静载下含预制裂隙煤岩力学特性及破坏特征试验研究*

2024-01-11任建喜贾龚杰王晓琳霍小泉

工程地质学报 2023年6期

任建喜谷禹贾龚杰王晓琳岳东霍小泉

(①西安科技大学,建筑与土木工程学院,西安 710054,中国)(②陕西陕煤铜川矿业有限公司,铜川 727000,中国)

0 引言

随着我国浅埋煤炭资源的枯竭,煤矿生产日益向深部进军,预估在将来的20年,我国大多数煤矿都将进入到千米的深度(陈浮等,2021)。深部的高地应力及各种复杂的构造应力环境使煤岩力学性质发生极大的变化,同时开采技术的成熟使煤矿趋于高强度的集约化生产,造成巷道围岩所处应力状态复杂化,煤矿发生冲击地压的强度和频率显著增加(潘一山等,2003; 姜耀东等,2014)。冲击地压是指煤岩在达到极限强度后,受采动等影响积聚在煤岩内部的大量弹性能剧烈释放的过程,通常伴随着瓦斯突出、瓦斯爆炸等次生灾害(谢和平等,2015)。

目前,针对冲击地压发生机理已经进行了大量的研究工作,刘少虹等(2013,2014)采用霍布金森杆试验系统,对不同冲击倾向性煤岩动力破坏过程的载荷规律进行了研究。郑文红等(2015)通过三轴条件下的电荷感应实验,研究煤岩破坏程度与电荷释放间的关系。宮凤祥等(2017)通过对煤岩进行不同量级的加载率单轴压缩试验,考察加载率对煤岩冲击倾向性影响,得到临界加载率附近煤岩冲击性突变明显。李鹏波等(2018)通过对煤岩进行力学试验,并基于试验所得的煤岩扩容数据证明弹性波引起的围岩扩容是导致冲击地压发生的直接原因。蒋军军等(2018)运用MTS-1500动态试验机,对大尺寸的冲击倾向性卸荷煤岩进行动静组合加载试验,研究了煤岩在整个加载过程中的宏观力学表现和损伤特性。张广辉等(2020)通过对煤岩进行应力与应变分级循环加载试验,分析得到煤岩失稳破坏过程中声发射能量特征规律。任建喜等(2021)对不同加载模式下具有冲击倾向性煤岩的力学特性及破坏机理进行了研究,证明冲击地压是静载和动载共同作用的结果,其中高水平静载为冲击地压发生的基础条件,动载则是其主要的诱发条件。大量工程实践表明,大多数冲击地压多发生在断层等构造区域附近。断层等大型宏观裂隙造成整个煤岩应力场分布复杂化,在改变煤岩力学性质的同时加剧了冲击危险性(张科学等,2017; 张宁博等,2019; 任政等,2021)。随着认识的深化,冲击地压机理的研究也开始从完整煤岩本身破坏机理出发向裂隙煤岩转变。唐红梅等(2016)对裂隙岩石单轴压缩下裂纹扩展模式与破坏特征进行了研究。王笑然等(2018)对砂岩进行裂隙预制,对其加载过程中的裂隙扩展规律进行了研究。赵建军等(2019)研究了不同裂隙长度对冻融下裂隙岩石力学性质的损伤影响。赵海军等(2019)通过连续-非连续方法,对裂隙岩体裂纹扩展规律与强度变化情况进行了研究。成小雨等(2022)则利用相似材料预制裂隙对岩体的动力损伤破坏特性进行了研究。

综上所述,目前研究或停留于完整煤岩力学特性及破坏机理方面研究,或局限于其他裂隙岩体破坏特性研究,而对裂隙煤岩自身力学特性及破坏特征的研究较少。因此,目前针对裂隙煤岩的研究还远未成熟。鉴于此,本文在原煤岩试件上预制不同倾角的宏观裂隙,进行单轴及不同围压作用下的加载试验,并辅以声发射监测及高速摄影技术对裂隙扩展规律以及煤岩破坏特征进行分析。研究结果有助于提高对冲击地压形成机理的认识。

1 试验方法

1.1 试样制备

本次试验煤岩选自彬长矿区某矿综掘工作面,煤层为侏罗系中统延安组,平均埋深710m,煤岩类型以暗淡煤为主,夹半暗及半亮型煤,煤岩顶板为泥质粉砂岩,底板为泥岩,根据矿区勘测资料得煤层所受原岩应力约为12MPa。将选取的煤块做以下加工处理:将煤块按照垂直层理的方向加工成直径50mm、高度100mm的标准圆柱体试件,保证试件两端的平行度偏差小于0.05mm。采用超声波检测仪测定试样的纵波波速,剔除波速差异较大者,减小试件差异性过大带来的试验误差,加工好的完整试件如图1所示; 然后使用金刚石线性切割机在试件裂隙中央预制一条贯通裂隙,其中裂缝与试件径向的角度分别为30°、45°、60°,裂隙宽度约为1.5mm,保证裂隙两尖端与试件左右两侧的间距为10mm,加工好的预制裂隙煤岩如图2所示。试件共计24个,分4组,其中1组为完整试件,其余3组为裂隙倾角30°、45°、60°的试件。

图1 加工完成后的标准煤试件

图2 裂隙煤岩实物图及示意图

1.2 试验系统

本次试验系统主要包括加载系统、图像监测系统及声发射监测系统,具体如图3所示。加载系统为DTAW-8000岩石高压动力试验系统,可施加最大静态轴向荷载为8000kN、最大围压50MPa,支持位移、应变、应力3种加载控制方式。

图3 试验加载系统示意图

采用DISP系列8通道全数字化声发射监测系统,该监测系统可对煤岩加载破坏的全过程进行实时监测与数据采集,采用耦合剂将4个高承压声发射探头均匀地固定在试件不同位置,声发射探头为定制的弧面高承压探头,保证试件与探头的贴合度,提高声发射信号采集的效果。

1.3 试验方案

分别进行完整煤岩及不同倾角裂隙煤岩的单轴压缩试验及三轴压缩试验。单轴压缩试验采用位移控制方式进行轴向加载,加载速率为0.01mm·s-1,直至将试件加载至完全丧失抗压强度为止。在加载开始时同步进行声发射信号采集并采用高速摄影机进行实时录像; 三轴压缩试验为了研究煤岩不同埋深、不同地应力条件下的受力变形及破坏特征,将围压设定为4个值,分别为4MPa、8MPa、12MPa、16MPa,采用位移控制方式进行轴向加载,加载速率为0.01mm·s-1,将试件加载至完全丧失抗压强度为止。

2 试验结果及分析

2.1 不同围压作用下完整煤岩力学及破坏特征分析

图4为完整煤岩单轴压缩过程中的全应力-应变曲线图。从图中可以明显的看出,煤岩的单轴压缩过程可分为4个阶段:原生孔裂隙压密闭合阶段(OA)、弹性变形阶段(AB)、弹塑性变形阶段(BC)及峰后破坏阶段; 但与常规岩石相比,煤岩峰后破坏阶段并不明显,在达到峰值应力后产生“突降式”的应力跌落,试件瞬间失去强度; 破坏过程中发生瞬间爆冲现象并伴随尖锐的声响,发生明显的脆性破坏。由最终的破坏特征图也可以看出,与传统的劈裂张拉破坏不同,该矿煤岩破坏时更加剧烈,除了形成多条贯穿裂缝以外,还会伴生大量的次生裂缝,在张拉破坏带处形成破碎区,破坏程度高,这说明该矿煤岩破坏时释放能量剧烈,具有极强的冲击倾向性。

图4 完整煤样单轴压缩应力-应变曲线及破坏特征图

图5a为不同围压条件下完整煤岩的应力-应变曲线,可以看出,煤岩在单轴加载时强度低、变形小,而随着围压的增大,强度及变形能力都得到有效提高,并且围压越大,提高的效果也越明显。结合表1可以看出从围压0MPa到16MPa,峰值强度提高了400%,峰值轴向应变增大了125%,弹性模量增大了115%。分别对峰值强度、弹性模量与围压的关系进行线性拟合,拟合结果如图5b所示,煤岩的峰值强度及弹性模量与围压具有良好的线性特征关系。煤岩结构相较于其他岩体结构来说内部比较松散,而围压将煤岩挤压密实,内部微裂隙之间的正应力和摩擦力也随之增大,使裂隙不易发生胀裂和滑移,限制了裂隙的扩展发育,因而承载力更高,储能能力也就越强。

表1 煤岩三轴压缩条件下峰值强度及变形参数

图5 不同围压条件下完整煤岩应力-应变特征图

图6为不同围压下煤岩的破坏特征图,随着围压的增大,煤岩由单轴时的张拉劈裂破坏逐渐转化为剪切破坏; 煤岩在4MPa、8MPa时的剪切裂缝角度分别为38.2°、58.5°,裂缝长度较小,为局部剪切破坏,而当围压增大到12MPa、16MPa时,剪切裂缝角度增至61.5°、69.5°,呈整体剪切破坏特征。这是因为在低围压作用下,内部原生孔裂隙压密不完全,煤岩破坏更易受其内部原有裂隙的影响,导致煤岩呈局部剪切破坏; 而随着围压的增大,煤岩被完全压密,煤岩内部裂隙对煤岩破坏状态影响逐渐降低,其破裂角度主要受煤岩自身力学特性的影响,因此高围压下煤岩呈整体剪切破坏。

图6 不同围压条件作用下煤岩破坏特征图

2.2 不同倾角裂隙煤岩力学及破坏特征分析

表2为不同倾角裂隙煤岩单轴压缩时的强度变形参数表,裂隙为30°、45°、60°时的峰值强度分别为11.74MPa、10.27MPa、8.55MPa,较完整煤岩的强度分别降低了13%、24%、37%。根据以往的试验研究,通常静载作用下45°裂隙岩体强度为最低,并不符合本次试验规律,笔者认为,在进行裂隙预制的过程中,裂隙倾角越大的同时裂隙长度也随之增加,由此推测在裂隙倾角≤45°时,此时煤岩强度主要受倾角角度影响,而裂隙倾角≥45°时,裂隙长度对强度影响占主导地位,同时说明裂隙的存在破坏了煤岩原有的力学结构,降低了煤岩的承载能力,并且倾角越大,强度劣化越明显。同时峰值轴向应变较完整煤岩分别增大了22%、34%、12%,弹性模量较完整煤岩分别降低了8%、39%、35%。究其原因,由于裂隙的存在,使煤岩在受压时在裂隙尖端处受压剪作用增大,裂隙尖端扩展出新裂隙,并且随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端应力集中现象提前发生,最后贯通整个试件,使煤岩提前丧失抗压强度。轴向应变与弹性模量均呈现先增大后减小的趋势,45°裂隙煤岩相比30°、60°裂隙煤岩在轴向压缩时,预制裂隙有效承载面积更大,更易被压实。

表2 不同倾角裂隙煤岩单轴压缩峰值强度及变形参数

图7为不同倾角裂隙煤岩的应力-应变曲线图及破坏特征图。裂隙煤岩的应力-应变曲线同样具有典型的压密、弹性变形等不同的4个变形阶段,同时每个阶段又具有不同于完整煤岩的差异性特征。裂隙煤岩因为宏观裂隙的存在导致压密阶段较长,这是因为在预制裂隙过程时并未对裂隙处进行填充,其内部空间变大,提高轴向与径向方向上的变形空间,同时弹性阶段较短且不明显,弹塑性变形阶段出现应力波动,并在达到峰值应力前发生流变变形。这是因为预制裂隙尖端应力分布不均,极易产生高应力集中区,虽然煤岩整体处于低应力水平,但裂隙尖端或其四周在高应力作用下提前起裂扩展,较完整煤岩提前进入弹塑性阶段。

图7 不同倾角裂隙煤岩应力-应变曲线及破坏特征图

通过高速摄影机捕捉的实时画面与应力-应变曲线(图中数字序号标注处)进行对应发现,每一次的应力跌落都对应裂隙的进一步扩展延伸。同时,从最后的破坏特征图可以看出,裂隙煤岩最终破坏程度较完整煤岩较为缓和,未发生全面爆冲现象,仅在裂隙尖端发生局部的破碎弹射区。对于完整煤岩来说,其内部存在大量随机分布的微观裂隙,因此应力集中区是随机分布的。而对于预制裂隙煤岩,其应力集中区总是分布在裂隙两尖端及其附近,加载时总是先在预制裂隙附近开裂,即预制裂隙对于煤岩的破坏起决定性作用,不仅改变煤岩的力学特性,还使其破坏形式发生变化。

2.3 裂隙煤岩围压效应分析

由图8a可以看出,裂隙煤岩在围压4MPa时因为受到围压的侧向约束作用,应力-应变曲线在达到峰值应力前趋于平滑,并且产生明显的塑性流动现象; 裂隙煤岩在经过数次“突降-上升-突降”的阶段后,发生应力跌落现象,瞬间失去承载能力; 结合其破坏特征图可知,宏观裂隙在加载过程中不断扩展延伸,形成贯穿试件的剪切滑移面,最终突破围压的约束作用沿预制裂隙面发生整体剪切失稳破坏,并在预制裂隙尖端上下部分形成破碎区。

图8 围压作用下裂隙煤岩应力-应变曲线及破坏特征图

裂隙煤岩在4MPa时较单轴压缩时的强度及变形能力均得到了提升,即围压的存在对裂隙煤岩同样存在侧向约束作用。而当围压水平继续提升到8MPa时,3种裂隙煤岩强度均降低了200%,破坏时的变形量也成倍增大,径向应变最大达到-9.4%,轴向应变最大达到了6.33%,呈现出与完整煤岩不同的围压效应,如图8b所示。这是由于低围压时,围压使裂隙煤岩密实性提高,此时围压主要起到侧向约束作用,煤岩不易发生失稳破坏; 而高围压条件下,煤岩体自身属于脆性岩体,在达到8MPa围压水平过程中,煤岩内部产生挤压变形,内部新裂隙发育,存在初始损伤,使其在后期加载时相较于4MPa围压下的煤岩更易发生失稳破坏,呈现出“逆围压效应”。根据其破坏特征图也可看出,8MPa围压下的煤岩破碎更为彻底,表明了其内部裂隙较多,初始损伤现象严重; 同时裂隙煤岩在高围压下达到峰值强度后迅速发生破坏,具有明显的脆性特征。

3 裂隙煤岩破坏声发射特征演化规律分析

图9为单轴压缩条件下不同倾角裂隙煤岩的应力、声发射振铃计数和声发射累积振铃数随时间的变化曲线图。可以直观地反映裂隙煤岩在受载过程中裂隙起裂、扩展贯通直至失稳破坏的演化特征,根据煤岩应力-应变曲线4个变形阶段匹配声发射参数变化,将煤岩失稳破坏声发射演化规律分为4个阶段。

图9 裂隙煤岩单轴压缩应力和振铃计数时程变化曲线

(a)初始压密阶段——声发射沉寂期。此阶段完整煤岩及裂隙煤岩声发射活动很少,声发射振铃计数都相对较小,声发射累积振铃曲线近乎水平,只有零星微弱的声发射信号产生。

(b)弹性变形阶段——声发射初始活跃期。此阶段完整煤岩因为受Kaiser效应的影响,几乎没有声发射事件产生; 而裂隙煤岩因为存在宏观裂隙,煤岩提前开裂,声发射振铃计数出现第1个峰值,声发射累积振铃曲线陡增; 声发射计数的峰值点和应力曲线的波动点是相互对应的,因此声发射信号参数很好地反应了裂隙煤岩的损伤开裂情况。

(c)塑性软化阶段——声发射过渡期。此阶段完整煤岩声发射事件发生较为平稳; 裂隙煤岩局部应力集中效应更剧烈,宏观裂隙的扩展会产生声发射计数的激增点,且每两次激增点之间都会伴随一段低幅值的信号波动。这是因为应力集中区的能量得到初步释放,此时裂隙的扩展受阻,声发射进入“平静期”,两次激增点之间的“平静期”便是能量的再次积聚过程,这也从侧面说明宏观裂隙的开裂、扩展发育是一个反复的“蓄能-耗能-蓄能”的过程。

(d)破坏阶段——声发射爆发期。完整煤岩和裂隙煤岩在达到峰值强度时,积聚的弹性能瞬间释放,尤其是完整煤岩,由于没有经历过裂隙煤岩阶段性释能的过程,导致其最终破坏时弹性能的急剧释放,声发射计数在峰值应力处达到极大值,声发射累积曲线斜率在整个受载过程最大。

结合不同倾角裂隙煤岩声发射累计振铃计数和累计振铃数综合分析可得,声发射计数并不连续,与应力大小无相关性,裂隙开裂扩展释放的弹性波导致声发射事件的产生,裂隙扩展速度越快,声发射特征值参数越大; 随着裂隙倾角增大,裂隙面之间的的摩擦滑移现象加剧,声发射特征值参数随之增大; 声发射极值点往往发生在裂隙开裂扩展所产生的应力跌落处和峰值应力附近。