岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响

刘 杰,王恩元,宋大钊,杨胜利,钮 月

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221008;2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221008)

岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响

刘 杰1,2,王恩元1,2,宋大钊1,2,杨胜利1,2,钮 月1,2

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221008;2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221008)

为研究岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响,测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律,分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响。结果表明:组合试样应力－应变曲线位于煤体和岩石之间,更加靠近煤体;随着岩石强度的升高,组合试样从屈服到达峰值的速度越来越快;煤体相同条件下,岩石的强度较低时,组合试样裂纹会向岩石内扩展,同时岩石发生拉伸破坏,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内;组合煤岩试样屈服点和峰值的应力比值相差不大,屈服点和峰值的应变比值随岩石强度的升高不断升高,两者比值和岩石强度呈线性关系;组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值随岩石强度的增加呈线性升高。

组合煤岩试样;岩石强度;应力－应变曲线;声发射

煤岩动力灾害是煤岩体在载荷作用下发生的突发性破坏或失稳现象,主要包括煤与瓦斯突出和冲击地压等[1－2]。深部开采条件下,煤岩体的破坏不仅受自身裂隙结构面的影响,而且受到煤岩整体结构及强度的影响[3],因此将顶底板岩石和煤层看作一个系统研究其破裂机制对于预防煤岩动力灾害具有重要的意义。

在测试岩石应力－应变曲线过程中,将试验机看作围岩,试样看作含裂隙岩体,试样破坏时可以模拟现场动力失稳现象[4],研究人员发现试验机刚度对于试样破坏时的猛烈程度具有重要影响[5]。然而试验机的刚度远大于试样,与现场围岩性质相差较多,因此许多学者采用两种性质不同的裂隙岩体相互组合对现场动力失稳现象进行研究,陈忠辉、唐春安等[6－7]利用试验和数值模拟研究了串联组合体的应力－应变曲线及声发射特性。林鹏等[8]模拟了两岩体系统受力破坏过程,解释了由破裂体与非破裂体组成的岩体系统失稳破裂前的微震前兆规律。谢和平、左建平等[9－11]通过试验研究了钱家营矿区组合体在不同受力条件下的破坏模式和应力应变特征、声发射特性以及组合煤岩分级加卸载特性。郭东明、张泽天等[12－13]研究了不同倾角和组合方式对组合煤岩的强度与破坏机制的影响。邓旭彪等[14]应用FLAC－3D软件研究了几何参数对两体结构破坏的影响。黄炳香等[15]研究了加载速率对薛湖矿组合煤岩力学特性的影响。

近年来,以组合试样的冲击倾向性为对象,分析顶底板岩石对动力灾害的影响规律引起了学者的重视,并进行了大量研究。刘波等[16]、齐庆新等[17]研究了不同高度比的煤岩组合试样冲击倾向性,发现组合试样的冲击倾向性指数高于单一煤样。窦林名、陆菜平等[18－20]试验研究了不同组合类型的顶板－煤样－底板组合试样的冲击倾向性演化规律,发现随着煤体强度、岩石强度及厚度的增加,组合试样的冲击倾向性随之增强,康立军、李晓璐等[21]的研究结果验证了上述结果。

以上研究有助于认识组合试样与单一煤岩试样的力学差异,然而岩石强度对组合试样的力学行为、破坏形式的影响。随开采深度的增加,煤层应力越来越大,顶底板岩石的力学性质对于煤层应力的影响越来越大,进而对煤、岩整体失稳的影响越来越大,研究不同顶底板岩石强度对组合试样力学性质的影响,对于预防深部煤岩体失稳具有重要的意义。

本文选用不同强度的岩石和同一种煤样连接而成组合试样,进行单轴压缩试验,分析其应力－应变曲线特征、试样单轴抗压强度、破坏形式及声发射特性规律。

1 试验方案

1.1 试样制备

对煤矿采掘工作面而言,围岩发生失稳破裂前变形主要集中在煤体,因此组合试样中煤体尺寸越大对于观测变形越有利,但是顶底板岩石能够传递上部和下部载荷以及在破裂发生时向外释放能量,因此煤体所占比例不能无限大,最终组合试样选用尺寸及组合方式如图1所示。

图1 组合试样Fig.1 Sketch map of composite sample

试验所用岩石试样取自山西寺家庄煤矿(SR)、黑龙江新路煤矿(XR)、河南梁北煤矿(LR)、安徽金黄庄矿(JR)和北京大安山煤矿(DR),煤样取自山西寺家庄煤矿(SC)。

根据国家标准和国际岩石力学学会标准,将岩石加工为两种尺寸:ϕ50 mm×30 mm和ϕ50 mm× 100 mm;煤样加工为两种尺寸:ϕ50 mm×40 mm和ϕ50 mm×100 mm。其中ϕ50 mm×100 mm标准试样用于测试煤岩样的力学性质;ϕ50 mm×30 mm岩样和ϕ50 mm×40 mm煤样按照图1组合成组合试样,将组合试样分为5组,每组3个,如图2所示,组合试样组成及尺寸见表1。

图2 组合试样Fig.2 Composite samples

表1 组合试样组成及尺寸Table 1 Compostion and size of samplesmm

1.2 试验系统及步骤

1.2.1 试验系统

试验系统分为加载系统和声发射采集系统,如图3所示。加载系统采用YAW型伺服压力机加载,压力机最大载荷3 000 kN,加载速率精度±1%,可以采用载荷和位移两种控制方式;声发射采集采用美国声学公司研制开发的CTA－1采集仪,选取两个声发射通道,1号声发射传感器布置于煤体,2号声发射传感器布置于岩石。

1.2.2 试验步骤

试样准备完成后,应变片分别粘贴于煤体和岩石试样,连接声发射采集系统,并进行仪器调试;将试样放置于YAW伺服压力机以300 N/s的速率进行加载,直至试样破裂,测试其应力应变特性及组合试样声发射变化规律。

2 试验结果

2.1 应力-应变曲线和破坏形态

图3 试验系统Fig.3 Test systems of composite samples

通过对组合试样进行单轴压缩试验,得到了组合试样的应力－应变曲线,如图4所示,可以看出,组合煤岩的应力－应变曲线位于岩石和煤体的应力－应变曲线之间,与煤体的应力－应变曲线更加相似和接近。组合试样和煤体应力－应变曲线存在显著的屈服阶段。单一煤样受载时,应力峰值过后试样发生较大的变形最终失去承载能力,而组合试样在峰值应力过后发生较小的变形即发生破裂,说明组合试样的破裂速度较单一煤样快。

不同的岩石强度使得组合试样从屈服点到峰值点这一阶段存在差异。岩石强度较低时,如图4中第I(岩石强度38.66 MPa),II(岩石强度57.86 MPa)两组试样,进入屈服阶段后发生较大的应变才到达峰值应力,应力－应变曲线伴随出现明显的非线性过程;岩石强度逐渐增加时,试样从屈服至峰值应力过程逐渐缩短,当岩石强度增加到94.57 MPa时,如图4中第V组试样所示,组合试样应力－应变曲线中屈服至峰值应力阶段非常短,说明随着岩石强度的逐渐升高,组合试样从屈服到达峰值应力所产生的应变越来越小,也就是说,试样从内部发生裂纹扩展到试样达到其强度极限越来越快。

图5为5组组合试样最终破裂形式,可以看出,组合试样中煤体的破裂程度较岩石更高。在测试单一煤样力学性质时,煤样逐渐失去承载能力,很少出现煤块飞溅和动力现象;然而组合试样加载初期,煤体就会出现噼啪声,伴随有小煤块飞溅,最终破裂时,煤体下部呈现出“三角形”形状。煤体受压会在内部产生径向拉应力,而煤体抗拉强度远低于其抗压强度,可以推测,在远离煤样两端靠近中部的区域产生的拉应力最大,煤体会最先剥落,由于上、下两端岩石的夹持作用,两端面处径向破裂较试样中部不明显,因此试样临近破裂时,会在煤体内形成“X”型裂纹,煤体破裂后上部形成的“倒三角形”,煤体在自身重力的作用下垮落,进而形成最终破裂时的“三角形”形状。

图4 应力－应变曲线Fig.4 Stress-strain curves

图5 组合试样破裂形式Fig.5 Failure modes of composite samples

第I组和第II组试样破裂时,裂纹向顶板岩石内扩展,造成岩石的破裂,形成了如图5(a),(b)所示的裂纹。由裂纹的破裂面可以看出,岩石被分为两部分,裂纹面较为齐整,表现为拉伸破裂。第III,IV,V组组合试样岩石强度升高,破裂主要发生在煤体内,如图5(c)～(e)所示。

2.2 特征应力和特征应变

图6为第I组组合试样应变时间曲线和应力－应变曲线,可以看出,在加载的初期(OA),试样内部裂隙发育,随加载的进行应变速率逐渐升高,之后随张开裂隙越来越少,应变速率逐渐降低,因此OA段应变速率呈现先升高后降低的趋势,相应地应力－应变曲线呈现上凹型。试样内原生裂隙被压实后,加载进入的弹性阶段(AB),试样可近似看作连续弹性介质体,此时试样的应变呈线性升高,相应地应力－应变曲线呈线性增加。当应力达到试样的屈服强度后,试样内部裂纹开始扩展,加载进入BC段,此时应变速率逐渐增加,应力－应变曲线呈现出显著的非线性变化。载荷达到试样的抗压强度后,内部裂纹出现大规模的扩展贯通,导致试样失去承载能力。

由组合试样应力－应变曲线可以看出,屈服点应力σy、应变εy和峰值点应力σc、应变εc对于分析试

图6 应变－时间曲线和应力－应变曲线Fig.6 Strain-time curves and stress-strain curves

2.3 声发射变化规律

图7 特征应力和应变比值变化Fig.7 Characteristics stress and characteristics strain

图8 应力和声发射测试结果Fig.8 Results of stress and acoustic emission

声发射信号反映的是试样内部裂纹的闭合扩展和能量的释放,组合试样中不同的岩石对于试样的破裂形式和破裂强度产生影响,尤其是在试样发生破裂时,煤体发生破裂时岩石会向外释放能量从而加剧试样的破坏,此时会对声发射信号产生明显的影响。图9为5组组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值,即声发射信号能量值和脉冲值的最大值随岩石强度的变化,其中E为能量值,C为脉冲数。可以看出,随着组合试样中岩石强度的升高,声发射信号能量和计数最大值均不断升高,并且两个通道的声发射信号能量值和脉冲值近似呈线性升高。岩石强度从38.66 MPa升高到94.57 MPa时,1,2号通道声发射能量分别增加了713.92%,67.53%,1,2号通道声发射计数分别增加98.91%,30.63%,说明岩石强度的增加显著增加了声发射信号的最大值。

图9 声发射最大值随岩石强度变化规律Fig.9 Change rules of acoustic emission maximum with the rock strength

3 结 论

(1)组合煤岩试样应力－应变曲线位于煤体和岩石之间,并且更加靠近煤体;岩石强度增加会明显缩短组合试样从屈服点至峰值应力的过程;相比单一试样而言,组合试样受载过程中,存在明显的碎块飞溅现象,煤体最终呈现“X”型裂纹破裂;煤质相同的情况下,岩石强度较低,试样破裂裂纹会向岩石内扩展,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内。

(2)屈服点和峰值点的应力比值随岩石强度的升高未出现明显的变化,保持在0.8附近波动;屈服点和峰值点的应变比值随岩石强度的升高不断增大,两者呈现良好的线性关系。

(3)声发射信号能量和脉冲的最大值随岩石强度的升高同时增加,岩石强度从38.66 MPa升高到94.57 MPa时,1,2号通道峰值应力处声发射能量分别增加了713.92%,67.53%,1,2号通道声发射计数分别增加98.91%,30.63%,并且峰值应力处的声发射能量和岩石强度呈良好的线性关系。

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Effects of rock strength on mechanical behavior and acoustic emission characteristics of samples composed of coal and rock

LIU Jie1,2,WANG En-yuan1,2,SONG Da-zhao1,2,YANG Sheng-li1,2,NIU Yue1,2

(1.Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2 Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

In order to study the effect of rock strength on the overall instability of coal and rock,different coal and rock composite samples were tested under uniaxial compression condition,and the failure mode,stress-strain characteristics, uniaxial compression strength and acoustic emission characteristics during the uniaxial compression process were researched,besides,the effect of rock strength on mechanical behavior of composite samples was analyzed.The results show that the stress-strain curve of composite sample situates between that of the rock and the coal but closer with the coal stress-strain curve.With the increasing of rock strength,the rate of the combination sample from yield to peak is faster and faster.When the rock strength is low,the crack propagation in coal body expands to the rock,and tensile failure happens to the rock.With the same coal in the composite samples,when the rock strength is high,rupture occurs mainly in the coal.The ratio of yield point stress and peak stress of composite samples vary quite little with each other,the ratio of yield point strain and peak strain increases with the rising of the rock strength,and the ratio has line-ar relationship with rock strength.The energy and pulse of acoustic emission signals at the peak strength point of the combination sample increase linearly with rock strength rising.

coal-rock composite samples;rock strength;stress-strain characteristics;acoustic emission characteristics

TU458

A

0253－9993(2014)04－0685－07

刘 杰,王恩元,宋大钊,等.岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响[J].煤炭学报,2014,39(4):685－691.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1490

Liu Jie,Wang Enyuan,Song Dazhao,et al.Effects of rock strength on mechanical behavior and acoustic emission characteristics of samples composed of coal and rock[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):685－691.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1490

2013－10－18 责任编辑:毕永华

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B07－2);国家自然科学青年基金资助项目(51304205);教育部科学技术研究项目(113031A)

刘 杰(1986—),男,山东邹平人,博士研究生。Tel:0516－83884695,E－mail:liujie0805@163.com