煤样力学行为的结构敏感特性及干预机制试验研究

李海涛，彭 然，杜伟升，李晓鹏，张宁博

( 1. 煤炭科学研究总院 深部开采与冲击地压防治研究院，北京 100013；2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室( 煤炭科学研究总院 )，北京 100013；3. 煤炭科学技术研究院有限公司 科技发展部，北京 100013；4. 中国矿业大学( 北京 ) 力学与建筑工程学院，北京 100083 )

冲击地压作为极端的煤岩力学行为，其形成机理极为复杂。统计可知，不论煤体是否具有冲击倾向性，煤种从褐煤到无烟煤，埋深从浅部到深部，不论采用何种开采工艺，顶板坚硬与否均有冲击地压发生的记载[1-4]。

上述情况表明，以具体要素为切入点开展冲击地压相关研究，对于明确各要素作用下的冲击地压形成机理具有切实的支撑作用[5-8]，但若仅停留在具体影响因素层面，众多独立的结论反而会使得冲击地压研究呈现出复杂化的趋势。上述具体要素在各自的作用机制下均能导致冲击地压的发生，一定程度上暗示了从统一视角开展冲击地压研究的可能性和必要性。

冲击地压的本质是弹性能的大量积聚和剧烈释放，对应研究需要明确弹性能的来源、形成弹性能大量积聚的条件和出现弹性能剧烈释放的标准，但能量抽象程度较高，因此基于实际可测且与能量高度相关的应力类指标开展相关研究工作更为可行，上述问题进而转化为对于煤岩受载形式、应力集中产生条件和失稳破坏准则的研究。

在实际工程中，造成煤岩二次受载并最终导致冲击地压发生的根本原因在于采掘活动，其又包括开拓部署设计和采掘工程执行，前者一经确定往往不再频繁变更，而执行过程中的采掘速度则会受地质条件、安全管理等影响经常性调整。因此，相 较于煤岩介质属性、地质赋存条件等难以人为改变的因素，采掘速度的初始诱发作用和频繁人为可 控特征，使其在冲击地压形成过程中具有重要作用。

关于采掘速度对于矿压显现影响的研究较多。工程尺度下，周期来压步距随推进度增加而加大，工作面超前支承压力峰值随推进度增加而趋近于煤壁[9-10]，上述趋势均表征了冲击危险性的增加，该结论已成为共识；实验室尺度下，推进度则表现为加载速率，主流观点认为煤岩强度随加载速率增加而增大[11-13]，但也有研究表明，这一增加趋势并不具有持续性。黄达[14]等在静态加载速率范围内采用9个不同等级应变率对粗晶大理岩进行单轴压缩试验，发现粗晶大理岩的强度在应变率为10-4～10-3s-1时，出现了一个相对低值区间，该现象在朱泽奇[15]与STAVROGIN A N[16]等的单轴压缩试验中亦有反映，而对于强度相对较低的煤，更是在高加载速率条件下出现强度下降的趋势[17]，非线性特征更加显著。

介质强度与冲击倾向性指标正相关[18]，因此，加载速率对于介质强度的非线性影响间接反映了采掘速度对于冲击危险性的影响也并非是简单的慢速即安全[19]。

由此，采掘速度对于冲击地压影响具有复杂性的结论在多个独立研究中得以复现，排除了偶然性的干扰。若将采掘活动作为诱因，而具体力学行为或冲击地压作为结果，明确何种因素导致了二者关联的复杂性，将能够为应力集中产生条件和失稳破坏准则等侧重于过程的研究提供明确的载体，从而将冲击地压问题的研究具体化。开展不同加载环境下力学行为试验并提炼共性特征将是解决上述问题的可行路径。

为此，采用微焦点CT扫描和模型重构技术，数值还原真实煤样内部分布特征，开展不同加载速率数值模拟试验，从应力-应变、塑性演化等多个角度监测应力环境变化时介质内部发生的共性响应，并基于实体煤样开展不同加载速率力学试验验证了相关结论，明确了煤样力学行为的结构敏感特性，并据此给出了人工干预煤样力学行为的基本方式，明确了该结论指导现场应用的路径。

1 基于真实分布数值模型的不同加载速率模拟试验

1.1 非均质试样的CT扫描重构

Micro-CT，也称为显微CT、微焦点CT或者微型CT。该试验系统采用能量和分辨率均较高的微焦点X线球管，其分辨率达到微米级别，具有良好的“显微”作用，尺度上可以使得扫描层厚为10 μm左右。通过扫描能够对岩石进行无扰动等间隔 扫描，从扫描的图像中可以获取岩石内部结构和材料非均匀性分布信息。其基本扫描过程如图1所示。

图1 微焦点CT扫描过程和基本参数设置 Fig. 1 Scanning process and basic parameter setting of micro focus CT

扫描所用试件，原煤采自河北开滦集团唐山矿5号煤层，该层煤强度高，脆性大，具有积聚大量弹性能的基础属性，符合以冲击地压为代表的力学行为研究需求。所取原煤样加工为高50 mm，直径25 mm的圆柱形煤样，依据经验和试件尺寸，将扫描层片厚度设置为0.5 mm，共扫描101张图片。试样及扫描结果如图2所示。

由图2( a )可直观看出，试件中存在2种灰度值差异较大的组分。对于煤而言，其主要由有机的煤基质和无机的矿物质组成，根据已有研究，矿物质密度明显大于煤基质，而CT扫描图片的灰度值与材料密度正相关，因此，可根据灰度值把煤基质和矿物质区分开来。

图2 扫描CT图像及三维重构图像 Fig. 2 Image from CT scanning and 3D reconstruction

需要说明的是，上述矿物质种类相对丰富，仅通过CT扫描难以进一步区分，且对于本研究而言，重点关注矿物质对于煤基质均匀性的影响，尚不存在对于矿物细分种类的研究需求，因此，统一将除煤基质以外的矿物质统称为“夹杂质”，以体现本研究的关注重点。

进一步，在Mimics软件中按照Micro-CT图像的灰度值划分重建出三维模型，并生成四面体网格，如图2( b )所示，蓝色部分为矿物质，灰色部分为煤岩。用有限元数值分析软件Ansys直接导出生成的模型，再通过接口程序转换为FLAC3D模型。由于Mimics软件划分体网格时，按照2种组分灰度在某一个网格中所占的体积比决定其分组，导致实际的网格分组与原组分分布有少许差异，但仍能够保证组分的基本分布特征。本文重构模型单元数770 895个，节点数124 302个，构建过程及具体模型如图3所示。

图3 三维重构基本流程示意 Fig. 3 Basic flow chart of 3D reconstruction

1.2 不同加载速率条件下数值模拟试验

在获得具有真实非均匀分布的模型后，采用应变软化模型进行计算，具体参数见表1。

表1 数值模拟材料参数 Table 1 Material parameters of numerical simulation

加载过程中，模型顶面和底面节点的水平位移固定。上下两端同时施加相同的法向位移边界条件，大小分别为10.00×10-6，5.00×10-6，2.50×10-6，0.50×10-6，0.25×10-6mm/step，侧面围压为0。

通过计算获得不同加载速率条件下的应力-应变曲线，如图4所示。

图4 不同加载速率条件下全程应力-应变曲线 Fig. 4 Stress-strain curves under different loading rates

由图4可以看出，随着加载速率的增加，模型表现出的强度也随之增加，该特征与主流研究的结论一致，同时需要注意的是，虽然加载速率不同，但在弹性阶段不同模型表现出了较高的重叠度，该特征的出现与数值模型在不同加载方案中能够保持结构不变具有直接的关系，而真实的力学试验显然不能提供这一保障。

弹性阶段力学行为一致的特征说明，在介质弹性程度较高的情况下，加载速率变化带来的影响相对较弱，而当介质进入峰值后，塑性区域开始增大的情况下，加载速率带来的影响开始有所区别。该特征与介质塑性力学行为与受应力路径影响具有直接的关系，弹性状态下的介质，由于其变形能够在撤除加载条件后完全恢复，因此，力学行为主要与加载的初始与终止状态有关；而对于塑性状态的介质，其变形并不能完全恢复，任何加载方式将均能留下对应的加载痕迹，由此不同的应力路径将形成不同的变形组合，进而表现出不同的最终力学行为。

由上述分析可知，造成介质对于加载速率做出响应的关键在于其塑性状态的差异，为此，提取不同加载速率条件下塑性区分布状态，并将其叠加至应力-应变曲线，结果如图5所示。

图5 不同加载速率条件下塑性区分布状态 Fig. 5 Distribution of plastic zone under different loading rates

由图5可以看出，不同加载速率条件下，处于峰值状态下的试件，主要以剪切破坏为主，而进入峰后阶段，由拉应力导致的塑性单元体开始逐渐增多，分别对应真实力学试验中的裂隙贯穿和最终的破坏失稳，同时，对于强度相对较大的组分1即夹杂质而言，不同加载速率条件下其基本能够保持全程的弹性状态，即该部分能够有效存储弹性能，因此，该特征的出现在一定程度上暗示了夹杂质在力学环境变化条件下，其对于冲击特性的影响具有至关重要的作用。

对于属性和结构完全相同的模型，其应力水平在一定程度上能够代表能量状态，为此，进一步提取典型试样对应界面的垂直应力，其演化云图如图6所示。

图6 典型试样垂直应力演化云图 Fig. 6 Vertical stress evolution nephogram of typical sample

由图6可以看出，夹杂质部分在加载中作为全过程存在的弹性区域，与周边介质相比，具有相对较高的应力水平，即强度较大的夹杂质对于外部荷载具有更为显著的应力集中吸引作用，验证了上述夹杂质在冲击特性影响中具有重要作用的判断。

2 结构性要素对于力学响应的影响分析

2.1 不同组分对于力学响应的吸引作用分析

在加载后半程，夹杂质组的单元体也将进入塑性状态，为进一步明确加载环境发生变化时夹杂质的具体演化特征，分别提取不同组分在加载过程中的塑性单元变化趋势，如图7所示。

由图7可以看出，对于强度相对较低的煤基质，其塑性单元体数目随着加载速率的变化基本保持了相对一致的演化规律，均表现出初期的低水平发育，当达到峰值前阶段( 应变0.001～0.002 )时，开始出现塑性单元数的迅速增加，但值得注意的是，该阶段应力-应变曲线仍对应弹性阶段，即该阶段的能量耗散尚未造成试件实质性的失稳。

图7 不同组分内塑性单元演化曲线 Fig. 7 Evolution curves of plastic elements in different components

而对于夹杂质，其塑性单元数随加载速率的增加，表现出更为显著的差异性，尤其在加载速率达到10.00×10-6mm/step时，其出现塑性单元数激增的应变节点相对滞后。需要注意的是，夹杂质组塑性单元数的激增阶段与峰值点附近( 应变0.002前后 )具有较好的对应性。

综上，相较于煤基质，夹杂质塑性单元数更为显著的差异性变化，验证了其对于应力环境变化具有更高的敏感性，而激增阶段与峰值点对应则说明强度较大的夹杂质内的能量耗散与宏观失稳密切相关，10.00×10-6mm/step条件下塑性单元数激增滞后和变化幅度最大的特征，也将对应更为剧烈的能量释放，符合主流认知。

2.2 冲击地压的结构敏感特性分析

为进一步掌握夹杂质的弹塑性状态与试件宏观失稳的关联特征，通过编制FISH语言，筛选不同加载时步下试样中弹性单元体的空间分布特征，如图8所示。

图8 弹性单元骨架结构 Fig. 8 Framework structures of elastic cell

由图8可知，随着加载的进行，较晚进入塑性状态的夹杂质逐渐形成了与其空间分布形态基本一致的骨架结构，而由于弹性变形能只存储于弹性单元体内，因此，该骨架结构即为试件失稳前弹性能的存储载体，其稳定性实质上将等价于试件的宏观稳定性，即该骨架失稳亦即试件失稳，而弹性能的存储量级则决定了失稳的剧烈程度。

由此，夹杂质空间分布形态，或在其影响下形成的承载骨架，对于试件稳定性和失稳剧烈程度具有关键的控制作用。而试件实际破坏时，也往往并非是完全的破碎化，贯通面也能够造成整体失稳，由此也暗示了类似承载骨架的存在性。

然而，夹杂质的概念隶属于介质组分的范畴，在实际工程中的可测量性相对有限，而造成夹杂质具有上述功能的关键，在于其对介质均匀性的破坏，若以该特性为表征依据，则夹杂质及其影响下形成的承载骨架，可广义地描述为破坏介质均匀的结构性要素，其内涵覆盖裂隙、结构面等，由此保证了上述结论的兼容能力和对于现场工作的指导作用。

进一步拓展，若能够有意识地形成人造结构性要素，对于介质总体力学行为的选择性控制将具有可行性。

3 结构敏感特性的应用讨论

标准试样单轴条件下的最终破坏形态一般为斜切面贯通，如果在加载前即形成类似的人造结构引导破坏，则显然能够有效降低介质的强度表现，在冲击地压防治工作中，有效降低介质强度则意味着冲击危险性的降低。

为验证该思路的可靠性，选择具有煤矸互层的煤块进行加工，成样后的煤岩分界面斜切贯穿试件，以此满足对于结构性要素的要求，如图9所示。

图9 含天然分界面的煤试样 Fig. 9 Coal sample with endogenetic structure

试验同样采用不同加载速度单轴压缩，其加载速率分别取3.3×10-4，6.6×10-4，1.0×10-3，1.33× 10-3，1.67×10-3mm/s，最终加载曲线及强度统计结果如图10和表2所示。

表2 验证试验量化力学指标 Table 2 Quantitative mechanical index of verification test

图10 含不利内生结构试件不同加载速率下的 应力-应变曲线 Fig. 10 Stress strain curves of specimens with unfavorable endogenetic structure under different loading rates

图11为分界面与破坏形态的对应关系。由图11可以看出，受载前在试件内部预先形成不利于承载的结构，将能够实现对于试件力学行为的显著干预。一方面，试件失稳后并非完全破碎，而是形成 了贯通破裂面，破裂面与预设分界面基本重合，即破裂受人为控制发生在预设区域，强化了介质破坏的可预测性；另一方面，试件强度与加载速率呈负相关，表明不利于承载的结构性要素，能够强化试件对于危险加载环境的适应能力，映射至现场尺度即为提升煤体对于高推进度的适应能力，拓展安全边际。

图11 分界面与破坏形态的对应关系 Fig. 11 Correspondence between interfaces and failure modes

不利于承载的结构性要素及其功能的验证，也从反面暗示了有利于承载的结构性要素的存在，而是否有利于承载一定程度上取决于该类要素的空间分布模式，因此，结构性要素及其分布模式将是统一孕灾及防控的关键所在。

4 结 论

( 1 ) 通过CT扫描重构，并开展不同加载速率数值模拟对比试验，指出破坏介质均匀性的夹杂质对于屈服、应力集中等力学响应具有较强的吸引作用。同时，不同加载条件下，夹杂质组内塑性单元数的变化表现出更为显著的差异性，表明夹杂质对于应力环境变化具有更高的敏感性。

( 2 ) 煤基质屈服较早，其塑性单元数在峰值前即趋于饱和，由其引起的能量耗散不能造成宏观失稳；夹杂质屈服较晚，其塑性单元数激增阶段与试件峰值区间基本吻合，表明由其造成的能量耗散与宏观失稳密切相关，对应机制为：存储弹性变形能的单元体，其形成的承载骨架结构与夹杂质分布基本一致，该骨架稳定性即等价于试件宏观稳定性，而骨架内弹性能的存储量级则决定了失稳的剧烈程度。

( 3 ) 造成夹杂质具有响应吸引、应力环境高度敏感等特性的关键，在于其对介质均匀性的破坏，据此将夹杂质及其影响下形成的承载骨架，广义地描述为破坏介质均匀的结构性要素，指出有意识地形成人造结构性要素是有选择性地控制煤岩力学行为的可行路径。

( 4 ) 基于包含不利于承载分界面的煤矸互层试样，开展不同加载速率力学试验，验证了人造结构性要素对于力学行为显著的干预能力，具体表现为：使得破坏的可预测性以及介质对于不利加载环境的适应能力增强。指出结构性要素及其分布模式将是统一孕灾及防控的关键所在。