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第 45 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 5 2020 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2020 移动阅读 杨科,刘文杰,窦礼同,等. 煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验[J]. 煤炭学报,2020,4551691-1700. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DY20. 0294 YANG Ke,LIU Wenjie,DOU Litong,et al. Experimental investigation into interface effect and progressive instability of coal-rock combined specimen[J]. Journal of China Coal Society,2020,4551691-1700. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DY20. 0294 煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验 杨 科1,2,3,4,刘文杰1,3,4,窦礼同1,3,4,池小楼1,3,4,魏 祯1,3,4,付 强1,3,4 1. 安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南 232001; 2. 合肥综合性国家科学中心能源研究院,安徽 合肥 230031; 3. 安徽理工大学 煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心,安徽 淮南 232001; 4. 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育 部重点实验室,安徽 淮南 232001 摘 要煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组 合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了 3 种高比的“岩-煤-岩” RCR组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和 PFC2D数值模拟试验,并基于 RCR 组合 体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量 演化规律。 研究结果表明煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组 合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和 裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随 煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低 趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。 由于 RCR 组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹 在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏 形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。 在煤岩组合体渐进破坏 过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏,而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度和瞬时破 坏时动力显现强度,形成了煤体砂岩破坏互馈机制。 RCR 组合体受载时声发射信号有明显的时段 性特征,当 RCR 组合体发生整体失稳时,声发射信号频率较低,声发射能量值达到历史最大,根据 煤岩组合体声发射前兆信息的时频、时空规律性特征可对煤岩动力灾害孕育与发生进行实时监测, 实现煤岩动力灾害的精准感知与超前预警。 关键词能量转化规律;界面效应;裂纹扩展;渐进非连续破坏特征;失稳破坏机理;动力灾害防控 中图分类号TD315 文献标志码A 文章编号0253-9993202005-1691-10 收稿日期2020-02-27 修回日期2020-05-05 责任编辑常 琛 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0805202;安徽省“115”产业创新团队资助项目 作者简介杨 科1979,男,四川叙永人,教授,博士。 E-mailyksp2003163． com 通讯作者刘文杰1995,男,安徽阜阳人,硕士研究生。 E-mail1320047926 qq． com Experimental investigation into interface effect and progressive instability of coal-rock combined specimen YANG Ke1,2,3,4,LIU Wenjie1,3,4,DOU Litong1,3,4,CHI Xiaolou1,3,4,WEI Zhen1,3,4,FU Qiang1,3,4 1. State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China; 2. Institute of Energy,Hefei Comprehensive National Science Center,Hefei 230031,China; 3. National 4. Key Laboratory of Mining Coal Safety and Efficient- ly Constructed by Anhui Province and Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 AbstractThe characteristics of the coal-rock mass combination determine the deation and instability of the overall structure ed by the coal-rock combination. In order to analyze the influence of the coal-rock height ratio on the mechanical characteristics,energy conversion laws,and the instability failure characteristics of the combination under load,“Rock-Coal-Rock”RCR test specimens with three different proportions of height ratio were made. Subsequent- ly,a uniaxial compression test and a PFC2D numerical simulation of combined test pieces were carried out. Based on the analysis of acoustic emission and macro-destructive characteristics,the meso-damage characteristics,macro-me- chanical characteristics,and acoustic emission energy evolution laws of the assembly before and after transient instabil- ity were obtained. The research shows that with the increase of the height ratio of coal and rock,the uniaxial compres- sive strength,elastic modulus and dynamic intensity at the failure of the combination decrease. The damage of the specimens is an asymptotic discontinuity. The damage first occurs and develops in the coal body in the specimens. Then when the coal crack develops to the interface of coal and rock,it is blocked. Finally,due to the influence of the Poisson effect of the composite body and the increase of the elastic energy storage of the composite body,the cracks propagate from the coal body to the rock,and the composite body undergoes an overall failure. Due to the difference in the structure and elastic energy storage of the RCR specimens,the crack propagation ability,speed and angle are dif- ferent. Furthermore,the combination has different failure shapes,but the failure patterns are similar. Among them,the coal body is dominated by shear failure,and the top and bottom rocks are dominated by split failure. The acoustic e- mission signal of RCR specimens has obvious phase characteristics when it is loaded. When the overall instability oc- curs,the acoustic emission energy rises rapidly and reaches a maximum. According to the regular characteristics of a- coustic emission events,the instantaneous damage of RCR specimens can be monitored and warned,which provides a reference for the mechanism and prediction of rock burst. Key words energy conversion law; meso-damage characteristic; discontinuous damage; crack propagation; failure mechanism;dynamic disaster prevention 煤炭作为我国的主体能源,对我国国民经济发展 起着至关重要的作用。 随着浅部易采煤炭资源的枯 竭,煤炭开采逐渐向深部转移,深部环境下煤岩体的 变形破坏不仅受自身物理力学特性、赋存禀赋与地质 构造的影响,更重要的是受煤岩组合结构的共同影 响[1-2]。 因此,研究煤岩组合体的力学特性与损伤失 稳破坏特征,对深部煤炭资源安全高效开采有着重要 意义。 近年来,国外内众多学者分别运用数值模拟和实 验室单轴、三轴试验等科学方法对煤岩组合体展开了 深入而全面的研究。 如,尹光志等[3]利用“多功能真 三轴流固耦合试验系统”,以层状复合煤岩体为研究 对象,分析了动、静荷载作用下层状复合岩体破坏机 理与显现特征。 在数值模拟上,尹大伟等[4]采用 PFC2D颗粒流数值模拟软件对煤样含贯穿节理的岩- 煤组合体开展了单轴压缩试验,分析了节理对岩-煤 组合体强度及破坏特征的影响;林鹏等[5]利用 RF- PA2D数值模拟软件对二岩体组合试件受力损伤破坏 过程进行了研究,解释了微破裂迁移、变形局部化等 现象;在组合体的力学特性方面,刘杰、陈绍杰等[6-7] 的研究指出了岩石强度与煤岩高比对煤岩组合体的 强度特性与破坏机制的影响,张泽天、郭东明等[8-9] 分析了组合方式和倾角效应对煤岩组合体力学特性 与破坏特征的影响规律。 在组合体破坏机制上,陈绍 杰等[7]对比分析了 5 种不同高比的砂岩-煤柱结构 体的渐进破坏机制,指出组合体发生整体性破坏是由 煤样内部裂纹扩展至砂岩导致的。 杨磊等[10]研究了 循环加卸载下煤岩组合体的能量演化规律与破坏机 制,研究结果表明煤岩组合体受载过程中,煤体率先 达到储能极限发生破坏,煤体破坏瞬间释放的能量传 递岩石中,在弹性能驱动下岩石发生张拉破坏,进而 导致组合体发生承载失效。 此外,左建平、陆菜平 等[11-12]对组合体的冲击倾向性进行了深入研究,指 出煤岩组合体冲击倾向性指数大于纯煤样,且随着岩 石强度和厚度的增大煤岩组合体的冲击倾向性随之 增强,还有部分学者对组合体损伤失稳过程中的声电 效应、前兆信息以及声发射特征进行了研究[13-16]。 上述研究成果对深入全面了解煤岩组合体力学 行为和损伤失稳破坏特征提供了基础,但对于界面效 应下组合体受载时能量演化规律及煤岩体破坏互馈 机制还有待进一步研究。 笔者以 3 种不同高比的 “顶板-煤柱-底板” RCR 组合体为研究对象,从 RCR 组合体瞬时失稳前后的损伤破坏特征、能量演 化规律及声发射特性等方面分析了 RCR 组合体渐进 2961 第 5 期杨 科等煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验 失稳破坏特征,以期为深部煤炭资源开采的围岩力学 响应提供一定基础研究。 1 RCR 组合体单轴压缩试验 1． 1 组合体模型建立 煤炭资源采出后,采空区原岩应力平衡状态被打 破,围岩应力重新分布,引起顶板的变形、破断,底板岩 层在一定范围内也发生破坏[17]形成“顶板-煤柱-底 板”组合结构体图 1,此外,组合结构体的变形失稳 将导致覆岩稳定结构被打破,岩层发生大范围整体性 运动,易引发煤岩动力灾害。 为研究坚硬煤岩组合条 件下组合结构全生命周期的力学表征,本文将取自胡 家河矿402102 盘区的煤岩样,加工不同高比的“顶板- 煤柱-底板”组合体标准试件,开展了单轴压缩试验。 1． 2 “顶板-煤柱-底板”组合体试件加工制作 实验所需煤岩样均取自彬长矿业集团胡家河矿 402102 工作面泄水巷顶底板岩层。 为了控制煤岩样 的离散性,现场选取完整性较好且未经风化的煤岩样 密封后运回实验室,在实验室将煤岩样经过切割、取 芯、打磨,加工成不同高度直径为 50 mm 的试件,要 求试件端面不平行度符合国标 GB/ T 23561． 7 2009。 按煤岩比为4 ∶ 2 ∶ 4,3． 5 ∶ 3 ∶ 3． 5 和3 ∶ 4 ∶ 3 将试件自上而下用黏结剂黏合成 3 组 9 个 ϕ50 mm 100 mm 的标准试件,如图 2 所示,分组编号分别为 RCR20,RCR30,RCR40,组合体尺寸见表 1。 图 1 顶板-煤柱-底板组合结构体 Fig． 1 Roof-pillar-floor composite structure 图 2 RCR 组合体标准试样 Fig． 2 Standard sample of coal-rock combined specimen 表 1 RCR 组合体物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of coal-rock combined specimen 试样类型 与编号 试件尺寸/ mmmm 煤岩高比 单轴抗压 强度/ MPa 弹性模 量/ GPa 标准砂岩试样ϕ5099． 8661． 658． 16 标准煤样ϕ5099． 8416． 591． 47 RCR20-1ϕ50100． 274 ∶ 2 ∶ 433． 704． 34 RCR20-2ϕ5099． 924 ∶ 2 ∶ 420． 323． 31 RCR20-3ϕ5099． 644 ∶ 2 ∶ 436． 334． 66 RCR30-1ϕ50101． 163． 5 ∶ 3 ∶ 3． 531． 373． 65 RCR30-2ϕ50100． 243． 5 ∶ 3 ∶ 3． 527． 873． 52 RCR30-3ϕ50101． 243． 5 ∶ 3 ∶ 3． 528． 483． 69 RCR40-1ϕ50100． 183 ∶ 4 ∶ 318． 542． 94 RCR40-2ϕ5099． 683 ∶ 4 ∶ 322． 282． 58 RCR40-3ϕ5099． 083 ∶ 4 ∶ 322． 042． 30 1． 3 实验系统与监测设备 实验测试系统主要包括 RMT 加载系统、声发射 监测系统、Nikon 数码相机录像采集系统图 3。 为 减小时间误差,有利于试验数据的处理与分析,试验 时 RMT 加载系统、录像采集系统和声发射监测系统 同步运行。 其中 RMT-150 加载系统最大试验荷载 可达 1 000 kN,试验时采用力加载控制,加载速率 0． 2 kN/ s,直至试样破坏。 声发射监测系统采用 MIS- TRAS 系列 MICRO-II 对组合体损伤失稳全过程的弹 性波进行实时监测,实验时设置声发射测试系统主放 为 40 dB,门槛值为 45 dB,浮动门槛 5 dB,探头谐频 率为 100 600 kHz,为保证声发射探头与试件能够 更好的接触,减小试件表面弹性波的折损,在声发射 探头和试件接触处涂抹凡士林并用弹性带固定,在声 发射测试之前,对传感器进行断铅测试确保传感器幅 值信号都在 90 dB 以上。 为获得组合体宏观破坏特 征,采用 Nikon 便携式数码摄相机对试件破裂形态进 行实时录像监测。 2 RCR 组合体强度特性 2． 1 RCR 组合体强度试验结果 实验开始后 RMT 岩石力学加载系统逐渐对试件 3961 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 3 实验系统 Fig． 3 Experimental system 图 4 RCR 组合体抗压强度和弹性模量变化规律 Fig． 4 Variation of strength and modulus of the coal-rock combined specimen 加载和同步数据采集,测得煤样、岩样以及 RCR 组合 体的应力-应变曲线如图 5 所示,基本物理力学参数 见表 1。 砂岩单轴抗压强度为 61． 65 MPa,弹性模量 为 8． 16 GPa;煤样单轴抗压强度为 16． 59 MPa,弹性 模量为 1． 47 GPa。 与纯煤样和岩样的力学特性相 比,RCR 组合体的强度和弹性模量受煤体影响较大, 组合体 RCR20 平均单轴抗压强度为 35． 02 MPa,平 均弹性模量为 4． 50 GPa,RCR30 平均单轴抗压强度 为 29． 24 MPa,平均弹性模量为 3． 62 GPa,RCR40 平 均单轴抗压强度为 20． 95 MPa,平均弹性模量为 2． 67 GPa;其中 RCR20-2 受原生裂隙的影响,单轴抗 压强度和弹性模量与同组其他两个试样差异性较大, 试验结果不具有参考价值,在分析试验规律时不予以 考虑。 由图 4 组合体强度和弹性模量随煤岩高比变 化曲线可知,随着煤岩高比的增加,RCR 组合体的单 轴抗压强度和弹性模量均呈现递减的趋势,表明组合 体抵抗变形破坏的能力逐渐降低。 图 5 RCR 组合体应力-应变曲线 Fig． 5 Stress-strain curves of the coal-rock combined specimen 2． 2 RCR 组合体强度理论分析 为便于 RCR 组合体强度分析,假设组合体受力 变形时,在层间黏聚力作用下相邻煤岩体不发生相对 位移,即没有剪力的存在。 设砂岩弹性模量为 ER,泊 松比为 μR,煤样弹性模量为 EC,泊松比为 μC,且 ER EC,μCμR。 由于煤岩泊松比的差异性,在煤岩交界 面处会存在径向力的作用,在煤岩体中径向力为作用 力与反作用力的关系,煤样中径向力沿径向指向交界 面中心,对交界面处煤样的变形破坏起一定束缚作 用。 因此,在煤岩样交界面一定范围内,煤样处于 “三向”受力状态。 取 RCR 组合体交界面微单元分析图 6,由变 形连续条件和静力学平衡关系[18]可得 σiR σ iC ERμC - E CμR ER1 μC - EC1 μRσ1 1 式中,i2,3,σ1 σ 1R σ 1C。 4961 第 5 期杨 科等煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验 图 6 RCR 组合体受力示意 Fig． 6 Stress diagram of the coal-rock combined specimen Druker-Prager 准则是由 Druker 和 Prager1952 年 提出的弹塑性材料强度准则,可表示为 f αI1J2- K 02 式中,I1 σ 1 σ 2 σ 3 为应力第 1 不变量;J2 [σ1- σ22σ2 -σ 3 2σ 3 -σ 1 2] /6 为应力偏量第 2 不变 量;α,K 为与煤、岩内摩擦角 φ 和黏聚力 c 有关的试 验常数, α 2sin φ 33 - sin φ ,K 6ccos φ 33 - sin φ 。 当 σ2 σ 3时,可将式2简化为 σ1 3 - 5sin φ 3 sin φ σ3 6ccos φ 3 sin φ 3 当 σ2 σ 30 时,可得远离煤岩交界面处煤岩体 的强度为 σUCS 6ccos φ 3 sin φ 4 由式3和1可得交界面处煤体强度为 σRC σUCS 1 - αλ 5 式中, 0 α 1, 0 λ 1; α 3 - 5sin φ 3 5sin φ,λ ERμC - E CμR ER1 μC - EC1 μR。 由式5可知,在 RCR 组合体中,由于泊松比的 差异性交界面处煤体强度大于远离交界面煤体的强 度,交界面处煤体强度被“强化”;同理可得交界面处 砂岩强度小于远离交界面砂岩的强度,砂岩强度被 “弱化”。 3 RCR 组合体变形破坏能量演化规律 煤岩损伤破坏是能量驱动下的一种状态失稳现 象,研究 RCR 组合体破坏过程中的能量变化规律及 其与强度和整体破坏之间的联系,将更有利于反映外 载作用下 RCR 组合体强度变化与整体破坏的本质特 征[19]。 根据热力学第 1 定律假设外力做功时组合 体与外界没有热量交换,外力对组合体做功所产生 的总能量 Uo为弹性能 Ue和耗散能 Ud之和[20]。 Uo U e U d 6 由单轴压缩试验中煤岩单元体能量转化关 系图 7,基于微积分思想可得总能量 Uo计算式 Uo∫ εc 0 σidε7 式中,σi为应力-应变上任一点应力,MPa;εc为峰值 应力对应的应变。 由组合体单轴压缩加卸载试验可知,峰值前卸载 路径与加载曲线斜率基本一致[10]。 因此,可由式8 和式9计算获得试件受载时耗散能 Ud与内部储存 弹性能 Ue Ue 1 2 σcΔεe8 Ud U o - U e ∫ εc 0 σidε - 1 2 σcΔεe9 式中,σc试件峰值强度,MPa;Δεe为可恢复应变。 峰后释放能 Uf为应力-应变曲线从 εc至 εf包 络线的面积,其计算式为 Uf∫ εf εcσidε 10 式中,εf为应力-应变曲线的最大应变。 组合体发生承载失效后,峰前弹性能 Ue一部分 转化为峰后释放能 Uf,一部分转化为盈余能 Uy,盈余 能大小与煤岩体破坏时动力显现强度直接相关。 盈 余能 Uy计算式为 Uy U e - U f 1 2 σcΔεe-∫ εf εcσidε 11 图 7 煤岩体单元中能量转化关系 Fig． 7 Energy transation relationship in coal and rock mass units 由式6 11计算可得组合体加载过程中 各能量值,见表 3。 在组合体加载阶段外界能量不 断输入,一部分转化为耗散能表现为组合体的塑性 变形以及微裂隙萌生、扩张等细观损伤,其余能量 5961 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 以弹性能的形式储存在组合体中;组合体达到峰值 应力发生失稳破坏时,组合体内储存的弹性能转化 为峰后释放能 Uf使岩石内部裂隙贯通造成组合体 宏观破裂失稳和盈余能 Uy煤岩粉发生动力突出。 由表 3 可知,随着煤高比的增大,煤岩体储存的弹 性能、盈余能逐渐降低,弹性能与总能量的比值变 化较小分别为 58． 24 ,54． 39 和 56． 12 ,说明 组合体达到峰值强度发生宏观失稳破坏时,所需要 外部输入的能量逐渐降低,破坏时动力强度也逐渐 降低;当煤岩高比为 3 ∶ 4 ∶ 3 时,组合体 RCR40-3 盈余能为 0． 1,说明外力做功大部分被消耗于组合 体的损伤破坏。 因此,在同等条件下,煤岩高比越 小,煤岩体越不易发生失稳破坏,在破坏时动力显 现愈发猛烈。 表 3 RCR 组合体加载过程中能量值 Table 3 Energy values of coal-rock combined specimen during loading 组合体 编号 总能量/ Jm -3 平均值/ Jm -3 弹性能/ Jm -3 平均值/ Jm -3 盈余能/ Jm -3 平均值/ Jm -3 弹性能 占比/ RCR20-124． 35 23． 42 13． 08 13． 64 11． 71 10． 058． 24 RCR20-322． 4914． 198． 30 RCR30-118． 8511． 385． 36 RCR30-219． 9119． 2110． 7610． 456． 165． 7554． 39 RCR30-318． 899． 215． 74 RCR40-111． 625． 914． 04 RCR40-213． 4612． 178． 976． 833． 242． 4656． 12 RCR40-311． 435． 620． 10 4 RCR 组合体裂纹扩展特征及失稳破坏形 态 4． 1 煤岩细观参数标定 为获得 RCR 组合体受载时煤岩体的损伤演化规 律,分析组合体损伤破坏的内在机理,利用 PFC2D 数 值模拟软件建立了煤岩组合数值模型。 在建立数值 模型前,对纯煤、岩样在单轴压缩下进行了细观参数 的标定,以保证 RCR 组合体在外载作用下有客观的 力学响应特征,标定获得煤岩细观力学参数结果见表 2。 表 2 煤岩细观力学参数 Table 2 Microscopic mechanical parameters of coal and rock 细观参数砂岩煤样 颗粒、黏结键的变形模量/ GPa9． 5,9． 51． 5,1． 5 颗粒、黏结键的法向与切向刚度比1． 5,1． 51． 2,1． 2 黏结键的法向、切向强度/ MPa65,608,8 颗粒密度/ kgm -3 2． 691． 37 4． 2 RCR 组合体力链演化与破坏形态分析 由组合体瞬时失稳前后力链演化和损伤破坏形 态可知图 8,组合体瞬时失稳前,煤岩损伤主要集 中在煤体中,岩石几乎不发生破坏。 当煤岩高比 为 4 ∶ 2 ∶ 4 时,RCR 组合体宏观破坏主要表现为煤 样右侧的拉伸弹射和内部微裂隙的萌生;煤岩高比 为 3． 5 ∶ 3 ∶ 3． 5 时,RCR 组合体宏观破坏表现为煤 样右侧的拉伸抛射和内部的剪切破坏,剪切破坏面与 水平方向夹角分别为52和50;煤岩高比为3 ∶ 4 ∶ 3 时,组合体以剪切破坏为主,剪切面与水平方向夹角 为61;因此,在 RCR 组合体瞬时失稳前,随着煤岩高 比的变化,煤体发生不同程度和不同形式的破坏,且 剪切裂纹从煤样扩展至煤岩交界面时裂纹扩展路径 被阻隔,在裂纹尖端形成强力链。 随着轴向应力的增加,当轴向应力大于某一临界 值时,煤体中的裂纹越过煤岩交界面发育至岩石中, RCR 组合体发生整体性破坏。 当煤岩高比为 4 ∶ 2 ∶ 4,煤体剪切裂纹越过煤岩交界面发育到砂岩顶、底板 时,裂纹倾角裂纹与水方向的夹角由煤体中的 41 分别偏转为 65,82,顶板砂岩发生径向拉伸破坏; 煤岩高比为 3． 5 ∶ 3 ∶ 3． 5 时,煤体裂纹发育到顶、底 板岩石中时裂纹倾角由 50分别偏转为 84,73,砂 岩发生拉伸劈裂;当煤岩高比为 3 ∶ 4 ∶ 3 时,煤体裂 纹倾角为 65,发育到顶板时偏转为 85,发育到底板 时偏转为 94。 由裂纹在 RCR 组合体中的扩展形态 可知,虽然煤体裂纹发育至砂岩中时裂纹倾角的差异 性较大,但整体表现出由煤体发育至岩石中裂纹倾角 增大的特点。 由于裂纹扩展能力、速度和角度的不 同,RCR 组合体破坏失稳时,呈现出不同的破坏形 态,但破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为 6961 第 5 期杨 科等煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验 主伴随着煤体帮部颗粒的弹射和剥落,顶底板砂岩则 以拉伸劈裂破坏为主,且由于煤体裂纹较为发育使得 组合体失稳后煤体较为破碎,与煤体相比砂岩破坏后 完整性相对较好。 图 8 RCR 组合体力链演化和损伤破坏形态 Fig． 8 Force chains evolution and damage patterns of coal-rock combined specimen 5 RCR 组合体渐进破坏与声发射演化规律 选取 RCR20-3,RCR30-3 和 RCR40-3 对组合 体渐进破坏过程中应力和声发射的变化规律以及组 合体变形破坏特征进行分析。 图 9 为各试样单轴压 缩下应力、声发射能量曲线及宏观变形破坏示意图。 由图 9 可知,随着轴向应力的加载,声发射能量 具有明显的阶段性特征,根据声发射能量信号的数量 和峰值大小,可将组合体渐进破坏分为波动区,静寂 区,活跃区,骤增区 4 个区域。 在初始能量波动区A 阶段,RCR 组合体主要 发生原生裂隙和煤岩接触面的压缩密实,期间有少量 的声发射信号,声发射能量值出现较小的波动。 随着 轴向应力的增大,组合体渐进破坏进入静寂区B 阶 段,RCR 组合体发生弹性变形,煤体发生明显的径 向鼓胀变形,此阶段声发射信号能量值几乎为 0。 当轴向应力达到 RCR 组合体峰值强度的 75 左右时,组合体渐进破坏进入活跃区C 阶段,RCR 组合体出现宏观起裂破坏,声发射能量值出现“脉 冲”式突增。 在 t204 s 时,组合体 RCR20-3 煤体率 先发生颗粒弹射,随着轴向应力的增大,煤体表面持 续发生张拉破坏,并伴有清脆的噼啪声响,煤样破碎 体以小块煤粒为主,煤体破坏时声发射信号较多,声 发射信号最大值为 2 168。 组合体 RCR30-3 宏观损 伤始于煤样表面的张拉抛射,而后在 t 186 s 时,煤 体表面出现剪切裂纹的扩张,对应声发射能量值 为 6 345;组合体 RCR30-3 宏观损伤破坏,与瞬时失 稳前煤岩高比为 3． 5 ∶ 3 ∶ 3． 5 的数值模型损伤破坏 过程相同,验证了数值模型的可靠性。 与 RCR20-3 和 RCR30-3 不同,组合体 RCR40-3 发生宏观破坏 7961 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 9 RCR 组合体应力-能量特征曲线 Fig． 9 Stress-energy characteristic curve of coal-rock combined specimen 时,煤体表面颗粒弹射较少,其损伤破坏主要集中在 煤体内部剪切裂纹的扩张与贯通,裂纹在煤体表面呈 X-共轭状分布,裂纹扩展释放瞬时弹性波,对应发射 能量值为 1 982。 由上述分析可知,在活跃区,RCR 组合体的损伤破坏发生质的变化,煤体内部裂纹快速 交叉、贯通,煤样发生剪切或张拉破坏,煤体发生损伤 破坏时伴随着弹性能的集聚和释放,对应声发射能量 信号值较为密集,出现若干峰值。 当轴向应力接近 RCR 组合体峰值强度时,组合 体渐进破坏进入骤增区D 阶段,声发射能量值发 生突增,大小约为煤样破坏时的4 5 倍。 在 t285 s 时,组合体 RCR20-3 发生整体性失稳,顶底板砂岩发 生拉伸劈裂破坏,对应声发射能量峰值大小为9 968; 砂岩破坏后积聚在其中的弹性能释放,煤体发生严重 的压剪破坏并伴随着颗粒抛射,且颗粒抛射动能较 大,破碎颗粒弹射范围较远。 组合体 RCR30 - 3, 在 t202 s 时,煤体压剪裂纹延展至岩石中,底板砂 岩发 生 劈 裂 破 坏, 对 应 声 发 射 能 量 峰 值 大 小 为 15 980;砂岩发生破坏时,伴随着煤体帮部的块片 的剥落,组合体煤样发生大块煤粒的倾出。 组合体 RCR40-3,在 t123 s 时,煤体 X-状共轭剪切裂纹延 展至底板砂岩中,致使底板砂岩发生严重拉伸劈裂破 坏,砂岩破裂体较为粉碎,砂岩破坏时伴有响亮的爆 鸣声和煤岩粉尘的扬起,对应声发射能量峰值大小为 7 856。 综合上述分析可知,随着煤岩高比的增大,组 合体发生宏观起裂破坏和瞬时失稳破坏的时间逐渐 降低。 由于砂岩的脆性较强,破坏过程极为短暂,所 以相比于活跃区,骤增区持续时间较短,声发射信号 较少,但其声发射能量达到历史最大。 RCR 组合体渐进失稳破坏特征可知,由于煤岩 交界面处煤体强度得到“强化”,砂岩强度相对“弱 化”,当组合体渐进破坏进入骤增区,交界处应力大 于“弱化”砂岩强度时,顶底板砂岩开始起裂,煤体裂 纹越过煤岩交界面快速扩展至顶底板砂岩中,煤体的 破坏诱导了顶底板砂岩的破坏,砂岩破坏后释放大量 能量传递至煤样中,加剧了煤体的损伤破坏程度和动 力显现强度,形成了煤体和顶底板砂岩破坏的互馈机 制。 8961 第 5 期杨 科等煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验 6 煤岩体动力监测预警防控技术 由上述分析可知,煤岩组合体的变形失稳表现出 明显的渐进非连续的破坏特征,经历了从静态到动 态、从渐变到瞬变的过程;随着煤岩高比的增大,组合 体发生整体性瞬时承载失效的时间越短,盈余能逐渐 降低,组合体破坏时的动力显现逐渐减弱,外界输入 的总能量几乎全部转化为耗散能和释放能,促使组合 体发生严重损伤破坏,因此降低采高可对煤岩动力灾 害的发生起到一定抑制作用。 随外载的增大,声发射 能量信号有着明显的时段差异性,当煤岩组合体发生 渐变破坏时,声发射信号较为密集、频率较大,声发射 能量峰值较小;当煤岩组合体渐进破坏由渐变转变到 瞬变时,声发射信号频率明显降低,声发射能量值发 生突增。 由此可知,声