不同組合方式煤巖組合體強(qiáng)度及聲發(fā)射特征分析

周元超，劉傳孝，馬德鵬，趙 振

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

煤體在地層中往往不是單獨(dú)存在的，而是存在于巖層中，所以在開(kāi)采煤炭過(guò)程中巷道的開(kāi)挖及煤體的采出除了對(duì)該煤層造成破壞外，也會(huì)對(duì)煤層上下巖層結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致煤巖界面的失穩(wěn)破壞，因此在煤礦的開(kāi)采過(guò)程中需考慮巖層與上下煤層之間的相互作用，將煤和巖石組成的煤巖體來(lái)研究其整體的力學(xué)性質(zhì)具有非常重要的意義。針對(duì)煤巖組合體的研究，付斌[1-4]等對(duì)不同圍壓和不同組合傾角條件下的巖煤組合體，進(jìn)行了力學(xué)特性的模擬。郭偉耀[5]利用顆粒流軟件 PFC2D對(duì)不同煤巖強(qiáng)度比和巖煤高度比的煤巖體進(jìn)行模擬研究。王曉南[6-10]等對(duì)巖煤組合體沖擊破壞的聲發(fā)射以及沖擊傾向性方面進(jìn)行了研究；王學(xué)濱[11-12]對(duì)煤巖兩體模型的變形及裂紋演化特征進(jìn)行了研究。在組合方式的研究方面張澤天[13-15]等利用 MTS－815試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同組合方式的煤巖組合體進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析不同組合方式下試樣的強(qiáng)度及變形破壞特征差異；趙毅鑫、聶鑫[16-18]等對(duì)煤巖組合體變形破壞前兆信息的試驗(yàn)以及煤巖組合體的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。由于煤巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，不同的影響因素對(duì)煤巖組合體的影響程度不同，現(xiàn)有針對(duì)組合體特征研究的文獻(xiàn)大都考慮某一方面的影響，基于此，為更加全面的分析不同影響因素下煤巖組合體的力學(xué)及聲發(fā)射特征，設(shè)計(jì)多種不同煤巖高度比及不同組合方式的組合體，利用RFPA2D模擬軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討不同影響因素對(duì)組合體強(qiáng)度及其聲發(fā)射特征的影響。

1 模型的建立與參數(shù)選擇

采用RFPA數(shù)值分析軟件建立不同組合的煤巖體計(jì)算模型，模型總體尺寸為寬×高＝50 mm×120 mm，單元?jiǎng)澐譃閷挕粮撸?00×240，其中組合煤巖體高度為100 mm，模型上下各設(shè)置厚度為10 mm的墊板。煤巖組合體模型如圖1，本文將煤與巖石的組合方式分為巖－煤、煤－巖、巖－煤－巖3種，并按照不同高度比，對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮模擬試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)及方案見(jiàn)表1與表2。

圖1 煤巖組合體模型

表1 組合煤巖體力學(xué)參數(shù)

表2 不同巖煤高度比及不同組合方式模擬方案

試驗(yàn)采用平面應(yīng)變模型，依照Weibull分布來(lái)確定模型細(xì)觀單元強(qiáng)度，破壞準(zhǔn)則采用修正的莫爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則。數(shù)值試驗(yàn)方案為單軸壓縮試驗(yàn)，加載方式為軸向位移加載，每步加載位移增量為0.002 mm，直至模型破壞。其他計(jì)算控制參數(shù)如下：殘余強(qiáng)度百分比0.1，最大壓應(yīng)變系數(shù)200，殘余泊松比1.1，拉壓比 1/10，最大拉應(yīng)變系數(shù) 1.5。

2 不同高度比的煤巖組合體損傷破壞特征

2.1 組合體抗壓強(qiáng)度分析

在單軸壓縮條件下，分別對(duì)不同高度比的3種組合方式進(jìn)行試驗(yàn)。用A表示煤，B表示巖石用AB、B－A、B－A－B 依次表示煤－巖、巖－煤、巖－煤－巖 3種組合方式。不同組合方式在高度比下的抗壓強(qiáng)度模擬結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，A－B型組合方式，當(dāng)煤與巖的高度比為1∶3時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度為11.59 MPa，由于巖石比煤結(jié)構(gòu)致密抗壓強(qiáng)度大，所以此時(shí)組合體的強(qiáng)度要大于煤樣的強(qiáng)度，而隨著煤樣在組合體中高度的增大，其整體抗壓強(qiáng)度越來(lái)越小。當(dāng)煤樣和巖樣的高度在組合體中為1∶1時(shí)，強(qiáng)度減小到8.47 MPa，隨著煤樣占比的繼續(xù)增大，當(dāng)其高度比變?yōu)?5∶2時(shí)，組合體的強(qiáng)度減小到 7.93 MPa。同樣對(duì)于B－A型組合方式，當(dāng)煤與巖高度比為1∶3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為11.07 MPa，隨著煤－巖高度比增加至3∶1 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度減小到 7.87 MPa。對(duì)于 B－A－B型組合方式此規(guī)律性同樣存在。因此從該組模擬試驗(yàn)結(jié)果得出隨著煤樣在組合體中所占高度比的增大，組合體的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。

表3 不同組合方式在不同高度比下的抗壓強(qiáng)度模擬結(jié)果MPa

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)不同煤巖高度比d與組合體單軸抗壓強(qiáng)度E（d）進(jìn)行擬合?？傻茫?/p>

對(duì)E（d）求一階導(dǎo)數(shù)，得到考慮煤－巖高度比與組合體強(qiáng)度演化方程為：

由式（2）可得，煤－巖高度比d與組合體的單軸抗壓強(qiáng)度E呈正相關(guān)，煤樣在組合體中所占比例越大，其組合體的抗壓強(qiáng)度越小。

2.2 組合體聲發(fā)射特征分析

2.2.1 聲發(fā)射事件分析

研究表明，聲發(fā)射是當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到損傷和破壞時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生裂隙。聲發(fā)射信息能夠比較準(zhǔn)確地反映組合體內(nèi)部的損傷破壞情況，所以所釋放出來(lái)的應(yīng)變能。煤巖的聲發(fā)射特征能較好地描述其變形和損傷演化特性。

以上巖下煤的巖－煤（B－A型）組合方式為例，對(duì)煤巖高度比為 1∶3、1∶1、3∶1 的組合體進(jìn)行分析。各組試樣的聲發(fā)射事件曲線如圖2，當(dāng)煤－巖的高度比為1∶3時(shí)，組合體加載到第33步達(dá)到最大應(yīng)力值11.07 MPa，而聲發(fā)射數(shù)在第34步時(shí)突然增加至175，到第35步時(shí)的聲發(fā)射數(shù)都達(dá)到最大值340。高度比1∶1聲發(fā)射事件如圖3，當(dāng)煤－巖的高度比為1∶1時(shí)，組合體加載至32步時(shí)達(dá)到應(yīng)力最大值8.46 MPa，在第34步時(shí)聲發(fā)射數(shù)達(dá)到最大值為1 090次。高度比3∶1聲發(fā)射事件如圖4。隨著煤樣占比的繼續(xù)增大，煤－巖的高度比為3∶1時(shí)，當(dāng)加載至40步時(shí)組合體的應(yīng)力達(dá)到最大值7.87 MPa，此時(shí)聲發(fā)射數(shù)增加到159次，加載到第41步時(shí)聲發(fā)射數(shù)達(dá)到最大值1 541次。

圖2 高度比1∶3聲發(fā)射事件

圖3 高度比1∶1聲發(fā)身事件

圖4 高度比3∶1聲發(fā)身事件

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析當(dāng)試樣內(nèi)部發(fā)生損傷破壞時(shí)，應(yīng)力水平發(fā)生突降，試樣內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射，而試樣內(nèi)一旦出現(xiàn)裂紋，組合體的承載能力就會(huì)降低，組合體內(nèi)應(yīng)力將重分布再平衡，聲發(fā)射事件數(shù)也就必然增多。當(dāng)加載到最大應(yīng)力值附近時(shí)，聲發(fā)射較為集中，聲發(fā)射數(shù)目達(dá)到最大，兩者之間呈現(xiàn)出正相關(guān)，說(shuō)明聲發(fā)射與應(yīng)力之間相互關(guān)聯(lián)。

2.2.2 聲發(fā)射能量分析

試驗(yàn)中巖樣與煤樣的模型高度比可作為實(shí)際工程中頂板與煤的組合體模型，選取上巖下煤B－A型的組合方式進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析，如圖5，在加載到20步之前，3種組合體的聲發(fā)射數(shù)目較少，聲發(fā)射累計(jì)能量大約為7×10－9MJ左右，這是由于剛開(kāi)始加載組合體內(nèi)部還未出現(xiàn)裂隙組合體產(chǎn)生的聲發(fā)射數(shù)很少。隨著荷載的增加，大約加載到32步時(shí)，試樣中加載的應(yīng)力水平達(dá)到較高水平，試樣開(kāi)始產(chǎn)生破壞，組合體內(nèi)聲發(fā)射能量均有了明顯的提高，煤與巖高度比為 1∶3 的組合體其產(chǎn)生的聲發(fā)射能量為1.01×10－7MJ，明顯高于其它2種高度比的組合，煤與巖高度比為1∶1和3∶1的聲發(fā)射能量相差不大，分別為4.27×10－8J和 2.56×10－8MJ，但 1∶1 的煤巖組合體的聲發(fā)射能量稍大。在加載到60步時(shí)3種試件均已破壞，其中高度比為1∶3的組合體聲發(fā)射累計(jì)能量為6.31×10－7MJ，而煤與巖高度比為 1∶1 的組合體聲發(fā)射累計(jì)能量為 1.54×10－7MJ，煤與巖高度比為 3∶1 的組合體聲發(fā)射累計(jì)能量 1.27×10－7MJ。因此煤與巖高度的比值會(huì)對(duì)聲發(fā)射能量產(chǎn)生顯著影響，即組合試樣中巖樣高度比例越高，聲發(fā)射信號(hào)越強(qiáng)，其產(chǎn)生的聲發(fā)射能量越多。

3 不同組合方式的煤巖組合體損傷破壞特征

3.1 不同組合方式抗壓強(qiáng)度分析

圖5 不同高度比巖-煤組合方式聲發(fā)射能量圖

對(duì)煤－巖，巖－煤，以及煤－巖－煤組合體進(jìn)行單軸壓縮模擬試驗(yàn)，在相同的煤巖高度比下得到3種組合體的抗壓強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度的大小如圖6，經(jīng)過(guò)多組不同試驗(yàn)方案得出，在煤巖高度比相同的條件下，上部為煤樣，下部為巖石的煤巖組合方式其單軸抗壓強(qiáng)度是最大的。而巖－煤、巖－煤－巖組合體的單軸抗壓強(qiáng)度依次降低。這種規(guī)律性在煤巖的高度比較小時(shí)更加明顯。當(dāng)煤與巖高度比為1∶3，煤巖組合的單軸抗壓強(qiáng)度分別為11.59 MPa，巖煤組合體的抗壓強(qiáng)度為11.07 MPa；巖－煤－巖組合體的抗壓強(qiáng)度為10.52 MPa。當(dāng)煤與巖高度比為1∶2時(shí)，煤巖組合體的抗壓強(qiáng)度為10.26 MPa，而巖－煤組合體的抗壓強(qiáng)度為9.67 MPa，巖－煤－巖組合體的抗壓強(qiáng)度僅為9.06 MPa。隨著煤巖高度比的進(jìn)一步增加，隨著煤巖高度比的增大，當(dāng)煤巖高度比為1∶1時(shí)煤巖組合體的單軸抗壓強(qiáng)度為8.47 MPa，巖煤組合體的抗壓強(qiáng)度為8.46 MPa，巖－煤－巖組合體的抗壓強(qiáng)度為8.23 MPa，3種組合方式的單軸抗壓強(qiáng)度幾乎相等，組合體的抗壓強(qiáng)度趨于同一水平?？芍诿簬r高度比相同的情況下抗壓強(qiáng)度的由大到小的組合方式依次為煤－巖、巖－煤、巖－煤－巖，當(dāng)組合體中煤樣所占的比例越來(lái)越大時(shí)，組合體的組合方式對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響越來(lái)越小。

圖6 組合體不同組合方式的強(qiáng)度示意圖

3.2 不同組合方式對(duì)組合體聲發(fā)射特征

3.2.1 聲發(fā)射事件分析

分別選取煤樣與巖石高度比為1∶2的煤－巖、巖－煤、巖－煤－巖組合體為例進(jìn)行聲發(fā)射分析。煤－巖組合體的加載步－應(yīng)力與聲發(fā)射振鈴數(shù)如圖7，該組合體在加載到第35步時(shí)，應(yīng)力達(dá)到10.26 MPa，在35步前后聲發(fā)射振鈴數(shù)也達(dá)到最大，最大值為513次。巖－煤組合方式加載步－應(yīng)力與聲發(fā)射振鈴數(shù)如圖8，當(dāng)加載到30步時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值為9.67 MPa，而聲發(fā)射振鈴數(shù)此時(shí)也達(dá)到最大值625次。巖－煤－巖的組合方式加載步－應(yīng)力與聲發(fā)射振鈴數(shù)如圖9，當(dāng)組合體加載到27步時(shí)達(dá)到最大應(yīng)力值9.06 MPa，此時(shí)聲發(fā)射數(shù)達(dá)到320次，并且當(dāng)加載到第33步時(shí)達(dá)到最大值845次。因此組合體在應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)聲發(fā)射比較活躍，一般最大聲發(fā)射數(shù)的出現(xiàn)稍滯后于應(yīng)力最大值出現(xiàn)。

圖7 煤-巖聲發(fā)射能量與應(yīng)力圖

圖8 巖-煤聲發(fā)射能量與應(yīng)力圖

圖9 巖-煤-巖聲發(fā)射能量與應(yīng)力圖

3.2.2 聲發(fā)射能量特征分析

為探究不同組合方式的聲發(fā)射能量情況，選取煤與巖高度比為1∶2的煤－巖、巖－煤、巖－煤－巖組合方式進(jìn)行聲發(fā)射能量分析。相同高度比不同組合方式聲發(fā)射能量如圖10，由圖10可以看出，每種組合方式在加載到最大應(yīng)力之前，其聲發(fā)射能量相差不大，隨著荷載的增加組合體內(nèi)部出現(xiàn)破壞，聲發(fā)射能量逐漸累積增大，其中煤－巖組合方式的聲發(fā)射能量增長(zhǎng)明顯，最終其聲發(fā)射累積能量達(dá)到最大2.17×10－6MJ，而巖－煤組合方式的聲發(fā)射累積能量次之為 1.11×10－6MJ，巖－煤－巖的組合方式所產(chǎn)生的聲發(fā)射能量最小為 9.31×10－7MJ。可以發(fā)現(xiàn)組合體產(chǎn)生的聲發(fā)射能量與其抗壓強(qiáng)度成正比，即抗壓強(qiáng)度越大所產(chǎn)生的聲發(fā)射能量也就越多。

圖10 相同高度比不同組合方式聲發(fā)射能量

4 結(jié)論

1）隨著煤樣在組合體中高度比的增大，組合體的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。

2）巖樣與煤樣的高度比值會(huì)對(duì)聲發(fā)射能量產(chǎn)生顯著影響，即組合體中巖樣的比例越高，聲發(fā)射信號(hào)越強(qiáng)，能量也越多。

3）在煤巖高度比相同的情況下組合體抗壓強(qiáng)度由大到小的組合方式依次為煤-巖、巖-煤、巖-煤-巖，當(dāng)組合體中煤樣所占的比例越來(lái)越大時(shí)，組合方式對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響越來(lái)越小。

4）組合體的聲發(fā)射能量與其抗壓強(qiáng)度的大小成正比，即，抗壓強(qiáng)度越大，所產(chǎn)生的聲發(fā)射能量也就越多。