不同煤占比下煤巖組合體強度和破壞特征的離散元研究

岳 沖 于少奇 于后瑞

（1.棗莊（礦業）集團付村煤業有限公司，山東 濟寧 277605 2.山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918）

實際地層中，煤體與巖體往往以組合體的形式存在，采礦工程中煤巖體破壞引發災害事故的本質是圍巖與煤體的相互作用[1-2]。此外，采煤工作面之間的保護煤柱通常存在巖體和煤體的復合結構，研究煤巖組合體的強度和破壞特征可為工作面保護煤柱穩定性評價提供參考。

目前關于煤巖組合體的相關研究多采用室內試驗的方法，陳光波等[3]通過軸向壓縮試驗研究了不同煤占比及組合方式組合體結構的力學特性和破壞機制，從抗壓強度、彈性模量、峰前能量、沖擊能量指數等參數入手，分析組合體的力學特性；沈文兵等[4]對不同煤巖接觸面傾角進行單軸壓縮試驗，分析了傾角對煤巖組合體強度和變形破壞特征的影響。然而，限于試樣不可重復和設備性能，室內試驗難以獲得相關研究的全部信息，如試樣內部裂紋發育擴展過程、強度參數的規律性變化等。近年來，基于離散元方法的數值模擬被廣泛應用于研究顆粒材料的各類行為。

目前通過室內試驗對煤巖組合體的研究已取得較大進展，但在細觀角度研究組合體強度和破壞特征則鮮有報道。針對此問題，本文基于離散元方法模擬了不同煤占比下，組合體強度參數變化規律和細觀裂紋擴展特征，同時分析了煤占比對試樣AE特征的影響。

1 煤巖組合體模型及模擬方案

模型尺寸為50 mm×100 mm，鑒于離散元法對于巖土等顆粒材料強度和破壞行為描述的可靠性，選取PFC2D 及其平行黏結模型進行模擬試驗。通過指定最大最小粒徑（0.3～0.4 mm），在標準尺寸試樣的區域中生成了顆粒11 622 個。

為了排除其他因素對模擬的影響，固定煤巖體顆粒粒徑，根據室內試驗分別標定了巖體和煤體細觀參數，改變煤體所占比例控制不同煤巖比例，四種方案中煤體占比分別為0.2、0.4、0.6 和0.8，模型如圖1 所示。通過墻體對試樣進行單軸加載，加載速率為0.01 mm/s，通過FISH 編程實時監測試樣加載過程中的應力、應變、彈性模量、裂紋數、AE變化情況。

圖1 數值模型

2 煤占比對組合體強度特征的影響

2.1 煤占比對組合體強度參數的影響

不同煤占比下組合體試樣的強度參數如圖2。

在0.2、0.4、0.6 和0.8 的煤占比下，煤巖組合體的起裂應力分別為11.97 MPa、12.66 MPa、12.76 MPa 和12.79 MPa（圖2a）；煤巖組合體的峰值強度分別為27.54 MPa、25.22 MPa、24.77 MPa 和24.53 MPa（圖2b），分別降低了8.4%、1.8%和0.9%；煤巖組合體的峰值應變分別為0.003 2、0.004 2、0.005 4 和0.006 7（圖2c），分別提高了31.8%、28.1%和23.2%；煤巖組合體的彈性模量分別為8.8 GPa、6.2 GPa、4.7 GPa 和3.8 GPa（圖2d），分別降低了30.3%、23.4%和18.6%。

圖2 煤占比對試樣強度參數的影響

整體上看，隨著煤占比的增加，煤巖組合體試樣的起裂應力、峰值應變都逐漸增加，其中起裂應力最終趨于穩定，而峰值應變近似線性增加；隨煤占比增加，煤巖組合體試樣的峰值強度和彈性模量均逐漸減小，兩者最終均趨于穩定。

2.2 煤占比對組合體AE 特征的影響

為分析煤巖組合體在煤占比下的聲發射計數變化規律，通過FISH 語言取極小應變微元內的裂紋數進行分析，將不同煤占比下的組合體試樣進行對比分析，結果如圖3。

圖3 不同加載速率下試樣AE 特征

由于PFC 中顆粒是剛體，因此無法模擬試樣的初始壓密階段。煤巖組合體試樣的應力應變曲線可分為三個階段：線彈性階段、裂紋不穩定擴展階段和峰后階段。在線彈性階段初期，不同煤占比的組合體試樣聲發射處于平靜期，AE 計數較少，隨著應力水平提高，裂紋逐漸萌生，監測到聲發射事件。在裂紋不穩定擴展階段，由于試樣瀕臨破壞，AE計數明顯增加且分布雜亂。持續加載至峰后階段時，AE 計數達到峰值，試樣破壞。同時可以看出，隨著煤占比的增加，AE 計數的峰值逐漸降低。

3 煤巖組合體破壞演化特征

為分析不同煤占比下煤巖組合體的裂紋發育擴展規律，通過編程根據裂紋數增加量實時截圖，經后處理形成試樣破壞演化圖，僅分析煤占比為0.4的組合體試樣破壞演化結果，如圖4。

圖4 煤巖組合體破壞演化過程

在加載初期，由于煤體顆粒屬性低于巖體顆粒，其接觸抗拉強度首先達到臨界值，加之邊界效應的影響，試樣在低端起裂。隨著加載的持續，裂紋僅在煤體顆粒內部發育，當應力水平達到巖體顆粒臨界強度時，巖體顆粒接觸斷裂，巖體內部形成裂紋。鄰近試樣破壞時，煤體左下部裂紋匯聚形成裂紋群，有向上部貫通的趨勢，持續加載后裂紋突破煤巖界面，最終導致試樣破壞。

在整個加載過程中，煤巖組合體裂紋主要在屬性較弱的煤體顆粒中發育，試樣破壞后主要以煤體的破碎為主，巖體內部雖有裂紋產生，但并未形成貫通裂紋。

4 結論

基于離散元方法，采用PFC2D 建立了煤巖組合體試樣，分析了不同煤占比下組合體試樣的強度特征和破壞演化規律，主要結論如下：

（1）隨著煤占比的增加，煤巖組合體試樣的起裂應力、峰值應變都逐漸增加，其中起裂應力最終趨于穩定，而峰值應變近似線性增加。隨煤占比增加，煤巖組合體試樣的峰值強度和彈性模量均逐漸減小，兩者最終均趨于穩定。

（2）煤巖組合體試樣的應力應變曲線可分為三個階段：線彈性階段、裂紋不穩定擴展階段和峰后階段。隨著煤占比的增加，AE 計數的峰值逐漸降低。

（3）煤巖組合體裂紋主要在屬性較弱的煤體顆粒中發育，試樣破壞后主要以煤體的破碎為主，巖體內部雖有裂紋產生，但并未形成貫通裂紋。