煤的厚度对煤岩组合体物理力学特征的影响规律分析

李回贵，位 乐，李化敏

(1.贵州工程应用技术学院 矿业工程学院，贵州 毕节 551700； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

以神东矿区为代表的西部地区是我国煤矿开采技术发展最活跃的地区，也是国内外采矿界高度关注的地区。笔者针对布尔台、补连塔和大柳塔煤矿开展研究时在上覆岩层中发现了大量的结构面、夹层等情况，同时也在煤层顶板岩层尤其是在基本顶中发现了几厘米厚至十几厘米厚的煤[1-2]。基本顶中存在这种煤时会对其破断方式、强度及支架载荷有很大的影响。因此，需要研究这种夹层的厚度变化对岩体力学特征的影响。

国内外学者针对煤岩组合体开展了大量的研究。目前在研究煤岩组合体的力学特征、变形特征等时主要采用数值模拟和室内试验两种方法[3-6]。围压大小和卸载方式对煤岩组合体的力学特征和渗透特性有一定的影响[7]。不仅加载条件对煤岩组合体力学特征有影响，其组合方式也对煤岩组合体的力学特征有显著的影响，有关科研人员通过研究发现煤岩组合体的组合方式对其破裂过程中的电荷演化特征、微震信号强度、力学特征及冲击倾向性等都有显著的影响[8-12]；煤岩组合体对其破裂过程中的能量演化机制及裂纹演化规律也有一定的影响，陈岩等[13-14]利用MTS815力学试验机在循环加卸载条件下对煤岩组合体的变形及裂纹演化机制进行了研究，认为循环次数对煤岩组合体的变形及裂纹演化机制有影响；人们不仅针对组合岩石的静力学特征进行了深入的研究，同时也对煤岩组合体的动力学特征进行了研究，认为煤岩组合体对其动力学特征也有影响[15-16]。

神东矿区由于其特殊的沉积环境，造成该地区白垩纪和侏罗纪地层中砂岩岩层的力学强度相对较低，而该地区煤层的强度相对较高，致使砂岩中含煤夹层的强度与砂岩本身的强度非常接近，这与笔者进行的煤岩组合体试验结果存在一定的差异(结果显示煤岩组合体中煤的强度一般都比岩石的强度小很多)。因此，笔者以神东矿区布尔台煤矿侏罗纪粗粒砂岩为研究对象，在单轴压缩条件下对煤、粗粒砂岩及 4种煤岩组合体试样进行力学试验，并对试验结果进行详细的分析，以期找出煤的厚度对煤岩组合体物理力学特征的影响规律。

1 试样采集、加工及试验方案

1.1 试样采集与加工

粗粒砂岩和煤样采自内蒙古鄂尔多斯布尔台煤矿。试样按照规程要求加工成直径为50 mm、高度为100 mm的标准岩样。试样共分为6组：A组(A1～A3)为粗粒砂岩；B组(B1～B3)、C组(C1～C3)、D组(D1～D3)和E组(E1～E3)为煤岩组合体试样，其中B组煤的厚度为5 mm，C组煤的厚度为 10 mm，D组煤的厚度为 15 mm，E组煤的厚度为 20 mm；F组(F1～F3)为煤。每组均有3个试样。试样方案设计如图1所示。

图1 试样方案设计示意图

1.2 试验方案

通过RMT-150C力学试验系统进行力学试验。试验采用位移控制的加载方式，加载速率为0.002 mm/s。每组试样重复进行3次试验。

2 煤岩组合体波速及密度特征

为了研究煤层的厚度变化对煤岩组合体波速和密度的影响规律，在加工煤岩组合体之前先测试粗粒砂岩的密度和波速并进行记录。在煤岩组合体加工完成后再测试煤岩组合体的密度和波速。煤岩组合体的波速及密度参数如表1所示。

表1 煤岩组合体的波速及密度

由表1可知， B、C、D、E组粗粒砂岩加工之前的纵波波速平均值分别为2 064、2 255、2 200、2 088 m/s，密度平均值分别为2 231、2 230、2 250、2 256 kg/m3；加工成煤岩组合体之后的纵波波速的平均值分别为1 856、1 907、1 809、1 644 m/s，密度平均值分别为2 162、2 156、2 103、2 052 kg/m3。加工之后波速分别降低了208、348、391、444 m/s，降低幅度分别为10.1%、15.4%、17.8%、21.3%；密度分别降低了69、74、147、204 kg/m3，降低幅度分别为3.1%、3.3%、6.5%、9.0%。由上述分析可知，煤岩组合体的密度和波速随煤的厚度增加逐渐减小，并且降低幅度逐渐增大。

3 煤的厚度对组合岩体力学特征的影响规律分析

3.1 应力—应变曲线特征分析

对粗粒砂岩、煤及4种煤岩组合体试样进行单轴压缩试验，单轴压缩下粗粒砂岩、煤及组合煤岩的应力—应变曲线如图2所示。其中，图2(a)、(b)分别为粗粒砂岩和煤的应力—应变关系曲线；图2(c)～(f)分别为含不同厚度煤的煤岩组合体的应力—应变曲线。

(a)粗粒砂岩

由图2可知，粗粒砂岩、煤和4种煤岩组合体的应力—应变曲线可以分为4个阶段：初始压密阶段、线弹性阶段、塑性变形破坏阶段和峰后阶段[17-19]。

煤的厚度对煤岩组合体的应力—应变曲线的影响显著。在初始压密阶段，4种煤岩组合体试样都有明显上凹现象，煤的厚度对该阶段曲线没有显著影响；在线弹性阶段，4种煤岩组合体试样的应力—应变曲线都近似为直线，曲线的斜率随着煤岩组合体中煤的厚度逐渐增大而减小；在塑性变形破坏阶段，曲线的斜率随着煤的厚度逐渐增大而减小，说明破坏瞬间释放的能量更大；煤的厚度对煤岩组合体试样的峰后阶段影响显著，随着煤的厚度增大，破坏瞬间应力降低的幅度增大，煤岩组合体由塑性破坏逐渐向脆性破坏过渡，表明煤的厚度会对煤岩组合体的破坏模式产生较大的影响。

3.2 煤的厚度对煤岩组合体强度的影响规律分析

单轴压缩下粗粒砂岩、煤及4种煤岩组合体试样的力学参数如表2所示。

表2 单轴压缩下粗粒砂岩、煤及煤岩组合体的力学参数

由表2可知，粗粒砂岩和煤的单轴抗压强度σc分别为25.01～27.77、21.05～24.24 MPa，平均值分别为26.14、 22.97 MPa；峰值应变εc分别为5.69×10-3～6.00×10-3、14.26×10-3～17.32×10-3，平均值分别为5.85×10-3、15.85×10-3；弹性模量E分别为6.28～7.03、1.39～1.77 GPa，平均值分别为6.53、1.59 GPa。

由上述分析可知，粗粒砂岩和煤的单轴抗压强度没有明显的差别，但是二者之间的峰值应变和弹性模量差异很大。煤的峰值应变是粗粒砂岩的 2.7倍；粗粒砂岩的弹性模量是煤的4.1倍。当煤岩组合体中煤的厚度为5、10、15、20 mm时，其抗压强度分别为18.17～21.07、20.02～20.61、17.90～18.83、21.69～23.43 MPa，平均抗压强度分别为19.55、20.38、18.51、22.29 MPa。

煤岩组合体抗压强度与煤的厚度的关系曲线如图3所示。

图3 煤的厚度对煤岩组合体强度的影响曲线

由图3可知，当煤岩组合体中煤的抗压强度与粗粒砂岩强度差距较小时，煤的厚度对煤岩组合体抗压强度的影响也较小。

3.3 煤的厚度对煤岩组合体峰值应变的影响规律分析

煤岩组合体峰值应变与煤的厚度的关系曲线如图4所示。

图4 煤岩组合体峰值应变与煤的厚度的关系曲线

由表2和图4可知，当煤岩组合体中煤的厚度为5、10、15、20 mm时，其峰值应变的变化范围分别为5.70×10-3～6.36×10-3、6.70×10-3～7.56×10-3、7.25×10-3～7.39×10-3、7.73×10-3～8.38×10-3，平均值分别为5.98×10-3、7.06×10-3、7.33×10-3、8.09×10-3。与粗粒砂岩相比，含不同厚度煤的煤岩组合体试样的峰值应变分别增大了2.2%、20.7%、25.3%、38.3%。

由上述分析及图4可知，煤岩组合体中煤的厚度对其峰值应变有显著的影响，随着煤岩组合体中煤的厚度逐渐增大，峰值应变也逐渐增大，二者呈显著的正相关关系。这主要是由于煤的峰值应变比粗粒砂岩的峰值应变大很多，随着煤的厚度逐渐增大，影响程度也越大所致。因此，采用线性函数对其曲线进行拟合，其方程为：

y=5.79+0.10x

(1)

式中：y为峰值应变；x为煤岩组合体中煤的厚度，mm。

3.4 煤的厚度对煤岩组合体弹性模量的影响规律分析

煤岩组合体弹性模量与煤的厚度的关系曲线如图5所示。

图5 煤岩组合体弹性模量与煤的厚度的关系曲线

由表2和图5可知，当煤岩组合体中煤的厚度为5、10、15、20 mm时，其弹性模量的变化范围分别为4.45～4.70 、3.55～4.02、3.32～3.51、2.90～3.30 GPa；平均弹性模量分别为4.54、3.82、3.40、3.15 GPa。与粗粒砂岩相比，含不同厚度煤的煤岩组合体试样的弹性模量分别降低了30.5%、41.5%、48.2%、51.8%。

由上述分析及图5可知，煤岩组合体中煤的厚度对其弹性模量也有显著的影响，但与峰值应变的关系不相同，煤的厚度与弹性模量呈负相关关系。这主要是由于粗粒砂岩与煤的弹性模量相差较大，导致煤岩组合体试样的弹性模量减小，但随着煤的厚度增大，这种影响逐渐减小。因此，采用指数函数对其曲线进行拟合，其方程为：

y=3.11+3.36×0.85x

(2)

式中y为弹性模量，GPa。

4 煤岩组合体试样的宏观破坏特征

粗粒砂岩和4种煤岩组合体试样的破坏特征如图6所示。

(a)粗粒砂岩

由图6可知，粗粒砂岩主要是以张拉破坏为主，能形成贯通的裂纹，但煤岩组合体试样破坏时，其破坏形式与粗粒砂岩存在明显差异。煤岩组合体试样破坏时砂岩部分还是以张拉破坏为主，但裂纹的起裂位置都始于结合面，且逐渐往上发展，随着煤的厚度逐渐增大，裂纹扩展更长，逐渐贯通粗粒砂岩部分。这表明煤的存在会对粗粒砂岩裂纹的发展产生阻碍效应，但随着煤的厚度逐渐增大，这种效应有所减弱。

从图6中还可以发现，煤岩组合体中煤的厚度对煤的部分破坏特征也有显著的影响，煤岩组合体中煤的厚度为5 mm时，煤体中的裂纹很少，并且以竖向裂纹为主；但当煤岩组合体中煤的厚度增大到10 mm时，煤体中裂纹的数量有所增加，出现了不同方向的裂纹，并以水平和垂直裂纹为主；当煤岩组合体中煤的厚度增大到15 mm时，煤体中不仅出现了竖向裂纹、水平裂纹，还出现了破碎区；当煤的厚度增大到20 mm时，煤体中出现了大量的裂纹，与前 3种试样相比，裂纹数量明显增多，并且裂纹方向各异，破碎区的面积更大。

5 结论

1)煤岩组合体中煤的厚度对其波速和密度都有影响，煤岩组合体的波速和密度随着煤的厚度的增加，其密度和波速逐渐减小，波速的降低幅度分别为10.1%、15.4%、17.8%、21.3%，密度的降低幅度分别为3.1%、3.3%、6.5%、9.0%。

2)煤岩组合体中煤的厚度对单轴抗压强度影响较小，但对峰值应变有显著的影响。煤岩组合体中煤的厚度与其峰值应变呈现正相关关系，当煤岩组合体中煤的厚度为5、10、15、20 mm时，峰值应变分别为5.98×10-3、7.06×10-3、7.33×10-3、8.09×10-3，与粗粒砂岩相比，其峰值应变分别增大了2.2%、20.7%、25.3%、38.3%。

3)煤岩组合体中煤的厚度不仅对其峰值应变有影响，而且对其弹性模量也有显著的影响。当煤岩组合体中煤的厚度为5、10、15、20 mm时，弹性模量分别为4.54、3.82、3.40、3.15 GPa，与粗粒砂岩相比，其弹性模量分别降低了30.5%、41.5%、48.2%、51.8%。煤岩组合体中煤的厚度与其弹性模量呈负相关关系。