傾角影響下煤巖組合體的力學(xué)及聲發(fā)射能量特性

肖福坤， 邢 樂， 侯志遠(yuǎn)， 李仁和， 徐 雷

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱150022)

0 引 言

沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的主要原因是工程地質(zhì)體組成的力學(xué)系統(tǒng)整體發(fā)生災(zāi)變失穩(wěn)。對(duì)于煤礦災(zāi)害而言，實(shí)質(zhì)就是“巖體-煤體”組合系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)在開采擾動(dòng)過程中突然發(fā)生破壞，而非單一巖體或煤體的破壞。因此，研究煤巖組合體的整體變形與破壞規(guī)律對(duì)于防治沖擊地壓具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

張澤天等[1]通過對(duì)3種組合方式煤巖進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤巖組合體中破壞主要集中在煤組分，與組合方式和加載接觸方式無關(guān)。周元超等[2]通過進(jìn)行不同高度比的煤巖體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單軸抗壓強(qiáng)度與煤樣占比呈反比例關(guān)系。蘭永偉等[3]通過對(duì)砂巖和煤的不同組合研究發(fā)現(xiàn)，在煤組分占比相同的情況下，細(xì)砂巖的高度比越大，組合體峰前積聚的變形能越多；粗砂巖的高度比越大，峰后消耗的變形能越多。陳光波等[4-5]通過進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)煤巖組合中積聚的能量主要分布在煤層中,且組合系統(tǒng)中巖層強(qiáng)度越大,積聚能量就越少。左建平等[6-7]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)煤巖組合體破裂過程進(jìn)行了演化，劉剛等[8-9]使用數(shù)值模擬軟件對(duì)三硬煤巖組合體的沖擊傾向性進(jìn)行了分析。

學(xué)者們分別從力學(xué)特性和能量積聚方面對(duì)煤巖組合體進(jìn)行了深入的研究[10-12]，但選擇的組合體均是傾角為0°的情況。地下賦存環(huán)境復(fù)雜，煤巖組合往往存在一定的傾角，受傾角影響，煤巖組合體性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。郭東明等[13-14]、付斌等[15-16]對(duì)不同傾角下煤巖組合體的性質(zhì)進(jìn)行了初步的探究，取得了一定成果，但具體特性還需要進(jìn)一步的研究，包括煤巖組合力學(xué)參數(shù)和積聚能量受傾角影響會(huì)如何變化。筆者以數(shù)值模擬為手段，從抗壓強(qiáng)度、彈性模量、聲發(fā)射能量角度開展了傾角影響下煤巖組合體模擬實(shí)驗(yàn)研究，以期能為防止沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生提供一定幫助。

1 模型的建立

1.1 模型參數(shù)

煤巖組合體在受載過程中其內(nèi)部會(huì)不斷產(chǎn)生微裂紋，煤巖組合體的破壞是內(nèi)部微裂紋萌發(fā)、擴(kuò)展、貫通，最終形成宏觀破裂的過程。RFPA2D可以將材料離散化成由細(xì)觀單元組成的模型，通過細(xì)觀單元的變化來表征宏觀材料的變化，符合煤巖組合體的破裂過程。一般實(shí)驗(yàn)室測量得到的參數(shù)為材料的宏觀參數(shù)，由于RFPA2D模擬是用細(xì)觀變化來表示宏觀變化，所以在進(jìn)行RFPA2D模擬時(shí)需要輸入材料的細(xì)觀參數(shù)，轉(zhuǎn)換公式如下：

fhg/fxg=0.260 2lnm+0.023 3,

(1)

Ehg/Exg=0.141 2lnm+0.647 6,

(2)

式中：fhg、fxg——實(shí)驗(yàn)室測量得到的真實(shí)強(qiáng)度和需要輸入的細(xì)觀強(qiáng)度；

Ehg、Exg——實(shí)驗(yàn)室測量得到真實(shí)的彈性模量和需要輸入的細(xì)觀彈性模量；

m——均值度系數(shù)，取1.2≤m≤50.0。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

文中研究的主要內(nèi)容是傾角影響下煤巖組合體力學(xué)特性和聲發(fā)射能量變化，研究對(duì)象為煤巖組合體，傾角α選擇0°、15°、30°、45°、60°，模型尺寸為50 mm×100 mm。模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)主要來源于實(shí)驗(yàn)室的測量，具體參數(shù)如表1所示，其中，p為單軸抗壓強(qiáng)度，E為彈性模量，μ為泊松比，θ為內(nèi)摩擦角。每種傾角組合體進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)，取平均值。加載模型見圖1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

圖1 加載模型Fig. 1 Load model

2 煤巖組合體力學(xué)特性

2.1 力學(xué)特性

圖2是不同傾角下煤巖組合體的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€，從圖2可以看出，組合體傾角為0°、15°、30°時(shí)曲線形態(tài)大致相似，傾角為45°、60°時(shí)曲線形態(tài)大致相似。傾角較小時(shí)，煤巖組合表現(xiàn)出脆性破壞特征，隨著傾角的增加，逐漸由脆性破壞向延性破壞特征轉(zhuǎn)化。當(dāng)傾角為0°時(shí)，煤巖組合體達(dá)到峰值強(qiáng)度后應(yīng)力迅速跌落至0，而當(dāng)傾角為15°和30°時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到峰值后雖然也會(huì)迅速跌落，但不會(huì)跌落至0，存在一小部分殘余強(qiáng)度，說明受傾角影響，煤巖組合體的力學(xué)特性逐漸發(fā)生了改變。當(dāng)傾角增加到45°時(shí)，一方面峰值強(qiáng)度較30°時(shí)下降幅度為50%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出之前的下降速度；另一方面應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生了改變。原因是隨著傾角的增大，組合體的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力呈減小趨勢，使得組合體的固有力學(xué)屬性降低。另外由于煤巖結(jié)構(gòu)面存在，當(dāng)結(jié)構(gòu)面角度逐漸增加，使組合體更易產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)面滑移趨勢，結(jié)合破壞形態(tài)圖4，當(dāng)組合體傾角達(dá)到45°時(shí)，微裂紋首先出現(xiàn)在煤組分內(nèi)，隨著載荷加載，裂紋沿著結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展，直至破裂。說明此時(shí)的破壞是壓剪和滑移共同作用的結(jié)果，而0°、15°、30°時(shí)破壞形態(tài)主要是壓剪破壞，因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生改變。當(dāng)組合體傾角為60°時(shí)，峰前和峰后各出現(xiàn)一次應(yīng)力跌落，殘余強(qiáng)度保持在一個(gè)相當(dāng)高的水平。產(chǎn)生應(yīng)力跌落的原因可能是組合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)未完全破壞，繼續(xù)發(fā)生破裂所致。

圖2 不同傾角下煤巖組合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of coal-rock assemblages with different dip angles

不同傾角下煤巖組合體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化曲線如圖3所示。由圖3可知，受傾角影響，組合體抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化明顯。隨著傾角的增加，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量都呈現(xiàn)下降趨勢。組合體傾角為0°時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度最大，為25.58 MPa；15°時(shí)抗壓強(qiáng)度為23.79 MPa，較0°下降7.01%；30°時(shí)為22.54 MPa，下降幅度為5.25%；當(dāng)傾角為45°時(shí)，下降幅度突然加大，達(dá)到34.92%；傾角60°時(shí)為9.19 MPa，較45°時(shí)下降37.36%。可以看出，傾角在0°～30°之間，抗壓強(qiáng)度緩慢減??；30°～60°之間，抗壓強(qiáng)度迅速減小。彈性模量隨著傾角的增加，下降幅度分別為1.42%、0.54%，22.42%、24.01%，總體下降趨勢和抗壓強(qiáng)度相同，下降幅度較抗壓強(qiáng)度小。不同傾角下煤巖組合體的模擬結(jié)果見表2。

表2 不同傾角下煤巖組合體的模擬結(jié)果

圖3 不同傾角下單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化曲線Fig. 3 Variation curves of uniaxial compressive strength and elastic modulus at different dip angles

2.2 破壞形態(tài)

圖4是0°、15° 、30° 、45°、60°傾角影響下煤巖組合體的破壞形態(tài)。為了詳細(xì)描寫持續(xù)施加載荷時(shí)組合體逐步發(fā)生破裂的過程，在破裂形態(tài)圖中使用了3種顏色的曲線，逐步描繪裂紋萌生、擴(kuò)展、最后形成宏觀裂紋的過程。紅色表示第1步裂紋萌生形態(tài)；綠色表示第2步裂紋擴(kuò)展情況；藍(lán)色表示第3步宏觀裂紋顯現(xiàn)情況。

圖4a是煤巖組合體傾角為0°時(shí)的破壞形態(tài)，初始施加載荷，煤組分中就先產(chǎn)生了許多破裂單元，其中最為明顯的是圖中兩條紅色曲線處的裂紋。隨著載荷持續(xù)增加，裂紋逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致右下方一塊體出現(xiàn)脫落。繼續(xù)施加，藍(lán)色曲線處許多單元體發(fā)生破裂，逐漸匯聚形成一條宏觀裂紋，隨后導(dǎo)致煤巖組合體發(fā)生單剪切破壞。圖4b是煤巖組合體傾角為15°時(shí)的破壞形態(tài)，首先出現(xiàn)3條短紅色裂紋，接著左側(cè)裂紋一部分向下方擴(kuò)展，一部分向上方擴(kuò)展，一直到煤巖交界面停止，同時(shí)在底部中處一條裂紋有向右擴(kuò)展的趨勢。繼續(xù)施加載荷，煤組分左側(cè)3條裂紋匯合一處，右側(cè)逐漸顯現(xiàn)一條藍(lán)色宏觀裂紋，左右裂紋匯合，最終煤巖組合體發(fā)生“對(duì)號(hào)”狀剪切破壞狀。圖4c是煤巖組合體傾角為30°時(shí)的破壞形態(tài)，煤組分左下角先出現(xiàn)兩條平行短裂紋，一條長裂紋串聯(lián)這兩條短裂紋，繼續(xù)向右上角擴(kuò)展，一直到煤巖交界面處停止，宏觀裂紋顯現(xiàn)，組合體發(fā)生破壞。圖4d是煤巖組合體傾角為45°時(shí)的破壞形態(tài)，此時(shí)破壞形式和之前不同，先在煤巖交界面下方出現(xiàn)了3條豎直裂紋，隨著載荷加大，出現(xiàn)了更多的豎直短裂紋，交界面上部分也出現(xiàn)了部分短裂紋，之前最左側(cè)裂紋逐漸擴(kuò)展到左邊界。交界面裂紋逐漸貫通，煤組分內(nèi)部也出現(xiàn)大面積破裂。該破裂方式是交界面滑移和壓剪共同作用的結(jié)果。圖4e是煤巖組合體傾角為60°時(shí)的破壞形態(tài)。此時(shí)的破壞方式與之前有很大不同，巖組分和煤組分內(nèi)部幾乎不發(fā)生破壞。在煤巖交界面出現(xiàn)一些短裂紋，隨著載荷的增大，裂紋繼續(xù)隨著交界面擴(kuò)展，直到煤巖組合體發(fā)生破壞。

圖4 不同傾角下煤巖組合體破壞形態(tài) Fig. 4 Failure pattern of coal-rock mass with different dip angles

結(jié)合不同傾角下煤巖組合體的破壞形態(tài)圖可以看出，隨著傾角的增加，破壞方式發(fā)生了改變，由剪切破壞向交界面滑移破壞轉(zhuǎn)化，破壞區(qū)域由煤組分逐漸向結(jié)構(gòu)面過渡。傾角較小時(shí)，交界面效應(yīng)影響小，組合體的破壞主要受自身材料差異的影響，隨著角度的增大，交界面效應(yīng)增強(qiáng)，滑移錯(cuò)動(dòng)成為主要的破壞方式。

3 煤巖組合體聲發(fā)射能量

煤巖組合體破壞失穩(wěn)的過程是不斷向外界釋放能量的過程，利用聲發(fā)射技術(shù)能監(jiān)測到組合體發(fā)出的彈性波，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成聲發(fā)射信號(hào)可以表征煤巖組合體的破裂過程。由于受傾角影響，煤巖組合體的力學(xué)屬性發(fā)生改變，那么聲發(fā)射信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變。為了研究傾角影響下煤巖組合體的能量釋放變化情況，文中選擇了3個(gè)參數(shù)：聲發(fā)射累積能量EA、峰值聲發(fā)射能量Ep和峰前、峰后的聲發(fā)射累積能量(EPB、EPA)。不同傾角下的聲發(fā)射累積能量見表3。

表3 不同傾角下的聲發(fā)射累積能量

聲發(fā)射累積能量用來表征組合體在破壞過程中的能量變化情況，圖5 為不同傾角下煤巖組合體的聲發(fā)射累積能量，從整體看，聲發(fā)射累積能量值呈現(xiàn)減小趨勢，主要原因是受傾角影響，組合體的力學(xué)屬性發(fā)生變化。傾角小于30°時(shí)，聲發(fā)射累積能量值先緩慢增加再減小，30°～45°之間大幅度下降，45°～60°下降幅度略微加快。出現(xiàn)大幅度下降的原因是破壞方式的改變，由以剪切破壞為主導(dǎo)轉(zhuǎn)化為剪切和交界面滑移摩擦共同影響所導(dǎo)致的破壞，另外發(fā)生剪切破壞時(shí)釋放的能量比滑移破壞釋放的能量大，所以聲發(fā)射累積能量值出現(xiàn)大幅下降。

圖5 不同傾角下煤巖組合體聲發(fā)射累計(jì)能量Fig. 5 Acoustic emission cumulative energy of coal-rock assemblages with different dip angles

圖6是不同傾角下煤巖組合體峰值時(shí)刻聲發(fā)射能量，峰值時(shí)刻產(chǎn)生變形量大，能量釋放最為激烈。記峰值時(shí)刻聲發(fā)射能量占累計(jì)能量百分比為K。從圖6可以看出，峰值聲發(fā)射能量隨傾角的增加先緩慢減小再迅速減小后又緩慢減小。傾角在30°之前，峰值能量占累積能量的比重相當(dāng)高，30°～45°時(shí)迅速下降，超過45°時(shí)比重保持在一個(gè)較低水平。

圖6 不同傾角下煤巖組合體峰值聲發(fā)射能量 Fig. 6 Peak acoustic emission energy of coal-rock assemblages with different dip angles

圖7 是0°、15°、30°、45°、60°傾角下煤巖組合體峰前和峰后聲發(fā)射累積能量占比，分別記為KB和KA。可以看出，受傾角影響，峰前聲發(fā)射累積能量值總體呈現(xiàn)下降—保持區(qū)間—下降的趨勢，峰后聲發(fā)射累積能量總體呈現(xiàn)上升—保持區(qū)間—上升的趨勢。傾角在15°之前，峰前累積能量下降幅度大，15°～45°之間，峰前累積能量保持在一個(gè)合理的區(qū)間，45°～60°之間，繼續(xù)大幅下降。分析大幅下降原因?yàn)?°～15°之間以剪切破壞為主導(dǎo)，交界面影響小，近似為受單一影響，只發(fā)生剪切破壞；45°～60°時(shí)近似為只是沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移。15°～45°時(shí)是壓剪和滑移共同作用的結(jié)果?？赡苁懿牧暇刀扔绊?，傾角30°時(shí)峰前累積能量占比高于傾角為15°。聲發(fā)射累積能量也可以反映煤巖組合體發(fā)生沖擊地壓的可能性。傾角為0°時(shí)，峰前聲發(fā)射累積能量占比94.99%，峰后占比5.01%。說明在煤巖組合體發(fā)生破壞時(shí)，積聚的彈性能可能會(huì)在瞬間大量釋放，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。而當(dāng)組合體傾角為60°時(shí)，峰前聲發(fā)射累積能量占57.79%，峰后占比42.21%，此時(shí)發(fā)生沖擊地壓的可能性就相對(duì)減小。

圖7 峰前階段和峰后階段累積能量占比Fig. 7 Pre-peak stage and post-peak stage cumulative energy percentage

4 結(jié) 論

(1)不同煤巖組合體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線前期大致相似，后期受傾角影響，曲線形態(tài)發(fā)生變化。隨著傾角的增加，組合體單軸抗壓強(qiáng)度先緩慢減小，再迅速減小，彈性模量和抗壓強(qiáng)度趨勢相同，但幅度略小。組合體破壞方式由剪切破壞逐漸向交界面滑移破壞轉(zhuǎn)化，破壞區(qū)域由煤組分逐漸向結(jié)構(gòu)面過渡。

(2)在傾角影響下，聲發(fā)射累積能量值呈現(xiàn)下降趨勢，峰值聲發(fā)射能量值逐漸減小，峰前聲發(fā)射累積能量總體呈現(xiàn)下降—保持區(qū)間—下降的趨勢，峰后聲發(fā)射累積能量總體呈現(xiàn)上升—保持區(qū)間—上升的趨勢，組合體沖擊傾向性逐漸減小。