煤巖單體及巖體破壞模式與力學(xué)行為的試驗研究

煤巖單體及巖體破壞模式與力學(xué)行為的試驗研究

1煤巖體的宏細(xì)觀和力學(xué)特性煤炭是中國的主要能源。隨著淺部資源的開采枯竭,煤礦開采正逐漸向深部轉(zhuǎn)移,但伴隨而來的是諸多礦山災(zāi)害問題[1~5]。本文的深部范圍不涉及深部地球物理學(xué)的領(lǐng)域,是個相對概念,只局限于煤炭資源開采范圍。煤礦工程中,當(dāng)巷道和工作面圍巖出現(xiàn)大變形、巷道變形劇烈、底鼓嚴(yán)重等現(xiàn)象時,就可認(rèn)為該深度的煤炭開采進(jìn)入“深部開采”。一些煤礦甚至為了簡便起見,認(rèn)為500~600m以下的埋深就算深部。影響煤礦災(zāi)害的因素很多,如煤田地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装鍘r性的組合及空間變化、煤層厚度及其變化、礦井水文地質(zhì)及瓦斯情況等,但大量事故仍然表明,這些災(zāi)害大多是若干工程地質(zhì)體組成的力學(xué)系統(tǒng)整體災(zāi)變失穩(wěn)的結(jié)果。在淺部環(huán)境下,煤巖體的破壞主要受其自身裂隙結(jié)構(gòu)面的控制;而在大深度條件下,煤巖體的破壞不僅受自身裂隙結(jié)構(gòu)面的影響,更重要的是受到煤巖組合體整體結(jié)構(gòu)的影響,再加上深部高應(yīng)力環(huán)境,很多礦山災(zāi)害表現(xiàn)出煤巖整體破壞失穩(wěn)現(xiàn)象。開灤錢家營礦目前主采煤層7#煤層埋深-850m,該工作面周邊的一些巷道近期表現(xiàn)出圍巖大變形、巷道底鼓嚴(yán)重、兩幫煤體收縮量大等問題,并表現(xiàn)出煤巖整體變形特征。因此,研究煤巖組合體的宏細(xì)觀變形破損機制及力學(xué)特性對于預(yù)防礦井災(zāi)害和保障煤礦安全開采具有十分重要的意義。深部煤礦災(zāi)害實質(zhì)上就是工程地質(zhì)強烈擾動下“煤體–巖體”組合體系統(tǒng)發(fā)生整體破壞失穩(wěn)的結(jié)果。國內(nèi)外學(xué)者單純就巖體或煤體的破壞進(jìn)行了諸多研究,M.S.Paterson等對國際上巖石的脆性破壞研究做了非常詳細(xì)的綜述,并認(rèn)為巖石的破壞存在I,II類破壞曲線;K.Mogi詳細(xì)介紹了自主研發(fā)的三軸試驗儀器及其試驗結(jié)果,并討論了中間主應(yīng)力對巖石破壞模式的影響;而陳颙等對巖石的物理力學(xué)性狀及其在地球物理學(xué)中的應(yīng)用做了細(xì)致的分析和討論。到目前為止有關(guān)煤巖組合體的宏細(xì)觀破壞研究還不完全成熟。林鵬等利用兩體模型,分析了兩巖體相互作用系統(tǒng)的失穩(wěn)過程,并解釋了變形局部化、彈性回彈等現(xiàn)象。謝和平等基于工程體和地質(zhì)體的相互作用提出了兩體力學(xué)模型,并就混凝土壩體和巖石壩基兩體相互作用的破壞機制進(jìn)行了初步探討。竇林名等研究堅硬頂板–煤體–底板所構(gòu)成的組合煤巖變形破裂電磁輻射規(guī)律,并由此來對沖擊礦壓的危險性進(jìn)行評價和預(yù)測預(yù)報。齊慶新通過組合煤巖試驗研究指出組合煤巖試塊與單一煤巖試塊的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系具有明顯的差異,如變形減小、破壞劇烈和彈性特征更顯著等。李紀(jì)青等研究了單一煤模型及煤巖組合體模型的沖擊傾向性,得出了煤巖組合模型的沖擊傾向性指標(biāo)均高于單一煤模型,并建議采用組合模型來評價煤巖沖擊傾向性。劉波等通過單軸試驗研究了不同高度比的煤巖組合體的力學(xué)性質(zhì)與動態(tài)破壞特性?？傊?國內(nèi)外學(xué)者對煤體或巖體單體破壞做了很多研究,對于煤巖體組合體的研究主要集中在單軸試驗研究,而對于考慮不同圍壓條件下煤巖組合體的變形破壞還鮮見報道。本文通過采用MTS815試驗機進(jìn)行大量的試驗,旨在研究不同應(yīng)力條件下巖體、煤體及煤巖組合體的破壞機制與力學(xué)行為的差異,從而更好地為預(yù)防深部礦山工程災(zāi)害和保障礦井安全開采提供理論和實踐指導(dǎo)。2x衍射分析結(jié)果本文煤巖體采自開灤錢家營礦2071工作面下順槽,埋深-850m。采用空心包體法測試了該水平西大巷的地應(yīng)力,其中最大主應(yīng)力為25.4MPa,中間主應(yīng)力17.2MPa,最小主應(yīng)力13.5MPa。2071工作面走向長度為1385~1536m,傾斜長為175m。該工作面煤層為穩(wěn)定的中厚煤層,煤層厚度在0.40~5.35m,平均3.50m,局部煤層松軟易片幫。煤層傾角4°~16°,平均7°。煤層直接頂為深灰色粉砂巖,厚度0~6.85m,平均3.80m。分別在7#煤層及其頂板取煤樣和巖樣。X衍射分析得到錢家營頂板砂巖及煤的礦物成分為:砂巖主要包含68%~75%的石英,23%~26%的黏土礦物,其他為少量白云石和菱鐵礦等(<10%);煤樣主要包含77%~85%的非晶質(zhì),10%~20%的黏土礦物,其他為少量的白云石、菱鐵礦和方解石等礦物。圖1為錢家營典型砂巖、煤樣X射線衍射成分分析圖譜(d為晶格間距(10-10m)),可以看出巖石和煤的X射線圖譜有明顯差異。3巖體尺寸測試將煤樣和巖樣加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。首先用鉆孔取芯;然后在磨平機上將煤或巖石試樣兩端磨平,保證試樣兩側(cè)的表面平行、光滑,沒有大的劃痕,且兩端面不平行度不得大于0.01mm,上、下端直徑的偏差不得大于0.02mm。單體測試采用了標(biāo)準(zhǔn)試樣:3個巖石試樣尺寸均為φ50mm×100mm;煤體由于較破碎,加工較困難,因此加工獲得1個尺寸φ50mm×100mm的煤樣和2個尺寸φ50mm×70mm的煤樣。對于組合試樣,由于試驗量大,且考慮到煤層平均厚度與直接頂平均厚度大致相同,因此參照巖石力學(xué)測試標(biāo)準(zhǔn),將煤和巖石分別加工成φ35mm×35mm的試樣,然后組合為φ35mm×70mm的試樣,即長徑比為2(見圖2)。4現(xiàn)場試驗系統(tǒng)試驗在四川大學(xué)MTS815試驗機上完成。該試驗機軸向荷載最大4600kN,單軸引伸計橫向量程±4mm,縱向量程-2.5~+12.5mm;三軸縱向引伸計量程-2.5~+8mm,最高圍壓可達(dá)140MPa;軸壓、圍壓及滲透壓力的振動頻率可達(dá)5Hz以上,各測試傳感器的測試精度均為當(dāng)前等比標(biāo)定量程點的0.5%,試驗系統(tǒng)如圖3所示。對于單軸巖樣加載采取力加載模式,加載速率為1kN/s。而對于煤樣及煤巖組合體采取位移加載模式,加載速率為10-3mm/s。三軸壓縮試驗中圍壓加載速率為3MPa/min,軸向加載方式采用位移加載控制,破壞之前加載速率為10-3mm/s,破壞之后加載速率為0.1mm/min。5錢家?guī)r樣品和煤樣單軸壓縮力學(xué)特性的分析5.1材料的力學(xué)性質(zhì)對3個標(biāo)準(zhǔn)巖樣(φ50mm×100mm)進(jìn)行單軸試驗來獲得巖塊的單軸抗壓強度。隨著荷載的增加,當(dāng)荷載約為3MPa時,試樣就有聲發(fā)射信號,并且達(dá)到峰值強度后,試樣發(fā)生破壞。3個試樣的巖石單軸破壞模式素描圖如圖4所示。試樣R–0–1呈雙剪切破壞模式,試樣R–0–2呈現(xiàn)劈裂破壞模式,試樣R–0–3呈單剪切面破壞模式。從外部的破壞模式看,試樣R–0–1和R–0–2裂紋較多,而試樣R–0–3裂紋較少,從3個試樣的體積應(yīng)變也得到了體現(xiàn),前2個試樣都出現(xiàn)了體積擴容現(xiàn)象,而R–0–3試樣沒有出現(xiàn)體積擴容,因此單軸荷載下的擴容與微裂紋的發(fā)展數(shù)量密切相關(guān)。圖5為錢家營砂巖單軸壓縮試驗的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。由圖5可見,試樣R–0–3的破壞強度最大,而破壞后試樣內(nèi)的微裂紋數(shù)量最少。試樣R–0–1和R–0–2的破壞是I類破壞曲線,而試樣R–0–3是II類曲線,即應(yīng)變非單調(diào)增加曲線。從試樣破壞的模式看來,要產(chǎn)生II類曲線,除了采用環(huán)向位移控制加載外,巖石必須要有一定的強度,且?guī)r石的非均質(zhì)度低,這可從3個試樣破壞后微裂紋的數(shù)量來判斷。因為巖石非均質(zhì)程度越高,在外部荷載作用下其內(nèi)部的非均勻變形越大,從而局部區(qū)域產(chǎn)生的微裂紋越多,而微裂紋的產(chǎn)生直接消耗能量,使得巖塊局部區(qū)域卸荷,從而導(dǎo)致巖塊整體強度相對較低;反之,巖塊均質(zhì)度越高,試樣抵抗變形的能力越強,非均質(zhì)變形越小,局部產(chǎn)生的微裂紋越少,從而導(dǎo)致試樣整體強度相對越高,此時II類曲線容易發(fā)生。表1為單軸壓縮試驗下錢家營巖石基本物理力學(xué)參數(shù)。從峰值強度和波速的對應(yīng)關(guān)系來看,錢家營巖石波速越大,則峰值強度越高(見圖6)?？梢?當(dāng)巖石材料越致密,膠結(jié)程度越好,則巖石強度越高,而這種結(jié)構(gòu)更有利于波的傳播。5.2煤體抗壓強度的修正通常煤的強度遠(yuǎn)低于巖石,所以采取位移加載模式,加載速率為10-3mm/s。加載過程中,煤樣的聲發(fā)射數(shù)遠(yuǎn)比巖石多。在峰值荷載附近,煤樣上有碎塊掉下,并伴有清晰的噼啪響聲。其中試樣M–0–2由于安設(shè)軸向位移計的位置出現(xiàn)了開裂,試樣下部出現(xiàn)了大范圍的煤塊脫落,如圖7所示,從而引起軸向引伸計位移反彈。因此該試樣的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,但應(yīng)力是準(zhǔn)確的?？傮w而言,單軸荷載作用下煤體的破壞以劈裂破壞為主;對于同一直徑、不同高度的煤樣而言,高度小的煤塊相比高度大的煤塊強度要高,如圖7,8所示,這可能是煤樣的尺寸越大,包含的原生裂隙可能越多,因此導(dǎo)致其破壞強度相對較低。煤體可能由于含有較多的微裂隙,其波速與強度的關(guān)系不明顯。錢家營煤樣基本物理力學(xué)參數(shù)見表2。由于2個煤樣不是標(biāo)準(zhǔn)的長徑比為2的試樣,因此,采用下式對試樣M–0–1和M–0–2的抗壓強度進(jìn)行修正,得到修正后的折算強度列于表2中。式中:σc為非標(biāo)準(zhǔn)試樣折算成長徑比為2試樣的單軸抗壓強度(MPa),σc′為非標(biāo)準(zhǔn)試樣單軸抗壓強度(MPa),D為試樣直徑(mm),H為試樣高度(mm)。6煤體圍壓對煤巖中間體力學(xué)性質(zhì)的影響多數(shù)礦井災(zāi)害不是巖體和煤體的單體破壞,更多是煤巖組合體的整體破壞。為了更能與實際結(jié)合,采用煤巖組合體試驗來獲得其整體破壞強度。將煤巖組合體編號為RM-A-B,RM表示煤巖組合體,A表示圍壓,根據(jù)該礦的地應(yīng)力特征,分別做了5組試驗,圍壓分別為0,5,10,15和20MPa;B表示第i(i=1,2,3)個試樣。例如RM–15–2表示煤巖在15MPa時的第2個試驗。對于RM系列試驗,采用位移加載模式,先采用0.06mm/min的加載速率直至破壞,試樣破壞后采用軸向位移控制模式,加載速率為0.1mm/min。本文試驗在測量時采用了如下方法:應(yīng)力是煤巖組合體的整體應(yīng)力;軸向應(yīng)變是一半巖石、一半煤體的軸向應(yīng)變,而由于煤體的變形比巖石要大,因此環(huán)向應(yīng)變儀安置在煤體上。在單軸荷載條件下,煤巖組合體的破壞主要發(fā)生在煤體里面,煤體側(cè)面和端面都有大量的裂隙生成,并且較均勻地分布在煤樣各個區(qū)域,煤體以劈裂破壞機制為主。當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載,試樣整體破壞時,在煤體和巖體界面的裂紋有可能貫通到巖體里面。盡管巖塊強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤塊強度(本文的巖塊強度是煤塊強度的5~10倍),但當(dāng)煤體內(nèi)部裂紋快速擴展時,裂紋擴展釋放出大量的能量,有可能導(dǎo)致上部局部巖石的破壞。為了模擬不同深度下煤巖組合體的破壞,根據(jù)地應(yīng)力情況通過改變圍壓來模擬地下工況。試驗表明,不同圍壓下煤巖組合體的破壞同樣主要發(fā)生在煤體內(nèi)?？傮w而言,隨著圍壓的升高,煤體內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量在減少,這主要是圍壓的升高抑制了微裂紋擴展;并且圍壓越高,這種抑制作用越明顯。試驗表明,只要有圍壓的作用,煤體的破壞機制不再以劈裂破壞機制為主,而是以剪切破壞機制為主(見圖9)。大多破壞面傾角基本為40°~60°,但由于煤體的強非均質(zhì)性,破壞面傾角隨著圍壓的變化關(guān)系并不明顯。也正是這種煤體的強非均質(zhì)性和低強度特性,使得單軸和三軸荷載下煤巖組合體的破壞都是I類破壞,不會發(fā)生II類破壞。圖10為煤巖組合體單軸和三軸典型全應(yīng)力–應(yīng)變曲線。從圖10中可以明顯地看出圍壓對煤巖組合體力學(xué)行為的影響。單軸荷載作用下,煤巖組合體的破壞呈現(xiàn)明顯的脆性破壞機制,且峰后應(yīng)力迅速跌到幾乎為0的應(yīng)力狀態(tài),即幾乎沒有任何殘余強度。在三軸試驗中,煤巖組合體的整體軸向變形較小,而環(huán)向變形較大,即便在低圍壓,例如5MPa圍巖,煤巖組合體的破壞就開始呈現(xiàn)延性機制,圍壓越高,延性機制越明顯,如圖10(b)所示。峰值應(yīng)力過后,應(yīng)力出現(xiàn)明顯的“應(yīng)力跌落”現(xiàn)象,但隨后即保持穩(wěn)定,煤巖組合體保持一定的殘余強度,且通常圍壓越高,殘余強度越高。圖11為不同圍壓下煤巖組合體的全應(yīng)力–軸向應(yīng)變曲線,可見,圍壓逐漸增大導(dǎo)致煤巖組合體的峰值強度逐漸增大。隨著圍壓的增大,峰值應(yīng)力出現(xiàn)在更大應(yīng)變處,且割線彈性模量也逐漸增加。由于煤巖組合體的尺寸為φ35mm×70mm,考慮尺寸效應(yīng),如直徑或長度的變化對試驗強度值的影響(尺寸效應(yīng)的本質(zhì)是巖石的不均質(zhì)性造成的),根據(jù)Hoek-Brown經(jīng)驗公式對尺寸效應(yīng)進(jìn)行修正,把尺寸為φ35mm×70mm、長徑比為2的巖樣單軸抗壓強度σm換算為標(biāo)準(zhǔn)試樣φ50mm×100mm的單軸抗壓強度σc50,即根據(jù)式(2)所得計算結(jié)果見表3。從表3可以看出,煤巖組合體的單軸抗壓強度介于單體煤及單體巖石的單軸抗壓強度之間。因此在將來煤礦的支護(hù)設(shè)計理論中,需要更多考慮的是煤巖組合體的整體破壞強度,而不能單純依賴單體巖石和單體煤的強度。7圍壓對煤巖中間體彈性模量的影響單軸荷載下煤巖組合體的全應(yīng)力–應(yīng)變曲線具有較大的分散性,這是由于煤巖體內(nèi),特別是煤體內(nèi)存在大量的隨機微裂紋,導(dǎo)致了其強度的離散性。但隨著圍壓的升高,這種離散性逐漸減少,即隨著圍壓的升高,煤巖組合體的全應(yīng)力–應(yīng)變曲線在逐漸靠近,并表現(xiàn)出相似的破壞特性。在單軸壓縮過程中,可以看出應(yīng)力–應(yīng)變曲線有一個壓密階段;而在有圍壓的試驗中,沒有這個壓密階段,這主要是由于初始圍壓的作用,而應(yīng)力差要大于0才能起作用,這相當(dāng)于軸向壓力最小要達(dá)到5MPa時,才開始加載,而這個階段很可能是壓密階段,但試驗系統(tǒng)卻沒有記錄下來。壓密階段后,煤巖組合體要經(jīng)歷一個彈性階段。在90%~100%的峰值荷載處,全應(yīng)力–應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)非線性段,這時可能是煤巖組合體內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂紋,發(fā)生了不可逆變形,期間伴隨著能量耗散。從表1,2,3可以看出,單體巖石的強度最大,單體煤的強度最小,而煤巖組合體的強度介于兩者之間。從圖12中可以看出,隨著圍壓的升高,煤巖組合體的整體彈性模量總體趨勢是升高的,在單軸荷載下,3個試樣的彈性模量差異較大;而隨著圍壓的升高,同一圍壓下彈性模量的變化差異在縮小,且隨著圍壓的升高彈性模量逐漸升高,在15MPa之前彈性模量增長較緩慢,但到20MPa后,彈性模量明顯升高。對于峰值強度,從圖13中可以看出,隨著圍壓的增加,破壞強度幾乎呈線性增加,可用線性關(guān)系對應(yīng)力差(σ1-σ3)RM和圍壓σ3進(jìn)行擬合,得到錢家營煤巖組合體的破壞強度的擬合關(guān)系為8實驗結(jié)果的對比本文通過采用MTS815試驗機對錢家營巖石、煤和煤巖組合體分別進(jìn)行了單軸和三軸壓縮試驗,并獲得以下主要結(jié)論:(1)單軸試驗表明,錢家營砂巖峰值強度離散性大,為92~185MPa;砂巖的峰值強度、彈性模量和波速成正比關(guān)系,即波速越大、峰值強度和彈性模量越大;砂巖的破壞存在剪切破壞、劈裂破壞及兩者混合破壞模式。錢家營煤樣以劈裂破壞機制為主,并且煤樣的峰值強度與彈性模量