冲击地压粘滑失稳机理的实验研究.pdf

第 2 2卷第 2期 1 9 9 7年4月 煤 炭 学 报 J ouRNAI OF CHI NA C OAL S OCI E TY Vo_ _ 22 No 2 AD r 1 99 7 ．她 一 一 | 蕊 。 ≯ 备 冲击地压粘滑失稳机理的实验研究 叠 _盥皇 重 盐 一 划 天 泉 煤 炭 科 学 研 究 总 院 北 京 开 采 研 究 所 摘妻开展了煤岩摩擦滑动实验研究，分析了煤岩的摩擦滑动性状及摩擦滑动的稳定性， 用摩擦滑动中的粘滑现象解释了冲击地压的发生机理结果认为，煤的摩擦滑动性状与岩石具 有很太差,-I 4 ，砂岩一 煤试样在一定围压下表现为粘滑特性，说明了结杓形式对摩擦滑动特性的 影响是显著的；煤岩试样在摩擦滑动过程中，摩擦因数的变化是导致煤岩发生不稳定滑动或粘 滑的主要原因；冲击地压是煤岩体结构摩擦滑动破坏的一种形式，表现为瞬时的粘滑失稳过 程 关 键 词 垒垫 垦， 煤 岩 摩 擦 滑 动 性 状 监 垫 塑 ，袭程 ， ≮ 中 图 分 类 号T D 3 i 4 。 。 0 佯 煤岩作为一种典型的脆性材料，其摩擦与滑动特性是非常重要的一种力学特性．大量的岩石摩擦滑 动实验结果表 明，在岩石的摩擦滑动现象中，存在着两种形式的滑动， 即稳定滑动和粘滑 不稳定 滑 动 l 】 - ．稳定滑动是指滑动过程中滑 移面上的剪应力不会发 生随着 滑移面的滑动而急剧增大或减 小， 而是基本保持不变的平稳滑动粘滑是指滑动过程中滑移面上的剪应力不断出现随着滑移面的滑动而急 剧增大和减小的过程，滑移面的滑动是在剪切力增大和减小过程 中的急剧滑动，这种滑动表现为滑移面 之间的不稳定滑动关于岩石摩擦滑动性状的研 究，国内外无数学者围绕着地震的震源机制进行 了大量 的研究工作，而针对煤矿井下的冲击地压 、工作面顶板冒落等现象的煤岩摩擦滑动研究，国内外很少有 报道．我国学者章梦涛等在研究矿震、特别是断层参与的矿震中提出了矿震的粘滑失稳理论一 ，但其 实验是用相 似材料完成的，没有采用实际煤 岩材料 ． 一 1 煤岩试块摩擦滑动实验及结果分析 摩擦滑动实验的常用方法主要包括双剪摩擦实验和三轴 摩擦实验本次实验使用三轴摩擦实验方法试验用设备和 仪器包括 9 1 4 9岩石 围压仓、长江 5 0 0型 三轴 压力试 验机、 荷重传感器、位移传感器及 x Y函数记录仪等 考虑到 采场围岩结构的特点，本次试验制备 了 3种试样 ，如 图 1 所示，分 别 为 砂 岩 一砂 岩 图 1 a 、砂 岩 一煤 图 1 b 、煤 一 煤 图 1 c 试样．试块取 自门头沟矿二槽煤 及顶板，顶板岩性为砂岩，煤岩均具有强烈的冲击倾 向试 收稿 日期 1 9 9 6 o 8 3 0 *煤炭科学基盒 编号 9 4采 2 0 2 1 2 资助项 目 章梦涛矿震的牯滑戋稳理论 研究报告 阜新矿业学院．1 9 9 3 囡 图 1 3种试样 F i g ． 1 Th r e e k i n d s 0 f s a mp L e s 维普资讯 一 第 2期 齐庆新 等 冲击地 压粘滑失稳机理 的实 验研究 件为 ≠ 4 5 mm 的圆柱体，高 约 1 2 0 mm，并有一 与 圆柱纵轴线成 3 0 。 的锯切面 J 针对冲击地压多发生在采深大于 6 0 0 m 的深部 开采条件下，并且构造应力往往大于 自重应力的情 皇 8 0 况，本次试验所选定 的围压值为 3 0 ～6 0 MP a ．图 2 0 为 3组试件的差应力 一 轴 向位移 曲线． 4 0 本次实验 3种试样 的差应力 一 位移 曲线 的共 同 规律是 各种围压下 曲线开始部分都是直线 ，随着0 差应力增加，曲线开始偏离直线将开始偏离直线 处滑动面上的剪应力 r ． 称为初始摩擦 ．随着轴向位 加 3 0 g 2 0 。 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 d Ⅶ_口d 一 b 【 c 图 2 试样摩擦滑动 曲线 Fi g． 2 Sa mp l e s f r i c t i o na l s l i d i n g c u r v e a 砂岩一砂岩； b 砂 岩 一 煤 ； c 煤 一 煤 移的增加，差应力逐渐达到最大值．称差应力达到最大值时滑动面上 的剪应力 r 为最大摩擦随着位 移进一步增大，差应力在降低和变化后趋于某一值，称此时滑动面上的剪应力 r 为残余摩擦 同时， 这 3 种试样的差应力一 位移曲线又存在着明显的差异和特点①砂岩砂岩试样曲线从 J4点 滑动开始 点开始位移与差应力是非线性关系，到达 胃 点差应力稳定至某一值，并且差应力在这一水平上的一 段时间内 差应力不变位移仍增加当位移继续增加，则出现差应力下降到某一值并随位移继续增加 而差应力不再下降；②砂岩 一 煤试样 曲线与砂岩 一 砂岩试样 曲线的主要区别是开始滑 动后差应力迅速降 低到某一值，并且出现典型的粘滑现象；③煤 一 煤试样曲线则表现为开始滑动后差应力迅速降低到某一 值 ，而此后基本上一直处于稳定滑动状态从这 3种试样滑动后摩擦面 的特征看，砂岩一砂岩试件的摩 擦 面出现 明显的条状擦痕，而砂岩 一煤、煤 一 煤试样 则不仅有擦痕 出现，并且 在摩擦 面产生一些煤粉． 这 3种试件差应力一 位移曲线的不同规律与特点，说 明了不同试件的摩擦滑动特性的差异性 从构成试 件介质的性质看，由于砂岩一 砂岩试件相对强度较砂岩 一 煤、煤煤试件 高，使其在较低围压下的滑 动 一 直是稳定滑动，而砂岩 一 煤、煤 一 煤试件 的自身承载能力相对较低，使得在同等 围压条件下的初始滑 动呈不稳定滑动过程，并且砂岩煤试样还出现了粘滑 从试验结果看，砂岩煤和煤一 煤试样的共 同特点是差应力达到一定值后出现应 力突然下降，表现 出了明显的脆性破坏特征和随后的不稳定滑动特征 为了分析试件在初始摩擦 和最大 摩擦 时 牵擦 滑动面 上正应力 与剪应力 的关 系，根据 图 2 a ～ 维普资讯 1 4 6 煤 炭 学 报 1 9 9 7 年第2 2 卷 摩 擦 庠 导 竺 兰 竺 兰 苎 至 苎 苎 状态 r ／ MP a n ， MP a r ／ M P a O - J MP a r ／ MP a 口 ／ MP a 注 为摩捧周数 砂岩 一 砂岩试样摩擦滑动线性回归后 的结果 f r 0 ． 4 9 6 8 a 一0 2 4 1 2，4 0 { r 0 ． 5 9 6 2 a 0 ． 5 0 9 8 ， 1 3 0 【 r 0 ． 3 2 8 2 a 一1 ． 2 2 0 3 。 砂岩 一煤试样摩擦滑动线性回归后的结果 维普资讯 第 2期 齐庆新等 冲击地压粘滑 失稳 机理 的实验研究 动，通常则会表现为本次试验中砂岩煤 、煤煤试样 的摩擦特性，这实质上就是煤岩 体结构 的摩擦 滑 动失稳过程，也为在地质构造异常区、断层带附近易发生冲击地压找到 了摩擦滑动失稳 的实验解释 2 冲击地压的粘滑失稳机理[ ] 冲击地压的发生机理与地震 的发生机制相似．由于 冲击地压特指发生在煤矿井巷或采场中的 “ 矿 震” ， 因此与地震发生机制存 在差异 ． 在煤系岩层中，煤岩体具有 明显的层状结构和受断层切割特征煤矿的开采，一方面要利用这种煤 岩体结构特性维护回采空间；另～方面也要 防止由于这些结构而发生的失稳破 坏现象在采煤工程中， 冲击地压和工作面 冒顶就是煤岩体结构发生失稳破坏的典型表现形式． 由本文的实验和分析可以看到，层状煤岩体结构之间的摩擦滑动特性在一定围压条件下往往表现为 不稳定滑动或粘滑这种不稳定滑动或粘滑实质上就是煤岩体结构的失稳破坏这种失稳与冲击地压发 生过程是极其相似的．因此，可 认为冲击地压的发生是煤岩体结构摩擦滑动失稳 的结果，并且这种滑 动失稳是不稳定 的滑动或粘滑 如前所述，组合煤岩块 体在受力的过程 中产生 的粘滑是极不稳定的动力过程．其特点是主应力 差达到一定值后的突然卸载和随后 的波动过程，这实质上就是结构发生破坏 的过程 ．由此看来，煤岩块 体的这种粘滑特性与冲击地压在显现与破坏形式上具有很 大的相似性从发 生冲击地压煤岩体结构 的特征和 冲击地压显现特点看，冲击地压发生过程实质上就是煤岩体受力过程的瞬问滑动失稳过程，即 为粘滑过程特别是相对于发生在断层 、煤层变薄带附近的冲击地压，更表现为粘滑过程大量的实验 表明，岩石产生摩擦滑动的条件可用拜尔定律表示，而产生粘滑的条件却是较复杂的，但可从两方面来 说 明①动摩擦因数与静摩擦因数的差异 导致粘滑的产生 ；②加载系统 的动力学特性影 响滑动的形式， 如围压条件及轴向加载条件等 ．冲击地压发生的粘滑机制可 以从力学原理上解释冲击地压 的发生机理， 主要是因为①粘滑过程是应力瞬时松弛和增加的过程，这与冲击地压发生时往往出现顶底板瞬时加、 卸载，煤层瞬时破坏的过程相一致 ．②粘滑产生的前提必须是满足拜尔定律，表明了正应力与剪应力的 关系 而实际冲击地压往往发生在断层 、煤层变薄带附近，煤层相对顶底板较软，且其剪切强度相对较 低 ；同时，具有冲击地压的矿井，往往存在较大的水平构造应力，为粘滑的产生、冲击地压的发生提供 了条件 ．③粘滑是煤岩主要力学特性的一种表现形式，特别是组合煤岩结构更容易在一定 围压条件下发 生突然失稳破坏，这正是 冲击地压发生 时部分煤岩体突然 滑动并在滑动过程 中伴有动能释放的动力过 程 ．④粘 滑是结构的滑移失稳，而组合煤岩体的摩擦 滑动特性表现为典型 的粘滑过程．因此，可 以认 为，冲击地压就是煤岩体结构的摩擦滑动失稳破坏即粘滑失稳破坏 3 结 论 1 煤岩摩擦滑动的主要形式有稳定滑动和不稳定滑动 粘滑 ．实验结果表明，煤 的摩擦性 状与 岩石特别是高强度岩石具有很大差别砂岩 煤试件的摩擦性状在一定围压下表现为粘滑，而砂岩一 砂 岩试件和煤一煤试件则不产生粘滑，说明了结构形式对孽擦滑动特性的影响是显著的． 2 砂岩煤试件的粘滑现象反映了这种结构形式试件的摩擦 滑动性状，同时，也反映了这种结构 煤岩体的一种典型破坏形式．从现象上看，摩擦滑动试验中的粘滑现象与冲击地压发生过程中的瞬时破 坏过程是极为相似的．因此，可以认为，本文从实验上验证了冲击地压的粘滑失稳机理 3 从试验结果看，煤和砂岩的摩擦因数具有很大差异，煤岩在摩擦滑动 过程中摩擦 因数 的变化是 导致煤岩发生不稳定 滑动或粘滑的主要原因之一 4 冲击地压的发生是煤岩体结构破坏的一种形式，表现为摩擦滑动失稳破坏过程本文的煤岩孽 维普资讯 l 4 8 煤 炭 学 报 1 9 9 7 年第2 2 卷 擦滑动实验表明了砂岩煤试件最易产生粘滑，与矿井产生冲击地压的煤岩层结构条件相吻合，也可较 好地解释 冲击地压易于发生在煤层变薄带或断层附近的原因 参考文献 1 陈颤，地壳岩石的力学性能理论 基础 与实验研究北京 地震出版社．1 9 8 8 2 张伯祟 ，刘 长义，马元春 等 围压降低法岩 石三轴摩擦试验 的新方 法见 三峡坝 区水库诱 发地震 研究北京 地震 出版杜 ，1 9 9 3 1 2 1 ～1 3 1 3 齐 庆新层状煤 岩体结构破坏 的冲击 地压理 沦与实践研究 学位论文 ] 北京 煤 炭科学研 究总 院北京 开采研究 所 1 9 9 6 4 齐 庆新 ，刘 天泉 ，史 元伟冲击地压的摩擦滑动 失稳机理矿 山压 力与顶板 管理、1 9 9 5 3 ．4 1 7 4 ～1 7 7 作者简介 齐庶新，男，3 1岁 ．高级工程师 ，博 士1 9 8 6年于阜新矿业 学院采 矿 系毕 业，1 9 8 9年于 煤炭科 学研 究总 院北 京开 采 研究所获硕士学位1 9 9 3 ～1 9 9 6年在煤 炭科学 研究 总院北 京 开采研究 所攻 读在职 博士一直从事 岩 石力 学与矿 山压 力 、冲击地压的科研工作 ．发表 “ 地 音监 测技 术及其在矿压监测 中的应用研究” 、“ 冲击 地压的摩擦 滑动 失稳机理” 、“ 回 采巷遭受力状态的数值研究 、“ 顶板断裂机理的离散元数值方法研究 等学术论文近 3 0篇北京市和平里煤炭科学研 究 总院北京 开采研究所，邮政编 码1 0 0 0 1 3 M ECHANI S M 0F I NS TABI LI TY CAUS ED BY VI S C0US S LI DI NG I N R0CK BURS T Qi Qi n gx i n S h i Yu a n we i L i u Ti a n q u a n B e ij i n gR e s e a r O l n s Ht u t e o ／ J 4 i n i n g，C e -mr a l C o a 1 ． g i i ． i n gR e s e a n - kI n s t i t u t e Ab s t r a c t Fr i c t i o n a l s l i d i n g t e s t s o f c o a l a n d r o c k a r e ma d e i n t h e l a b o r a t o r y Th e b e h a v i o u r a n d s t a b i l i t y o f c o a l a n d r o c k i n f r i c t i o n a l s l i d i n g a r e a n a l y z e d．Th e me c h a n i s m o f r o c k b u r s t i s e x p l a i n e d b y v i s cou s s l i d i n g p h e n o me n o n t h a t t a k e s p l a c e i n t h e f r i c t i o n a l s l i d i n g．I t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e b e h a v i o u r o f c o a l i n f r i c t i o n a l s l i d i n g i s q u i t e d i f f e r e n t f r o m t h a t o f r o c k ．W h e n s a n d s t o n e a n d c o a l s a mp l e s a r e t e s t e d u nd e r a g i v e n con f i n e d p r e s s u r e ，V IS C O U S s l i d i n g occ u r s ，wh i c h s h o ws t h a t t h er u c t u r e h a s e v i d e n t e f f e c t o n t h e p r o p e r t i e s o f f r i c t i o n a l s l i d i n g ．Va r i a t i o n o f t h e f r i c t i o n a l c o e f f i c i e n t o f c o a l a n d r oc k i n s l i d i n g i s t h e ma i n r e a s o n f o r i n s t a b i l i t y s l i d i n g o r v i s cou s s l i d i n g．Ro c k b u r s t i s a n i n s t a n t a n e o u s i n s t a b i l i t y c a u s e d b y v i s c o u s s l i d i n g a n d i t i s a f r i c t i o n a l s l i d i n g c a u s e d b y v i s c o u s s l i d i n g a n d i t i s a f r i c t i o n a l s l i d i n g f a i l u r e o f c o a l a n d r o c k s t r u c t u r e Ke y wo r d s r o c k b u r s t ，f r i c t i o n a l s l i d i n g b e h a v i o u r o f coa l a n d r o c k ， v i s c o u s s l i d i n g ，s t r u c t u r a l f a i l u r e 维普资讯