動載擾動下傾斜煤巖組合塊體超低摩擦效應研究

李利萍,李明會,潘一山

(1. 遼寧工程技術大學 力學與工程學院,遼寧 阜新123000; 2. 遼寧大學 環境學院,遼寧 沈陽 110036)

0 引言

深部煤巖體結構在高地應力、高地溫、高滲透壓的復雜地質環境中,逐漸破碎成塊體。超低摩擦效應是指強沖擊擾動作用于深部巖塊介質系統時,由于垂直擾動周期性的作用方式,塊體間壓密程度隨時間不斷發生變化,當巖塊間處于疏松狀態時,其摩擦力減至最小,此時在塊系巖體結構接觸面極易發生滑動失穩,從而誘發超低摩擦型沖擊地壓[1-2]。

對于超低摩擦效應的研究,KURLENYA等[3-4]通過建立分析樹脂玻璃塊系巖體一維動力模型,首次提出了超低摩擦效應的存在并用實驗以驗證。RUTTER等[5]通過對地下斷層巖性的分析,發現地質斷層間接觸面軟弱夾層對超低摩擦效應有重要影響。吳昊等[6]在KURLENYA等建立的塊體模型基礎上,揭示了超低摩擦現象的出現是塊系巖體間法向沖擊力重新分布和動摩擦系數不斷變化的結果。王明洋等[7]引入沖擊能量因子揭示了深部巖體超低摩擦現象、準共振及其動力事件相互關聯的本質。何滿潮等[8]利用2D-DIC測量技術研究塊系花崗巖的超低摩擦現象,研究表明,持續的周期擾動使層理裂隙間距累積變寬,動力擾動荷載使花崗巖塊體之間摩擦力降低。李利萍等[9]通過自主研發的超低摩擦實驗裝置,以工作塊體水平位移作為反映超低摩擦效應的重要參數,發現工作塊體動能具有集聚效應、短時峰值特性和間歇性,具有由高頻向低頻轉移的頻移現象。

對于傾斜煤巖層發生沖擊地壓的研究,潘一山等[10]通過建立深部巖體的黏滑失穩模型,分析了在開采過程中由于斷層活化而導致沖擊地壓間歇性的一般規律。劉思妤等[11]認為沖擊地壓是完整硬巖以失穩響應表達的自適應過程,其中動力干擾并不是應力接近強度時的簡單激發作用,它可在二次應力遠低于強度的情況下誘發沖擊地壓。穆貴清等[12]以大安山礦為背景,認為煤巖沖擊是圍巖應力演化的結果,受煤巖物理力學性質、地質構造以及開采技術等多重因素的影響。文暢平[13]綜合考慮沖擊地壓發生的自然因素、地質因素,基于Bayes判別法對比分析了煤層厚度和煤層傾角對沖擊傾向性的敏感性強弱。宋義敏等[14]采用巖石直剪摩擦法對直剪滑動模型進行斷層沖擊試驗,研究發現高應力環境下,較小的側向壓力可使模型發生滑移。王襄禹等[15]對紅嶺煤礦近斷層采動巷道進行模擬,發現巷道斷層側出現明顯應力集中與剪切滑移現象。韓科明等[16]模擬上下盤開采,發現斷層面關鍵層相對于界面滑移方式取決于側向擠壓力的大小,而是否引起斷層煤柱活化則取決于正應力與切應力的大小。王正義等[17]基于動靜組合加載相似模擬實驗,發現急傾斜煤巖沖擊顯現以頂板側煤體為主,底板側煤體次之,屬于整體失穩型沖擊地壓。

在上覆巖層壓力與頂板斷裂導致的垂直擾動與水平沖擊作用下,煤巖塊體接觸面間摩擦力減弱,從而誘發超低摩擦型沖擊地壓。采用數值模擬的方法,建立不同傾角大小的砂巖-煤-砂巖組合塊體模型,以水平位移、加速度幅值等表征塊體超低摩擦效應特征參數,研究煤巖層傾角與超低摩擦效應關系,旨在對超低摩擦型沖擊地壓監測防治提供一定的理論依據。

1 含傾角塊體模擬

1.1 研究背景

煤礦沖擊地壓一般發生在深部高地應力下,給巷道設施、人員安全帶來嚴重威脅。沈陽焦煤紅陽三礦發生超低摩擦型沖擊地壓,如圖1所示,在上覆巖層壓力與頂板斷裂導致的沖擊擾動作用下,巨量煤體沿分離界面滑移,最終完全堵塞巷道。與通常的沖擊地壓現象不同,巷道頂板、底板整體保持完好,僅煤體向巷道側方產生滑移,導致此次沖擊地壓事故發生。

圖1 沈陽焦煤紅陽三礦超低摩擦示意圖

國內外學者通過理論推導和實驗手段對超低摩擦現象的研究開展了大量工作,而前人對超低摩擦效應的研究所考慮的工況均為水平煤巖層,未考慮傾斜煤巖層超低摩擦效應的影響機制。復雜力學環境使深部煤巖體結構趨于破碎,然而這些煤巖塊體并不全是近水平排列的。實際上,在對我國沖擊地壓礦井生產條件統計分析中[18],傾斜煤層占80%以上。因此,對于超低摩擦效應機理研究,考慮傾角的影響顯得非常必要,也更符合實際現場工況。結合圖1超低摩擦效應發生實際背景,以圖2所示傾斜煤巖塊體為研究對象,考慮頂板斷裂或采掘活動引起的垂直擾動和水平沖擊作用于傾斜塊體模型,分析深部地下煤巖開采發生剪切滑移超低摩擦效應的影響機理。

圖2 傾斜煤巖層示意圖

1.2 模型構建

根據圖2所示傾斜煤巖層理劃分,從上至下將基本頂、直接頂、煤層、直接底和基本底假設成5個塊體。利用FLAC3D軟件,建立整體傾斜的煤巖組合塊體摩爾庫倫塑性模型。塊體模型由5個尺寸大小相等的塊體堆疊而成,中間工作塊體為煤塊,其余為砂巖塊體。塊體尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm,各塊體網格劃分為5×5×5,塊體數值模型如圖3所示。

圖3 數值模型圖

在施加沖擊載荷前,首先固定模型底端,限制底面移動,并在塊體模型上方施加軸壓,方向垂直于頂部塊體表面向下,用以維持塊體模型穩定。塊體所受重力與中心線夾角即等效為整個煤巖塊體模型傾角,參考實際開采工況與文獻[13-17],模擬傾角大小取15°、30°、45°、60°、75°,并設置3個監測點分別位于砂巖2、煤塊3、砂巖4的形心位置如圖3所示,分析受外部擾動沖擊后,煤與砂巖塊體的超低摩擦效應參數變化特征。

1.3 模型參數與加載方式

考慮模型的加載方式有2種,僅垂直擾動作用與垂直和水平沖擊共同作用,試驗過程中通過改變塊體模型重力加速度方向模擬不同傾角的塊體模型。通過設置塊體模型傾角替換為改變后重力方向與初始重力方向夾角,減小模擬運算量,使之更易收斂。

根據國家標準選取直徑50 mm、高100 mm的砂巖和煤柱體各5組,通過現有實驗裝置依次對試件進行單軸壓縮實驗,如圖4所示。根據監測得到的應力應變曲線求出彈性模量E與泊松比v,5組實驗參數取平均值。由式(1)、式(2)得到煤與砂巖塊體的體積模量K與剪切模量G。結合已有實驗數據[19-20],塊體模型試驗參數整理為表1,表2為設置的塊體接觸面參數。

圖4 單軸壓縮實驗

(1)

(2)

表1 砂巖與煤塊力學參數

表2 塊體接觸面參數

各塊體間設置‘硬’接觸面,即是在荷載作用下物塊可以產生滑移和分離的真實接觸面,界面參數法向剛度和剪切剛度取界面最硬相鄰等效剛度的10倍[21],換算關系如式(3):

(3)

式中:K為塊體體積模量(GPa);G為塊體剪切模量(GPa);kn為法向剛度;ks為剪切剛度;Δzmin為接觸面連接網格的最小尺寸。

1.4 沖擊與擾動幅值

以準靜態彈性接觸的Hertz理論為依據,忽略模型的振動,將沖擊能W轉化為幅值Pm、作用時間t0的半正弦形式作用力,有關沖擊載荷P(t)的函數形式見式(4),其與力學轉化見圖5:

(4)

式中:Pm為動力載荷幅值(N);ω=2πf,f為擾動頻率(Hz)。

沖擊能量強度跟沖擊擾動幅值密切相關,而沖擊擾動頻率反映了模型所受沖擊能量的集中程度。根據課題組過去對水平工況塊體的研究表明,垂直擾動幅值越大頻率越低,超低摩擦效應越顯著。因此,在以前實驗數據基礎上,取擾動頻率f為1 Hz,垂直擾動的幅值設定五組,其幅值大小分別為1、2、3、4、5 kN。

1.5 可行性驗證

對建立數值模型進行可行性驗證,在傾角0°情形下,對煤巖組合塊體施加垂直擾動與水平沖擊,得到工作塊體煤塊3水平位移振動曲線。通過與已有實驗結果[22-23]對比,由圖6(b)、(c)發現,由于加載的擾動量級不同,且模擬與實驗本身存在差異,得出數值模擬與前人實驗結果的數據并不完全相同,但變化趨勢是一致的。3組試驗的工作塊體在受水平沖擊后,出現了不同程度的滑移,水平位移的變化隨著擾動加載出現準正弦的周期性曲線,并逐漸趨于穩定達到平衡。因此,從試驗結果與理論分析的角度,驗證了所建立數值模型的可行性。

圖6 試驗結果與已有研究對比

2 試驗結果分析

對于臨近工作面的煤巖塊體,若遇沖擊載荷強擾動時,塊體間產生周期性的擠壓與分離使得塊體沿傾斜煤巖層接觸面產生滑移,易誘發超低摩擦效應。因此,考慮上覆巖層壓力與頂板斷裂等導致的垂直擾動與水平沖擊對傾斜煤巖塊體影響,研究受垂直擾動和水平沖擊作用下傾斜煤巖組合塊體超低摩擦特征參數變化情況,對進一步揭示煤巖超低摩擦型沖擊地壓具有重要意義。

2.1 垂直擾動影響分析

工作塊體在軸壓與垂直擾動的共同作用下,其運動狀態發生改變,在垂直擾動施加瞬間,塊體在水平方向上發生瞬時滑動。由于擾動周期性的上下振動,使得塊體間也隨之產生周期性的擠壓與分離,導致塊體在振動過程中滑移。隨時間的推移,塊體水平位移幅度逐漸減小,并逐漸穩定在一個新的平衡位置。針對頂板斷裂對煤巖頂部造成強動載這一工況,通過改變塊體模型傾角與擾動幅值大小,研究僅垂直擾動作用下煤巖層傾斜角度對超低摩擦效應的影響,得到垂直擾動作用下工作塊體水平位移與加速度響應規律如下:

1)工作塊體水平位移隨垂直擾動幅值與煤巖塊體模型傾角增大而增大。

根據不同幅值的垂直擾動沖擊作用下,工作塊體煤塊3水平位移隨傾角變化關系可知,如圖7所示,當傾角一定時,加載垂直擾動幅值越大,工作塊體水平位移振幅也越大,此時若給予較小量級的水平沖擊擾動,煤塊極易產生超低摩擦效應。而在同一擾動幅值下,隨著塊體模型傾斜角度增大,工作塊體水平位移也隨之增大,工作塊體水平位移隨傾角增加可近似成線性關系。這表明煤巖塊體發生超低摩擦滑動失穩的可能性將隨著擾動幅值與傾角的增加而急劇上升。

圖7 垂直擾動作用下工作塊體水平位移變化曲線

2)工作塊體水平方向與垂直方向加速度峰值隨傾角增加而增加,傾角30°時產生摩擦自鎖現象與塊體接觸面摩擦角等參數有關,對超低摩擦效應有抑制作用。

在強擾動作用下,塊系煤巖體接觸面間發生劇烈變化,塊體加速度在受到沖擊作用瞬間產生劇烈波動,隨后逐步衰減為正弦擾動波。考慮含傾角煤巖塊體受垂直擾動作用時,水平加速度響應情況。設定在同一幅值、不同傾角塊體模型,探究其加速度歷時響應曲線,黑色實線表示水平方向加速度響應曲線,紅色虛線表示垂直方向加速度響應曲線。通過對比分析,工作塊體的加速度歷時響應曲線,如圖8所示,傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°時水平加速度最大峰值分別為51.1、73.4、34.59、115.6、199.5、227.8 m/s2,垂直加速度最大峰值分別為116.2、168.7、201.9、171.8、230.6、217.8 m/s2。結果表明,除30°傾角外,工作塊體水平方向與垂直方向加速度峰值均隨著傾角增加而增加。在不同傾角加速度響應曲線中,傾角為30°時水平方向加速度最大峰值明顯小于15°與45°,出現一個極小值點;而垂直方向加速度與此相反,其最大峰值明顯大于15°與45°,出現一個極大值點。結合塊體模型接觸面設定的摩擦角參數為31°,分析原因極有可能是煤塊底部產生了摩擦自鎖現象。

圖8 不同傾角下工作塊體加速度歷時響應曲線

3)傾角45°恒定時,隨垂直擾動幅值增加,加速度受迫振動時間延長,工作塊體趨于穩定達到平衡狀態時間延長。

根據加速度響應情況,可將加速度歷時曲線分為塊體受擾動作用沖擊振蕩階段,隨后衰減達到平衡收斂階段。如圖9所示,由于正弦波動不穩定,將加速度峰值點1 m/s2確定為判定2個階段分界點,并觀察沖擊振蕩階段區間變化。可以發現,在傾角一定時,隨著垂直擾動幅值增加,沖擊能量衰減所需時間增加,表現為塊體水平與垂直加速度沖擊振蕩階段時間延長,塊體趨于穩定達到平衡狀態時間延長。這一結果與文獻[10]結論“作用于塊體的法向力分別經歷受迫振動和自由振動階段,變化形式為類正弦波,其幅值不斷衰減”相符,驗證了模擬可靠性。

圖9 不同擾動幅值下工作塊體加速度歷時響應曲線

綜上分析,當煤巖塊體所受垂直擾動載荷越大時,超低摩擦效應強度越大,且持續時間越長。在分析煤巖塊體傾角與超低摩擦效應關系時,不能忽略摩擦自鎖因素影響,這一因素與接觸面摩擦角有關,對塊體間超低摩擦效應有抑制作用。研究發現,煤巖塊體傾角越大,位移錯動越明顯,產生滑動失穩的可能性也越大,超低摩擦效應越顯著。

2.2 垂直擾動與水平沖擊共同作用影響分析

工程實踐表明,回采擾動、機械振動和頂板斷裂等擾動載荷是導致超低摩擦效應的重要影響因素。工作面采動應力與頂板斷裂,引起垂直與水平方向塊系煤巖體發生反復振動,從而誘發導超低摩擦型沖擊地壓。因此,模擬垂直擾動與水平沖擊共同作用時,從不同延遲沖擊時刻、垂直擾動與水平沖擊對比、不同監測點變化趨勢等角度,研究含傾角煤巖組合塊體的超低摩擦效應特征參數的響應情況,分析得到規律如下:

1)工作塊體位移曲線重新振蕩劇烈程度隨水平沖擊延遲周期增加而增大,垂直擾動與延遲水平沖擊共同作用結果,除了位移振蕩數值上的相互疊加,仍保持周期性、收斂性特征。此外,2種擾動共同作用效果還受到水平沖擊時間點的影響,同一周期不同時刻作用效果不同,在位移振蕩曲線同一周期內,波峰點處施加水平沖擊比均值點與波谷點處施加水平沖擊,位移振蕩程度更劇烈。

對于傾斜煤巖組合塊體模型,工作塊體的水平位移跟垂直擾動與水平沖擊密切相關。但由于深部地下煤巖層結構復雜,垂直擾動與水平沖擊往往并不同時作用在傾斜煤巖層。前人研究表明,垂直擾動與水平沖擊的間隔時間對超低摩擦效應有很大影響[4,23]。在垂直擾動與水平沖擊共同作用時,垂直擾動會改變煤巖塊體界面壓緊或疏松狀態,使得塊體界面產生周期性的擠壓或分離,對水平沖擊能否引發超低摩擦效應以及引發超低摩擦效應強度大小至關重要。因此,考慮垂直擾動與延遲水平沖擊共同作用,設置塊體模型傾角為45°,保持垂直擾動幅值與水平沖擊幅值恒定,研究水平沖擊延遲時間對工作塊體水平位移的影響規律,測得不同延遲時間的水平沖擊對塊體水平位移的變化情況。

如圖10所示,T1至T5為不同位移振蕩周期,t1至t5時刻為位移振蕩曲線不同周期內的波谷點,可以看出, 延遲水平沖擊作用于不同周期波谷點處對煤巖塊體水平位移影響效果不同。工作塊體受垂直擾動與水平沖擊共同作用下,其側向水平位移產生了正弦形式波動。無水平沖擊時,塊體水平位移波動幅值逐漸減小并收斂;當垂直擾動作用一段時間后,再對塊體施加水平沖擊,會使得原本應該減小的波動幅值又開始產生劇烈波動,在作用Δt=0.004 s約一個周期后,又逐漸恢復平穩狀態。對比垂直擾動單獨作用(無水平沖擊)與垂直水平沖擊擾動共同作用,兩者收斂的趨勢是一致的,但不同的是延遲的水平沖擊會使得本應該趨于平衡的曲線又重新振蕩起來,但振蕩的幅度受延遲時間的影響。可以看出,t1至t5時刻工作塊體位移曲線重新振蕩的劇烈程度,隨水平沖擊延遲周期的增加呈線性遞增趨勢。

圖10 不同延遲時間沖擊下工作塊體水平位移的變化情況

為了更清晰地描述延遲時間對于超低摩擦效應的影響,將各周期內的波峰、均值、波谷點的位移差值進行整理,得到關系如圖11所示。

圖11 不同沖擊點位移最大差值與振蕩周期變化關系

可以發現,上述現象不僅體現在波谷點處,同一周期內不同延遲時間沖擊點,水平沖擊加載作用均不相同。根據圖10位移曲線周期劃分,建立如圖11所示新振蕩曲線與原振蕩曲線最大差值隨振蕩周期變化關系,分別在位移振蕩曲線的波谷、均值、波峰處施加幅值恒定的水平沖擊。通過對比可以發現,位移振蕩劇烈程度并不是簡單隨延遲時間增加而增加,例如延遲水平沖擊作用在T1周期波峰點比T2周期波谷與均值點位移振蕩程度更劇烈。不同時刻施加水平沖擊作用效果有顯著差異,波谷、均值、波峰處的水平沖擊對位移振蕩效果依次增大,這種差異體現在T1周期尤為明顯。這表明作用在不同時間點上對超低摩擦效應影響效果不同,而在T1周期波峰點的水平沖擊誘導超低摩擦效應的概率會比同周期的均值點和波谷點更高。同時可以發現,工作塊體新位移振蕩曲線與原曲線最大差值隨振蕩周期近似成線性增加,但三者斜率不同,有交匯趨勢。

2)水平沖擊與垂直擾動均對塊體超低摩擦效應有不同程度影響,在保持煤巖塊體模型穩定下,隨沖擊擾動幅值增加,垂直擾動比水平沖擊對超低摩擦效應影響更持續,是超低摩擦現象發生的主導因素。

通過2組情況對比,在傾角45°下,一組保持垂直擾動幅值不變,改變其水平沖擊幅值;另一組保持水平沖擊幅值不變,改變其垂直擾動幅值,考察垂直與水平沖擊分別對超低摩擦效應的作用效果。根據水平位移隨垂直擾動與水平沖擊變化曲線(圖12)可知,當垂直擾動幅值從1 kN依次增加到2、3、4、5 kN,塊體水平位移近似成線性增加;當水平沖擊幅值從1 kN依次增加到2、3、4、5 kN,塊體水平位移近似成拋物線增加。顯然,對比分析2組不同試驗加載方案可以看出,水平沖擊與垂直擾動均對塊體的超低摩擦效應有不同程度的影響,曲線后半段表明,隨著幅值的增加,水平沖擊擾動對超低摩擦效應的貢獻逐漸減弱,而垂直擾動始終是超低摩擦現象發生的主導因素。

圖12 不同沖擊幅值對工作塊體水平位移的影響

3) 含傾角煤巖塊體模型中,在垂直擾動與水平沖擊共同作用下,越靠近施加垂直擾動的塊體,超低摩擦效應越明顯。

對比煤巖組合塊體模型砂巖4(頂部)、煤塊3(中部)與砂巖2(底部)3個監測點關于傾角變化的位移參數可知,如圖13所示,隨著傾角的增加,3個監測點水平位移隨之增大。底部監測點水平位移從0.47 μm增加到6.95 μm;中部監測點從0.74 μm增加到13.5 μm;頂部監測點水平位移從0.51 μm增加到22.45 μm。可以發現,3個監測點間水平位移的增長幅度隨著傾角變化差距越來越大,在傾角75°時,頂部與底部監測點位移相差達到最大為15.5 μm。這表明在垂直擾動與水平沖擊共同作用下,傾斜煤巖層的超低摩擦效應從下至上出現了差異性,砂巖塊體4超低摩擦效應響應情況比煤塊3和砂巖塊體2更敏感,且隨傾角的增加,這種差異有不斷放大的趨勢。塊體模型中越靠近垂直擾動施加點,垂直擾動作用效果是越大的。塊體界面間由于垂直擾動的作用,產生擠壓或分離的效果隨擾動的增強越發明顯,這可以從結論1)和3)得到。因此,越靠近垂直擾動施加點,塊體超低摩擦效應越顯著,主要表現為剪切力所引起的塊體頂部超低摩擦效應。

圖13 塊體模型頂部、中部、底部監測點水平位移變化情況

結合工程實際結果表明,對于傾斜煤巖層,除了受到采空區上覆巖層壓力影響,還受到工作面煤層傾斜因素影響。傾斜煤巖層使得采空區上覆巖層重心偏向下側,造成上端頭支撐壓力高于下端頭支撐壓力,而在重力作用下,工作面側后方煤巖體向下端頭方向滑移。上端頭始終承受采空區段懸臂頂板壓力,使得工作面上端頭圍巖應力始終高于下端頭圍巖應力,這也是傾斜或急傾斜煤巖層巷道沖擊地壓發生在上端頭頻次多于下端頭頻次的原因。

3 結論

研究含傾角煤巖塊體模型超低摩擦響應規律時,考慮沖擊幅值、傾角大小、延遲時間、加載方式等因素對超低摩擦效應的影響,分析不同傾角煤巖組合塊體受沖擊擾動時,超低摩擦特征參數位移與加速度的響應規律,得出以下結論:

1)含傾角煤巖組合塊體僅受垂直擾動作用時,隨擾動幅值的增加,工作塊體水平位移隨之增大,塊體由振動到平衡收斂的時間延長,超低摩擦效應越顯著。垂直擾動對超低摩擦效應的影響更持續,是發生超低摩擦現象的主導因素。

2)垂直擾動與水平沖擊共同作用時,隨塊體模型傾角的增加,工作塊體水平位移隨之增大,塊體模型頂部、中部和底部監測點水平位移的增加幅度依次減弱,越靠近垂直擾動施加的塊體,超低摩擦效應越顯著。

3)延遲的水平沖擊作用使得趨于平衡收斂的位移曲線又重新開始振蕩,隨水平沖擊延遲周期增加,位移振蕩程度越劇烈,垂直擾動與水平沖擊共同作用結果除了數值上的疊加規律,還具有周期性與收斂性特征。共同作用還受到延遲水平沖擊作用時刻的影響,同一位移振蕩周期內,波峰點水平沖擊比波谷與均值點作用效果更顯著,更易誘發超低摩擦效應。