不同组合方式煤岩组合体强度及声发射特征分析

周元超，刘传孝，马德鹏，赵 振

（山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

煤体在地层中往往不是单独存在的，而是存在于岩层中，所以在开采煤炭过程中巷道的开挖及煤体的采出除了对该煤层造成破坏外，也会对煤层上下岩层结构的受力产生影响，进而导致煤岩界面的失稳破坏，因此在煤矿的开采过程中需考虑岩层与上下煤层之间的相互作用，将煤和岩石组成的煤岩体来研究其整体的力学性质具有非常重要的意义。针对煤岩组合体的研究，付斌[1-4]等对不同围压和不同组合倾角条件下的岩煤组合体，进行了力学特性的模拟。郭伟耀[5]利用颗粒流软件 PFC2D对不同煤岩强度比和岩煤高度比的煤岩体进行模拟研究。王晓南[6-10]等对岩煤组合体冲击破坏的声发射以及冲击倾向性方面进行了研究；王学滨[11-12]对煤岩两体模型的变形及裂纹演化特征进行了研究。在组合方式的研究方面张泽天[13-15]等利用 MTS－815试验机对不同组合方式的煤岩组合体进行单轴压缩试验，分析不同组合方式下试样的强度及变形破坏特征差异；赵毅鑫、聂鑫[16-18]等对煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验以及煤岩组合体的力学特性进行了研究。由于煤岩结构复杂多样，不同的影响因素对煤岩组合体的影响程度不同，现有针对组合体特征研究的文献大都考虑某一方面的影响，基于此，为更加全面的分析不同影响因素下煤岩组合体的力学及声发射特征，设计多种不同煤岩高度比及不同组合方式的组合体，利用RFPA2D模拟软件对其进行数值模拟分析，探讨不同影响因素对组合体强度及其声发射特征的影响。

1 模型的建立与参数选择

采用RFPA数值分析软件建立不同组合的煤岩体计算模型，模型总体尺寸为宽×高＝50 mm×120 mm，单元划分为宽×高＝100×240，其中组合煤岩体高度为100 mm，模型上下各设置厚度为10 mm的垫板。煤岩组合体模型如图1，本文将煤与岩石的组合方式分为岩－煤、煤－岩、岩－煤－岩3种，并按照不同高度比，对其进行单轴压缩模拟试验，具体试验参数及方案见表1与表2。

图1 煤岩组合体模型

表1 组合煤岩体力学参数

表2 不同岩煤高度比及不同组合方式模拟方案

试验采用平面应变模型，依照Weibull分布来确定模型细观单元强度，破坏准则采用修正的莫尔－库仑准则。数值试验方案为单轴压缩试验，加载方式为轴向位移加载，每步加载位移增量为0.002 mm，直至模型破坏。其他计算控制参数如下：残余强度百分比0.1，最大压应变系数200，残余泊松比1.1，拉压比 1/10，最大拉应变系数 1.5。

2 不同高度比的煤岩组合体损伤破坏特征

2.1 组合体抗压强度分析

在单轴压缩条件下，分别对不同高度比的3种组合方式进行试验。用A表示煤，B表示岩石用AB、B－A、B－A－B 依次表示煤－岩、岩－煤、岩－煤－岩 3种组合方式。不同组合方式在高度比下的抗压强度模拟结果见表3。由表3可知，A－B型组合方式，当煤与岩的高度比为1∶3时，其单轴抗压强度为11.59 MPa，由于岩石比煤结构致密抗压强度大，所以此时组合体的强度要大于煤样的强度，而随着煤样在组合体中高度的增大，其整体抗压强度越来越小。当煤样和岩样的高度在组合体中为1∶1时，强度减小到8.47 MPa，随着煤样占比的继续增大，当其高度比变为 5∶2时，组合体的强度减小到 7.93 MPa。同样对于B－A型组合方式，当煤与岩高度比为1∶3时，其抗压强度为11.07 MPa，随着煤－岩高度比增加至3∶1 时，其抗压强度减小到 7.87 MPa。对于 B－A－B型组合方式此规律性同样存在。因此从该组模拟试验结果得出随着煤样在组合体中所占高度比的增大，组合体的抗压强度逐渐减小。

表3 不同组合方式在不同高度比下的抗压强度模拟结果MPa

根据试验结果数据对不同煤岩高度比d与组合体单轴抗压强度E（d）进行拟合。可得：

对E（d）求一阶导数，得到考虑煤－岩高度比与组合体强度演化方程为：

由式（2）可得，煤－岩高度比d与组合体的单轴抗压强度E呈正相关，煤样在组合体中所占比例越大，其组合体的抗压强度越小。

2.2 组合体声发射特征分析

2.2.1 声发射事件分析

研究表明，声发射是当材料或结构受到损伤和破坏时，其内部产生裂隙。声发射信息能够比较准确地反映组合体内部的损伤破坏情况，所以所释放出来的应变能。煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。

以上岩下煤的岩－煤（B－A型）组合方式为例，对煤岩高度比为 1∶3、1∶1、3∶1 的组合体进行分析。各组试样的声发射事件曲线如图2，当煤－岩的高度比为1∶3时，组合体加载到第33步达到最大应力值11.07 MPa，而声发射数在第34步时突然增加至175，到第35步时的声发射数都达到最大值340。高度比1∶1声发射事件如图3，当煤－岩的高度比为1∶1时，组合体加载至32步时达到应力最大值8.46 MPa，在第34步时声发射数达到最大值为1 090次。高度比3∶1声发射事件如图4。随着煤样占比的继续增大，煤－岩的高度比为3∶1时，当加载至40步时组合体的应力达到最大值7.87 MPa，此时声发射数增加到159次，加载到第41步时声发射数达到最大值1 541次。

图2 高度比1∶3声发射事件

图3 高度比1∶1声发身事件

图4 高度比3∶1声发身事件

通过试验结果分析当试样内部发生损伤破坏时，应力水平发生突降，试样内部会产生大量的声发射，而试样内一旦出现裂纹，组合体的承载能力就会降低，组合体内应力将重分布再平衡，声发射事件数也就必然增多。当加载到最大应力值附近时，声发射较为集中，声发射数目达到最大，两者之间呈现出正相关，说明声发射与应力之间相互关联。

2.2.2 声发射能量分析

试验中岩样与煤样的模型高度比可作为实际工程中顶板与煤的组合体模型，选取上岩下煤B－A型的组合方式进行试验结果分析，如图5，在加载到20步之前，3种组合体的声发射数目较少，声发射累计能量大约为7×10－9MJ左右，这是由于刚开始加载组合体内部还未出现裂隙组合体产生的声发射数很少。随着荷载的增加，大约加载到32步时，试样中加载的应力水平达到较高水平，试样开始产生破坏，组合体内声发射能量均有了明显的提高，煤与岩高度比为 1∶3 的组合体其产生的声发射能量为1.01×10－7MJ，明显高于其它2种高度比的组合，煤与岩高度比为1∶1和3∶1的声发射能量相差不大，分别为4.27×10－8J和 2.56×10－8MJ，但 1∶1 的煤岩组合体的声发射能量稍大。在加载到60步时3种试件均已破坏，其中高度比为1∶3的组合体声发射累计能量为6.31×10－7MJ，而煤与岩高度比为 1∶1 的组合体声发射累计能量为 1.54×10－7MJ，煤与岩高度比为 3∶1 的组合体声发射累计能量 1.27×10－7MJ。因此煤与岩高度的比值会对声发射能量产生显著影响，即组合试样中岩样高度比例越高，声发射信号越强，其产生的声发射能量越多。

3 不同组合方式的煤岩组合体损伤破坏特征

3.1 不同组合方式抗压强度分析

图5 不同高度比岩-煤组合方式声发射能量图

对煤－岩，岩－煤，以及煤－岩－煤组合体进行单轴压缩模拟试验，在相同的煤岩高度比下得到3种组合体的抗压强度，其抗压强度的大小如图6，经过多组不同试验方案得出，在煤岩高度比相同的条件下，上部为煤样，下部为岩石的煤岩组合方式其单轴抗压强度是最大的。而岩－煤、岩－煤－岩组合体的单轴抗压强度依次降低。这种规律性在煤岩的高度比较小时更加明显。当煤与岩高度比为1∶3，煤岩组合的单轴抗压强度分别为11.59 MPa，岩煤组合体的抗压强度为11.07 MPa；岩－煤－岩组合体的抗压强度为10.52 MPa。当煤与岩高度比为1∶2时，煤岩组合体的抗压强度为10.26 MPa，而岩－煤组合体的抗压强度为9.67 MPa，岩－煤－岩组合体的抗压强度仅为9.06 MPa。随着煤岩高度比的进一步增加，随着煤岩高度比的增大，当煤岩高度比为1∶1时煤岩组合体的单轴抗压强度为8.47 MPa，岩煤组合体的抗压强度为8.46 MPa，岩－煤－岩组合体的抗压强度为8.23 MPa，3种组合方式的单轴抗压强度几乎相等，组合体的抗压强度趋于同一水平。可知在煤岩高度比相同的情况下抗压强度的由大到小的组合方式依次为煤－岩、岩－煤、岩－煤－岩，当组合体中煤样所占的比例越来越大时，组合体的组合方式对抗压强度产生的影响越来越小。

图6 组合体不同组合方式的强度示意图

3.2 不同组合方式对组合体声发射特征

3.2.1 声发射事件分析

分别选取煤样与岩石高度比为1∶2的煤－岩、岩－煤、岩－煤－岩组合体为例进行声发射分析。煤－岩组合体的加载步－应力与声发射振铃数如图7，该组合体在加载到第35步时，应力达到10.26 MPa，在35步前后声发射振铃数也达到最大，最大值为513次。岩－煤组合方式加载步－应力与声发射振铃数如图8，当加载到30步时应力达到最大值为9.67 MPa，而声发射振铃数此时也达到最大值625次。岩－煤－岩的组合方式加载步－应力与声发射振铃数如图9，当组合体加载到27步时达到最大应力值9.06 MPa，此时声发射数达到320次，并且当加载到第33步时达到最大值845次。因此组合体在应力达到最大时声发射比较活跃，一般最大声发射数的出现稍滞后于应力最大值出现。

图7 煤-岩声发射能量与应力图

图8 岩-煤声发射能量与应力图

图9 岩-煤-岩声发射能量与应力图

3.2.2 声发射能量特征分析

为探究不同组合方式的声发射能量情况，选取煤与岩高度比为1∶2的煤－岩、岩－煤、岩－煤－岩组合方式进行声发射能量分析。相同高度比不同组合方式声发射能量如图10，由图10可以看出，每种组合方式在加载到最大应力之前，其声发射能量相差不大，随着荷载的增加组合体内部出现破坏，声发射能量逐渐累积增大，其中煤－岩组合方式的声发射能量增长明显，最终其声发射累积能量达到最大2.17×10－6MJ，而岩－煤组合方式的声发射累积能量次之为 1.11×10－6MJ，岩－煤－岩的组合方式所产生的声发射能量最小为 9.31×10－7MJ。可以发现组合体产生的声发射能量与其抗压强度成正比，即抗压强度越大所产生的声发射能量也就越多。

图10 相同高度比不同组合方式声发射能量

4 结论

1）随着煤样在组合体中高度比的增大，组合体的抗压强度逐渐减小。

2）岩样与煤样的高度比值会对声发射能量产生显著影响，即组合体中岩样的比例越高，声发射信号越强，能量也越多。

3）在煤岩高度比相同的情况下组合体抗压强度由大到小的组合方式依次为煤-岩、岩-煤、岩-煤-岩，当组合体中煤样所占的比例越来越大时，组合方式对抗压强度产生的影响越来越小。

4）组合体的声发射能量与其抗压强度的大小成正比，即，抗压强度越大，所产生的声发射能量也就越多。