巖-煤組合體試樣變形場(chǎng)與能量演化特征試驗(yàn)研究

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(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590； 2.山東能源西北礦業(yè)永明煤礦， 陜西 延安 717300； 3.山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評(píng)估工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250104； 4.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250104； 5.棗莊王晁煤礦有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277518； 6.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

煤炭是我國主體能源，是國家能源安全的“壓艙石”。隨著我國煤礦開采深度逐年遞增，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生強(qiáng)度和頻率增強(qiáng)，嚴(yán)重威脅煤礦安全高效生產(chǎn)。深部開采動(dòng)力災(zāi)害大多是在采動(dòng)影響下“煤層-圍巖”組合結(jié)構(gòu)體整體破壞失穩(wěn)的結(jié)果[1-3]，組合結(jié)構(gòu)體破壞失穩(wěn)伴隨著變形與能量演化。因此，研究“煤層-圍巖”組合結(jié)構(gòu)體破壞失穩(wěn)過程中變形與能量演化對(duì)深部開采動(dòng)力災(zāi)害防控具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)單一煤、巖試樣破壞過程中變形與能量演化開展了大量研究工作。王學(xué)懷等[4]研究了含預(yù)制裂紋花崗巖試樣的破壞過程，獲得了試樣變形場(chǎng)演化特征；王曉雷等[5]研究了不同層理傾角片麻巖試樣單軸壓縮變形場(chǎng)演化特征，揭示了層理傾角對(duì)變形場(chǎng)演化的影響規(guī)律；彭守建等[6]研究了不同加載速率下砂巖變形局部化特征，揭示了變形局部化演化的加載速率效應(yīng)；楊小彬等[7]分析了等幅循環(huán)加載過程中巖石變形局部化帶位移演化特征；范海軍等[8]探討了巖樣變形局部化的客觀存在性，認(rèn)為變形局部化帶演化可表征試樣破壞過程；潘一山等[9]研究了煤巖變形局部化帶起始時(shí)間、演化過程和局部化帶寬度，奠定了巖石非均勻變形演化基礎(chǔ)；宋義敏等[10]研究了整個(gè)加載過程中巖石試樣變形場(chǎng)演化特征，獲得了能量積聚釋放與局部化帶演化之間的關(guān)系；曾韋等[11]研究了卸荷條件下頁巖破壞行為，揭示了試驗(yàn)不同階段頁巖能量演化特征；李波波等[12]研究了三軸壓縮下煤巖損傷力學(xué)行為，揭示了煤樣能量演化特征；武旭等[13]研究了裂隙花崗巖試樣單軸加載能量演化特征，認(rèn)為裂隙花崗巖試樣總能量、彈性應(yīng)變能和耗散能相對(duì)較低；劉鵬飛等[14]研究了不同圍壓對(duì)花崗巖試樣能量釋放影響規(guī)律。

以上研究結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)單一煤、巖試樣破壞過程中變形與能量演化等具有重要意義，但是針對(duì)“煤層-圍巖”組合結(jié)構(gòu)體破壞過程中變形與能量演化方面的研究相對(duì)較少。目前，“煤層-圍巖”組合結(jié)構(gòu)體力學(xué)行為的研究主要通過巖-煤、煤-巖以及巖-煤-巖組合體試樣室內(nèi)試驗(yàn)或數(shù)值模擬[15]。本研究制備了灰?guī)r-煤組合體試樣，結(jié)合數(shù)字散斑應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行組合體試樣單軸壓縮變形破壞演化試驗(yàn)，獲得其變形場(chǎng)和彈性變形能密度，定量分析了變形場(chǎng)局部化帶和能量演化特征。

1 試樣制備與試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

巖-煤組合體試樣中巖石為灰?guī)r，為了減小巖、煤樣離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，所有巖、煤樣分別取自同一塊巖、煤塊。首先采用巖石切磨一體機(jī)將煤、巖塊進(jìn)行切割、打磨，加工成50 mm×50 mm×50 mm的正方體試樣，然后采用AB強(qiáng)力膠將巖、煤樣黏合成50 mm×50 mm×100 mm的組合體。共制備了3個(gè)組合體試樣，分別編號(hào)A-1、A-2和A-3，其基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 灰?guī)r-煤組合體試樣基本物理參數(shù)Tab. 1 Basic physical parameters of limestone-coal composite samples

1.2 試驗(yàn)方案

灰?guī)r-煤組合體試樣單軸壓縮變形破壞演化試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包括加載系統(tǒng)和數(shù)字散斑應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)，加載系統(tǒng)和數(shù)字散斑應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)同步進(jìn)行，確保兩系統(tǒng)具有相同時(shí)間參數(shù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Testing system

采用島津AG-X250電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)灰?guī)r-煤組合體試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，采用位移加載控制，加載速率為0.005 mm/s[16]。利用人工噴漆的方式制作散斑場(chǎng)，首先在組合體試樣表面均勻噴灑白色啞光漆；然后噴黑色啞光漆，使其隨機(jī)下落形成黑色散斑[17]；最后形成組合體試樣白底黑斑散斑場(chǎng)。通過數(shù)字散斑應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的工業(yè)相機(jī)(像素500萬)采集組合體試樣散斑圖，采集頻率為3幀/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 變形場(chǎng)演化分析

共進(jìn)行3組灰?guī)r-煤組合體試樣單軸壓縮變形破壞演化試驗(yàn)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2(a)所示。選取A-3組合體試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線7個(gè)特征點(diǎn)(a～g點(diǎn)，見圖2(b))，分析組合體試樣單軸壓縮變形場(chǎng)演化特征。以a點(diǎn)為參考點(diǎn)，對(duì)b～g點(diǎn)的變形圖像進(jìn)行識(shí)別，分別獲得各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)變場(chǎng)，如圖3所示，其中白色實(shí)線條表示原生裂紋，白色虛線條表示新生裂紋，σ為特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力。

圖2 灰?guī)r-煤組合體試樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和變形場(chǎng)演化分析特征點(diǎn)Fig. 2 Uniaxial compressive stress-strain curves and characteristic points of deformation field evolution analysis for limestone-coal composite sample

圖3 單軸加載下灰?guī)r-煤組合體試樣最大主應(yīng)變場(chǎng)演化特征Fig. 3 Evolution of maximum principal strain field for limestone-coal composite sample under uniaxial loading

圖3(a)～3(c)表示灰?guī)r-煤組合體試樣加載應(yīng)力峰值點(diǎn)前最大主應(yīng)變場(chǎng)演化特征。b點(diǎn)處于應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段，組合體試樣整個(gè)應(yīng)變場(chǎng)分布相對(duì)均勻，未出現(xiàn)變形局部化帶。隨著軸向應(yīng)力的增大，c點(diǎn)組合體試樣原生裂紋1、2、3區(qū)域首先出現(xiàn)變形局部化帶，對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)變?yōu)?.009 0。d點(diǎn)位于應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑性屈服階段，接近峰值點(diǎn)，此時(shí)最大主應(yīng)變場(chǎng)分布呈明顯非均勻性特征，組合體試樣原生裂紋1、2區(qū)域變形局部化帶開始發(fā)育、擴(kuò)展，最大主應(yīng)變?cè)黾樱畲笾禐?.030 7；同時(shí)，在軸向應(yīng)力作用下，煤樣內(nèi)原生裂紋2、3上尖端起裂擴(kuò)展，形成宏觀拉伸裂紋4、5。灰?guī)r內(nèi)變形局部化帶由交界面處向上發(fā)展，煤樣內(nèi)變形局部化帶由下向交界面處發(fā)展，均沿最大主應(yīng)力方向，且煤樣內(nèi)變形局部化帶發(fā)展較快。

圖3(d)～3(f)表示灰?guī)r-煤組合體試樣加載應(yīng)力峰值點(diǎn)后最大主應(yīng)變場(chǎng)演化特征。e～g點(diǎn)位于應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑性軟化階段。e點(diǎn)組合體試樣變形局部化帶繼續(xù)發(fā)育擴(kuò)展，最大主應(yīng)變值為0.031 8，且煤樣內(nèi)變形局部化帶擴(kuò)展至交界面處，原生裂紋3區(qū)域發(fā)育擴(kuò)展的變形局部化帶與灰?guī)r內(nèi)原生裂紋1區(qū)域變形局部化帶貫通；同時(shí)，煤樣內(nèi)新生拉伸裂紋4、5發(fā)育擴(kuò)展至交界面處，新生裂紋4與灰?guī)r內(nèi)原生裂紋1貫通。f點(diǎn)組合體試樣變形局部化帶進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展，最大應(yīng)變值為0.034 4，煤樣內(nèi)原生裂紋2區(qū)域發(fā)育擴(kuò)展的變形局部化帶擴(kuò)展至灰?guī)r內(nèi)，并與灰?guī)r內(nèi)原生裂紋1區(qū)域變形局部化帶貫通；同時(shí)，灰?guī)r內(nèi)原生裂紋1上尖端處形成拉伸裂紋6和反翼拉伸裂紋7。g點(diǎn)組合體試樣變形局部化帶伸長、交匯和連接，伴隨著煤樣、灰?guī)r內(nèi)原生與新生裂紋起裂、擴(kuò)展和貫通，尤其是煤樣內(nèi)，這導(dǎo)致組合體試樣最終破壞失穩(wěn)。煤樣呈拉-剪混合式破壞，而灰?guī)r發(fā)生拉伸破壞。

綜上所述，灰?guī)r-煤組合體試樣變形局部化帶演化與其原生裂紋起裂、擴(kuò)展有關(guān)，灰?guī)r、煤樣內(nèi)變形局部化帶交匯、貫通導(dǎo)致組合體試樣的整體破壞失穩(wěn)。同時(shí)，煤樣內(nèi)宏觀裂紋擴(kuò)展至灰?guī)r內(nèi)，并與灰?guī)r內(nèi)宏觀裂紋貫通而導(dǎo)致其破壞。

2.2 局部化帶位移演化分析

在分析灰?guī)r-煤組合體試樣變形場(chǎng)演化基礎(chǔ)上，采用局部化帶位移演化分析方法，定量研究組合體試樣變形局部化帶位移演化特征。根據(jù)文獻(xiàn)[18]中變形局部化帶定義，對(duì)灰?guī)r-煤組合體試樣最終破壞前的主應(yīng)變?cè)茍D變形局部化帶進(jìn)行標(biāo)識(shí)(如圖4(a))。根據(jù)文獻(xiàn)[19]提出的變形局部化帶兩側(cè)位移錯(cuò)動(dòng)分析方法(如圖4(b)，其中a為變形局部化帶標(biāo)識(shí)線兩側(cè)距離2 mm；M1和M2點(diǎn)為選取的像素點(diǎn)的中心點(diǎn)；u、v為選取的像素點(diǎn)的位移分量)，對(duì)組合體試樣變形局部化帶位移錯(cuò)動(dòng)量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖5所示，沿逆時(shí)針方向位移錯(cuò)動(dòng)為正。

圖4 變形局部化帶位移演化分析方法[19]Fig. 4 Analytical method of displacement evolution of deformation localization band

圖5 變形局部化帶位移錯(cuò)動(dòng)量演化曲線Fig. 5 Evolution curves of displacement dislocation for deformation localization zones

由圖5可知，灰?guī)r-煤組合體試樣變形局部化帶位移錯(cuò)動(dòng)演化過程可分為微變化、線性緩慢增長與非線性加速增長3個(gè)階段，主要受變形局部化帶形成、擴(kuò)展與貫通等影響。在單軸加載初期，組合體試樣內(nèi)未出現(xiàn)變形局部化帶，變形局部化帶A～E的位移錯(cuò)動(dòng)量幾乎為0，處于微變化階段。隨著軸向應(yīng)力的增大，組合體試樣變形局部化帶首先在原生裂紋區(qū)域形成，并沿著最大主應(yīng)力方向發(fā)育擴(kuò)展，變形局部化帶A～E的位移錯(cuò)動(dòng)量進(jìn)入線性緩慢增長階段，但受到變形局部化帶形成時(shí)間、發(fā)育擴(kuò)展等影響，變形局部化帶進(jìn)入線性增長階段時(shí)間與線性增長速率不同。其中，變形局部化帶A、D、E的位移錯(cuò)動(dòng)量首先進(jìn)入線性增長階段，持續(xù)時(shí)間長，位移錯(cuò)動(dòng)量增長率相對(duì)較大，變形局部化帶A位移錯(cuò)動(dòng)量增長率最大，這主要是因?yàn)檩S向應(yīng)力直接作用于灰?guī)r上，而灰?guī)r壓縮變形降低了煤樣損傷積聚[15]；變形局部化帶B、C的位移錯(cuò)動(dòng)量在靠近峰值點(diǎn)時(shí)進(jìn)入線性增長階段，持續(xù)時(shí)間較短，位移錯(cuò)動(dòng)量增長率相對(duì)較小；變形局部化帶A～E的位移錯(cuò)動(dòng)量均沿逆時(shí)針方向。在線性增長初期階段，變形局部化帶D、E的位移錯(cuò)動(dòng)量增長趨勢(shì)保持一致，但在線性增長后期階段，變形局部化帶D的位移錯(cuò)動(dòng)量增長率大于變形局部化帶E，這主要因?yàn)槊簶釉鸭y②上尖端在軸向應(yīng)力作用下起裂、擴(kuò)展，在變形局部化帶D區(qū)域形成宏觀裂紋⑤(圖3)，加劇了其位移錯(cuò)動(dòng)。加載至應(yīng)力峰值點(diǎn)后，組合體試樣內(nèi)部進(jìn)行了調(diào)整以適應(yīng)軸向應(yīng)力，應(yīng)力-應(yīng)變曲線不是立即跌落，而是出現(xiàn)了一個(gè)短暫的“應(yīng)力穩(wěn)定波動(dòng)”階段，該階段的變形局部化帶位移錯(cuò)動(dòng)量仍以線性增長為主。在峰后應(yīng)力跌落階段，變形局部化帶B、D位移錯(cuò)動(dòng)量首先進(jìn)入非線性加速增長階段，這說明變形局部化帶B、D是影響組合體試樣破壞的主控變形局部變化帶，組合體試樣最終破壞形態(tài)也說明了這一點(diǎn)；由于變形局部化帶A、C、E繼續(xù)發(fā)育擴(kuò)展，各變形局部化帶之間相互貫通，變形局部化帶A、C、E的位移錯(cuò)動(dòng)量相繼開始非線性加速增長；同時(shí)在該階段灰?guī)r、煤樣內(nèi)原生與新生裂紋擴(kuò)展和貫通而形成宏觀破壞面，且煤樣內(nèi)裂紋擴(kuò)展傳播至灰?guī)r內(nèi)與其內(nèi)部裂紋貫通，最終導(dǎo)致組合體試樣破壞失穩(wěn)。變形局部化帶(尤其是煤樣內(nèi))位移錯(cuò)動(dòng)量的非線性加速增長加劇了組合體試樣變形破壞，導(dǎo)致組合體試樣承載能力降低，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力遞減。因此，變形局部化帶的非線性加速增長可作為組合體試樣變形破壞預(yù)測(cè)的重要指標(biāo)。此外，變形局部化帶最大位移錯(cuò)動(dòng)量與其位置、錯(cuò)動(dòng)方向有關(guān)。通常情況下，變形局部化帶位于試樣兩端部或兩側(cè)時(shí)最大位移錯(cuò)動(dòng)量相對(duì)較大，如變形局部化帶A、C的最大位移錯(cuò)動(dòng)量分別為0.104 4和0.132 1 mm；變形局部化帶位于試樣中部時(shí)最大位移錯(cuò)動(dòng)量相對(duì)較小，如變形局部化帶B、D最大位移錯(cuò)動(dòng)量分別為0.069 5和0.083 2 mm。然而，由于變形局部化帶位移錯(cuò)動(dòng)均沿逆時(shí)針方向，變形局部化帶E位于組合體試樣的最左側(cè)，限制了其位移錯(cuò)動(dòng)，最大位移錯(cuò)動(dòng)量最小(0.063 7 mm)。

2.3 交界面處巖、煤樣位移變化量演化分析

為了分析灰?guī)r-煤交界面對(duì)組合體變形破壞的影響，在交界面處上下兩側(cè)共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)交界面處灰?guī)r、煤樣位移變化量，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位于交界面上側(cè)5 mm、試樣中心線左側(cè)23 mm處；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位于交界面下側(cè)5 mm、試樣中心線左側(cè)23 mm處；監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4均位于試樣中心線上，分別在交界面上、下側(cè)5 mm處，如圖6所示。圖7給出了交界面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4的絕對(duì)位移變化量演化曲線。

圖6 交界面處灰?guī)r、煤樣位移變化量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意Fig. 6 Layout of monitoring points for displacement variations of limestone and coal near the interface

在灰?guī)r-煤組合體試樣中，由于巖、煤力學(xué)性質(zhì)的差異，交界面處灰?guī)r、煤樣變形不一致，但為了維持組合體試樣整體穩(wěn)定，界面處將產(chǎn)生派生應(yīng)力以限制或促進(jìn)交界面處灰?guī)r、煤樣變形，實(shí)現(xiàn)交界面處灰?guī)r、煤樣協(xié)同變形，稱為“界面效應(yīng)”[15]。本次試驗(yàn)中，灰?guī)r彈性模量大于煤樣，但泊松比小于煤樣，因此，交界處灰?guī)r區(qū)域派生應(yīng)力為拉應(yīng)力，促進(jìn)其變形；而交界面處煤樣區(qū)域派生應(yīng)力為壓應(yīng)力，限制其變形。由圖7(a)和7(b)可知，在加載前120 s，交界面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2的絕對(duì)位移變化量演化特征保持一致；而監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4絕對(duì)位移變化量演化特征在加載前60 s保持一致。加載120 s后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2絕對(duì)位移變化量先出現(xiàn)“突增”，后波動(dòng)式下降，然后短暫的劇烈波動(dòng)，最后保持穩(wěn)定；加載60 s后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4絕對(duì)位移變化量開始波動(dòng)式緩慢增長，在加載140 s時(shí)出現(xiàn)“突增”，最后保持穩(wěn)定。在整個(gè)加載階段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和3的絕對(duì)位移變化量相對(duì)穩(wěn)定，呈周期性穩(wěn)定波動(dòng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、4和監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3絕對(duì)位移變化量差異主要受到組合體試樣內(nèi)變形局部化帶擴(kuò)展、貫通及位移錯(cuò)動(dòng)等影響，尤其是煤樣內(nèi)變形局部化帶C、D。如，變形局部化帶D位移錯(cuò)動(dòng)量(圖5)在加載60 s時(shí)剛進(jìn)入線性增長階段，受其影響的監(jiān)測(cè)點(diǎn)4絕對(duì)位移變化量開始波動(dòng)式緩慢增長；加載至140 s時(shí)，變形局部化帶D位移錯(cuò)動(dòng)量進(jìn)入非線性加速增長階段，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)4絕對(duì)位移變化量出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象。變形局部化帶C位移錯(cuò)動(dòng)量在加載至120 s時(shí)初步進(jìn)入線性增長階段，變形局部化帶C內(nèi)部微裂紋的形成、延伸、交匯、貫通以及裂紋之間產(chǎn)生滑動(dòng)，受其影響的監(jiān)測(cè)點(diǎn)2絕對(duì)位移變化量出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象；同時(shí)，由于變形局部化帶C逆時(shí)針方向位移錯(cuò)動(dòng)影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2絕對(duì)位移變化量波動(dòng)式下降；變形局部化帶C位移錯(cuò)動(dòng)量在加載至148 s時(shí)進(jìn)入非線性加速增長階段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2絕對(duì)位移變形量出現(xiàn)劇烈短暫波動(dòng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和3受變形局部變化帶A、B的影響相對(duì)較小，同時(shí)由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3靠近組合體試樣最左側(cè)，其變形也受到邊界效應(yīng)的影響。

圖7 交界面處灰?guī)r、煤樣絕對(duì)位移變化量曲線Fig. 7 Displacement variation curves of limestone and coal near the interface

綜上所述，在界面效應(yīng)的作用下，交界面處灰?guī)r、煤樣首先保持協(xié)同變形，但由于煤樣強(qiáng)度低，在軸向應(yīng)力作用下煤樣首先產(chǎn)生破壞，其內(nèi)部變形局部化帶快速發(fā)育、擴(kuò)展與貫通，促進(jìn)了交界面處煤樣變形，交界面處灰?guī)r、煤樣轉(zhuǎn)為非協(xié)同變形。

2.4 變形能量演化特征分析

結(jié)合灰?guī)r-煤組合體試樣最終破壞模式以及破壞前的應(yīng)變場(chǎng)，將組合體試樣變形場(chǎng)分為變形局部化帶內(nèi)區(qū)域(塑性區(qū)域)、外區(qū)域(彈性區(qū)域)兩部分；通過計(jì)算灰?guī)r、煤樣彈性區(qū)域彈性變形能密度Ur、Uc來分析灰?guī)r、煤樣能量演化特征。基于組合體試樣應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將灰?guī)r、煤樣彈性區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變分量平均值作為應(yīng)變分量值，通過式(1)分別計(jì)算Ur和Uc[20]。

(1)

式中：E、μ分別為彈性模量和泊松比，灰?guī)rE、μ分別為7.96 GPa和0.212，煤樣E、μ分別為2.82 GPa和0.321；ε1和ε2分別為試樣表面的第一主應(yīng)變和第二主應(yīng)變；U為彈性變形能密度。

同時(shí)，為進(jìn)一步揭示灰?guī)r、煤樣之間的相互作用，在灰?guī)r、煤樣中部上下端面區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)灰?guī)r、煤樣上下端面的垂直距離Hr和Hc變化情況，如圖8所示。

圖8 灰?guī)r、煤樣上下兩端面垂直距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 8 Layout of monitoring points for displacement between upper and lower ends of limestone and coal sample

圖9給出了組合體試樣軸向應(yīng)力、Hr、Hc、Ur和Uc隨時(shí)間變化曲線。根據(jù)灰?guī)r、煤樣彈性區(qū)域彈性變性能密度演化特征，將彈性變性能密度-時(shí)間曲線劃分為4個(gè)階段，分別為初始波動(dòng)增長階段(I階段)、相對(duì)穩(wěn)定增長階段(II階段)、快速增長階段(III階段)以及降低-波動(dòng)穩(wěn)定階段(Ⅳ階段)。

1) 初始波動(dòng)增長階段

該階段與組合體試樣應(yīng)力-時(shí)間曲線壓密階段基本對(duì)應(yīng)，外界輸入能量主要用于灰?guī)r、煤樣內(nèi)原生缺陷和交界面的壓縮密實(shí)，Ur、Uc波動(dòng)式增長，數(shù)值相對(duì)較小；而Hr、Hc整體波動(dòng)緩慢遞減。

2) 相對(duì)穩(wěn)定增長階段

該階段與組合體試樣應(yīng)力-時(shí)間曲線彈性階段基本對(duì)應(yīng)，外界輸入的能量主要以彈性能形式儲(chǔ)存在灰?guī)r、煤樣內(nèi)，對(duì)應(yīng)的彈性變性能密度相對(duì)穩(wěn)定增長。由于煤樣彈性模量大于灰?guī)r，因此其彈性變形能密度增長速率(4.69 MPa/s)大于灰?guī)r(0.58 MPa/s)，說明外界輸入的能量主要儲(chǔ)存在煤樣內(nèi)；Hr、Hc整體波動(dòng)穩(wěn)定遞減，Hc遞減速率(0.001 2 mm/s)大于Hr遞減速率(0.000 3 mm/s)。

圖9 組合體試樣軸向應(yīng)力、Hr、Hc、Ur和Uc隨時(shí)間變化曲線Fig. 9 Variation curves of axial stress of composite sample, Hr, Hc, Ur and Uc with time

3) 快速增長階段

該階段與組合體試樣應(yīng)力-時(shí)間曲線塑性屈服和峰后前期階段基本對(duì)應(yīng)，Uc快速增長階段時(shí)長小于Ur，這主要是由于煤樣強(qiáng)度小于灰?guī)r，在軸向應(yīng)力的作用下煤樣首先發(fā)生破壞，進(jìn)而釋放能量，彈性變形能密度-時(shí)間曲線開始遞減。Uc快速增長階段為塑性屈服點(diǎn)到峰值點(diǎn)后應(yīng)力穩(wěn)定波動(dòng)點(diǎn)。在彈性變形能密度快速增長階段，一方面組合試樣內(nèi)微裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展形成宏觀裂紋，另一方面原生裂紋在軸向應(yīng)力的作用下起裂擴(kuò)展而形成宏觀裂紋，宏觀裂紋擴(kuò)展、交匯貫通導(dǎo)致組合體試樣出現(xiàn)局部破壞，尤其是煤樣內(nèi)(圖3)，但是該破壞無法造成組合體試樣整體破壞失穩(wěn)。因此，在該階段是能量儲(chǔ)存與消耗共存，但儲(chǔ)存大于消耗，整體上Ur、Uc呈整體快速增長趨勢(shì)，而Hr、Hc整體波動(dòng)快速遞減。Uc最大值為3 182 MPa，Ur最大值為520 MPa；同時(shí)由于微裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展或原生裂紋起裂擴(kuò)展，Ur、Uc、Hr、Hc出現(xiàn)局部波動(dòng)。

4) 降低-波動(dòng)穩(wěn)定階段

Uc首先進(jìn)入降低-波動(dòng)穩(wěn)定階段，對(duì)應(yīng)的煤樣內(nèi)形成宏觀破壞面，開始發(fā)生漸進(jìn)破壞，Uc逐漸降低，釋放能量。煤樣漸進(jìn)破壞影響灰?guī)r變形破壞和能量釋放，一方面，煤樣內(nèi)裂紋發(fā)育擴(kuò)展至灰?guī)r內(nèi)，并與灰?guī)r內(nèi)原生裂紋貫通(圖5)，進(jìn)而導(dǎo)致其破壞；另一方面煤樣漸進(jìn)破壞誘發(fā)灰?guī)r回彈變形，且回彈變形發(fā)生在煤樣主控宏觀破壞面形成之前，導(dǎo)致Ur線性快速降低，Hr突增。同時(shí)，灰?guī)r回彈變形釋放的部分彈性能作用于煤樣上，進(jìn)一步加劇煤樣破壞，導(dǎo)致Uc出現(xiàn)上下劇烈波動(dòng)，Hr快速降低。最終，煤樣破壞導(dǎo)致組合體試樣整體破壞失穩(wěn)，在應(yīng)力-時(shí)間曲線殘余變形階段，Ur、Uc、Hr保持穩(wěn)定，其中Ur為0；而沒有監(jiān)測(cè)到Hc相關(guān)數(shù)據(jù)，這主要是由于散斑點(diǎn)缺失造成的。

3 結(jié)論

1) 灰?guī)r-煤組合體試樣變形局部化帶演化主要與其內(nèi)部原生裂紋起裂、擴(kuò)展有關(guān)，變形局部化帶首先出現(xiàn)在原生裂紋區(qū)域，沿最大主應(yīng)力方向發(fā)育擴(kuò)展，煤樣內(nèi)變形局部化帶發(fā)育擴(kuò)展相對(duì)較快，變形局部化帶交匯、貫通導(dǎo)致組合體試樣整體破壞失穩(wěn)；同時(shí)，煤樣內(nèi)裂紋擴(kuò)展傳播至灰?guī)r內(nèi)，并與灰?guī)r內(nèi)裂紋貫通而導(dǎo)致其拉伸破壞，煤樣最終發(fā)生拉-剪混合式破壞。

2) 灰?guī)r-煤組合體試樣變形局部化帶位移錯(cuò)動(dòng)量演化受變形局部化帶形成、擴(kuò)展與貫通影響，主要經(jīng)歷微變化、線性緩慢增長、非線性加速增長三個(gè)階段，與組合體試樣應(yīng)力變化基本對(duì)應(yīng)；峰后變形局部化帶快速擴(kuò)展貫通，位移錯(cuò)動(dòng)量非線性加速增長，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力遞減。變形局部化帶位移錯(cuò)動(dòng)量非線性加速增長可作為組合體試樣變形破壞預(yù)測(cè)的重要指標(biāo)。

3) 灰?guī)r-煤組合體試樣中灰?guī)r、煤樣彈性變形能密度演化可分為初始波動(dòng)增長階段、相對(duì)穩(wěn)定增長階段、快速增長階段以及降低-波動(dòng)穩(wěn)定階段，外界輸入的能量主要被煤樣所消耗，煤樣首先發(fā)生漸進(jìn)破壞而釋放能量，交界面處灰?guī)r、煤樣由協(xié)同變形轉(zhuǎn)為非協(xié)同變形；煤樣破壞誘發(fā)灰?guī)r回彈變形，導(dǎo)致灰?guī)r釋放彈性能，部分彈性能作用于煤樣上而加劇了其破壞。