不同煤占比下煤岩组合体强度和破坏特征的离散元研究

岳 冲 于少奇 于后瑞

（1.枣庄（矿业）集团付村煤业有限公司，山东 济宁 277605 2.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918）

实际地层中，煤体与岩体往往以组合体的形式存在，采矿工程中煤岩体破坏引发灾害事故的本质是围岩与煤体的相互作用[1-2]。此外，采煤工作面之间的保护煤柱通常存在岩体和煤体的复合结构，研究煤岩组合体的强度和破坏特征可为工作面保护煤柱稳定性评价提供参考。

目前关于煤岩组合体的相关研究多采用室内试验的方法，陈光波等[3]通过轴向压缩试验研究了不同煤占比及组合方式组合体结构的力学特性和破坏机制，从抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数入手，分析组合体的力学特性；沈文兵等[4]对不同煤岩接触面倾角进行单轴压缩试验，分析了倾角对煤岩组合体强度和变形破坏特征的影响。然而，限于试样不可重复和设备性能，室内试验难以获得相关研究的全部信息，如试样内部裂纹发育扩展过程、强度参数的规律性变化等。近年来，基于离散元方法的数值模拟被广泛应用于研究颗粒材料的各类行为。

目前通过室内试验对煤岩组合体的研究已取得较大进展，但在细观角度研究组合体强度和破坏特征则鲜有报道。针对此问题，本文基于离散元方法模拟了不同煤占比下，组合体强度参数变化规律和细观裂纹扩展特征，同时分析了煤占比对试样AE特征的影响。

1 煤岩组合体模型及模拟方案

模型尺寸为50 mm×100 mm，鉴于离散元法对于岩土等颗粒材料强度和破坏行为描述的可靠性，选取PFC2D 及其平行黏结模型进行模拟试验。通过指定最大最小粒径（0.3～0.4 mm），在标准尺寸试样的区域中生成了颗粒11 622 个。

为了排除其他因素对模拟的影响，固定煤岩体颗粒粒径，根据室内试验分别标定了岩体和煤体细观参数，改变煤体所占比例控制不同煤岩比例，四种方案中煤体占比分别为0.2、0.4、0.6 和0.8，模型如图1 所示。通过墙体对试样进行单轴加载，加载速率为0.01 mm/s，通过FISH 编程实时监测试样加载过程中的应力、应变、弹性模量、裂纹数、AE变化情况。

图1 数值模型

2 煤占比对组合体强度特征的影响

2.1 煤占比对组合体强度参数的影响

不同煤占比下组合体试样的强度参数如图2。

在0.2、0.4、0.6 和0.8 的煤占比下，煤岩组合体的起裂应力分别为11.97 MPa、12.66 MPa、12.76 MPa 和12.79 MPa（图2a）；煤岩组合体的峰值强度分别为27.54 MPa、25.22 MPa、24.77 MPa 和24.53 MPa（图2b），分别降低了8.4%、1.8%和0.9%；煤岩组合体的峰值应变分别为0.003 2、0.004 2、0.005 4 和0.006 7（图2c），分别提高了31.8%、28.1%和23.2%；煤岩组合体的弹性模量分别为8.8 GPa、6.2 GPa、4.7 GPa 和3.8 GPa（图2d），分别降低了30.3%、23.4%和18.6%。

图2 煤占比对试样强度参数的影响

整体上看，随着煤占比的增加，煤岩组合体试样的起裂应力、峰值应变都逐渐增加，其中起裂应力最终趋于稳定，而峰值应变近似线性增加；随煤占比增加，煤岩组合体试样的峰值强度和弹性模量均逐渐减小，两者最终均趋于稳定。

2.2 煤占比对组合体AE 特征的影响

为分析煤岩组合体在煤占比下的声发射计数变化规律，通过FISH 语言取极小应变微元内的裂纹数进行分析，将不同煤占比下的组合体试样进行对比分析，结果如图3。

图3 不同加载速率下试样AE 特征

由于PFC 中颗粒是刚体，因此无法模拟试样的初始压密阶段。煤岩组合体试样的应力应变曲线可分为三个阶段：线弹性阶段、裂纹不稳定扩展阶段和峰后阶段。在线弹性阶段初期，不同煤占比的组合体试样声发射处于平静期，AE 计数较少，随着应力水平提高，裂纹逐渐萌生，监测到声发射事件。在裂纹不稳定扩展阶段，由于试样濒临破坏，AE计数明显增加且分布杂乱。持续加载至峰后阶段时，AE 计数达到峰值，试样破坏。同时可以看出，随着煤占比的增加，AE 计数的峰值逐渐降低。

3 煤岩组合体破坏演化特征

为分析不同煤占比下煤岩组合体的裂纹发育扩展规律，通过编程根据裂纹数增加量实时截图，经后处理形成试样破坏演化图，仅分析煤占比为0.4的组合体试样破坏演化结果，如图4。

图4 煤岩组合体破坏演化过程

在加载初期，由于煤体颗粒属性低于岩体颗粒，其接触抗拉强度首先达到临界值，加之边界效应的影响，试样在低端起裂。随着加载的持续，裂纹仅在煤体颗粒内部发育，当应力水平达到岩体颗粒临界强度时，岩体颗粒接触断裂，岩体内部形成裂纹。邻近试样破坏时，煤体左下部裂纹汇聚形成裂纹群，有向上部贯通的趋势，持续加载后裂纹突破煤岩界面，最终导致试样破坏。

在整个加载过程中，煤岩组合体裂纹主要在属性较弱的煤体颗粒中发育，试样破坏后主要以煤体的破碎为主，岩体内部虽有裂纹产生，但并未形成贯通裂纹。

4 结论

基于离散元方法，采用PFC2D 建立了煤岩组合体试样，分析了不同煤占比下组合体试样的强度特征和破坏演化规律，主要结论如下：

（1）随着煤占比的增加，煤岩组合体试样的起裂应力、峰值应变都逐渐增加，其中起裂应力最终趋于稳定，而峰值应变近似线性增加。随煤占比增加，煤岩组合体试样的峰值强度和弹性模量均逐渐减小，两者最终均趋于稳定。

（2）煤岩组合体试样的应力应变曲线可分为三个阶段：线弹性阶段、裂纹不稳定扩展阶段和峰后阶段。随着煤占比的增加，AE 计数的峰值逐渐降低。

（3）煤岩组合体裂纹主要在属性较弱的煤体颗粒中发育，试样破坏后主要以煤体的破碎为主，岩体内部虽有裂纹产生，但并未形成贯通裂纹。