煤岩组合体性质与比例影响力学特性规律

陈光波，张 帅，李 谭,3，张国华，吕鹏飞

（1.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；2.山东鼎安检测技术有限公司 煤炭事业部，山东 济南 250000；3.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；4.黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

随着开采深度的加深和开采广度的加大，煤矿地质动力灾害发生的频次和烈度逐渐增加，尤其冲击地压最为严重[1-3].煤矿井下冲击地压的发生是积聚在煤岩系统中的能量快速释放的结果.煤系地层中的煤层与岩层以自然共存的形式形成煤岩系统，因此，开展单一煤层或单一岩层的研究有失全面，开展煤岩组合体的研究更贴合工程实际状况，对于探索冲击地压问题也具有一定的现实指导意义.

许多专家针对煤岩组合体开展了大量研究.刘少虹[4-5]研究动静加载下的应力波传播机制、能量耗散、突变模型、混沌机制问题.李晓璐[6]运用FLAC3D数值模拟软件研究了煤岩组合体的冲击倾向性.姚精明[7]等研究坚硬顶板煤岩组合体破坏的电磁辐射规律.姜耀东[8]等对煤岩组合体失稳滑动过程开展了相关实验研究.王晓南[9]等研究煤岩组合体的声发射和微震效应.左建平[10-11]、朱卓慧[12]等研究煤岩组合体峰前轴向裂纹演化与非线性模型和煤岩组合体的分级加卸载特性.郭伟耀[13]运用 PFC模拟软件研究了煤岩强度与煤岩高度对组合体力学特性的影响.陈光波、秦忠诚[14-15]研究煤岩组合体破坏前的能量分布规律、能量积聚关键层位.常悦[16]等实验研究了煤岩组合体的力学特性和渗流规律.付斌[17]等运用RFPA软件研究不同组合条件下煤岩组合体的力学特性和破坏过程.薛俊华[18]等研究串联煤岩对冲击倾向性的影响.窦林名[19]等、赵善坤[20]、牟宗龙[21]等研究煤岩组合体的变形破裂规律和冲击倾向性.肖晓春[22]等试验研究煤岩单体试件和组合试件的声发射特性及冲击倾向性.刘刚[23]等研究“三硬”煤岩组合体冲击倾向性.秦忠诚[24]、张泽天[25]等研究组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响.上述专家从煤岩组合体的力学特征、破坏机制、冲击倾向、声发射特征等方面开展了较多的研究，然而对于试件破坏前的能量积聚特征研究较少，而导致试件破坏最重要的恰恰是破坏前积聚的能量，这也正是井下冲击地压发生的根本原因.

据此，以煤矿重大事故-冲击地压为背景，开展煤岩组合体的冲击效应和能量积聚的实验研究，揭示不同类型的煤岩组合体的冲击效应和能量积聚规律，探索煤岩高度比对组合体冲击效应和能量积聚规律的影响，以期为煤炭资源开采过程中冲击地压的防治研究提供借鉴.

1 实验方法与方案

实验材料取自于黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司峻德煤矿的 17煤层的煤层及顶、底板中细砂岩和粗砂岩.峻德煤矿 17层煤全区分布，煤层厚度2.33～8.25 m，分布不均，煤层倾角约0º，顶板和底板中均存在细砂岩和粗砂岩，且厚度较大.根据前期对煤、粗砂岩、细砂岩进行煤岩单体实验，得知煤的强度为10 MPa左右，粗砂岩强度为55 MPa左右，细砂岩强度可达到112 MPa.为避免出现试件较大差异，试件取自于同一巷道.

根据岩石力学实验测定要求，设计煤岩组合体试件总体尺寸为标准试件尺寸，即φ50 mm×100 mm的圆柱体.为对比岩煤高度比对冲击效应和能量积聚规律的影响，设计岩煤高度比共5种，为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3，组合类型共3种，为细砂岩-煤（XM）、粗砂岩-煤（CM）、细砂岩-煤-粗砂岩（XMC）.实验采用 TAW-2000kN微机控制电液伺服岩石试验系统，见图1，采用0.005 mm/s的位移加载速率对组合试件开展全过程加载实验.具体实验方案，见表1.

图1 岩石三轴试验系统Fig.1 rock triaxial test system

表1 煤岩组合体实验方案Tab.1 experimental scheme of coal-rock combination

按照组合试件的要求，制备符合要求的组合体，其中，典型的组合体试件见图2.对组合体试件开展单轴压缩实验.

图2 典型的煤岩组合试件Fig.2 typical coal-rock combined bodies

2 实验结果与数据

按照实验要求对组合体开展单轴压缩实验，获得实验数据，由于篇幅有限，每组数据不一一列出，将每种组合体5组实验数据取平均值，见表2.

表2 煤岩组合体实验数据平均值Tab.2 average value of experimental data of coal-rock assemblage

3 岩性与比例对组合体力学特征影响

3.1 岩性对组合体力学特征影响

为研究岩性对组合体抗压强度的影响，绘制图3.由图3可知，5种不同煤岩高度比（3:1、2:1、1:1、1:2、1:3）的XM组合体抗压强度比CM组合体抗压强度大，也就是说，相同比例的组合体，细砂岩与煤的组合体的强度较大，这主要受到除煤已外的其他组分强度的影响，砂岩强度越大，组合体整体强度大，但从另一方面来说，组合体的强度比较接近煤的强度，虽有提高，但幅度较小.因此可判断，组合体强度主要取决于软弱煤体的强度.

图3 岩性对组合体抗压强度的影响Fig.3 effect of lithology on combined body strength

XMC（1:1:1）组合体的强度为16.17 MPa，其强度在XM（2:1）组合体强度（16.33 MPa）和CM（2:1）组合体强度（16.05 MPa）之间；XMC（1:2:1）组合体的强度为15.28 MPa，其强度在XM（1:1）组合体强度（15.78 MPa）和 CM（1:1）组合体强度（14.88 MPa）之间.由此也可以说明，除煤以外的组分强度越大，组合体整体强度就越大.

为研究岩性对冲击倾向性的影响，绘制图4.由图4可知，同一比例的组合体，XM组合体的冲击能量指数较比CM组合体高，冲击倾向性更大.XMC（1:1:1）组合体的冲击能量指数为 0.94，在 XM（2:1）组合体（1.05）和CM（2:1）组合体（0.88）之间；XMC（1:2:1）组合体的冲击能量指数为1.77，其冲击能量指数在XM（1:1）组合体（1.98）和CM（1:1）组合体（1.56）之间.由此说明，组合体中组分硬度差别越大，冲击倾向性更强.工程实际中，坚硬顶板或坚硬底板条件下更容易发生冲击地压.

图4 岩性对组合体冲击倾向性的影响Fig.4 influence of lithology on the impact tendency

3.2 岩煤高度比对组合体力学特征的影响

为研究岩煤高度比对组合体抗压强度的影响，绘制图5.由图5可知，XM组合体和CM组合体随着岩煤高度比的增大，抗压强度逐渐减小.XMC（1:1:1）组合体（岩石与煤的比例为 2:1）强度为16.17MPa，XMC（1:2:1）组合体（岩石与煤比例为1:1）强度为15.28MPa.XMC（1:1:1）组合体强度比XMC（1:2:1）组合体大.这也说明，随着岩煤高度比增大，组合体强度均有不同程度的减小.

图5 岩煤高度比对组合体抗压强度的影响Fig.5 effect of rock-coal ratio on combined body strength

为研究岩煤高度比对组合体冲击倾向的影响，绘制图6.由图6可知，XM组合体和CM组合体均随着岩煤高度比的增大，冲击能量指数明显增大，冲击倾向性更强.XMC（1:1:1）组合体（岩煤高度比为2:1）冲击能量指数为0.94，XMC（1:2:1）组合体（岩煤高度比为 1:1）冲击能量指数为 1.77.XMC（1:1:1）组合体比XMC（1:2:1）组合体冲击倾向性更强.由此来看，随着岩煤高度比增大，组合体冲击倾向性逐渐增强.这也是工程实际中厚煤层易于发生冲击地压的原因.

图6 岩煤高度比对组合体冲击倾向性的影响Fig.6 effect of rock-coal ratio on impact tendency

4 岩性与比例对组合体能量积聚影响

组合体在试验机的加载作用下发生弹性形变，积聚弹性能，当积聚的弹性能达到组合体的储能极限，组合体突然破坏.组合体破坏前积聚的最大弹性能称为组合体的能量积聚.通常采用应力-应变曲线峰值前与横坐标轴围成的面积计算.

4.1 岩性对组合体能量积聚的影响

为研究岩性对组合体能量积聚的影响，绘制图7.由图7可知，5种不同煤岩高度比（3:1、2:1、1:1、1:2、1:3）的CM组合体峰前积聚能量比XM组合体多.因为煤的性质和比例相同的，所以煤组分积聚的能量相等.由此可以推断，粗砂岩在该应力条件下积聚的能量比细砂岩多.但这一结论与细砂岩的储能极限较强并不冲突，仅仅是在某一应力下，粗砂岩积聚能量比细砂岩多.

图7 岩性对组合体能量积聚的影响Fig.7 effect of lithology on energy accumulation

XMC（1:1:1）组合体峰前能量为 4.26×104J/m3，在 XM（2:1）组合体和 CM（2:1）组合体之间；XMC（1:2:1）组合体的强度为4.71 MPa，在XM（1:1）组合体和CM（1:1）组合体之间.由此来看，相同应力条件下，软弱岩层更容易积聚更多的能量，坚硬岩层积聚较少能量，主要起夹持作用.坚硬岩层夹持煤体形成能量承载结构.

4.2 岩煤高度比对组合体能量积聚的影响

为研究岩煤高度比对组合体能量积聚的影响，绘制图8.由图8可知，无论是XM组合体和CM组合体，均随着岩煤高度比的增大，峰前积聚能量逐渐增多.由此来看，煤所占比例越大，组合体积聚能量越多.这说明煤在组合体能量的主要载体，对于组合体的变形和破坏起关键作用.

图8 岩煤高度比对组合体能量积聚规律的影响Fig.8 influence of rock-coal ratio on the law of energy accumulation of combined body

5 组合体破坏力学分析及能量传递

5.1 煤岩组合体破坏过程力学分析

为研究煤岩组合体在动力作用下的失稳破坏机理，探讨煤岩组分之间的相互作用关系，构建了煤岩组合体力学模型，见图9.

图9 组合试件相互作用模型Fig.9 a model for the interaction of combined body

煤和岩石组分构成煤岩组合体，在载荷F的作用下保持力学平衡状态，岩石组分和煤组分的载荷位移曲线可由式（1）、式（2）表示.岩石组分的峰值载荷比煤组分的峰值载荷大.

式中，U1为岩石组分位移，mm；U2为煤组分位移，mm.

组合体为力学平衡状态，由此可得

设∆F为力的增量，根据式（1）、式（2）可得

式中，∆U1为岩石组分的位移增量，mm；∆U2为煤组分的位移增量，mm.

设煤岩组合体总位移增量为∆U，则

将式（4）～式（6）联立可得取α= l imΔU2ΔU，则

根据式（7）、式（8），对煤岩组合体动力作用下的失稳破坏过程进行分析，主要分以下阶段：

第一阶段为组合体的弹性储能阶段.组合体在力的作用下，由曲线点O至点A1、点A2，煤组分和岩石组分均存在能量耗散和积聚，但两种组分的能量积聚均大于能量耗散，因此，组合体不断储存弹性能，式中λ1、λ2均为定值.

第二阶段为组合体的塑性储能阶段.煤组分曲线由线性到非线性的转化，由弹性阶段转为塑性阶段，该阶段煤体发生较大不可逆变形，同时伴随着能量耗散和积聚.该阶段能量耗散较多，但仍然小于能量积聚，表现为曲线A2B2阶段.此过程，λ2逐渐减小至0（峰值点）.由于岩石组分强度较大，岩石处于弹性阶段，仍然积聚能量，但能量积聚速度较慢.该阶段岩石组分的λ1为定值.此阶段组合体总体处于能量积聚阶段，λ2/λ1逐渐减小为0（峰值处），∆U2/ ∆U不断增大至1（峰值处）.

第三阶段为组合体的失稳破坏阶段.煤组分最先丧失承载能力，煤体裂纹发展迅速，破坏突然.此阶段对应岩石曲线上的B1C1阶段.当岩石的能量释放速率大于煤体能量吸收速率时，便会发生失稳破坏，对应于图9中点C2：λ1与λ2大小相等，符号相反，即λ1+λ2=0，公式∆U2/ ∆U→∞.

第四阶段为煤岩组合体的残余变形阶段.煤岩组合体存在残余能量，但不足以引起剧烈破坏，变形比较缓慢，新裂纹数量较少，主要为裂纹界面之间的摩擦滑移.组合体通过自身变形，逐渐达到新的稳定状态.

5.2 煤岩组合体失稳破坏的能量传递机制

图10为两种比较典型的组合体的破坏形态.由图10可知，组合体主要的破坏组分是煤，然而除了煤之外，组合体的其他组分也出现裂隙，并且裂隙的方向与组合体的轴向一致，属于劈裂破坏类型.另外，实验发现，煤最先出现裂隙，最先破坏，岩石组分破坏在煤组分破坏之后，但破坏程度较小，主要表现为裂纹裂隙的萌生、贯通.

图10 组合体的破坏形态Fig.10 failure form of combined body

究其原因，主要是组合体受试验机的不断加载，虽然存在能量的损耗，但总体积聚大量能量，见图11（a）.由于煤组分的储能极限较低，因此，当积聚的能量达到组合体的储能极限时，软弱的煤组分最先发生破坏，以此释放大量的弹性能，见图11（b）.煤组分释放的弹性能瞬间传递给直接接触的岩石组分，导致岩石组分的能量瞬间增多，达到岩石组分的储能极限，岩石组分中的原生裂隙开始扩展、贯通，最终在岩石组分表面形成裂纹，发生变形破坏，见图11（c）.

图11 煤岩组合体破坏过程能量传递机制示意Fig.11 schematic of energy transfer mechanism in failure process of coal-rock combined body

6 结论

（1）研究了煤岩性质和比例对组合体抗压强度和冲击倾向性的影响.组合体的抗压强度取决于软弱组分的抗压强度，介于组分抗压强度之间；组分之间硬度差别越大，组合体的冲击性向性越强，揭示了坚硬顶板或坚硬底板条件下的煤层开采易于发生冲击地压的机理；煤组分比例越大，组合体强度越小，组合体的冲击倾向性越强，揭示了厚煤层开采易于发生冲击地压的机理.

（2）研究了煤岩性质和岩煤高度比对组合体能量积聚的影响.相同应力条件下，软弱岩层能量积聚能力更强，坚硬岩层能量积聚能力弱，坚硬岩层主要起夹持作用；煤组分比例越大，组合体积聚能量越多.煤组分是组合体能量的主要载体，对于组合体的失稳破坏起关键作用.

（3）构建了煤岩组合体力学模型，并结合模型分析了组合体从加载到完全失稳破坏4个过程进行分析；探讨了组合体失稳破坏过程中煤岩组分之间的能量传递机制，揭示了煤组分先破坏岩石组分后破坏的机理.

（4）煤岩界面倾角、组分接触方式、煤岩内部裂隙等因素对力学特性规律的影响是下一步研究的重点，对于研究不同煤层倾角下煤岩系统失稳破坏和煤岩系统在采动影响下的失稳破坏具有重要参考价值.