不同加载模式下煤岩破坏特性试验研究

任建喜，王晓琳，张 琨，张卫军

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

随着我国井工煤矿开采深度增加，开采布局及工法愈加复杂，使得煤岩所处应力状态更加恶劣，冲击地压灾害风险增大，严重威胁着煤矿的安全生产。冲击地压(也称“冲击矿压”，非煤矿山又称“岩爆”)是矿山井巷和采场周围的煤、岩体由于变形能释放而产生的以突然、剧烈、猛烈的破坏为特征的动力现象[1]。处于深部开采的煤岩体本身处在高地应力、复杂构造应力等静载的综合作用下，一旦受到动态扰动(诸如老顶垮落、断层活动、人工放炮)，在满足一定的条件时就会发生冲击破坏[2，3]。

目前，国内外学者运用实验室试验或者数值模拟的方法，对煤岩体在冲击地压作用下的力学特性及破坏特征进行了研究，从而掌握顶板-煤层-底板相互作用下采动等因素诱发冲击地压的机理和规律[4-13]。其中，赵毅鑫等[8]运用红外热成像、声发射等监测手段，通过对组合煤岩进行单轴加载得到了煤岩破坏的前兆信息等特征。左建平等[9]通过单轴和常规三轴压缩试验分析了煤岩试样的力学特性和破坏特征，得到煤柱体内不同位置煤岩强度、变形和破坏形式等的不同特征。孙刘伟等[13]结合郓城煤矿煤柱冲击地压的载荷源自高自重应力、强构造应力与采空区侧向支承压力叠加而成的静载荷。但以往的研究只是在单一加载模式下对煤岩进行分析，针对弱冲击倾向性煤岩在不同加载模式下的力学特性及能量演化规律尚缺乏对比研究。本文以彬长矿区胡家河矿煤岩为研究对象，探究了煤岩在单轴、常规三轴压缩试验及动静载组合不同动载频率压缩试验下的破坏特性，从而掌握煤矿在不同应力条件下发生冲击地压的机制及规律。

1 试验方法

1.1 试样制备

试验煤样取自发生过冲击地压的胡家河煤矿，从综放工作面上选取比较完整的煤样，并对煤样进行层理方向的标记以便室内加工。根据《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561.7—2009)的要求，将煤样在岩石制样室内沿垂直层理方向加工成直径50mm、长度100mm的圆柱体试件，且需要保证上下加载表面的整洁度，使其两端的平行度偏差小于0.05mm，如图1所示，经称量计算得煤样平均密度为1690kg/cm3。为选择完整性和均质性相近的煤样来减小因各向异性而产生的偏差，采用超声波检测设备对煤样进行检测，选取平均波速在2100m/s左右的试件进行试验。

图1 煤岩实物图

1.2 试验方案

试验采用西安科技大学岩土实验室的DTAW-8000岩石高压动力试验系统。该试验系统由加载系统、动力控制系统、冷却系统、测量系统等部分组成，其中加载系统由静载、动载和围压三部分组成，同时动载可以施加频率为1～10Hz的正弦波、矩形波、正切波和三角波等多种波形。

试验通过改变加载模式研究煤岩在不同应力环境下的破坏机理以及损伤特征，主要分为两个部分进行，具体试验方案见表1。

表1 不同加载模式下试验方案设计

1.2.1 常规三轴压缩试验

将三轴试验围压设定为4个值，分别为0(单轴压缩试验)、4MPa、8MPa、12MPa。选取煤样密度和波速相近的12个试件分为4组，每组3个试件。首先施加初始轴压2kN以固定试样，然后充油并施加围压到每个预定值。待围压稳定后，采用轴向位移控制方式进行轴向加载，加载速率为0.01mm/s。将试件加载至试件破坏丧失抗压强度为止，以此分析常规实验中不同围压下煤样的力学强度特征及变形特性，同时也为后续动载试验中动载幅值、荷载分级等提供基本参考数据及对比数据。

1.2.2 分级动载压缩试验

已有研究表明煤岩所受动载应力波大部分是由几组不同频率和振幅的正弦波叠加而成，动载频率小于10Hz，主频段区间主要处于3～5Hz[14-16]。选取煤样密度和波速相近的试件9个。试验开始时首先给试件施加围压直至12MPa并稳定在该应力水平，采用位移加载控制施加轴向静载至15kN，加载速率为0.01mm/s；待围压和轴压稳定以后采用组合加载方式分别施加固定振幅5kN和频率(2Hz、5Hz、8Hz)的正弦波动载，逐步分级提高初始轴向力等级(力分级差为10kN)继续加载固定振幅和频率的正弦波动载直至煤样破坏。具体分级加载力曲线如图2所示。通过分析不同频率作用下动态扰动对试件破坏的影响程度，来探究动载诱发冲击地压的机制。

图2 动载加载示意图

2 常规加载试验结果及分析

2.1 单轴压缩试验

煤样在单轴加载破坏全过程的应力-应变关系曲线如图3所示，由应力与轴向应变、径向应变、体积应变之间的关系可以看出，煤样在加载过程中具有明显的加载压密阶段。煤样在单轴压缩条件下的强度较低(峰值强度仅为9.83MPa)，且峰值处的轴向应变约为径向应变的2倍；煤样破坏呈现脆性破坏特征，最终的破坏模式为中间劈裂破坏。这表明煤炭在地下开采过程中开挖临空面一旦形成，便会使周围煤体的应力状态由三维受力向一维或二维发生改变；由于煤体的非均质及非弹性，这种应力状态的变化会使煤体某些部位(地质不连续面)形成一种由差异变形而产生的拉应力集中现象。

图3 单轴压缩破坏全过程应力应变曲线

2.2 常规三轴压缩试验

不同围压条件下煤试件三轴压缩试验应力应变如图4所示。由图4可知，随着围压的增加，煤岩抗压强度增大，峰值应力对应的轴向应变和横向应变均增加，煤样塑性也不断增强，由脆性逐渐转化为延性。如图3、图4(a)，在围压为0MPa、4MPa时，岩石呈脆性破坏；当围压继续增大时，开始出现塑性流动，煤样破坏具有一定的延性特征，同时煤样的储能能力也显著增加。这是因为煤体属于结构比较松散的材料，围压越大煤样挤压就越密实，内部裂隙间的正应力和摩擦力增大使得裂隙不容易发生胀裂和滑移，从而限制了裂隙的进一步扩展，因而承载力更高，储能能力也就越强。

图4 不同围压条件下煤试件三轴压缩试验应力应变曲线

通过以上分析可知：围压越大，煤样的承载力就越大，则煤样储存应变能的能力也就越大；这就解释了深埋煤层由于地处高应力水平条件，其内部积聚了更大的应变能量，这为冲击地压的发生提供了基本的前提，在受到外界人为活动影响和内部地层运动时极易发生冲击破坏。

3 动静载荷组合试验

3.1 应力应变曲线分析

不同频率下煤样加载全过程的应力应变曲线对比如图5所示。当加载频率为2Hz时，煤样在经过7个静载等级的动态扰动后发生破坏；加载频率为4Hz时，煤样在经过4个静载等级的动态扰动后便发生破坏；加载频率为8Hz时，煤样在经过1个静载等级的动态扰动后在提高至下一等级的静力水平过程中便发生破坏。煤样在2Hz、4Hz、8Hz频率动载扰动后强度较常规加载时分别降低25%、56%、81%，表明煤样在经过动载扰动以后强度降低，且频率越高，强度劣化越明显，煤样经受扰动的次数也就越少。同时可以看出煤样在发生破坏时峰值强度所对应的峰值应变均减小(其中2Hz 时为0.59、4Hz时为0.48、8Hz时为0.37)，较常规同围压加载条件下峰值应变分别降低了0.55%、0.63%、0.71%，表明煤样在经过动载扰动未经发生塑性流动便迅速发生破坏，表现出明显的脆性破坏特征。

图5 不同频率下煤岩动载试验应力应变曲线

3.2 动载过程中的损伤特性研究

声发射峰值幅度不受门槛值的影响，直接决定声发射事件的可测性及反映声发射事件的大小，从而可以用来表征煤样在加载过程中的应力阶段，连续有效地监测煤样内部在加载过程中的损伤发展变化状态。通过试验中的声发射监测数据，绘制不同加载频率下声发射峰值幅度和偏应力随试验时间的演化曲线，如图6所示。

图6 煤样试验过程中声发射峰值幅度特征图

由图6可以看出，静载加载时，声发射在弹性阶段峰值幅度值很小并稀疏分布，处于沉寂状态；当应力接近峰值时，声发射事件明显增多，峰值幅度呈现递增趋势。动载加载时在每级动载波扰动过程中，声发射峰值幅度都出现“跃升”现象，而后又归于沉寂直至最后煤岩破坏；虽然不同加载频率下最终的扰动次数不同，但整个加载均呈现出相同的声发射现象规律。同时无论静载还是动载煤样在发生破坏的临界状态时，声发射峰值幅度快速增大并密集分布。

声发射幅值在动载扰动时发生“跃升”现象，说明动载作用下煤样在初始静载损伤的基础上出现了裂隙的瞬时扩展发育，损伤速度变快且损伤加剧。同时动载扰动时声发射幅值的变化规律说明动载作用下煤岩损伤演化特征与静力加载时的损伤完全不同，静载时煤岩损伤在整体趋势上为循序渐进，损伤慢慢积累，裂隙逐步发育充分，直至破坏；而在动载加载时裂隙随着动载波在短时间内反复的张开、闭合，使得煤样损伤程度瞬间加剧。

3.3 动载作用下煤岩破坏模式分析

试验表明，单轴压缩状态下煤样以劈裂破坏为主，即破坏后会形成明显的平行于加载方向的贯穿裂缝；对于常规三轴压缩试验，其破坏形式整体为剪切破坏，即发生破坏后所形成的贯通剪切破裂面与轴向加载方向成一定角度，如图7(a)所示。动载频率2Hz时，煤样最终分裂成数块粒径不同的煤块，而其余部分在动载波反复作用下被研磨成碎屑，如图7(b)所示；频率4Hz时，煤样上下两端分裂成块体，中间部位完全破碎呈粉末状，如图7(c)所示；当频率提升为8Hz时，煤样依然保持原有的轮廓形状，表面分布着许多微小的沿轴向加载方向的张拉裂隙，中央局部区域横向与竖向相互交错而呈现出破碎状态，如图7(d)所示。

由此可见，经过动载扰动后的煤样裂隙发育密集，破坏状态更加松散破碎，说明煤样在围压和动载的相互作用下，煤体产生大量竖向裂缝并在后续加载过程中不断扩展交错使得其力学性能严重劣化。同时，对比常规三轴试验条件下煤样的破坏特征可知，煤样在静力加载破坏时的应力水平虽然更高，但破坏模式为典型的剪切破坏；这说明煤体内部储存大量的弹性应变能仅仅是发生冲击地压的必要条件之一，必须还有外界因素的扰动才能诱发冲击地压。

4 结 论

1)通过对比单轴压缩和常规三轴压缩试验可得，单轴压缩时煤岩发生破坏时强度低，呈现脆性破坏，而随着围压的增加，煤岩的峰值强度及峰值应变逐渐提高，煤岩破坏时的延性特征也越发明显。可以说明在煤矿工作面开采或巷道掘进过程中，开挖临空面一旦形成便会改变煤岩的受力状态并造成采掘空间煤体应力的重新分布，从而造成周围煤体的应力集中，引发冲击地压事故。

2)常规三轴压缩条件下，随着围压的增加，煤岩峰值强度逐渐提高，煤岩内部的储能能力越强，这表明煤层埋深越大，积聚的能量就越多，越容易发生冲击地压事故。

3)冲击地压的发生是多种因素综合作用的结果，高围压和临空开采使得围岩积聚弹性势能增大，为冲击地压的发生提供了静载基础，此时一旦受到动载的扰动，就会造成能量的急剧释放，引发冲击事故。

4)动载作用下煤岩损伤演化特征与静力加载时的损伤完全不同，静载损伤为渐进形式，主裂缝充分发育；而动载损伤表现为局部裂隙瞬间发育，使得煤样在静载和动载叠加作用下损伤更加剧烈。