖體“塊體-合成體”三維模型Fig.9 Three-dimensional model of“solid-composite structure”for coal & rock and the distribution characteristics of fractures

該模型直觀展示煤巖體結構形態，其中合成體內部尺寸不一、隨機分布的盤狀結構代表煤巖體內部產狀各異的天然缺陷（孔洞、裂隙等），且多向分布的裂隙將煤巖體表面和內部結構劃分為不同礦物組分區域；采用分區賦值的方法將裂隙和各組分區

域賦予特征力學參數，展現了煤巖體試樣的各向異性、非均質性等物理力學特性，進而施加單軸壓縮應力觀察內部結構的損傷劣化機制。

2.2 煤巖體“塊體-合成體”單軸應力損傷特征

通過研究實驗室單軸應力對內含孔隙、裂隙等天然產狀結構的實體煤層或圍巖損傷破裂狀況可以看出，煤巖體在靜應力作用下的載荷-位移曲線變化趨勢相似且均歷經“壓實-彈性-塑性-破壞”4 個階段，多種裂隙結構在應力侵蝕時的塑性區轉變歷程尚未直觀展示。塊體宏觀應力狀態和破壞特征如圖10。

圖10 塊體宏觀應力狀態和破壞特征Fig.10 Macroscopic stress state and failure characteristics

利用煤巖體“塊體-合成體”三維模型，將煤巖塊體模擬為被隨機裂隙分割形成的合成體，展示了初始煤巖塊體內部裂隙產狀，并依據多重裂隙的相互交叉、聯通規模將分為Ⅰ-單一型（裂隙單獨存在未與其他結構聯通；如條帶狀層理、空洞等）、Ⅱ-切塊型（2 條及以上裂隙相互交叉，生成三角或多邊形塊體，但并未與其他裂隙貫通連接）、Ⅲ-貫穿型（Ⅰ型或Ⅱ型裂隙相互首尾連接形成貫穿裂紋）3 種，其中切塊型裂隙包括三角、四邊和多邊切塊型。旨在說明指定靜載環境下的煤巖塊體宏觀應力狀態、破壞特征與合成體微觀裂隙分布、損傷行為間的內在聯系。煤巖合成體微觀裂隙分布和損傷行為如圖11。

圖11 煤巖合成體微觀裂隙分布和損傷行為Fig.11 Microscopic fracture distribution and damage behavior of coal-rock composite structure

由圖10、圖11 可知，煤巖合成體受應力作用時3 類裂隙均在應力作用過程中呈現各自的行為歷程：①單一型裂隙在合成體受應力作用初期逐漸受壓密實，通過縮小各礦物組分間的孔隙容積吸收初始應力環境，保證煤巖體度過“密實階段”但塊體穩定性尚未造成影響；②因合成體加載過程中未設置圍壓，多個單一型裂隙間開始擴張、發育，生成切產狀結構多樣的塊型裂隙（三角、四邊或多邊），持續性應力作用加劇切塊裂隙間的相互擠壓、摩擦，造成塊體結構發生剪切滑移和擠壓，在一定程度上確保合成體結構處于“彈性階段”；③當應力條件惡化時，裂隙結構由“Ⅰ型-Ⅱ型”逐步從上至下的張拉損傷而連通后生成貫穿型裂隙，產生不可恢復“塑性階段”且無法維持煤巖體的自身結構穩定，到達極限載荷后破壞。因此，煤層開采擾動期間涉及巷道圍巖或采掘空間穩定等問題時應最大限度的限制煤巖體的非正常裂隙發育、破斷，保證煤巖體處于Ⅰ型-Ⅱ型裂隙發育狀態，避免因產生Ⅲ型裂隙發生重大安全事故。

綜上可知，煤巖體的礦物組分和表體裂隙形貌特征作為煤巖塊體的微觀結構，兩者通過組分間的膠結裂隙隨機將塊體結構分割為多屬性、多形態的部分，形成煤巖體非均勻性和各向異性的物理力學性質；隨開采擾動形成應力重新分布時，煤巖體試樣內部多種裂隙對應力損傷機制主要包括單一裂隙的壓密排列、切塊裂隙的交叉、聯通和貫穿裂隙的相互貫穿。煤巖體“塊體-合成體”重構與響應對應關系如圖12。通過實驗室實體試樣分析結果可知，多重可變應力環境下的大尺寸煤柱工程結構的穩定和控制應以分析煤巖體微觀組分和觀察多重裂隙產狀和發育特征為基礎，維持固體骨架和裂隙結構的長期穩定，改善應力損傷機制等為工程防控重點。

圖12 煤巖體“塊體-合成體”重構與響應對應關系Fig.12 Correspondence between reconstruction and response of“solid-composite”coal and rock

3 結 語

1）運用XRD 測試了工作面擾動煤巖體的微觀礦物組分。煤樣主要含高嶺土、沸石及方解石3 種礦物組分，粉砂巖直接頂主要礦物組分為石英及高嶺土；同一試樣隨衍射角度變化其特征參數變化不一，說明煤巖體初始賦存具有非均質特性。

2）采取SEM 實驗方法觀察了煤體和圍巖的顯微形貌結構。煤巖體地質賦存期間受層間壓力和構造運動等應力作用造成礦物組分有序緊密排列，各組分力學性質弱化程度不同造成應力條件下表面裂隙產狀形體各異，揭示了天然煤巖體具有各向異性的力學特性。

3）以煤巖體“塊體”微觀結構觀測分析結果為基礎，建立了三維裂隙“合成體”模型；其中隨機分布、大小不一的盤狀結構代表煤巖體內部組分和裂隙產狀，將實體裂隙分為Ⅰ單一型、Ⅱ切塊型和Ⅲ貫穿型3 種類型，可視化表現實體原生結構特征。

4）探究了煤巖體“實體-合成體”裂隙結構應力響應機制，主要表現為：Ⅰ型裂隙在受壓作用時發生組分間的密實運動；Ⅱ型裂隙間交叉聯通，塊狀形態多樣造成應力反應集中在各切塊間擠壓、摩擦，發生剪切損傷；Ⅲ型貫穿裂隙受強應力環境改變產狀結構且發生從上至下的張拉損傷，產生不可恢復“塑性階段”且無法維持試樣的自身結構穩定，到達塊體試樣的極限載荷后破壞。