不同高比灰巖-煤組合體變形破壞特征實驗研究

陳紹杰 ，李法鑫 ，尹大偉 ，張繼成

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島，266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島，266590)

煤炭作為我國主體能源，未來相當長時間內其地位不會改變[1]。隨著煤炭資源大規模開發，淺部資源已逐漸趨向枯竭，深部開采已成為常態[2-3]。隨著煤炭資源開采深度不斷增加，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害頻發，不僅嚴重威脅井下作業人員生命安全，還給煤礦企業帶來重大經濟損失。大量研究與工程實踐表明，深部開采動力災害大多是采動影響下“巖體-煤體”組合結構整體破壞失穩的結果[4-7]。因此，有必要研究“巖體-煤體”組合結構力學行為，進而為認識與防控深部開采動力災害提供理論支撐。

目前，國內外學者主要是將“巖體-煤體”組合結構簡化為巖-煤、煤-巖和巖-煤-巖組合體試樣，開展相關巖石力學和數值模擬試驗，并研究其力學行為[1-2,4,8-23]。在巖石力學試驗方面，YIN等[2,9-10]開展了不同巖煤高比、加載速率與巖石特性下的巖-煤組合體試樣單軸壓縮試驗，研究了組合體試樣力學特性及其漸進破壞機制；楊科等[11]開展了高靜載和動靜載耦合作用下巖-煤-巖組合體試樣真三軸單面臨空試驗，獲得了不同應力邊界下組合體試樣破壞形態、動力顯現特征與聲發射信號演變規律；楊磊等[12]開展了不同強度比下巖-煤組合體試樣單軸壓縮試驗，研究了組合體試樣力學響應特征與能量分區演化規律；李成杰等[13]研究了煤-巖組合體試樣整體失穩過程中裂紋擴展與破壞機理，揭示了組合體試樣整體破壞過程中變形與破壞規律；宮鳳強等[14]開展了4種不同量級和加載速率下巖-煤組合體試樣單軸壓縮試驗，研究了加載速率對組合體試樣沖擊傾向性影響規律；宋錄生等[15]開展了單一巖、煤以及2種不同高度比下巖-煤試樣沖擊傾向性試驗，研究了不同巖石特性對結構體試樣沖擊傾向性影響規律；左建平等[16]開展了單一巖、煤樣和巖-煤組合體試樣單軸和三軸壓縮試驗，揭示了不同應力條件下巖、煤單體及組合體試樣破壞模式和力學行為。

在數值模擬試驗方面，YIN 等[17-20]采用PFC2D顆粒流軟件模擬了巖-煤組合體試樣單軸和雙軸壓縮試驗，研究節理、加載速率、巖石特性、巖煤高比和巖煤傾角對組合體試樣單軸和雙軸壓縮力學特性及破壞特征影響規律；付斌等[21-22]采用RFPA2D軟件模擬了巖-煤組合體試樣單軸和三軸壓縮試驗，從抗壓強度、彈性模量和聲發射能量角度，揭示了界面傾角和圍壓對組合體試樣力學特性與能量演化的影響規律；郭東明等[23]采用ABAQUS軟件模擬了頂板-煤層組合體試樣單軸壓縮試驗，研究了巖煤傾角對組合體試樣強度與破壞的影響規律。

上述研究主要集中于組合試樣強度、能量演化、漸進破壞和聲發射特征等。在軸向應力作用下，組合體試樣中巖樣、煤樣同時承載，且發生變形破壞，由于巖與煤樣力學性質的差異，組合體試樣的變形破壞特征必然與單一巖、煤樣不同，而針對該方面的研究較少。與此同時，巖煤高度比也是影響組合體試樣變形破壞特征的重要因素之一。鑒于此，本文制備5組灰巖-煤組合體試樣，結合聲發射系統和XTDIC三維全場應變測量系統，開展組合體試樣單軸壓縮試驗，揭示不同高比灰巖-煤組合體試樣變形破壞特征，以期為防控深部開采動力災害提供一定的理論基礎。

1 試樣制備與試驗方案

1.1 試樣制備

本次試驗所需的灰巖、煤樣均取自唐山煤礦。

首先，使用切割機將巖、煤塊切割成長×寬為50 mm×50 mm，高度分別為20、40、50、60 和80 mm的方柱體試樣；

然后，使用磨石機對試樣6 個端面打磨處理，要求端面光滑，對應端面不平行度不大于0.05 mm、軸向偏差不大于0.25°[24]；

最后，按2∶8、4∶6、5∶5、6∶4 和8∶2 的巖煤高比，采用環氧樹脂AB 膠[1-2,8-16,24,26-28]將灰巖、煤樣黏合成15 個邊長為50 mm 的方柱體試樣，并將其分為A、B、C、D和E組。

1.2 試驗方案

本次試驗加載與監測系統主要包括島津AGX250電子萬能試驗機、MISTRAS系列PCI-2聲發射系統和XTDIC 三維全場應變測量系統。試驗時采用位移加載控制，加載速率設置為0.005 mm/s，靈敏度設置為1%，即加載應力下降達到峰值應力的1%，試驗自動停止[8]。加載系統、聲發射系統和三維全場應變測量系統同步進行，保證三系統具有相同時間參數[29-31]。

2 灰巖-煤組合體強度特征

在進行組合體試樣單軸壓縮試驗前，首先對單一灰巖、煤樣(柱體的直徑×高度為50 mm×100 mm)進行單軸壓縮試驗。圖1所示為單一灰巖、單一煤樣及不同高比灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮應力-應變曲線。由圖1可見：不同高比下，灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮應力-應變曲線線型與單一煤樣的更相似，均經歷初始壓密階段、線彈性階段、塑性屈服階段和峰后破壞階段。因此，煤樣決定組合體試樣應力-應變曲線形態。

圖1 單一灰巖、單一煤樣及不同高比灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮應力-應變曲線Fig.1 Uniaxial compressive stress-strain curves of single limestone, single coal samples and limestone-coal composite samples with different height ratios

1) 在峰前階段，巖煤高比越大，組合體試樣應力-應變曲線上升越明顯，峰值應力越大。

2) 在峰后階段，巖煤高比越大，組合體試樣的塑性破壞越強。

本次試驗中，灰巖彈性模量大于煤樣彈性模量，灰巖泊松比小于煤樣泊松比，受界面效應[32]影響，交界面處灰巖派生應力為拉應力，促進交界面處巖、煤變形，而交界面處煤樣派生應力為壓應力，限制交界面處巖、煤變形。煤樣距離交界面越遠的位置，受到界面效應產生的限制作用越弱。因此，隨著巖煤高比增大，煤樣受派生壓應力強限制作用區域占比增大，組合體試樣破壞過程劇烈性減小。

表1 所示為不同高比灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮試驗結果。圖2 所示為不同高比灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮強度和彈性模量(E，即應力-應變曲線的線彈性階段斜率)對比結果。

表1 不同高比灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮試驗結果Table 1 Uniaxial compression test results of limestonecoal composite samples with different height ratios MPa

圖2 不同高比灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮強度和E對比Fig.2 Comparison of uniaxial compressive strength and E of limestone-coal composite samples with different height ratios

由表1和圖2可見：與巖煤高比為2∶8的灰巖-煤組合體試樣相比，巖煤高比4∶6、5∶5、6∶4和8∶2的組合體試樣單軸壓縮強度分別增大了23.00%、55.13%、115.59% 和177.76%，E分別增大了44.11%、108.02%、141.25% 和212.97%。因此，隨著巖煤高比增大，組合體試樣單軸壓縮強度和E均呈增大趨勢。不同高比灰巖-煤組合體試樣強度特征有所差異，是由灰巖、煤樣之間相互作用機制導致的，主要體現在以下2個方面。

1) 組合體試樣破壞均發生在煤樣內，煤樣高度減小導致煤樣承載能力提高，引起組合體試樣整體承載能力提高。

2) 組合體試樣加載過程是灰巖、煤樣協同承載儲能過程，灰巖、煤樣同時產生變形，能量儲存在灰巖、煤樣中，因此，灰巖高度增大導致其儲存的彈性能增多，耗散能減少，減小了軸向應力對主要承載部分煤樣的損傷，引起組合體試樣整體承載能力提高。

3 灰巖-煤組合體變形破壞特征

3.1 變形場演化特征

5 組不同高比灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮試驗中，每組3個試樣試驗結果基本一致，因此，每組選取其中1個試樣進行變形場演化特征分析。圖3所示為灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮應力-應變曲線特征點選取示意圖(以A-1組合體試樣為例)。每條應力-應變曲線選取5 個特征點，以分析組合體試樣變形破壞特征。其中，A點對應的軸向應力為0 MPa，B點對應的軸向應力為峰值應力的50%(峰值前)，C點對應的軸向用力為峰值應力的90%(峰值前)，D點對應的軸向應力為峰值應力，E點對應的軸向應力為峰值應力的95%(峰值后)。

圖3 A-1組合體試樣單軸壓縮應力-應變曲線特征點選取Fig.3 Selection of characteristic points of uniaxial compressive stress-strain curve of A-1 composite sample

圖4 所示為不同高比灰巖-煤組合體試樣最大主應變場演化云圖，其中特征點A為數字散斑相關方法選取參考圖像對應點，特征點B～E為數字散斑相關方法選取變形圖像對應點，淺藍色橢圓圈表示原生裂紋，紫色橢圓圈表示新生裂紋或原生裂紋擴展產生新生裂紋，紫色箭頭表示裂紋擴展，σ為特征點對應軸向應力。表2 所示為不同高比灰巖-煤組合體試樣裂紋與變形場演化特征。由圖4和表2可見：與特征點C對應最大主應變相比，A-1、B-1、C-1、D-1 和E-1 組合體試樣特征點D對應最大主應變分別增加了222%、171%、98%、375%和6%。隨著巖煤高比增大，組合體試樣最大主應變增大率整體呈減小趨勢，D-1組合體試樣最大主應變增大率增大可能是灰巖內宏觀裂紋發育所致。同時，在軸向應力作用下，煤樣內原生裂紋尖端起裂擴展，形成宏觀張拉裂紋，變形局部化帶長度和寬度都有所增大。

表2 不同高比灰巖-煤組合體試樣裂紋與變形場演化特征Table 2 Evolution characteristics of crack and deformation field of limestone-coal composite samples with different height ratios

圖4 不同高比下灰巖-煤組合體試樣最大主應變場演化云圖Fig.4 Evolution nephogram of the maximum principal strain field of limestone-coal composite samples with different height ratios

灰巖-煤組合體試樣變形局部化帶演化與煤樣內原生裂紋起裂、擴展密切相關，如宏觀裂紋界面錯動與尖端起裂、擴展，微裂紋萌生、起裂、擴展等。變形局部化帶隨著裂紋的起裂、擴展而發生交匯，進而誘發煤樣破壞，最終導致組合體試樣整體破壞。

3.2 灰巖回彈變形特征

巖、煤樣力學性質存在差異，在軸向應力的作用下，某一部分首先破裂(破裂體)，而另一部分產生回彈變形(回彈體)。本次試驗中煤樣強度遠低于灰巖強度，當組合體試樣達到強度極限時，煤樣發生破裂，此時灰巖仍處于彈性狀態，煤樣破壞導致灰巖回彈變形，因此，煤樣是破裂體，灰巖是回彈體[33-35]。為進一步揭示灰巖、煤樣之間相互作用機制，在灰巖、煤樣交界面布置監測點，監測灰巖高度Hr和煤樣高度Hc的變化情況，如圖5所示。

圖5 不同高比灰巖-煤組合體試樣監測點布置Fig.5 Layout of monitoring points of limestone-coal composite samples with different height ratios

軸向應力、Hr和Hc隨時間變化曲線如圖6 所示。由圖6 可知：不同高比灰巖-煤組合體試樣破壞過程中，Hr和Hc均呈整體波動遞減趨勢，其中組合體試樣Hr和Hc波動主要受灰巖、煤樣原生裂紋長度和數量的影響。

圖6 不同高比灰巖-煤組合體試樣軸向應力、Hr和Hc隨時間變化曲線Fig.6 Time dependent curves of Axial stress, Hr and Hc of limestone-coal composite samples with different height ratios

在煤樣主破裂發生瞬間，組合體試樣應力-應變曲線峰后出現較大跌落，Hr均出現不同程度增大，Hc也出現非線性減小的特征，說明煤樣破壞導致灰巖回彈變形。其中A-2、B-2 和C-2 組合體試樣Hc出現“突降”現象，此刻灰巖產生回彈，回彈變形量分別為0.042、0.015和0.014 mm，回彈變形率分別為0.210%、0.038%和0.028%；D-2 和E-1組合體試樣Hc出現“保持”現象，說明煤樣產生屈服，其變形趨于穩定，在“保持”現象結束時刻灰巖產生回彈，回彈變形量分別為0.024 mm和0.008 mm，回彈變形率分別為0.040% 和0.010%。

巖煤高比對組合體試樣灰巖回彈變形產生影響。D-2組合體試樣灰巖回彈變形量和回彈變形率較大，這與其灰巖原生裂紋擴展有關。隨著巖煤高比增大，組合體試樣灰巖回彈變形量和變形率整體呈遞減趨勢。這是因為煤樣高度越小，其強度極限越大，組合體試樣破壞時灰巖回彈克服阻力做功越大，灰巖回彈變形率越小。同時，灰巖回彈變形釋放部分彈性能作用于煤樣上，加劇了煤樣的破壞，而煤樣的破壞又在一定程度上增強了灰巖回彈變形。

4 灰巖-煤組合體能量演化與聲發射特征

4.1 能量演化特征

灰巖-煤組合體試樣變形破壞是能量驅動的結果[36]。根據熱力學第一定律，假設外力做功時組合體試樣與外界沒有熱量交換，外力對組合體試樣做功所產生的輸入能密度UI為彈性能密度UE和耗散能密度UD之和[37-38]。

圖7 所示為灰巖-煤組合體試樣能量密度轉化關系。由圖7可得輸入能密度UI計算式。

圖7 灰巖-煤組合體試樣能量密度轉化關系Fig.7 Energy density conversion relationship of limestone-coal composite samples

式中：σi為應力-應變曲線上任一點應力，MPa；εc為峰值應力對應應變。

由組合體試樣單軸壓縮加卸載試驗可知，峰值前卸載路徑與應力-應變曲線斜率基本一致[39]。因此，可由式(3)和式(4)分別獲得組合體試樣受載時耗散能密度UD與內部儲存彈性能密度UE。

式中：σc為峰值應力，MPa；(εc-εd)為可恢復應變。

峰后釋放能密度UP-R為應力-應變曲線中從εc至εr包絡線面積，其計算式為

式中：εr為應力-應變曲線最大應變。

組合體試樣發生破壞后，峰前彈性能一部分轉化為峰后釋放能，一部分轉化為剩余彈性能UR-E，剩余彈性能密度UR-E與灰巖、煤樣破壞時動力顯現程度直接相關。剩余彈性能密度UR-E計算式為

在本次試驗中，利用式(1)～(6)可得組合體試樣加載過程中UI、UE、UD、UP-R和UR-E，各能量密度對比如圖8所示。

圖8 不同高比灰巖-煤組合體試樣UI、UE、UD、UP-R、UR-E和UE占比對比Fig.8 Comparison of UI, UE, UD, UP-R, UR-E and UE proportion of limestone-coal composite samples with different height ratios

在灰巖-煤組合體試樣加載過程中，外界能量不斷輸入，一部分能量轉化為耗散能，主要表現為組合體試樣內部原生裂紋發育擴展；另一部分轉化為彈性能，儲存在組合體試樣中。當組合體試樣達到其強度極限后，儲存在組合體試樣中的彈性能一部分轉化為峰后釋放能，主要表現為宏觀裂紋貫通，從而導致組合體試樣破壞；另一部分轉化為剩余彈性能，主要表現為組合體試樣彈射破壞，與組合體試樣破壞時動力顯現程度直接相關。

由圖8可知：隨著軸向應力不斷增加，外界能量不斷輸入。A 組組合體試樣平均UI最小，為0.023 756 J/mm3，E組組合體試樣平均UI最大，為0.098 902 J/mm3，平均UI隨著巖煤高比增大而增大。只有當輸入能量達到組合體試樣能量儲存極限時，組合體試樣才表現出破壞，因此E組的組合體試樣強度最大，這證實了試驗結果的準確性。A組組合體試樣平均UE最小，為0.023 415 J/mm3，E組組合體試樣平均UE最大，為0.098 762 J/mm3，平均UE隨著巖煤高比增大而增大。轉化為彈性能的能量分別儲存在灰巖和煤樣中。

在峰前階段，一些外部能量被轉化為與組合體試樣內部變形破壞相關的UD；在峰后階段，UE轉化為UP-R和UR-E。不同高比灰巖-煤組合體試樣能量演化特征如表3所示。

表3 不同高比灰巖-煤組合體試樣能量演化特征Table 3 Energy evolution characteristics of limestone-coal composite samples with different height ratios

4.2 聲發射特征

選取A-1、B-2、C-3、D-1 和E-1 組合體試樣，分析其破壞過程中聲發射能量率信號與宏觀漸進破壞特征。圖9 所示為各試樣單軸壓縮應力-時間曲線與聲發射能量率信號特征，圖10 所示為各試樣宏觀漸進破壞。

圖9 不同高比灰巖-煤組合體試樣單軸壓縮應力-時間曲線與聲發射能量率信號特征Fig.9 Uniaxial compressive stress-time curve and acoustic emission energy rate signal characteristics of limestone-coal composite samples with different height ratios

圖10 不同高比灰巖-煤組合體試樣宏觀漸進破壞Fig.10 Macro progressive failure of limestone-coal composite samples with different height ratios

由圖9和圖10可知：隨著軸向應力不斷增加，組合體試樣聲發射能量率信號具有明顯階段性特征。根據聲發射能量率信號數量和峰值，將組合體試樣在單軸壓縮下漸進破壞過程分為4 個階段，分別是波動階段(I階段)、靜寂階段(Ⅱ階段)、活躍階段(Ⅲ階段)和驟增階段(Ⅳ階段)。

表4 所示為不同高比灰巖-煤組合體試樣聲發射與宏觀漸進破壞特征。隨著巖煤高比增大，組合體試樣出現宏觀破壞特征的時間延長，其儲存和釋放彈性能增加，煤樣內發育、擴展裂紋數量增加，聲發射能量率信號“突變式”波動加劇。A-1組合體試樣形成明顯的宏觀張拉裂紋，產生張拉破壞；E-1 組合體試樣形成拉-剪復合型裂紋，產生拉-剪混合破壞。組合體試樣整個裂紋的起裂、擴展與圖6中組合體試樣變形局部化帶演化基本一致。因此，隨著煤巖高比增大，組合體試樣發生整體破壞的時間遞增，且煤樣由張拉破壞向拉-剪混合破壞轉變。

表4 不同高比灰巖-煤組合體試樣聲發射與宏觀漸進破壞特征Table 4 Acoustic emission and macro progressive failure characteristics of limestone-coal composite samples with different height ratios

5 結論

1) 隨著巖煤高比增大，組合體試樣單軸壓縮強度和彈性模量均呈增大趨勢，這主要受灰巖、煤樣之間相互作用機制影響。組合體試樣破壞均發生在煤樣內，隨著巖煤高比增大，煤樣受派生壓應力強限制作用區域占比增大，組合體試樣破壞過程劇烈性減小，塑性破壞增強。

2) 變形局部化帶首先出現在煤樣原生裂紋區域，且隨著裂紋的起裂、擴展而發生交匯，進而誘發煤樣破壞。同時，煤樣破壞導致灰巖回彈變形，隨著巖煤高比增大，灰巖回彈變形量由0.042 mm 遞減至0.008 mm，回彈變形率由0.210%遞減至0.010%，回彈變形量和回彈變形率整體呈遞減趨勢。

3) 隨著巖煤高比增大，組合體試樣平均彈性能密度占比由98.56%遞增至99.86%，組合體試樣峰前將外界能量轉化為彈性能的能力增大，峰后將彈性能轉化為峰后釋放能和剩余彈性能的能力增大，破壞后宏觀裂紋增多且動力顯現程度增大。

4) 組合體試樣聲發射能量率信號具有明顯的時效特征，分為波動、靜寂、活躍和驟增4 個階段。隨著巖煤高比增大，組合體試樣在活躍階段聲發射能量率信號“突變式”波動加劇，在驟增階段發生整體破壞的時間增加。當組合體試樣發生整體破壞時，聲發射能量率信號達到最大值。

5) 在同等條件下，頂板巖層厚度越大，煤層開采過程中越易發生沖擊地壓等動力災害。在厚頂板巖層開采條件下，應采取頂板壓裂、斷頂等方式，減少頂板巖層彈性能的積聚，降低沖擊地壓等動力災害發生的可能性；同時，加強開采過程中煤、巖體變形、應力、物理場等監測，防控沖擊地壓等動力災害。