真三轴载荷下不同煤岩比例组合体力学响应研究

董 浩

（北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013）

为提高煤炭资源回收率并降低冲击地压等动力灾害发生频率及致灾程度，沿空掘巷等技术得到广泛应用于推广[1]。由于巷帮煤岩强度普遍低于顶、底板，且巷道围岩是由顶、帮及底板所组成，须看做整体进行分析[2]。大量现场勘测也证明，煤柱失稳破坏并非材料局部破坏引起，而是由于煤层-顶板组合结构的失稳破坏[3-4]。

通过煤岩组合体力学响应分析煤柱变形破坏机理已得到广泛认可[5-6]。不同组合方式的对比分析是煤岩组合体力学特性研究最常见内容之一，秦忠诚、张泽天[7-8]等采用单轴压缩方法分析不同煤、岩组合方式下组合结构整体力学特征和破坏特征，并基于此分析组合结构冲击倾向性；陈光波[9]探究不同煤岩厚度比例对组合体力学特征的影响，指出随煤厚占比增加力学参量呈减小趋势；陈绍杰[10]制作5 组不同高度比煤岩组合结构，分析其渐进破坏机理；杨磊[11-12]在研究不同强度比煤岩组合结构在单轴压缩条件下力学响应的基础上，发现能量分区演化规律。由于采掘作业导致巷道围岩应力状态复杂多变，因此不同加载方式下组合体力学响应规律的研究具有重要意义。Huang[13]采用力控方法分析不同加载速率下煤岩组合体力学特征，发现随加载速率增加，组合结构各项力学参数均呈增长趋势；宫凤强在此基础上分析低加载速率范围内，组合结构冲击倾向性对应变率的响应规律；朱卓慧[14]探究分级循环加卸载条件下组合体力学特征。上述研究均采用真实煤样开展研究，杜锋[15]等基于CT 扫描结果，三维重构数值岩心，分析其损伤破坏过程。

沿空掘巷煤柱应力环境复杂，处于相邻采空区不稳定动压、巷道开挖卸荷及本工作面回采扰动综合应力场中，是巷道顶、帮及底板围岩综合体的薄弱环节。以现场实测应力演化为真三轴加载加载路径，可更加真实再现沿空巷道不同掘进方式（沿顶、沿底及沿顶底）下，煤柱力学性质。然而，现阶段真三轴实验多围绕纯煤样或岩样开展[16-18]。为此制备不同组合方式立方体试件，采用真三轴方式，以现场实测应力演化为加载路径，探究不同煤岩比例组合体对该应力路径力学响应，并增加纯煤岩样试件作为参照进行对比分析。

1 煤岩组合体真三轴加载实验

实验煤样取自山西某矿沿空巷道掘进期间，自现场采集大块顶板、巷帮与底板煤岩块，为模拟巷道不同掘进方式(沿顶、沿底及沿顶底)，煤柱力学性质，制备纯煤、岩-煤、煤-岩及岩-煤-岩4 种煤岩组合体类型。以现场所获取的沿空巷道掘采全过程煤柱应力动态演化规律作为加载路径，采用TRW-3000 型岩石真三轴电液伺服诱变（扰动）试验系统进行试验，探究组合体力学响应。

1.1 不同煤层厚度组合体试样制备

煤岩块运至实验室后，采用线切割方法制备尺寸为100 mm×100 mm×x mm 的煤样与岩样。其中厚度为100 mm 煤、岩试样各3 个，厚度为50 mm 煤、岩试样各6 个，厚度为33 mm 岩石试样6 个，厚度为34 mm 煤样3 个。各试样相互组合得到纯煤样（M）、煤－岩（M－R）、岩－煤（R－M）、岩－煤－岩（R－MR）、纯岩样（R）5 种不同组合方式及煤厚组合试样，煤层占比分别为100%、50%、34%、0，制备完成的不同煤岩比例组合体试样如图1。

图1 不同煤岩比例组合体试样Fig.1 Different ratios coal-rock combination specimens

图1 中岩-煤及煤-岩制备相同试样，加载阶段颠倒煤岩位置即可，为避免煤岩材料原生缺陷对实验结果影响，每组实验重复3 次。

试样制备要求：大尺寸煤岩试块自巷帮及顶底板取出后，立即用保鲜膜包好，防治风化蚀变影响其力学性质。试样端面不平行度小于0.01 mm，棱长的偏差小于0.02 mm。试样切割及端面打磨时需在淋水环境中进行，为避免煤样含水率对实验结果产生影响，将加工好的煤样在相同条件下自然风干1 周。煤岩组合交界面采用AB 胶粘接，确保试样上下端面平行。

为了解本次实验所使用煤样试样基础力学性质，自同一批次煤岩块中各制备2 组标准尺寸（φ50 mm×100 mm）圆柱形试样，进行单轴压缩加载，得到的煤岩基础力学参数见表1。

表1 煤岩基础力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

1.2 实验方案

现场工程实践中，由于煤层厚度并非总与沿空巷道高度相等，以地质条件为依据，常用措施有沿顶、沿底及沿顶底等，在煤岩组合结构中分别对应岩-煤、煤-岩及岩-煤-岩等，同时增加纯煤及纯岩石试样作为参照组进行对比分析。

试样力学行为是对实验室特定应力路径的响应[19-20]。为了更加真实模拟沿空巷道全生命周期变形破坏过程，以现场实测所获取沿空巷道掘采全过程煤柱应力动态演化规律为加载路径，探究不同组合方式对该应力路径的力学响应。空心包体法实测原岩应力，实验过程中z 方向为竖直方向，x 方向为前后方向，y 方向为左右方向，σx、σy、σz即为x、y、z 3个方向的应力，分别为7.6、14.3、11.6 MPa；相邻工作面回采在侧向支承压力影响下，煤柱载荷增加，σx、σy、σz分别为12.3、17.8、20.4 MPa；沿空掘巷过程中，巷道径向卸荷，σx卸载0 MPa，σy、σz维持不变；本工作面回采期间，在侧向支承压力作用下，巷道存在变形破坏可能，但在该过程中，巷道轴向和径向应力变化不明显，为模拟巷道变形破坏过程，加载σz直至试件破坏，真三轴加载过程如图2。

图2 真三轴加载过程Fig.2 Loading process under true triaxial

1）加载至原岩应力状态。①以0.1 MPa/s 的速率加载σx、σy、σz至7.6 MPa；②保持σx不变，以0.1 MPa/s 的速率加载σy、σz至11.6 MPa；③保持σx、σz不变，以0.1 MPa/s 的速率加载σy至14.3 MPa；④保持σx、σy、σz不变，维持稳定1 min。

2）相邻工作面回采期间。⑤以0.1 MPa/s 的速率加载σx、σz至12.3 MPa；⑥保持σx不变，以0.1 MPa/s 的速率加载σy、σz至17.8 MPa；⑦保持σx、σy不变，以0.1 MPa/s 的速率加载σz至20.4 MPa；⑧保持σx、σy、σz不变，维持稳定1 min。

3）沿空掘巷期间。⑨保持σy、σz不变，以0.1 MPa/s 的速率将σx卸载至0；⑩保持σx、σy、σz不变，维持稳定1 min。

2 实验结果与分析

组合体真三轴加载实验结果见表2。

表2 组合体真三轴加载实验结果Table 2 Experimental result of coal-rock combination under true triaxial

与煤、岩样单轴载荷下力学参数对比可知，真三轴载荷下，试样强度、弹性模量及抗变形能力均有明显提高：煤样强度、弹性模量及峰值变形分别提高98.3%、24.0%、145.6%；砂岩强度、弹性模量及峰值变形分别提高38.3%、23.8%、38.6%。峰值变形提高最明显，强度次之，弹性模量变化幅度最小；对比煤样与砂岩发现，由于煤样质地更松散，围岩对其结构特征的改善作用更明显，导致其各项力学参数提高幅度均高于砂岩。

2.1 组合体力学参量对组合方式响应特征

不同组合方式试件强度如图3。

图3 不同组合方式试件强度Fig.3 Strength of specimens with different combinations

各组合体试件三轴强度介于纯煤样（29.72 MPa）及岩样（56.51 MPa）之间。值得注意的是，随着煤层占比增加，试件强度离散性增加，各组标准差依次为0.532、1.172、1.443、1.498（煤厚相等）、2.296。对比M-R 和R-M 2 组发现，与单轴加载不同[21-24]，在三轴载荷下，2 种组合方式强度变化极小，分别为34.57、34.84 MPa，可以认为是由煤岩材料非均质性所产生。

不同组合方式试件弹性模量如图4。

由图4 可知，与强度变化规律相同，组合体弹性模量介于纯煤样（1.86 GPa）和岩样（5.09 GPa）之间。随着煤层占比增加，各种组合方式试样组内离散性增大，但增长并不明显，各组标准差依次为0.095、0.105、0.114、0.118（煤厚相等）、0.139。无论弹性模量亦或组内离散性，M-R 和R-M 2 组均无明显差别，认为2 组间差异由煤岩材料非均质性造成。

图4 不同组合方式试件弹性模量Fig.4 Elastic modulus of specimens with different combinations

因M-R 与R-M 2 组煤层占比相同，且由前文分析可知，2 组试样间力学参量差异由材料非均质性造成，因此在分析煤厚变化对力学参量影响时将两组合并进行分析，得到试件煤层占比对试样强度与弹性模量影响趋势，并进行拟合，力学参量随煤层占比变化趋势如图5。

图5 力学参量随煤层占比变化趋势Fig.5 Effect of coal seam thickness on the mechanical properties of coal–rock combinations

由图5 可知，试件强度及弹性模量均与煤层占比负相关。随煤厚占比增加试件强度降低，各组试样三轴强度分别为56.51、42.21、34.71、29.72 MPa；降低幅度依次为33.9%、21.6%、116.8%。与试件强度相同，随煤厚增加试件弹性模量降低，分别为5.09、4.26、3.18、1.86 GPa；与强度变化不同的是，降低幅度增大，依次为19.5%、34.0%、71.0%。虽力学参数与煤层占比均呈负相关系，但二者减小趋势并不相同，弹性模量随煤厚增加近乎等比例减小，而强度随煤厚增加而降低的速率逐渐减小。分别采用指数函数与线性函数进行拟合，拟合优度R2均大于0.9，表明拟合方程可以较好反映各力学参量随煤厚变化趋势。拟合方程如式（1）：

式中：yσ为试件强度；yE为试件弹性模量；x 为煤层占比。

2.2 组合体变形特征对煤层厚度响应特征

不同组合方式试件峰值应变如图6。

图6 不同组合方式试件峰值应变Fig.6 The peak stress of specimens with different combinations

由图6 可知，与力学参量随煤层厚度变化规律不同，峰值应变随煤层占比增加并非单调变化。纯煤样峰值应变最大，其均值为3.45%，纯砂岩试样峰值应变最小，均值为1.94%；组合体试件峰值应变介于二者之间。原因在于煤较砂岩质地疏松，可压缩变形较大。而煤岩二元组合体与岩-煤-岩三元组合体出现反常的原因为，三元组合增加1 个交界面，交界面采用AB 胶处理，可压缩性比煤更大。煤的非均质性显著高于砂岩，致使砂岩试件峰值应变离散性小于煤样，这与力学参数表现出相同的规律。

3 结 论

1）在真三载荷下煤、岩试样强度、弹性模量及抗变形能力较单轴压缩均有显著提高。峰值变形提高最明显，强度次之，弹性模量变化幅度最小；将煤样与砂岩进行对比，发现煤样各项力学参数提高幅度均高于砂岩。

2）在三轴载荷下，煤-岩与岩-煤2 种组合方式试件力学参量与变形特征相差极小，认为由煤岩材料非均质性造成，与前人采用单轴加载所得结论具有显著差别。

3）煤岩组合体力学参数介于煤样与砂岩样之间，试件强度及弹性模量均与煤层占比负相关，但随着煤层厚度增加，二者减小趋势并不相同，弹性模量随煤厚增加近乎等比例减小，而强度随煤厚增加而降低的速率逐渐减小。纯煤样峰值应变最大，其均值为3.45%，纯砂岩试样峰值应变最小，均值为1.94%。组合体峰值应变同样介于煤样与砂岩样之间，但随煤层占比增加，峰值应变并非单调变化，三元组合方式峰值应变大于二元组合体，其原因在于煤岩交界面的可压缩性比煤更大。

4）由于煤的非均质性较砂岩更加突出，不同组合方式力学参数组内离散性与煤层占比正相关。