倾角影响下煤岩组合体的力学及声发射能量特性

肖福坤， 邢 乐， 侯志远， 李仁和， 徐 雷

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨150022； 2.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室， 哈尔滨150022)

0 引 言

冲击地压灾害发生的主要原因是工程地质体组成的力学系统整体发生灾变失稳。对于煤矿灾害而言，实质就是“岩体-煤体”组合系统的整体结构在开采扰动过程中突然发生破坏，而非单一岩体或煤体的破坏。因此，研究煤岩组合体的整体变形与破坏规律对于防治冲击地压具有十分重要的现实意义。

张泽天等[1]通过对3种组合方式煤岩进行压缩实验，发现煤岩组合体中破坏主要集中在煤组分，与组合方式和加载接触方式无关。周元超等[2]通过进行不同高度比的煤岩体实验发现单轴抗压强度与煤样占比呈反比例关系。兰永伟等[3]通过对砂岩和煤的不同组合研究发现，在煤组分占比相同的情况下，细砂岩的高度比越大，组合体峰前积聚的变形能越多；粗砂岩的高度比越大，峰后消耗的变形能越多。陈光波等[4-5]通过进一步研究，发现煤岩组合中积聚的能量主要分布在煤层中,且组合系统中岩层强度越大,积聚能量就越少。左建平等[6-7]利用声发射技术对煤岩组合体破裂过程进行了演化，刘刚等[8-9]使用数值模拟软件对三硬煤岩组合体的冲击倾向性进行了分析。

学者们分别从力学特性和能量积聚方面对煤岩组合体进行了深入的研究[10-12]，但选择的组合体均是倾角为0°的情况。地下赋存环境复杂，煤岩组合往往存在一定的倾角，受倾角影响，煤岩组合体性质会发生改变。郭东明等[13-14]、付斌等[15-16]对不同倾角下煤岩组合体的性质进行了初步的探究，取得了一定成果，但具体特性还需要进一步的研究，包括煤岩组合力学参数和积聚能量受倾角影响会如何变化。笔者以数值模拟为手段，从抗压强度、弹性模量、声发射能量角度开展了倾角影响下煤岩组合体模拟实验研究，以期能为防止冲击地压灾害发生提供一定帮助。

1 模型的建立

1.1 模型参数

煤岩组合体在受载过程中其内部会不断产生微裂纹，煤岩组合体的破坏是内部微裂纹萌发、扩展、贯通，最终形成宏观破裂的过程。RFPA2D可以将材料离散化成由细观单元组成的模型，通过细观单元的变化来表征宏观材料的变化，符合煤岩组合体的破裂过程。一般实验室测量得到的参数为材料的宏观参数，由于RFPA2D模拟是用细观变化来表示宏观变化，所以在进行RFPA2D模拟时需要输入材料的细观参数，转换公式如下：

fhg/fxg=0.260 2lnm+0.023 3,

(1)

Ehg/Exg=0.141 2lnm+0.647 6,

(2)

式中：fhg、fxg——实验室测量得到的真实强度和需要输入的细观强度；

Ehg、Exg——实验室测量得到真实的弹性模量和需要输入的细观弹性模量；

m——均值度系数，取1.2≤m≤50.0。

1.2 实验方案

文中研究的主要内容是倾角影响下煤岩组合体力学特性和声发射能量变化，研究对象为煤岩组合体，倾角α选择0°、15°、30°、45°、60°，模型尺寸为50 mm×100 mm。模拟实验参数主要来源于实验室的测量，具体参数如表1所示，其中，p为单轴抗压强度，E为弹性模量，μ为泊松比，θ为内摩擦角。每种倾角组合体进行4次实验，取平均值。加载模型见图1。

表1 煤岩力学参数

图1 加载模型Fig. 1 Load model

2 煤岩组合体力学特性

2.1 力学特性

图2是不同倾角下煤岩组合体的应力σ-应变ε曲线，从图2可以看出，组合体倾角为0°、15°、30°时曲线形态大致相似，倾角为45°、60°时曲线形态大致相似。倾角较小时，煤岩组合表现出脆性破坏特征，随着倾角的增加，逐渐由脆性破坏向延性破坏特征转化。当倾角为0°时，煤岩组合体达到峰值强度后应力迅速跌落至0，而当倾角为15°和30°时，强度达到峰值后虽然也会迅速跌落，但不会跌落至0，存在一小部分残余强度，说明受倾角影响，煤岩组合体的力学特性逐渐发生了改变。当倾角增加到45°时，一方面峰值强度较30°时下降幅度为50%左右，远远超出之前的下降速度；另一方面应力应变曲线形态发生了改变。原因是随着倾角的增大，组合体的内摩擦角和内聚力呈减小趋势，使得组合体的固有力学属性降低。另外由于煤岩结构面存在，当结构面角度逐渐增加，使组合体更易产生沿结构面滑移趋势，结合破坏形态图4，当组合体倾角达到45°时，微裂纹首先出现在煤组分内，随着载荷加载，裂纹沿着结构面扩展，直至破裂。说明此时的破坏是压剪和滑移共同作用的结果，而0°、15°、30°时破坏形态主要是压剪破坏，因此应力-应变曲线形态发生改变。当组合体倾角为60°时，峰前和峰后各出现一次应力跌落，残余强度保持在一个相当高的水平。产生应力跌落的原因可能是组合体内部结构未完全破坏，继续发生破裂所致。

图2 不同倾角下煤岩组合体应力-应变曲线Fig. 2 Stress-strain curves of coal-rock assemblages with different dip angles

不同倾角下煤岩组合体的抗压强度和弹性模量变化曲线如图3所示。由图3可知，受倾角影响，组合体抗压强度和弹性模量变化明显。随着倾角的增加，单轴抗压强度和弹性模量都呈现下降趋势。组合体倾角为0°时，单轴抗压强度最大，为25.58 MPa；15°时抗压强度为23.79 MPa，较0°下降7.01%；30°时为22.54 MPa，下降幅度为5.25%；当倾角为45°时，下降幅度突然加大，达到34.92%；倾角60°时为9.19 MPa，较45°时下降37.36%。可以看出，倾角在0°～30°之间，抗压强度缓慢减小；30°～60°之间，抗压强度迅速减小。弹性模量随着倾角的增加，下降幅度分别为1.42%、0.54%，22.42%、24.01%，总体下降趋势和抗压强度相同，下降幅度较抗压强度小。不同倾角下煤岩组合体的模拟结果见表2。

表2 不同倾角下煤岩组合体的模拟结果

图3 不同倾角下单轴抗压强度和弹性模量变化曲线Fig. 3 Variation curves of uniaxial compressive strength and elastic modulus at different dip angles

2.2 破坏形态

图4是0°、15° 、30° 、45°、60°倾角影响下煤岩组合体的破坏形态。为了详细描写持续施加载荷时组合体逐步发生破裂的过程，在破裂形态图中使用了3种颜色的曲线，逐步描绘裂纹萌生、扩展、最后形成宏观裂纹的过程。红色表示第1步裂纹萌生形态；绿色表示第2步裂纹扩展情况；蓝色表示第3步宏观裂纹显现情况。

图4a是煤岩组合体倾角为0°时的破坏形态，初始施加载荷，煤组分中就先产生了许多破裂单元，其中最为明显的是图中两条红色曲线处的裂纹。随着载荷持续增加，裂纹逐渐扩展，导致右下方一块体出现脱落。继续施加，蓝色曲线处许多单元体发生破裂，逐渐汇聚形成一条宏观裂纹，随后导致煤岩组合体发生单剪切破坏。图4b是煤岩组合体倾角为15°时的破坏形态，首先出现3条短红色裂纹，接着左侧裂纹一部分向下方扩展，一部分向上方扩展，一直到煤岩交界面停止，同时在底部中处一条裂纹有向右扩展的趋势。继续施加载荷，煤组分左侧3条裂纹汇合一处，右侧逐渐显现一条蓝色宏观裂纹，左右裂纹汇合，最终煤岩组合体发生“对号”状剪切破坏状。图4c是煤岩组合体倾角为30°时的破坏形态，煤组分左下角先出现两条平行短裂纹，一条长裂纹串联这两条短裂纹，继续向右上角扩展，一直到煤岩交界面处停止，宏观裂纹显现，组合体发生破坏。图4d是煤岩组合体倾角为45°时的破坏形态，此时破坏形式和之前不同，先在煤岩交界面下方出现了3条竖直裂纹，随着载荷加大，出现了更多的竖直短裂纹，交界面上部分也出现了部分短裂纹，之前最左侧裂纹逐渐扩展到左边界。交界面裂纹逐渐贯通，煤组分内部也出现大面积破裂。该破裂方式是交界面滑移和压剪共同作用的结果。图4e是煤岩组合体倾角为60°时的破坏形态。此时的破坏方式与之前有很大不同，岩组分和煤组分内部几乎不发生破坏。在煤岩交界面出现一些短裂纹，随着载荷的增大，裂纹继续随着交界面扩展，直到煤岩组合体发生破坏。

图4 不同倾角下煤岩组合体破坏形态 Fig. 4 Failure pattern of coal-rock mass with different dip angles

结合不同倾角下煤岩组合体的破坏形态图可以看出，随着倾角的增加，破坏方式发生了改变，由剪切破坏向交界面滑移破坏转化，破坏区域由煤组分逐渐向结构面过渡。倾角较小时，交界面效应影响小，组合体的破坏主要受自身材料差异的影响，随着角度的增大，交界面效应增强，滑移错动成为主要的破坏方式。

3 煤岩组合体声发射能量

煤岩组合体破坏失稳的过程是不断向外界释放能量的过程，利用声发射技术能监测到组合体发出的弹性波，进而转化成声发射信号可以表征煤岩组合体的破裂过程。由于受倾角影响，煤岩组合体的力学属性发生改变，那么声发射信号也会发生改变。为了研究倾角影响下煤岩组合体的能量释放变化情况，文中选择了3个参数：声发射累积能量EA、峰值声发射能量Ep和峰前、峰后的声发射累积能量(EPB、EPA)。不同倾角下的声发射累积能量见表3。

表3 不同倾角下的声发射累积能量

声发射累积能量用来表征组合体在破坏过程中的能量变化情况，图5 为不同倾角下煤岩组合体的声发射累积能量，从整体看，声发射累积能量值呈现减小趋势，主要原因是受倾角影响，组合体的力学属性发生变化。倾角小于30°时，声发射累积能量值先缓慢增加再减小，30°～45°之间大幅度下降，45°～60°下降幅度略微加快。出现大幅度下降的原因是破坏方式的改变，由以剪切破坏为主导转化为剪切和交界面滑移摩擦共同影响所导致的破坏，另外发生剪切破坏时释放的能量比滑移破坏释放的能量大，所以声发射累积能量值出现大幅下降。

图5 不同倾角下煤岩组合体声发射累计能量Fig. 5 Acoustic emission cumulative energy of coal-rock assemblages with different dip angles

图6是不同倾角下煤岩组合体峰值时刻声发射能量，峰值时刻产生变形量大，能量释放最为激烈。记峰值时刻声发射能量占累计能量百分比为K。从图6可以看出，峰值声发射能量随倾角的增加先缓慢减小再迅速减小后又缓慢减小。倾角在30°之前，峰值能量占累积能量的比重相当高，30°～45°时迅速下降，超过45°时比重保持在一个较低水平。

图6 不同倾角下煤岩组合体峰值声发射能量 Fig. 6 Peak acoustic emission energy of coal-rock assemblages with different dip angles

图7 是0°、15°、30°、45°、60°倾角下煤岩组合体峰前和峰后声发射累积能量占比，分别记为KB和KA。可以看出，受倾角影响，峰前声发射累积能量值总体呈现下降—保持区间—下降的趋势，峰后声发射累积能量总体呈现上升—保持区间—上升的趋势。倾角在15°之前，峰前累积能量下降幅度大，15°～45°之间，峰前累积能量保持在一个合理的区间，45°～60°之间，继续大幅下降。分析大幅下降原因为0°～15°之间以剪切破坏为主导，交界面影响小，近似为受单一影响，只发生剪切破坏；45°～60°时近似为只是沿结构面发生滑移。15°～45°时是压剪和滑移共同作用的结果。可能受材料均值度影响，倾角30°时峰前累积能量占比高于倾角为15°。声发射累积能量也可以反映煤岩组合体发生冲击地压的可能性。倾角为0°时，峰前声发射累积能量占比94.99%，峰后占比5.01%。说明在煤岩组合体发生破坏时，积聚的弹性能可能会在瞬间大量释放，发生冲击地压的可能性较大。而当组合体倾角为60°时，峰前声发射累积能量占57.79%，峰后占比42.21%，此时发生冲击地压的可能性就相对减小。

图7 峰前阶段和峰后阶段累积能量占比Fig. 7 Pre-peak stage and post-peak stage cumulative energy percentage

4 结 论

(1)不同煤岩组合体的应力-应变曲线前期大致相似，后期受倾角影响，曲线形态发生变化。随着倾角的增加，组合体单轴抗压强度先缓慢减小，再迅速减小，弹性模量和抗压强度趋势相同，但幅度略小。组合体破坏方式由剪切破坏逐渐向交界面滑移破坏转化，破坏区域由煤组分逐渐向结构面过渡。

(2)在倾角影响下，声发射累积能量值呈现下降趋势，峰值声发射能量值逐渐减小，峰前声发射累积能量总体呈现下降—保持区间—下降的趋势，峰后声发射累积能量总体呈现上升—保持区间—上升的趋势，组合体冲击倾向性逐渐减小。