动载扰动下倾斜煤岩组合块体超低摩擦效应研究

李利萍,李明会,潘一山

(1. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新123000; 2. 辽宁大学 环境学院,辽宁 沈阳 110036)

0 引言

深部煤岩体结构在高地应力、高地温、高渗透压的复杂地质环境中,逐渐破碎成块体。超低摩擦效应是指强冲击扰动作用于深部岩块介质系统时,由于垂直扰动周期性的作用方式,块体间压密程度随时间不断发生变化,当岩块间处于疏松状态时,其摩擦力减至最小,此时在块系岩体结构接触面极易发生滑动失稳,从而诱发超低摩擦型冲击地压[1-2]。

对于超低摩擦效应的研究,KURLENYA等[3-4]通过建立分析树脂玻璃块系岩体一维动力模型,首次提出了超低摩擦效应的存在并用实验以验证。RUTTER等[5]通过对地下断层岩性的分析,发现地质断层间接触面软弱夹层对超低摩擦效应有重要影响。吴昊等[6]在KURLENYA等建立的块体模型基础上,揭示了超低摩擦现象的出现是块系岩体间法向冲击力重新分布和动摩擦系数不断变化的结果。王明洋等[7]引入冲击能量因子揭示了深部岩体超低摩擦现象、准共振及其动力事件相互关联的本质。何满潮等[8]利用2D-DIC测量技术研究块系花岗岩的超低摩擦现象,研究表明,持续的周期扰动使层理裂隙间距累积变宽,动力扰动荷载使花岗岩块体之间摩擦力降低。李利萍等[9]通过自主研发的超低摩擦实验装置,以工作块体水平位移作为反映超低摩擦效应的重要参数,发现工作块体动能具有集聚效应、短时峰值特性和间歇性,具有由高频向低频转移的频移现象。

对于倾斜煤岩层发生冲击地压的研究,潘一山等[10]通过建立深部岩体的黏滑失稳模型,分析了在开采过程中由于断层活化而导致冲击地压间歇性的一般规律。刘思妤等[11]认为冲击地压是完整硬岩以失稳响应表达的自适应过程,其中动力干扰并不是应力接近强度时的简单激发作用,它可在二次应力远低于强度的情况下诱发冲击地压。穆贵清等[12]以大安山矿为背景,认为煤岩冲击是围岩应力演化的结果,受煤岩物理力学性质、地质构造以及开采技术等多重因素的影响。文畅平[13]综合考虑冲击地压发生的自然因素、地质因素,基于Bayes判别法对比分析了煤层厚度和煤层倾角对冲击倾向性的敏感性强弱。宋义敏等[14]采用岩石直剪摩擦法对直剪滑动模型进行断层冲击试验,研究发现高应力环境下,较小的侧向压力可使模型发生滑移。王襄禹等[15]对红岭煤矿近断层采动巷道进行模拟,发现巷道断层侧出现明显应力集中与剪切滑移现象。韩科明等[16]模拟上下盘开采,发现断层面关键层相对于界面滑移方式取决于侧向挤压力的大小,而是否引起断层煤柱活化则取决于正应力与切应力的大小。王正义等[17]基于动静组合加载相似模拟实验,发现急倾斜煤岩冲击显现以顶板侧煤体为主,底板侧煤体次之,属于整体失稳型冲击地压。

在上覆岩层压力与顶板断裂导致的垂直扰动与水平冲击作用下,煤岩块体接触面间摩擦力减弱,从而诱发超低摩擦型冲击地压。采用数值模拟的方法,建立不同倾角大小的砂岩-煤-砂岩组合块体模型,以水平位移、加速度幅值等表征块体超低摩擦效应特征参数,研究煤岩层倾角与超低摩擦效应关系,旨在对超低摩擦型冲击地压监测防治提供一定的理论依据。

1 含倾角块体模拟

1.1 研究背景

煤矿冲击地压一般发生在深部高地应力下,给巷道设施、人员安全带来严重威胁。沈阳焦煤红阳三矿发生超低摩擦型冲击地压,如图1所示,在上覆岩层压力与顶板断裂导致的冲击扰动作用下,巨量煤体沿分离界面滑移,最终完全堵塞巷道。与通常的冲击地压现象不同,巷道顶板、底板整体保持完好,仅煤体向巷道侧方产生滑移,导致此次冲击地压事故发生。

图1 沈阳焦煤红阳三矿超低摩擦示意图

国内外学者通过理论推导和实验手段对超低摩擦现象的研究开展了大量工作,而前人对超低摩擦效应的研究所考虑的工况均为水平煤岩层,未考虑倾斜煤岩层超低摩擦效应的影响机制。复杂力学环境使深部煤岩体结构趋于破碎,然而这些煤岩块体并不全是近水平排列的。实际上,在对我国冲击地压矿井生产条件统计分析中[18],倾斜煤层占80%以上。因此,对于超低摩擦效应机理研究,考虑倾角的影响显得非常必要,也更符合实际现场工况。结合图1超低摩擦效应发生实际背景,以图2所示倾斜煤岩块体为研究对象,考虑顶板断裂或采掘活动引起的垂直扰动和水平冲击作用于倾斜块体模型,分析深部地下煤岩开采发生剪切滑移超低摩擦效应的影响机理。

图2 倾斜煤岩层示意图

1.2 模型构建

根据图2所示倾斜煤岩层理划分,从上至下将基本顶、直接顶、煤层、直接底和基本底假设成5个块体。利用FLAC3D软件,建立整体倾斜的煤岩组合块体摩尔库伦塑性模型。块体模型由5个尺寸大小相等的块体堆叠而成,中间工作块体为煤块,其余为砂岩块体。块体尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm,各块体网格划分为5×5×5,块体数值模型如图3所示。

图3 数值模型图

在施加冲击载荷前,首先固定模型底端,限制底面移动,并在块体模型上方施加轴压,方向垂直于顶部块体表面向下,用以维持块体模型稳定。块体所受重力与中心线夹角即等效为整个煤岩块体模型倾角,参考实际开采工况与文献[13-17],模拟倾角大小取15°、30°、45°、60°、75°,并设置3个监测点分别位于砂岩2、煤块3、砂岩4的形心位置如图3所示,分析受外部扰动冲击后,煤与砂岩块体的超低摩擦效应参数变化特征。

1.3 模型参数与加载方式

考虑模型的加载方式有2种,仅垂直扰动作用与垂直和水平冲击共同作用,试验过程中通过改变块体模型重力加速度方向模拟不同倾角的块体模型。通过设置块体模型倾角替换为改变后重力方向与初始重力方向夹角,减小模拟运算量,使之更易收敛。

根据国家标准选取直径50 mm、高100 mm的砂岩和煤柱体各5组,通过现有实验装置依次对试件进行单轴压缩实验,如图4所示。根据监测得到的应力应变曲线求出弹性模量E与泊松比v,5组实验参数取平均值。由式(1)、式(2)得到煤与砂岩块体的体积模量K与剪切模量G。结合已有实验数据[19-20],块体模型试验参数整理为表1,表2为设置的块体接触面参数。

图4 单轴压缩实验

(1)

(2)

表1 砂岩与煤块力学参数

表2 块体接触面参数

各块体间设置‘硬’接触面,即是在荷载作用下物块可以产生滑移和分离的真实接触面,界面参数法向刚度和剪切刚度取界面最硬相邻等效刚度的10倍[21],换算关系如式(3):

(3)

式中:K为块体体积模量(GPa);G为块体剪切模量(GPa);kn为法向刚度;ks为剪切刚度;Δzmin为接触面连接网格的最小尺寸。

1.4 冲击与扰动幅值

以准静态弹性接触的Hertz理论为依据,忽略模型的振动,将冲击能W转化为幅值Pm、作用时间t0的半正弦形式作用力,有关冲击载荷P(t)的函数形式见式(4),其与力学转化见图5:

(4)

式中:Pm为动力载荷幅值(N);ω=2πf,f为扰动频率(Hz)。

冲击能量强度跟冲击扰动幅值密切相关,而冲击扰动频率反映了模型所受冲击能量的集中程度。根据课题组过去对水平工况块体的研究表明,垂直扰动幅值越大频率越低,超低摩擦效应越显著。因此,在以前实验数据基础上,取扰动频率f为1 Hz,垂直扰动的幅值设定五组,其幅值大小分别为1、2、3、4、5 kN。

1.5 可行性验证

对建立数值模型进行可行性验证,在倾角0°情形下,对煤岩组合块体施加垂直扰动与水平冲击,得到工作块体煤块3水平位移振动曲线。通过与已有实验结果[22-23]对比,由图6(b)、(c)发现,由于加载的扰动量级不同,且模拟与实验本身存在差异,得出数值模拟与前人实验结果的数据并不完全相同,但变化趋势是一致的。3组试验的工作块体在受水平冲击后,出现了不同程度的滑移,水平位移的变化随着扰动加载出现准正弦的周期性曲线,并逐渐趋于稳定达到平衡。因此,从试验结果与理论分析的角度,验证了所建立数值模型的可行性。

图6 试验结果与已有研究对比

2 试验结果分析

对于临近工作面的煤岩块体,若遇冲击载荷强扰动时,块体间产生周期性的挤压与分离使得块体沿倾斜煤岩层接触面产生滑移,易诱发超低摩擦效应。因此,考虑上覆岩层压力与顶板断裂等导致的垂直扰动与水平冲击对倾斜煤岩块体影响,研究受垂直扰动和水平冲击作用下倾斜煤岩组合块体超低摩擦特征参数变化情况,对进一步揭示煤岩超低摩擦型冲击地压具有重要意义。

2.1 垂直扰动影响分析

工作块体在轴压与垂直扰动的共同作用下,其运动状态发生改变,在垂直扰动施加瞬间,块体在水平方向上发生瞬时滑动。由于扰动周期性的上下振动,使得块体间也随之产生周期性的挤压与分离,导致块体在振动过程中滑移。随时间的推移,块体水平位移幅度逐渐减小,并逐渐稳定在一个新的平衡位置。针对顶板断裂对煤岩顶部造成强动载这一工况,通过改变块体模型倾角与扰动幅值大小,研究仅垂直扰动作用下煤岩层倾斜角度对超低摩擦效应的影响,得到垂直扰动作用下工作块体水平位移与加速度响应规律如下:

1)工作块体水平位移随垂直扰动幅值与煤岩块体模型倾角增大而增大。

根据不同幅值的垂直扰动冲击作用下,工作块体煤块3水平位移随倾角变化关系可知,如图7所示,当倾角一定时,加载垂直扰动幅值越大,工作块体水平位移振幅也越大,此时若给予较小量级的水平冲击扰动,煤块极易产生超低摩擦效应。而在同一扰动幅值下,随着块体模型倾斜角度增大,工作块体水平位移也随之增大,工作块体水平位移随倾角增加可近似成线性关系。这表明煤岩块体发生超低摩擦滑动失稳的可能性将随着扰动幅值与倾角的增加而急剧上升。

图7 垂直扰动作用下工作块体水平位移变化曲线

2)工作块体水平方向与垂直方向加速度峰值随倾角增加而增加,倾角30°时产生摩擦自锁现象与块体接触面摩擦角等参数有关,对超低摩擦效应有抑制作用。

在强扰动作用下,块系煤岩体接触面间发生剧烈变化,块体加速度在受到冲击作用瞬间产生剧烈波动,随后逐步衰减为正弦扰动波。考虑含倾角煤岩块体受垂直扰动作用时,水平加速度响应情况。设定在同一幅值、不同倾角块体模型,探究其加速度历时响应曲线,黑色实线表示水平方向加速度响应曲线,红色虚线表示垂直方向加速度响应曲线。通过对比分析,工作块体的加速度历时响应曲线,如图8所示,倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°时水平加速度最大峰值分别为51.1、73.4、34.59、115.6、199.5、227.8 m/s2,垂直加速度最大峰值分别为116.2、168.7、201.9、171.8、230.6、217.8 m/s2。结果表明,除30°倾角外,工作块体水平方向与垂直方向加速度峰值均随着倾角增加而增加。在不同倾角加速度响应曲线中,倾角为30°时水平方向加速度最大峰值明显小于15°与45°,出现一个极小值点;而垂直方向加速度与此相反,其最大峰值明显大于15°与45°,出现一个极大值点。结合块体模型接触面设定的摩擦角参数为31°,分析原因极有可能是煤块底部产生了摩擦自锁现象。

图8 不同倾角下工作块体加速度历时响应曲线

3)倾角45°恒定时,随垂直扰动幅值增加,加速度受迫振动时间延长,工作块体趋于稳定达到平衡状态时间延长。

根据加速度响应情况,可将加速度历时曲线分为块体受扰动作用冲击振荡阶段,随后衰减达到平衡收敛阶段。如图9所示,由于正弦波动不稳定,将加速度峰值点1 m/s2确定为判定2个阶段分界点,并观察冲击振荡阶段区间变化。可以发现,在倾角一定时,随着垂直扰动幅值增加,冲击能量衰减所需时间增加,表现为块体水平与垂直加速度冲击振荡阶段时间延长,块体趋于稳定达到平衡状态时间延长。这一结果与文献[10]结论“作用于块体的法向力分别经历受迫振动和自由振动阶段,变化形式为类正弦波,其幅值不断衰减”相符,验证了模拟可靠性。

图9 不同扰动幅值下工作块体加速度历时响应曲线

综上分析,当煤岩块体所受垂直扰动载荷越大时,超低摩擦效应强度越大,且持续时间越长。在分析煤岩块体倾角与超低摩擦效应关系时,不能忽略摩擦自锁因素影响,这一因素与接触面摩擦角有关,对块体间超低摩擦效应有抑制作用。研究发现,煤岩块体倾角越大,位移错动越明显,产生滑动失稳的可能性也越大,超低摩擦效应越显著。

2.2 垂直扰动与水平冲击共同作用影响分析

工程实践表明,回采扰动、机械振动和顶板断裂等扰动载荷是导致超低摩擦效应的重要影响因素。工作面采动应力与顶板断裂,引起垂直与水平方向块系煤岩体发生反复振动,从而诱发导超低摩擦型冲击地压。因此,模拟垂直扰动与水平冲击共同作用时,从不同延迟冲击时刻、垂直扰动与水平冲击对比、不同监测点变化趋势等角度,研究含倾角煤岩组合块体的超低摩擦效应特征参数的响应情况,分析得到规律如下:

1)工作块体位移曲线重新振荡剧烈程度随水平冲击延迟周期增加而增大,垂直扰动与延迟水平冲击共同作用结果,除了位移振荡数值上的相互叠加,仍保持周期性、收敛性特征。此外,2种扰动共同作用效果还受到水平冲击时间点的影响,同一周期不同时刻作用效果不同,在位移振荡曲线同一周期内,波峰点处施加水平冲击比均值点与波谷点处施加水平冲击,位移振荡程度更剧烈。

对于倾斜煤岩组合块体模型,工作块体的水平位移跟垂直扰动与水平冲击密切相关。但由于深部地下煤岩层结构复杂,垂直扰动与水平冲击往往并不同时作用在倾斜煤岩层。前人研究表明,垂直扰动与水平冲击的间隔时间对超低摩擦效应有很大影响[4,23]。在垂直扰动与水平冲击共同作用时,垂直扰动会改变煤岩块体界面压紧或疏松状态,使得块体界面产生周期性的挤压或分离,对水平冲击能否引发超低摩擦效应以及引发超低摩擦效应强度大小至关重要。因此,考虑垂直扰动与延迟水平冲击共同作用,设置块体模型倾角为45°,保持垂直扰动幅值与水平冲击幅值恒定,研究水平冲击延迟时间对工作块体水平位移的影响规律,测得不同延迟时间的水平冲击对块体水平位移的变化情况。

如图10所示,T1至T5为不同位移振荡周期,t1至t5时刻为位移振荡曲线不同周期内的波谷点,可以看出, 延迟水平冲击作用于不同周期波谷点处对煤岩块体水平位移影响效果不同。工作块体受垂直扰动与水平冲击共同作用下,其侧向水平位移产生了正弦形式波动。无水平冲击时,块体水平位移波动幅值逐渐减小并收敛;当垂直扰动作用一段时间后,再对块体施加水平冲击,会使得原本应该减小的波动幅值又开始产生剧烈波动,在作用Δt=0.004 s约一个周期后,又逐渐恢复平稳状态。对比垂直扰动单独作用(无水平冲击)与垂直水平冲击扰动共同作用,两者收敛的趋势是一致的,但不同的是延迟的水平冲击会使得本应该趋于平衡的曲线又重新振荡起来,但振荡的幅度受延迟时间的影响。可以看出,t1至t5时刻工作块体位移曲线重新振荡的剧烈程度,随水平冲击延迟周期的增加呈线性递增趋势。

图10 不同延迟时间冲击下工作块体水平位移的变化情况

为了更清晰地描述延迟时间对于超低摩擦效应的影响,将各周期内的波峰、均值、波谷点的位移差值进行整理,得到关系如图11所示。

图11 不同冲击点位移最大差值与振荡周期变化关系

可以发现,上述现象不仅体现在波谷点处,同一周期内不同延迟时间冲击点,水平冲击加载作用均不相同。根据图10位移曲线周期划分,建立如图11所示新振荡曲线与原振荡曲线最大差值随振荡周期变化关系,分别在位移振荡曲线的波谷、均值、波峰处施加幅值恒定的水平冲击。通过对比可以发现,位移振荡剧烈程度并不是简单随延迟时间增加而增加,例如延迟水平冲击作用在T1周期波峰点比T2周期波谷与均值点位移振荡程度更剧烈。不同时刻施加水平冲击作用效果有显著差异,波谷、均值、波峰处的水平冲击对位移振荡效果依次增大,这种差异体现在T1周期尤为明显。这表明作用在不同时间点上对超低摩擦效应影响效果不同,而在T1周期波峰点的水平冲击诱导超低摩擦效应的概率会比同周期的均值点和波谷点更高。同时可以发现,工作块体新位移振荡曲线与原曲线最大差值随振荡周期近似成线性增加,但三者斜率不同,有交汇趋势。

2)水平冲击与垂直扰动均对块体超低摩擦效应有不同程度影响,在保持煤岩块体模型稳定下,随冲击扰动幅值增加,垂直扰动比水平冲击对超低摩擦效应影响更持续,是超低摩擦现象发生的主导因素。

通过2组情况对比,在倾角45°下,一组保持垂直扰动幅值不变,改变其水平冲击幅值;另一组保持水平冲击幅值不变,改变其垂直扰动幅值,考察垂直与水平冲击分别对超低摩擦效应的作用效果。根据水平位移随垂直扰动与水平冲击变化曲线(图12)可知,当垂直扰动幅值从1 kN依次增加到2、3、4、5 kN,块体水平位移近似成线性增加;当水平冲击幅值从1 kN依次增加到2、3、4、5 kN,块体水平位移近似成抛物线增加。显然,对比分析2组不同试验加载方案可以看出,水平冲击与垂直扰动均对块体的超低摩擦效应有不同程度的影响,曲线后半段表明,随着幅值的增加,水平冲击扰动对超低摩擦效应的贡献逐渐减弱,而垂直扰动始终是超低摩擦现象发生的主导因素。

图12 不同冲击幅值对工作块体水平位移的影响

3) 含倾角煤岩块体模型中,在垂直扰动与水平冲击共同作用下,越靠近施加垂直扰动的块体,超低摩擦效应越明显。

对比煤岩组合块体模型砂岩4(顶部)、煤块3(中部)与砂岩2(底部)3个监测点关于倾角变化的位移参数可知,如图13所示,随着倾角的增加,3个监测点水平位移随之增大。底部监测点水平位移从0.47 μm增加到6.95 μm;中部监测点从0.74 μm增加到13.5 μm;顶部监测点水平位移从0.51 μm增加到22.45 μm。可以发现,3个监测点间水平位移的增长幅度随着倾角变化差距越来越大,在倾角75°时,顶部与底部监测点位移相差达到最大为15.5 μm。这表明在垂直扰动与水平冲击共同作用下,倾斜煤岩层的超低摩擦效应从下至上出现了差异性,砂岩块体4超低摩擦效应响应情况比煤块3和砂岩块体2更敏感,且随倾角的增加,这种差异有不断放大的趋势。块体模型中越靠近垂直扰动施加点,垂直扰动作用效果是越大的。块体界面间由于垂直扰动的作用,产生挤压或分离的效果随扰动的增强越发明显,这可以从结论1)和3)得到。因此,越靠近垂直扰动施加点,块体超低摩擦效应越显著,主要表现为剪切力所引起的块体顶部超低摩擦效应。

图13 块体模型顶部、中部、底部监测点水平位移变化情况

结合工程实际结果表明,对于倾斜煤岩层,除了受到采空区上覆岩层压力影响,还受到工作面煤层倾斜因素影响。倾斜煤岩层使得采空区上覆岩层重心偏向下侧,造成上端头支撑压力高于下端头支撑压力,而在重力作用下,工作面侧后方煤岩体向下端头方向滑移。上端头始终承受采空区段悬臂顶板压力,使得工作面上端头围岩应力始终高于下端头围岩应力,这也是倾斜或急倾斜煤岩层巷道冲击地压发生在上端头频次多于下端头频次的原因。

3 结论

研究含倾角煤岩块体模型超低摩擦响应规律时,考虑冲击幅值、倾角大小、延迟时间、加载方式等因素对超低摩擦效应的影响,分析不同倾角煤岩组合块体受冲击扰动时,超低摩擦特征参数位移与加速度的响应规律,得出以下结论:

1)含倾角煤岩组合块体仅受垂直扰动作用时,随扰动幅值的增加,工作块体水平位移随之增大,块体由振动到平衡收敛的时间延长,超低摩擦效应越显著。垂直扰动对超低摩擦效应的影响更持续,是发生超低摩擦现象的主导因素。

2)垂直扰动与水平冲击共同作用时,随块体模型倾角的增加,工作块体水平位移随之增大,块体模型顶部、中部和底部监测点水平位移的增加幅度依次减弱,越靠近垂直扰动施加的块体,超低摩擦效应越显著。

3)延迟的水平冲击作用使得趋于平衡收敛的位移曲线又重新开始振荡,随水平冲击延迟周期增加,位移振荡程度越剧烈,垂直扰动与水平冲击共同作用结果除了数值上的叠加规律,还具有周期性与收敛性特征。共同作用还受到延迟水平冲击作用时刻的影响,同一位移振荡周期内,波峰点水平冲击比波谷与均值点作用效果更显著,更易诱发超低摩擦效应。