煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究

蔡永博，王凯，徐超

1.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083； 2.共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083

我国以煤炭为主体的能源消费结构长期未变[1-4]。煤田赋存地质条件复杂，在开采过程中易发生瓦斯突出、冲击地压等矿井灾害，多数矿井灾害不只是岩体和煤体的单体破坏，更多情况下是煤岩层状组合系统的破坏[5-7]。

地层中煤岩层状组合系统是由不同厚度、不同力学特性、不同渗透能力的多种组分结合而成的天然层状复合结构。在多组分岩性、尺寸和原生界面的结构等因素的共同影响下，原生煤岩组合体系统特性与单一煤体、单一岩体性质有很大区别，以原生煤岩组合体为研究对象探究矿井灾害防治机制更加贴近实际。研究原生煤岩组合体损伤变形机制是由地质煤岩单体研究到地质煤岩组合体系统研究的重要过渡，对矿井灾害防治具有重要意义[8-9]。

目前，国内外学者在煤岩单体及人工组合体力学特性方面的研究成果丰富。杨磊等[10]对单轴条件下煤岩组合体的能量演化规律与破坏机制进行了研究，表明煤岩组合体的单轴抗压强度与弹性模量介于纯煤和岩石试件之间，且更接近于纯煤试件。陈光波等[11]开展了不同煤岩高度比的煤岩组合体加载试验，表明组合体破坏峰前总能量与煤岩高度比有关。聂百胜等[12]研究了煤岩组合体加载过程中力学性质与电磁辐射特征之间的关系。陈岩等[13]运用单轴循环加卸载方式对煤岩组合体变形及裂纹演化规律进行了研究，探讨了轴向裂纹应变与应力之间的关系。张泽天等[14]、刘杰等[15]通过对不同组合方式煤岩组合体加载，分析了岩石强度及组合方式对组合试样力学特性和破坏特征的影响，发现煤岩组合体破坏主要发生在煤体中。左建平等[7，16]分别对岩样单体、煤样单体及不同人工煤岩组合体进行单轴力学试验及声发射信号测试分析，获得了不同人工煤岩组合体的变形及强度特征，初步揭示了岩石、煤、人工煤岩组合体的声发射行为及时空演化机制。赵毅鑫等[17]通过单轴加载试验总结了煤岩组合体变形破坏前兆信息变化规律。Liu等[18]通过单轴加载试验发现，煤岩组合体中煤的强度与煤岩高度比和岩石强度有关。

学者们采用数值模拟方法对不同界面形式组合体的力学特性做了一些研究。郭东明等[19-20]运用扩展有限元计算方法针对不同倾角煤岩组合体单轴条件下压缩变形情况进行了模拟，分析了单轴荷载下不同倾角煤岩组合体的破坏特征。Zhao等[21]针对不同界面效应下的煤岩组合体的损伤演化机制进行了模拟分析。曹吉胜等[22]运用RFPA 软件对不同分形维数及不同倾角煤岩组合体力学特征和破坏机制进行数值试验研究，发现界面倾角及分形维数对组合体的破坏强度、破裂形式、弹性模量及损伤有明显的影响。付斌等[23-24]模拟研究了不同围压条件下煤岩组合体力学特性及声发射特征。赵善坤等[25]运用RFPA2D对不同高度比和不同岩石强度、厚度、均质性及接触面角度下煤岩组合体的冲击倾向性进行数值模拟试验，得到了煤岩组合体冲击倾向性高于纯煤层或岩层测定结果的结论。

目前，国内外学者取得的研究成果主要体现在以煤、岩单体及人工煤岩组合体为研究对象的力学特性、变形破坏特征等方面，对地层中煤和岩石天然结合的原生组合体的力学特性、变形破坏特征及前兆信息规律等方面的研究成果鲜有报道。本文拟通过单轴压缩试验手段，以原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体为研究对象，对比分析试样损伤变形特征，探究原生煤岩组合体力学特性及声发射行为规律，为进一步揭示煤岩动力灾害提供依据。

1 试验方案

1.1 试验设备

试验加载设备为RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流试验系统[26]，该设备最大轴向加载压力为 500 kN，可实现荷载控制和变形控制等加载方式，加载控制精度为±1%。变形控制范围为轴向0～15 MPa、径向0～7 MPa，控制精度为0.5%。

试验中声发射测试设备为美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射测试分析系统，采样频率为5 000 kHz，阈值为46 Db。系统采用PCI-Ⅱ 板卡，具有处理速度快、噪声低、阈值低、稳定性可靠等特点。

1.2 试样制备

本文试验样品采自山西某矿，取样地点为该矿8号煤层掘进工作面，由于组合体界面易损坏，为保证样品的完整性，在现场取得大块煤岩组合体样品，运至地面后分割为小块再加工成所需实验试样。试样加工按照国际岩石力学学会建议的试验方法进行，对试样两端及侧面进行打磨，保证不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。分别制备尺寸为φ50 mm×100 mm的煤样和岩样、φ50 mm×50 mm的煤样和岩样、φ50 mm×100 mm的天然组合体(本文称原生煤岩组合体)试样。其中原生煤岩组合体样品煤体部分和岩体部分高度均为50 mm，并将φ50 mm×50 mm的煤样和岩样自然拼接成φ50 mm×100 mm的组合体(本文称人工煤岩组合体)试样备用。图1为加工好的部分试样，表1为试样的基本物理参数。

图1 样品图片

表1 试样编号及参数

组合体剖面的界面放大如图2所示，人工煤岩组合体界面相对光滑，而原生煤岩组合体界面表现出不规则形状，存在较多不规则裂隙并有矿物质填充(图1中亮纹部分)。

图2 组合体剖面的界面放大图Fig.2 Interface magnification diagram of combination profiles

1.3 试验方案

对原煤煤样、岩石试样、原生煤岩组合体试样及人工组合体试样分别进行单轴加载，试验采用载荷加载控制方式，速率为100 N/s，采用引伸计测量试样的轴向应变和径向应变，试验过程中同步采集试样损伤破坏产生的声发射信号。对于组合体试样，轴向应变测量值为煤体和岩体的轴向应变之和，径向应变均为测量煤体部分的应变值。

2 试验结果分析

2.1 试样变形和强度特征

图3为4种试样在单轴加载条件下应力-应变曲线。由图可知，单轴条件下岩石试样的抗压强度达到134 MPa，远高于其他试样抗压强度，人工煤岩组合体试样、原生煤岩组合体试样和煤样抗压强度依次降低，分别为35 MPa、22.6 MPa、19 MPa。

图3 应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of specimens

相比于其他试样，在达到峰值荷载之前，煤样的轴向应变最大，岩石的轴向应变最小，这与二者的弹性模量差异有关。岩样在弹性阶段表现出较好的线弹性特征，在破坏阶段峰后应力跌落较快，表现出明显的脆性特征。

2个组合体轴向应变值介于煤样和岩样之间，这可能是因为在相同应力条件下，组合体中岩体部分的应变小于煤体部分，同时组合体中煤体部分尺寸小于全煤试样煤体尺寸。受不同介质弹性模量差异与介质尺寸效应双重影响，使相同应力条件下组合体试样轴向应变值小于煤样而大于岩样。

对比原生煤岩组合体试样和人工煤岩组合体试样二者应力-应变关系，发现相同应力条件下人工组合体试样轴向应变大于原生煤岩组合体试样。原生组合体界面与人工组合体界面结构上的差异是出现应力应变差异的主要原因，这可能与不同界面间的摩擦效应等因素相关。

2.2 试样声发射(AE)特征

在加载过程中，同一试样AE计数曲线与能量值曲线规律均能反映在加载过程中试样的损伤情况，二者规律基本一致。4种试样加载过程中应力及AE计数随时间的变化曲线如图4所示，由图发现，4个试样加载过程中声发射振铃计数曲线发展规律均表现出一定的阶段性特征，具有相似性。

在加载初期，试样内部原生裂隙闭合及少量裂隙扩展，试样未发生大的破坏，试样处于压密阶段，总体AE计数较低。

随后试样进入弹性阶段，AE计数基本稳定。由于试样所受应力不足以形成新的微裂纹，声发射事件主要由事件内部闭合裂纹发生滑移产生。

随着荷载的继续增加，当应力达到峰值荷载的70%～80%时，试样内部产生大量新生裂纹，有一定的塑性破坏，声发射事件活跃，AE计数升高。

在达到峰值荷载时，试样内部微裂纹贯通并逐渐形成宏观破裂面，试样发生大的损伤破坏，AE计数最大。

从AE计数值角度对比，试样的声发射规律具有一定的差异性。在加载初期，岩样内部声发射信号相对较弱，这是因为一般情况下岩石内部原生裂隙数量远小于煤体内部原生裂隙，且岩样抗压强度远大于煤样，加载初期岩石内部裂隙闭合和滑移活动较少，因此岩样AE计数较低。煤体原生裂隙多、抗压强度低，在较低的荷载作用下，3个含煤试样内部裂隙出现较多的闭合和滑移活动，AE计数值也相对较高。

对比原生煤岩组合体试样及人工煤岩组合体试样AE计数随时间变化关系，原生煤岩组合体试样AE计数峰值略高于人工煤岩组合体。在达到峰值应力之前，原生煤岩组合体更早地出现了较大的AE计数值，且持续时间更长。通过对比2种组合体系统变量，原生界面的存在使原生煤岩组合体试样在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象活跃，且早期损伤破坏主要发生在组合体界面或附近煤岩体。

3 结 论

本文对原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体分别进行了单轴加载试验及声发射行为研究，得到以下结论：

(1) 单轴加载条件下，4种试样单轴抗压强度从大到小依次为岩样、人工煤岩组合体试样、原生煤岩组合体试样和煤样。组合体受载变形和抗压强度受介质间界面条件、不同介质弹性模量差异与介质尺寸效应等多重因素影响。

(2) 原生界面影响下原生煤岩组合体在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃，且早期损伤主要发生在原生煤岩组合体界面或附近煤岩体。

(3) 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力学性质、声发射特征具有较大影响。