软分层对煤的单轴压缩力学特性影响研究

2020-08-21冯康武

煤矿安全 2020年8期

冯康武

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037）

煤与瓦斯突出是一个极其复杂的煤（岩）动力过程，目前普遍被接受的是综合假说，即煤与瓦斯突出是应力、瓦斯和煤的自身特性综合作用的结果[1]。而煤的力学特性是决定煤的自身特性的一个重要方面，包括煤的力学强度和破坏方式[2]，根据相关文献测试结果，不同煤的单轴力学强度差异较大，对于结构完整的硬煤，单轴抗压强度可超过10 MPa，而对于节理发育的煤种或者构造软煤，单轴抗压强度可小于3 MPa。但由于煤矿井下采掘工作面煤层赋存的复杂性，同一种类的煤层中往往存在一定的“软煤”分层，这种软煤分层是指由于受到地质构造的影响，正常结构的煤在构造活动中形成的碎粒煤和糜棱煤，这种“软煤”分层对于煤层整体的单轴抗压强度具有严重的影响[3]。在煤的力学参数方面，张庆贺等[4]采用颗粒流软件模拟了不同吸附性气体对煤的损伤作用机理，测定了不同吸附性气体作用下型煤单轴抗压强度和破坏形态；王刚等[5]借助PFC2D进行了煤体的抗压及抗拉试验模拟，建立了煤体宏观力学参数与细观参数之间的关系，并对煤体进行不同围压和瓦斯压力条件下常规三轴颗粒流模拟试验；高瑞元等[6]借助PFC 软件对石门揭煤过程进行了颗粒流数值模拟，得出石门揭煤区域内各单元发生煤与瓦斯突出的可能性。综上分析，软煤分层与正常煤体的力学性质差异巨大，且对煤层整体的力学性质有很大的影响，目前已有大量采用颗粒流方法进行的研究，但均未考虑含软煤分层对复合煤层整体的力学性能的影响，或者仅考虑单纯的软煤或正常硬煤的细观参数。基于煤矿井下采掘工作面煤层赋存的实际情况，采用PFC2D软件对含软煤分层的复合煤层进行单轴压缩颗粒流模拟，从细观角度分析试样受荷后内部颗粒位移场分布、裂纹数目、破裂发展过程，建立软煤分层与荷载耦合作用下煤的单轴压缩模型试验，以期为现场应用提供参考。

1 含软煤分层复合煤样数值模型

1.1 硬煤宏细观参数

试验所用煤样取自吉林省营城矿业有限公司，所有试样均取自同一煤层同一地点，在实验室对煤样进行单轴压缩和巴西劈裂试验后，得出原生煤体的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和抗拉强度等宏观力学参数，同时通过多组数值模拟试验拟合，得到宏细观参数之间的关系。原生煤平行黏结细观参数见表1，原生煤颗粒接触细观参数见表2。

1.2 构造软煤宏细观力学参数

通过实验室制作型煤的方法，或根据文献[3]中相关结论采用散体力学的理论，利用散体力学试验和摩尔库伦强度破坏准则求得构造软煤的黏聚力和内摩擦角、单轴抗压强度等宏观力学参数，具体方法如下：

表1 原生煤平行黏结细观参数Table 1 Micro mechanical parameters of parallel bonding of hard coal

表2 原生煤颗粒接触细观参数Table 2 Micro mechanical parameters of particle contact of hard coal

式中：σc为单轴抗压强度，MPa；c 为黏聚力，MPa；φ 为内摩擦角，（°）。

同时结合文献[7]通过实验室构造煤的相关力学试验，得到构造煤的宏观力学参数经验值，然后代入式（1）可求得煤的单轴抗压强度，通过宏观力学参数和应力-应变曲线特征，对构造煤的细观力学参数进行标定，软煤平行黏结细观参数见表3，软煤颗粒接触细观参数见表4。

表3 软煤平行黏结细观参数Table 3 Micro mechanical parameters of parallel bonding of soft coal

表4 软煤颗粒接触细观参数Table 4 Micro mechanical parameters of particle contact of soft coal

2 数值试验结果

2.1 应力应变关系

由于煤矿井下采掘工作面的软弱分层变化多种多样，在数值试验中均对其进行简化为均一厚度的面状分层，并对含不同厚度和不同倾角的软弱分层试件进行单轴压缩试验模拟[8-12]。不同软煤厚度、不同倾角软媒（厚度10 mm）的应力应变曲线如图1、图2。

图1 不同软煤厚度的应力应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of different thickness of soft coal

图2 不同倾角软煤应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of different dip of soft coal

根据曲线变化情况，应力-应变可分为5 个阶段：①初始压缩阶段：应力应变曲线呈上下波动起伏状，几乎无裂纹产生；②弹性变形阶段：应力-应变曲线近似呈直线，随着荷载增加，在软煤分层内部逐渐开始产生微裂纹，随着载荷逐步增加，裂纹数目增加，但是增加不明显，裂纹发展为逐步扩展阶段；③应变硬化阶段：此阶段应力-应变曲线呈现显著非线性，随施加载荷继续增加，拉伸裂纹发展，剪切裂纹开始出现，微裂纹逐渐发展贯通为长裂纹；④应变软化阶段：试样承载能力达到峰值强度后，内部出现围绕贯通裂缝的塑性区，颗粒黏结遭到区域性破坏，应力从峰值出现迅速衰减；⑤残余强度阶段：试件出现块体整体滑移，承载力已逐步降低为0。

2.2 软煤分层厚度对力学特性的影响

从图1 可以看出，随着软煤分层厚度的逐步增加，煤样的单轴抗压强度逐步减小，不含软煤分层时，煤样单轴抗压强度可达到6.42 MPa，当软煤分层厚度由10、20 mm 逐步增加到50 mm，出现如下规律：①单轴抗压强度随软煤分层厚度增加呈现出非线性减小的关系，软煤分厚度超过30 mm 后，试样单轴抗压强度出现跳跃性减小；②除单轴抗压强度减小之外，煤样的应力-应变关系特征逐渐由脆性破坏向塑性破坏转变，随着软煤分层厚度的增加，试件在峰后破坏过程中的塑性硬化特征表现的越明显；③随着软煤分层厚度增加，试样轴向应力峰值所对应的变形量在逐渐减小，变形量的减小趋势与抗压强度的减小趋势相同，均是在软煤分层厚度超过30 mm 后出现跳跃性减小。

2.3 软煤分层倾角对裂纹扩展的影响

从图2 可以看出，当软煤分层厚度一定时（保持在10 mm），随着软煤分层倾角的逐步增加，抗压强度出现了小幅波动，出现了增大-减小-增大的过程。而随着软煤分层倾角的逐渐增大，裂纹的萌生和扩展方式也出现了明显的变化，随着软煤分层倾角的逐渐增大，总的裂纹数量没有发生明显变化，但拉伸裂纹和剪切裂纹的数量以及出现时间均发生了较为明显的变化。裂纹总数量中，拉伸裂纹占比均达到80%以上，而剪切裂纹均在压缩后期出现，煤样试件的破坏主要为拉伸破坏。随软煤分层倾角增大，剪切裂纹出现的时间逐渐延后，拉伸裂纹的出现代表拉伸破坏，剪切裂纹的出现代表滑动破坏，说明试样出现滑动破坏的时间逐渐后移。不同倾角软煤夹层试样破坏形态如图3。

2.4 含软煤分层煤样试件的破坏模式

破坏模式分析主要是从含软煤分层煤样试件的破坏细观特征进行描述，分析裂纹的萌生、扩展和宏观裂纹的贯通以及试样整体失去承载能力的过程，揭示试样的破坏机制。根据上述分析，软煤分层倾角是影响试件破坏模式的主要参数，主要分为以下3 种破坏类型：

1）沿交界面的层裂破坏。这种破坏类型最典型的体现在软煤分层倾角为90°时，施加载荷初期时，试件沿交界面处开始出现拉伸微裂纹，到4 000 步时，拉伸裂纹出现了第1 次跃升，同时，在交界面处初次出现了剪切裂纹，所有裂纹均是在材料的交界面处萌生并逐渐向软煤夹层内扩展，并最终形成贯穿交界面的宏观裂纹，形成沿交界面的拉伸或滑动破坏。

图3 不同倾角软煤夹层试样破坏形态Fig.3 The failure mode of soft coal interlayer samples with different inclinations

2）拉伸破坏。载荷初始阶段，试件沿交界面处开始出现由拉应力所造成的微裂纹，随着载荷的逐渐增加，试件内部出现横向的宏观裂纹，伴随着剪切裂纹的萌生，轴向应力逐渐达到峰值，拉伸裂纹和剪切裂纹都出现急速的上升，横向宏观裂纹和竖向宏观裂纹开始贯通，试件底部或者中部出现块状劈裂，并伴随出现大面积开裂，形成宏观大裂缝。以图2 中含软煤分层倾角0°的试样破坏类型为典型。

3）复合破坏。以拉伸破坏和层裂破坏相结合的破坏类型，在试件初始压密阶段，试件软煤分层内部开始出现拉伸性质的微裂纹，当荷载逐步增加，交界面处也逐渐萌生微裂纹，拉伸破坏产生的微裂纹开始增多，微裂纹逐步贯通，当轴向应力逐步接近峰值时，交界面处出现大量的剪切裂纹，拉伸裂纹也急速增加，由于裂纹的逐步贯通，与交界面成一定角度的块体出现宏观裂缝，最终试件失去承载能力。以图2 中含软煤分层倾角为15°和30°的试样破坏类型为典型。