单轴荷载下类煤岩组合体变形规律及破坏机理.pdf

第4 5 卷第5 期 2 0 2 0 年5 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．5 M a y 2 0 2 0 移动阅读 李成杰，徐颖，冯明明，等．单轴荷载下类煤岩组合体变形规律及破坏机理[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 5 1 7 7 3 1 7 8 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．0 6 2 5 L IC h e n g i i e ，X UY i n g ，F E N GM i n g m i n g ，e ta 1 ．D e f o r m a t i o nl a wa n df a i l u r em e c h a n i s mo fc o a l - r o c k - l i k ec o m b i n e db o d y u n d e ru n i a x i a ll o a d i n g [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 5 1 7 7 3 1 7 8 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ． 2 0 1 9 ．0 6 2 5 单轴荷载下类煤岩组合体变形规律及破坏机理 李成杰1 ，徐颖1 , 2 ，冯明明1 ，潘斌1 1 ．安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要煤岩组合体由于组成结构不同，其变形破坏过程表现出与单体不同的特性。为探究煤岩组 合体整体破坏过程中的变形与破坏规律，特别是组合体不同位置处的径向变形与扩容特征，以加工 制作的类煤岩组合体为研究对象，采用静态应变测试系统与R M T 岩石力学试验系统开展单轴压缩 试验。利用沿轴向不同位置处粘贴的径向应变片与煤、岩体中部的轴向应变片获得了试件峰前段 的应变特征，并分析了组合体试件煤体部分的扩容特性。通过对破坏后的试件进行剥离分解，阐述 了组合体试件整体失稳过程中的裂纹扩展与破坏机理。研究表明组合体不同位置径向应变不同， 靠近煤体端部处应变最大，煤体中部次之，结合面处大于岩体部分，岩体中部最小，说明组合体煤体 与岩体两部分变形受到彼此影响。应力峰前段组合体煤体部分径向变形受到岩体部分限制作用较 显著，峰后段岩体部分破坏则明显受到煤体部分劈裂拉伸作用。在岩体部分限制作用下，相对煤单 体，组合体中煤体部分扩容段变化较为平缓，在进入扩容阶段后可承受更久的荷载作用，且扩容点 体积应变偏小，破坏机制的不同使得组合体整体冲击倾向性有所减弱。在对煤岩复合岩体开挖时， 应加强距结合面相对较远处煤体的支护，同时应避免煤体部分破坏后裂隙扩展贯穿结合面所导致 的岩体破坏情况。以保证围岩整体的稳定。 关键词煤岩组合体；径向变形；泊松效应；扩容；劈裂破坏 中图分类号T D 3 1 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 5 1 7 7 3 - 1 0 D e f o r m a t i o nl a wa n df a i l u r em e c h a n i s mo fc o a l ．r o c k ．1 i k ec o m b i n e d b o d yu n d e ru n i a x i a ll o a d i n g L IC h e n g j i e l ，X UY i n 9 1 ”，F E N GM i n g m i n 9 1 ，P A NB i n l I ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 。C h i n a ；2 ．E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro ft i n - d e r g r o u n d 胁，l eC o n s t r u c t i o n ，M i n i s t r yo f E d u c a t i o n ，A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r ep r o c e s so fc o a l r o c kc o m b i n e db o d ys h o w sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sf r o mt h es i n ．． g l eb o d yb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tc o m p o s i t i o ns t r u c t u r e ．I no r d e rt oe x p l o r et h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r el a w so ft h eo v e r - M If a i l u r ep r o c e s s ，e s p e c i a l l yt h er a d i a ld e f o r m a t i o na n de x p a n s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa tt h ed i f f e r e n tp o s i t i o n so ft h eC O B - b i n e db o d y ，t h es t a t i cs t r a i n t e s t i n gs y s t e ma n dR M T r o c km e c h a n i c st e s t i n gs y s t e mw e r eu s e dt oc a r r yo u tu n i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s tf o rc o a l - r o c k - l i k ec o m b i n e db o d y ．T h es t r a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m b i n e ds p e c i m e nb e f o r ei t su h i - m a t es t a t ew e r eo b t a i n e db yt h er a d i a ls t r a i ng a u g e sa t t a c h e da td i f f e r e n tp o s i t i o n sa l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o na n dt h ea x i - a ls t r a i ng a u g e si nt h em i d d l eo ft h ec o a lo rr o c ks e c t i o n ，a n dt h ee x p a n s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o a ls e c t i o no fc o m - 收稿日期2 0 1 9 0 5 1 1修回日期2 0 1 9 - 0 8 - 0 9责任编辑陶赛 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 3 7 4 0 1 2 ，5 11 7 4 0 0 4 作者简介李成杰 1 9 9 2 一 ，男，安徽灵璧人，博士研究生。E m a i l 6 5 1 8 3 2 8 6 1 q q ．t o m 通讯作者徐颖 1 9 6 5 一 ，男，安徽泗县人，教授，博士生导师。E - m a i l y x u a u s t ．e d u ．c n 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 b i n e ds a m p l ew e r ea n a l y z e d ．B yp e e l i n ga n df r a g m e n t i n gt h ed a m a g e ds p e c i m e n ，t h ec r a c kp r o p a g a t i o na n df a i l u r e m e c h a n i s md u r i n gt h eo v e r a l li n s t a b i l i t yw e r ed e s c r i b e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a d i a ls t r a i n sa td i f f e r e n tp o s i t i o n si n c o m b i n e db o d yi sd i f f e r e n t ，t h es t r a i n sf r o ml a r g et os m a l lo r d e ra r en e a rt h ee n do ft h ec o a ls e c t i o n ，i nt h em i d d l eo f t h ec o a ls e c t i o n ，a tt h ei o i n ts u r f a c e ，a n di nt h em i d d l eo ft h er o c ks e c t i o n ，i n d i c a t i n gt h a tt h ed e f o r m a t i o no fc o a la n d r o c ks e c t i o na r ei n f l u e n c e db ye a c ho t h e r ．T h er a d i a ld e f o r m a t i o no ft h ec o a ls e c t i o ni so b v i o u s l yr e s t r i c t e db yt h er o c k s e c t i o no fc o m b i n e db o d yi nt h ep r e p e a ks t a g eo fs t r e s s s t r a i nc u r v e ，w h i l et h er o c ks e c t i o no fc o m b i n e db o d yi so b v i - o u s l ys u b j e c t e dt ot h es p l i t t i n ga n ds t r e t c h i n ga c t i o no fc o a ls e c t i o ni nt h ep o s t - p e a ks t a g eo fs t r e s s - s t r a i nc u r v e ．U n d e r t h er e s t r i c t i o no ft h er o c ks e c t i o n ，t h ee x p a n s i o ns t a g eo ft h ec o a ls e c t i o ni sr e l a t i v e l yf l a tc o m p a r e dw i t ht h es i n g l ec o a l b o d y ，a n dt h ec o a ls e c t i o nw h i c hh a sas m a l l e rv o l u m es t r a i na te x p a n s i o np o i n tc a nw i t h s t a n dl o n g e r - l a s t i n gl o a d sa f t e r e n t e r i n gt h ee x p a n s i o ns t a g e ．T h eb u r s t i n gt e n d e n c yo fc o m b i n e db o d yi sw e a k e rt h a nt h a to fs i n g l eb o d yb e c a u s eo ft h e d i f f e r e n tf a i l u r em e c h a n i s m s ．I nt h ee x c a v a t i o no ft h ec o a l - r o c kc o m b i n e dr o c km a s s ，t h ec o a lb o d yw i t had i s t a n c ef r o m t h ej o i n ts u r f a c es h o u l db es u p p o s e di n t e n s i v e l y ，a n dt h ef a i l u r eo fr o c km a s sc a u s e db yt h ef r a c t u r ep r o p a g a t i o no f c o a lt h r o u g ht h ej o i n t e ds u r f a c es h o u l db ea v o i d e di no r d e rt oe n s u r et h eo v e r a l ls t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c km a s s ． K e yw o r d s c o a l - r o c kc o m b i n e db o d y ；P o i s s o ne f f e c t ；e x p a n s i o n ；s p l i t t i n gf a i l u r e 我国的煤炭储量和开采量在世界上均位居前列， 在未来较长一段时间内，煤炭仍将作为我国的主体能 源⋯。煤矿开采过程中，工作面煤层与顶底板、煤柱 与顶底板、半煤岩巷道煤层与岩层【2o 等均形成煤岩 组合体整体受力变形状态。煤岩组合体变形与破坏 特性与单一岩体有所区别“ J ，研究发现煤岩组合体 受到组分强度H ] 、结合面参数“ 娟】、组合方式[ 7 。8 1 等多 种因素影响。 郭东明等一1 采用摩尔强度理论对煤岩组合体的 应力、应变及煤岩组合体强度进行了计算分析，得出 煤岩组合在单轴压缩应力状态下，在交界层面处岩石 的强度降低而煤的强度提高。可见岩体部分与煤体 部分在结合面处彼此影响。刘杰等训试验发现组合 试样应力一应变曲线位于煤和岩石之间，且更加靠近 煤体，这说明组合体强度是以强度较弱的煤体为主， 而不是简单的“取平均”。对于组合体变形特征亦是 如此，以半煤岩巷道为例，采煤工作面或半煤岩巷道 形成后，在整体受力情况下，周围煤岩体往往产生较 大的径向变形甚至发生扩容而使巷道或工作面空间 产生较大收敛，影响安全生产。巷道周边煤层与岩层 部分由于岩性的不同，其变形会有所差异。余伟健 等‘n - J 2 ] 现场监测发现半煤岩巷道中煤帮变形比岩帮 大，针对特定的变形给予特定的支护可以节省材料达 到较好的支护效果。金淦等列采用A b a q u s 软件研 究了不同煤岩界面位置与不同煤岩界面倾角下巷道 变形破坏规律，发现巷道开挖后在煤层位置处的巷道 帮部变形破坏较大，且随着煤层倾角的增加，巷道整 体变形减小，仅在煤层位置处出现局部较大变形。显 然，较软的煤层向巷道内位移量大于岩层，要达到较 好的支护效果，针对不同的变形情况应采用合理的支 护方式。由此可见，研究煤岩组合体不同位置的变形 情况，特别是径向变形具有一定的意义。左建平 等【1 4 - 1 6 ] 对煤岩组合体整个变形破坏过程轴向裂纹应 变进行了细致的分析，并建立了峰前、峰后及整个过 程的应力一应变本构模型，但没有具体分析不同位置 径向应变特征。L I U 等7 1 通过粘贴应变片方式测量 了煤岩组合体中岩体部分的轴向变形情况，通过整体 轴向应变推算了煤体部分轴向应变，但未测试径向应 变情况。因此，目前有必要对组合体径向变形特征作 进一步研究。 煤岩组合体破坏过程中，一般是强度较低的煤体 部分变形破坏较为严重。王宁等副分析了6 个不同 加载速率下堆叠形式的煤岩组合体变形破坏特征，发 现均以煤体破坏为主，并根据破坏的剧烈程度将组合 体破坏分为为渐进破坏、劈裂破坏和整体失稳破坏3 种形式。在一定条件下煤体破坏会引起岩体部分的 破坏，左建平等【l 引试验发现单轴条件下煤岩组合体 的破坏以劈裂破坏为主，煤体内部裂纹的高速扩展有 可能贯通到岩石中去，从而导致岩石的破坏。文献 [ 1 0 ] 表明，相同煤体条件下，岩石的强度较低时，组 合试样裂纹会向岩石内扩展，同时岩石发生拉伸破 坏，岩石强度较大时，破裂主要发生在煤体内。 Z H A O 等Ⅲ1 基于能量等效原理，建立了煤岩组合体 的等效均质模型及其应力状态表达式，并提出了考虑 煤与软岩界面黏结强度的一般压剪破坏准则。可见 煤层破坏很有可能会导致与其相邻岩层的破坏，继而 影响巷道或顶底板的稳定性。对煤岩组合体的整体 破坏特征研究有利于对煤岩组合岩层巷道或采掘工 作面变形破坏的认识。 由于很难获得与现场具有相同结合面特征的组 万方数据 第5 期李成杰等单轴荷载下类煤岩组合体变形规律及破坏机理 合体试件，在制作煤岩组合体时一般使用胶水等黏结 剂黏结，或者直接堆叠，而实际中煤层与岩层之间并 不是单纯的叠加，岩层在结合面处存在一定的过渡， 例如煤层与直接顶岩层之间的伪顶，或介于煤与岩石 之间的煤矸石等。为此，笔者以浇筑加工制成的具有 上述过渡性结合面的类煤岩组合体为研究对象，分析 其沿轴向不同位置处径向变形与扩容特征，及整体破 坏机制，可为真实煤岩组合体试样提供参照，为煤岩 组合岩层变形规律及支护提供一定的理论依据。 1 试验概述 1 ．1 试件制作 单体及组合体标准试件取自较大立方体试块，试 块在实验室内浇筑完成。其中，煤体部分由煤粉与水 泥胶结制成，质量比为水泥煤粉水 1 2 ．5 l ，煤粉过筛尺寸1 ．2 5n l m 1 ．2 5m m 。岩体部分为水 泥砂浆，质量比为水泥河砂水 1 1 ．5 0 ．5 ， 河砂过筛尺寸为2 ．5m m 2 ．5m i l l 。试块在边长为 1 5 0i l l n l 立方体试模内分两部分浇筑，中间通过薄隔 板隔开，待振捣完成后缓慢抽出隔板，使煤、岩体自然 接触至凝固。在室内养护至2 8d 后，垂直于结合面 取芯并加工成直径5 0m m ，长1 0 0m m 的标准试件，2 种组分高度均为5 0m m ，加工成品如图1 所示，详细 制作流程参见文献[ 2 1 ] 。试验前挑选外观较好的试 件，并测得试件的密度与波速见表1 。组合体密度为 两种单体密度的平均值，而组合体波速小于两种单体 平均值，这可能是因为在制作组合体试件时，结合面 处两种成分互浸或拔出隔板时存在扰动，也说明了所 制作组合体试件结合面处存在渐变性质。 a 单体 b 组合体 c 组合体 用于劈裂试验 图】试件样品 F i g ．1S p e c i m e ns a m p l e s 表1 试件密度与波速 T a b l e1 D e n s i t ya n dw a v ev e l o c i t yo fs p e c i m e n s 1 ．2 试验方案 本试验在安徽理工大学R M T - 1 5 0 B 岩石力学 试验系统进行。试验前对试件粘贴应变片，应变片 在单体试件中部沿着轴向与径向垂直分布，组合体 轴向应变片分别贴于两个部分中部，5 个径向应变 片等问距布置，具体粘贴方式及编号如图1 b 所 示。一般情况下，岩石变形试验时为避免测试误差 至少粘贴1 对应变片来测量某位置处应变，本试验 考虑到粘贴过多应变片时胶水使用过多可能会对 试件表面变形产生影响，因此只粘贴一组，而通过 增加试验试件个数来达到减小误差的目的。基于 同样原因，本试验轴向应变片只粘贴于煤、岩体中 部。采用C M 一2 B 一6 4 静态电阻应变仪测试应变。 在检查确定应变仪与应变片接线连接正常后，先通 过试验机对试件预加载，预加载完成后同时开启应 变测试系统测试与R M T 试验系统加载。加载方式 采用控制位移的形式，考虑到应变仪数据记录频率 为1H z ，为避免测得数据点过少，加载速度设为 0 ．0 0 2m m ／s 。除单轴压缩试验外，还对单体及组合 体试件进行了巴西劈裂试验。 2 试验结果 2 ．1 应力一应变关系 3 种试件应力一应变曲线如图2 所示，可以发现， 采用上述方法所制得的试件均一性较好。根据应力 应变曲线可将试件变形分为4 个阶段心2 I ，如图2 b 所示。组合体强度略大于煤单体，说明组合体强度主 要取决于强度较弱的煤体。煤单体与岩单体平均轴 向峰值应变分别为0 ．0 1 3 和0 ．0 1 4 ，组合体轴向峰值 应变约为0 ．o l1 ，之所以小于两个单体，是因为组合 体中岩体部分在荷载作用下只处于加载初始阶段，并 没有发生充分变形。在应力应变曲线峰后段，两种单 体均出现一定程度应力跌落现象，组合体峰后段连续 性则较好，由冲击能量指数。2 3 ‘2 4o 定义，即单轴压缩状 态下，试样的全应力应变曲线中，峰值前积蓄的变形 能与峰值后耗损的变形能之比，得到3 种试件的冲击 能量指数见表2 。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 ￡ 要 R 翻 厘 暴 7 0 6 0 订5 0 山 蒌4 0 - 毯I N 3 0 暴2 0 1 0 00 0 500 1 0O ．0 1 50 ．0 2 00 ．0 2 5 轴向应变 a 煤单体及组合体 000 0 50 ．0 1 00 ．0 1 50 ．0 2 0 轴向应变 b 岩体 图2 应力一应变曲线 F i g ．2 S t r e s s s t r a i nc 1 ／r v e s 表2 试件力学参数 T a b l e2M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fs p e c i m e n s 由表2 可见，岩单体试件冲击倾向性大于煤单 体，组合体试件的冲击倾向性弱于两种单体。由下文 2 ．2 ．3 节试件体积变形规律及2 ．3 节试件破坏形态 可知，组合体破坏以煤体部分为主，煤体部分从开始 扩容至达到组合体峰值应力时持续更长时间，在岩体 部分的限制作用下，煤体部分破坏机制破生了变化， 因而整体冲击倾向性变弱。 试验得到试件相关力学参数见表2 ，其中组合体 试件的弹性模量为视在弹性模量。25 【，组合体抗拉强 度指结合面抗拉强度。煤体 白松比大于岩体，前者弹 性模量则小于后者，组合体弹性模量大于煤单体而又 小于岩体。结合面处抗拉强度大于煤体而小于岩体， 且与煤体更为接近。由表中参数可见，类煤、岩单体 与真实煤、岩石较为相似’2 ⋯，对其开展相关研究有一 定的意义。 2 ．2 组合体变形特征分析 应变仪测得的3 种试件的应变变化如图3 所示。 值得一提的是，应变片与试验机测得的应变存在一定 差距，试验机所测应变反映的是试件整体，应变片测 得的应变为试件中部粘贴应变片部位平均应变，上述 差距可能由试件轴向不均匀变形引起。下面主要根 据应变仪采集的数据对3 种试件的应变特征进行分 析。 n 呈 制 倒 n 皇 制 翻 图33 种试件应变变化 F i g ．3 S t r a i nv a r i a t i o no fs p e c i m e n s 2 ．2 ．1 轴向应变与径向应变 由图3 a ， b 可知，单体试件的轴向应变在压 密段增加速率逐渐变大，从进入弹性段至峰前破坏段 前，两种岩体轴向应变呈线性变化，这与试验采用位 移控制方式有关。煤体与岩体径向应变在初始阶段 增加速率亦逐渐增大，且前者相对要明显，弹性段增 4 2 O 8 6 4 2 0 万方数据 第5 期李成杰等单轴荷载下类煤岩组合体变形规律及破坏机理 加速率基本不变，在进入峰前破坏段时煤体径向应变 增长速率有所增加。相对于煤体，岩体更近似于弹性 体。峰值点后，试件变形加剧，之后应变片脱离试件 或所测部位块体脱离主体而产生回弹。 对于组合体，如图3 c 所示，不同位置轴向与径 向应变变化规律不同。无论是轴向应变还是径向应 变，煤体部分均大于岩体部分。煤体部分轴向应变呈 线性变化，岩体部分轴向应变要小得多。两部分径向 应变在压密段内增加较缓，进人弹性段后才开始显著 增加，煤体部分径向应变呈加速增加趋势，且越靠近 煤体端部，增加速率越大，如图3 C 中3 ，4 ，5 号位置 应变值。为便于直观地比较组合体沿轴向不同位置 处的径向应变大小，取峰值点P 处对应的径向应变 进行分析，以岩体端部为0 位置，5 个不同位置处的 径向应变分布如图4 所示。煤体部分3 号位置径向 应变大于4 号位置，岩体部分7 号位置大于6 号位 置，5 号位置处应变反映的是两部分综合变形的结 果，其值约为4 号和6 号位置处径向应变的平均值。 1 0 0 8 0 篮一7 d 箍 坚4 0 堪一 斟2 0 0 I I I 户■1 0兀61 ．21 ．82 ． 一／ 径向应变／l o 3 { 4 图4 组合体不I 司位置处径向应变 F i g ．4 R a d i a ls t r a i n sa td i f f e r e n tp o s i t i o n si nc o a l r o c k c o m b i n e db o d y 相比煤单体不难发现，组合体中煤体部分变形受 到岩体的影响，比较组合体中煤体部分和煤单体轴向 及径向应变差异，可判断组合体中岩体部分对煤体部 分变形的影响程度。表3 为峰值荷载时煤、岩单体及 组合体中煤、岩体中部应变，其中组合体中煤体中部 径向应变取3 ，4 号位置平均值，岩体中部径向应变取 6 ，7 号位置平均值。由表3 可知，峰值荷载时煤单体 轴向应变与径向应变均大于组合体中煤体部分应变， 岩体应变则均小于组合体中岩体部分，说明岩体部分 对结合面附近煤体部分轴向与径向变形具有抑制作 用，相反，煤体部分对结合面附近岩体部分则具有促 进作用。 由上述分析可知，组合体结合面处煤体与岩体径 向变形受到彼此的影响。3 号位置径向应变之所以 最大，一方面是因为结合面附近煤体易受到岩体的限 制作用，较远处则影响甚微；另一方面结合图5 组合 体试件煤体端部破坏易形成劈裂状可推测试件端部 峰值应力处径向变形较大。7 号位置峰值应力处径 向应变大于6 号，说明组合体峰值应力前煤体通过结 合面对岩体6 号应变片位置及更远位置处径向变形 影响较弱，因此距结合面一定距离的大部分岩体部分 变形仍类似于岩单体试件，即靠近端部径向变形较 大 从图5 岩单体破坏形态推测得知 ，因而7 号位 置径向应变大于6 号。需要说明的是，图5 组合体中 煤体破坏导致的岩体劈裂破坏是在峰后阶段发生的， 这与峰前段岩体变形机制不同。 表3 单体及组合体中煤、岩体中部应变 T a b l e3S t r a i n si nt h em i d d l eo fs i n g l eb o d ya n dc o a l ， r o c ks e c t i o no fc o m b i n e db o d y 10 3 2 ．2 ．2 组合体瞬时泊松比 上文已经得知，组合体中煤体部分变形受到岩体 的影响，但轴向应变与径向应变受到影响程度可能不 同，为此，可通过瞬时泊松比肛7 变化对其进行分析。 肚’为对径向应变一轴向应变曲线的高阶拟合曲线进 行微分得到，煤单体与组合体中煤体中部瞬时泊松比 变化如图6 所示，其中组合体煤体径向应变取3 ，4 号 位置平均值。图6 中Q ，S ，V 分别表示泊松比达到 0 ．5 时瞬时泊松比变化曲线上的点，分别对应应力应 变曲线上的点P ，R ，U 。根据图6 a 可将煤单体 白松 比变化分为3 个阶段波动段 Ⅱ一6 、稳定段 6 一c 、加速增长段 c d ，前2 个阶段对应试件压 密段与弹性段，第3 个阶段对应试件峰前破坏段与破 坏后段。组合体中煤体泊松比变化曲线亦存在波动 段与加速增长段，而试件加载弹性段对应肛’变化与 煤单体有所区别，相对煤单体增加速度较快，如图 6 b ， c 所示。 加载伊始，由于轴向与径向应变均较小，试件压 密段对应瞬时泊松比会有所波动，但波动情况有所差 异，如煤单体泊松比在0 ．2 0 左右波动，而组合体中煤 体部分泊松比在0 附近波动，这说明加载初期，组合 体中岩体部分对煤体部分径向变形影响较大。煤单 体在弹性段内泊松比平均约为0 ．2 7 ，在峰值荷载时 达到了0 ．5 0 左右，由体应变变化可知，此时即为扩容 点。组合体中煤体泊松比在荷载水平略小于煤单体 强度时便达到了0 ．5 左右，在峰值荷载处超过I ．0 ， 煤单体在瞬时泊松比达到0 ．5 以后，随时问s 曾, h i l 速率 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 较快，而组合体中煤体部分则相对较慢。可见，组合 体试件在未到达峰值荷载时，煤体部分已经发生很大 B A a ’社体 B 扩容，因受到岩体部分的抑制作用而使试件在继续加 载后的整体强度相对煤单体有所提高。 一 A A5 P ， 艮幂 _ 移。零 c 组i 体破坏过程 图5 试件破坏特征 F i g ．5S p e c i m e nf a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c s 综合上述分析可知，在弹性阶段，组合体中煤体 部分的瞬时泊松比随时间增长速度明显快于煤单体。 这是因为试验采用的是控制位移加载的方式，而组合 体变形主要以煤体部分为主，所以在与煤单体相同位 移加载速率下，组合体煤体部分轴向变形与径向应变 形速率较快，泊松比的增长速度明显快于煤单体。但 图6 中显示相同应力下煤体部分的瞬时泊松比并不 明显小于煤单体，这可能是因为组合体中煤体部分的 破坏机制相对煤单体发生了变化，导致应变片所测位 置变形较快；也有可能跟所选位置有关，如图3 中3 号应变片应变增加速率较4 号与5 号应变片大得多， 采用3 ，4 号应变片应变平均值计算瞬时泊松比时则 可能会使瞬时泊松比增加速度偏大。因此，组合体中 煤体泊松比在峰值荷载时达到1 ．0 以上，可说明岩体 部分对煤体部分有限制作用。 2 ．2 ．3 组合体体积应变 煤单体与组合体中煤体部分体积应变如图7 所 示，其中占．，占。，s 。分别表示轴向应变、径向应变、体 积应变。与文献[ 2 2 ] 中的结果有所区别，煤单体的 体积应变曲线可分为如图6 a 所示的3 个阶段，即 初始阶段 e - 厂 、体积变形阶段 ．厂_ g 、扩容阶 段 g 一 ，其中体积变形阶段大部分对应试件应力一 应变曲线弹性加载段，扩容阶段位于应力一应变曲线 峰后段，且在h 点时应力发生跌落，应变片回弹，说明 试件可能发生了破坏而出现了一定的变形恢复。与 煤单体不同的是，组合体中煤体体积应变曲线可分 为初始阶段 j 一矗 、变形阶段 矗一f 、体积不变阶 段 f m 、扩容阶段 m 一，， 。初始阶段径向应变增 加甚微而使得体积应变与轴向应变变化接近，初始阶 段对应应力一应变曲线压密段；体积变形阶段增加较 万方数据 第5 期李成杰等单轴荷载下类煤岩组合体变形规律及破坏机理 丑 整 皿 ’ 一 害 鉴 丑 警 ．皿 莒 罄 丑 窭 烬 留 茧 图6 泊松比变化 F i g ．6 V a r i a t i o no fp o i s s o nr a t i o 缓，该段位于应力一应变曲线弹性段；相比煤单体，组 合体煤体部分存在较明显的体积不变阶段。试件 C R 一7 体应变曲线m 点后变化情况与C 一1 类似。煤 单体由体积变形阶段至扩容阶段变化较为明显，组合 体中煤体部分变化则较为平缓，说明煤体部分进入扩 容点后，在岩体部分的限制作用下，扩容变得较慢。 煤单体扩容点体积应变约为2 ．8 1 0 ～，组合体中煤 体扩容点体积应变约为1 ．9 1 0 ～，可见岩体部分的 限制使得煤体部分的扩容点体积应变减小。同样，由 于采用控制位移的加载方式，组合体煤体部分体积应 变增加速率较快，且扩容点早于煤单体，但并不是说 明组合体中煤体部分更容易发生扩容。组合体煤体 部分扩容点体积应变偏小，且达到扩容点后体积应变 变化相对煤单体较缓，这是受到组合体中岩体部分限 8 6 。 4 宝 叔2 目 0 2 4 6 4 毛 霸2 目 0 2 4 3 2 苔1 ≤ 餐o l 一2 3 应力一时间曲线 P ／1 么跫．j ‘ 氯。肾 ＼J6 n ＼＼，一 a c 一1 - 勘啊澎乱 一．、 l5 0 、、j i i 卜4 5 06 0 0 时间／s ＼’ b C R 一5 2 咖s 沁6 0 0 、8 x 0 0 时间／s ＼印＼ 1 6 1 2 8 蛊 蒌 4 巷 匠 O 暴 一4 8 1 5 1 0 ￡ 蒌 R 翻 匠 撂 一 凸一 岂 R 倒 - 叵 暴 图7 试件体积应变变化 F i g ．7 V o l u m es t r a i nv a ’i a t i o no fs p e c i m e n s 制的结果。 组合体受力过程中岩体部分变形程度较小，因此 上文主要分析了组合体中煤体部分变形情况。考虑 到组合体中煤体部分轴向应变片位于煤体部分中部， 上述在计算瞬时泊松比与体积应变时选取3 ，4 两个 编号位置平均值作为径向应变，组合体中煤体中部相 对煤单体中部更靠近端部，与理论上的“中部”存在 差距，但上述结果仍能体现岩体部分对煤体部分的限 制作用。 2 ．3 破坏规律 单体试件的破坏形态主要有劈裂破坏与剪切破 坏两种形式，部分试件在加载过程中两种形式均存 在，但主要以剪切破坏为主，如图5 a 所示。与单体 丐 6 2 4 8 他 一 ● ● 8 4 O 一 一 一 万方数据 煤炭学报2 0 2 0 年第4 5 卷 试件有所区别，整体上看，组合体中强度较小的煤体 部分首先产生裂隙，随着加载进行，煤体中裂隙贯穿 结合面并向岩体中延伸，最终导致岩体部分破坏，如 图5 b 所示。试验过程发现组合体试件破坏形式基 本相同，下面以C R 一5 为例进行破坏特征分析。 由于空间裂隙较难展示，分别从前、后、右3 个视 角对试件C R - 5 进行剖析，如图5 c 所示。从后视 图B 角度看，试件从煤体到岩体形成一贯通结合面 的拉伸裂隙，可以很明显看出裂隙从煤体中产生并向