玉華礦4-2煤裂隙煤巖三軸壓縮破壞機理研究

任建喜，陳首佳，岳 東，霍小泉，袁增云，范志海，寇義民，侯正利

（1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西陜煤銅川礦業有限公司，陜西 銅川 727000；3.陜西陜煤銅川礦業有限公司 玉華煤礦，陜西 銅川 727000）

玉華煤礦2410工作面具有地質條件復雜、構造面多、圍巖節理發育完全的特點。工作面回采過程中煤巷頂板下沉量大、兩幫收斂嚴重，影響了安全生產，急需返修。通過深孔鉆孔窺視發現，煤巷圍巖含有大量發育裂隙，由于裂隙的存在，導致煤層的物理力學性質與完整煤巖體有顯著的差異。

早在20世紀中期，已經有學者注意到巖石的裂隙在很大程度上影響著巖石的強度[1]。目前，對裂隙巖石的裂紋擴展規律及貫通破壞模式、力學機制方面已取得較多的研究成果，豐文清等[2]定量描述了裂隙大小的方法和指標，并引用損傷力學的觀點和巖石強度理論對該關系式進行了理論分析。肖桃李等[3]進行了預制單裂隙類巖樣三軸壓縮試驗，得出來圍壓是試樣宏觀破裂模式的主要影響因素。黃彥華等[4-5]進行了裂隙類砂巖試樣三軸壓縮試驗,得到了裂隙巖樣峰值強度、裂紋損傷閾值等隨圍壓變化的規律。余明坤等[6]采用聚乳酸樹脂材料和預埋云母片的方法制作類巖石裂隙試件，進行了分步開挖卸載試驗研究。結果表明：法向應力較低時，更易引起裂隙尖端拉伸裂紋的擴展；法向應力較高時，更易引起剪切裂紋的萌生與擴展。吳鈺[7]等運用RFPA2D數值模擬軟件研究了裂隙數量及傾角對巖石破壞特征的影響。結果表明：單裂隙巖樣表現出以拉剪破壞為主的漸進破裂模式；雙裂隙巖石表現為拉裂破壞與壓剪破壞的組合模式。

目前，研究煤巖變形破壞規律的成果較多[8-24]，而研究裂隙煤巖的成果較少。更少有學者涉及三軸壓縮條件下的裂隙煤巖變形破壞機理的試驗研究。為此，采用三軸壓縮試驗系統進行不同圍巖下玉華礦4-2煤完整煤巖和不同裂隙傾角煤巖三軸壓縮試驗，結合聲發射監測系統，研究不同圍壓下裂隙煤巖的破壞機理。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 裂隙煤巖的制備

試驗所采煤巖樣品取自2410工作面，煤層埋深600 m，平均厚度5.9 m。利用巖心鉆取機勻速沿垂直層理方向加工成國際標準圓柱準50 mm×100 mm。采用超聲波檢測設備對煤巖樣進行無損監測，篩選出平均縱波波速在1 600 m/s左右的煤巖試件進行試驗。將已篩選好的標準試件，采用直徑為0.5 mm金剛石線對標準試件進行切縫沿45°和60°方向切割，預制裂隙寬度不大于0.55 mm，裂隙煤巖裂隙參數與照片如圖1。

圖1 裂隙煤巖裂隙參數及照片Fig.1 Fracture parameters and photos of fractured coal and rock

1.2 試驗設備

1）三軸試驗平臺。試驗采用TAW—1000微機控制巖石高溫三軸試驗系統，主要參數如下：①最大軸向力為1 000 kN，最大圍壓為80 MPa，精度為±1%；②設備可采用位移、載荷和變形3種方式控制。變形測控范圍：軸向0～10 mm，徑向0～8 mm。

2）聲發射監測系統。聲發射裝置采用美國物理聲學公司（PAC）生產的DISP系列8通道全數字化聲發射監測系統。該系統具有全數字化、計算機一體化CAT系統、并行DSP處理系統、AE特征參數與波形同時采集等技術特點，既可以實時采集，也可以對聲發射采集數據全過程回放，可多窗口實時顯示，具有強大的3維定位功能。

1.3 試驗方法

選取煤巖波速相近的27個試件，分為9組，每組3個試件，進行三軸壓縮試驗，三軸壓縮試驗方案設計見表1。

表1 三軸壓縮試驗方案設計Table 1 Triaxial compression test scheme design

首先施加0.5 kN的軸向壓力以固定煤巖試樣，采用0.01 MPa/s的速率施加圍壓至σ3到達預定值，在保持圍壓穩定之后采用軸向變形控制，以0.05mm/min的速度施加軸壓。圍壓分別為5、10、15 MPa，并輔以聲發射系統進行實時監測，保證加載數據和聲發射的數據同步。為有效過濾噪音信號對聲發射結果的影響，信號門檻值設置為45 dB，采樣頻率為1 MHz。

2 試驗結果及分析

2.1 完整煤巖三軸壓縮破壞機理

完整煤巖三軸壓縮試驗結果見表2，完整煤巖應力-應變曲線和煤巖破壞照片及素描圖如圖2。

表2 完整煤巖三軸壓縮試驗結果Table 2 Triaxial compression test results of complete coal and rock

由圖2（a）和圖2（b）可知，煤巖在三軸壓縮狀態下，無壓密階段，其應力-應變曲線主要分為3個階段，分別為彈性、屈服、破壞或峰后軟化段3個階段。這說明在5、10、15 MPa 3種圍壓下，圍壓對煤巖的壓密作用明顯。試件煤巖在施加圍壓階段已經基本完成壓密。完整煤巖試件的偏應力-應變曲線彈性階段很長，曲線階段則很短。且隨著圍壓的升高，彈性階段曲線越陡，彈性模量越大。在三軸壓縮條件下，除較低圍壓（σ3=5 MPa）時，煤巖峰后延性破壞特征明顯，隨著圍壓升高，峰后應力跌落幅度明顯增強?？梢?，圍壓對煤巖脆延性轉化具有明顯的影響。

圖2 完整煤巖應力-應變曲線和煤巖破壞照片及素描圖Fig.2 Complete coal rock stress-strain curves and coal rock failure photos and sketches

由圖2（c）～圖2（e）可知，完整煤巖在圍壓5 MPa下，局部呈剪切破壞，說明煤巖在低圍壓下，內部節理裂隙壓密不完全，局部節理發育更容易導致其局部剪切破壞；在10 MPa和15 MPa下，整體呈剪切破壞。這說明在高圍壓下煤巖壓密逐漸完全，煤巖體自身節理對破壞角度影響減小。

2.2 裂隙煤巖三軸壓縮破壞機理

裂隙煤巖三軸壓縮試驗結果見表3，不同圍壓不同裂隙角度煤巖下應力-應變曲線如圖3和圖4。

圖3 45°裂隙煤巖應力-應變曲線與煤巖破壞照片及素描圖Fig.3 Stress-strain curves of coal and rock with 45°fracture and photos and sketch of coal and rock failure

圖4 60°裂隙煤巖應力-應變曲線與煤巖破壞照片及素描圖Fig.4 Stress-strain curves of coal and rock with 60°fissure,photos and plain graphs of coal and rock failure

表3 裂隙煤巖三軸壓縮試驗結果Table 3 Triaxial compression test results of fractured coal and rock

在三軸壓縮狀態下，完整煤巖應力-應變曲線峰后呈平滑式應變軟化，60°裂隙煤巖應力-應變曲線會呈現平臺式軟化，且應力-應變曲線峰后跌落程度更高。分析認為，主要是由于應力作用下預制裂隙尖端微裂隙的萌生、擴展及貫通，加劇了裂隙煤巖的破壞，即應力-應變曲線上應力的跌落與裂紋擴展行為相對應。

由裂隙煤巖破壞照片及素描圖可知，裂隙煤巖相比與完整煤巖的破壞都集中于試件下部，這是由于預制裂隙導致試件中部偏心受壓導致的。在5 MPa和10 MPa下，45°裂隙煤巖樣呈現出由直剪破壞向斜剪破壞過度的破壞形態，當圍壓增大到15 MPa時候，煤巖完全呈斜剪破壞，且隨著圍壓的增大，破裂角度增加明顯。出現這一現象，可能由加載過程中在裂隙尖端，產生應力集中，裂隙兩邊產生應力差，相當于煤巖受剪切荷載，低圍壓下，煤巖強度較低，煤巖抗直剪變形能力弱，進而表現出直剪破壞和斜剪破壞的復合破壞形態。隨著圍壓升高，煤巖強度升高，煤巖抗直剪變形能力得到提升，因此破壞時，只表現為斜剪破壞。對于60°裂隙煤巖，煤巖下部的裂隙發育完全，60°裂隙煤巖沿裂隙產生剪切破壞。分析可能是由于在加載過程中裂隙閉合，煤巖沿裂隙產生剪切破壞。

2.3 煤巖物理力學參數劣化分析

2.3.1 煤巖峰值強度

為分析煤巖三軸壓縮強度與裂隙關系，進行對不同圍壓完整煤巖和裂隙煤巖三軸壓縮強度進行分析，煤巖峰值強度與裂隙關系如圖5，圖中σP為偏應力峰值強度；σs為軸向壓縮峰值強度；α為裂隙傾角。在相同圍壓作用下，與完整煤巖相比，裂隙煤巖的三軸壓縮強度均大幅度減小。由表2和表3數據，對煤巖三軸抗壓強度和圍壓進行線性擬合，煤巖峰值強度與圍壓關系如圖6。

圖5 煤巖峰值強度與裂隙關系Fig.5 Relationship between peak strength of coal and rock and fracture

圖6 煤巖峰值強度與圍壓關系Fig.6 Relationship between peak strength of coal and rock and confining pressure

煤巖峰值軸向應力σs與圍壓σ3關系擬合如下：

完整煤巖：

σs＝8.276 1＋6.740 34σ3－0.148 16σ32，R2＝1。

45°裂隙煤巖：

σs＝－5.032 02＋8.346 36σ3－0.311 7σ32，R2＝1。

60°裂隙煤巖：

σs＝40.715 9－3.329 77σ3＋0.275 72σ32，R2＝1。

從圖6擬合曲線可得，裂隙煤巖和完整煤巖在圍壓增加時，三軸壓縮強度也在增加，呈非線性增加趨勢。完整煤巖三軸壓縮強度相比于裂隙煤巖三軸壓縮強度增長幅度顯著，說明整煤巖三軸壓縮強度對圍壓的敏感程度最高，45°裂隙煤巖次之，60°裂隙煤巖對圍壓敏感性最低。綜合圖5及圖6可得，45°裂隙煤巖相比完整煤巖三軸壓縮峰值強度在圍壓5、10、15 MPa分別降低25.16%、24.02%和30.26%，平均降低26.48%。60°裂隙煤巖相比與完整煤巖三軸壓縮峰值強度在圍壓5、10、15 MPa分別降低19.11%、42.51%、30.56%，平均降低30.72%。60°裂隙煤巖相比與45°裂隙煤巖在10 MPa強度劣化更顯著，隨著裂隙傾角的增加煤巖，煤巖中部產生I型裂紋，直接破壞了煤巖的整體性，造成煤巖峰值強度劣化顯著。

2.3.2 煤巖彈性模量

通過三軸壓縮試驗數據得出不同圍壓下完整和裂隙煤巖的彈性模量，對彈性模量和圍壓進行線性擬合，煤巖彈性模量與圍壓關系如圖7。

圖7 煤巖彈性模量與圍壓關系Fig.7 Relationship between coal rock elastic modulus and confining pressure

煤巖彈性模量E與圍壓σ3關系擬合結果如下：

完整煤巖：

E＝2.005＋0.035 51σ3－0.001 37σ32，R2＝1。

45°裂隙煤巖：

E＝2.905-0.068 8σ3+0.005 68σ32，R2＝1。

60°裂隙煤巖：

E＝1.84+0.128 1σ3-0.006 06σ32，R2＝1。

從圖7可得，裂隙煤巖彈性模量的劣化受到裂隙影響較大。45°裂隙的煤巖彈性模量在圍壓5、10、15 MPa分別下降21.37%、33.46%、25.84%，彈性模量平均損失26.89%。這是由于預制裂隙的存在，造成煤巖的整體性降低，導致三軸壓縮試驗過程中裂隙煤巖相比于完整煤巖更早進入塑性階段，并在預制裂隙尖端成微裂隙并發育貫通，造成了煤巖彈性模量的降低。完整煤巖的彈性模量對圍壓敏感度高，含有裂隙的煤巖彈性模量敏感性低，當裂隙傾角增加到60°時圍壓對煤巖彈性模量基本沒有影響。

2.3.3 煤巖泊松比

綜合表2和表3可得，圍壓5、10、15 MPa下完整煤巖的峰值軸向變形分別為0.012 0、0.013 5、0.015 8，裂隙煤巖峰值軸向變形為0.010 1、0.015 8、0.014 9。隨著圍壓的增加，完整煤巖與裂隙煤巖的峰值軸向變形整體都呈增加的趨勢，說明隨著圍壓增加，煤巖延性增加，煤巖的軸向變形能力得到了增強。從表2和表3得出不同圍壓下完整和裂隙煤巖的泊松比，對泊松比和圍壓進行曲線擬合，煤巖泊松比與圍壓關系如圖8。

圖8 煤巖泊松比與圍壓關系Fig.8 Relationship between Poisson’s ratio and confining pressure

煤巖泊松比μ與圍壓σ3關系擬合結果如下：

完整煤巖：

45°裂隙煤巖：

60°裂隙煤巖：

完整煤巖泊松比隨著圍壓增加，呈顯著減小的趨勢。隨著圍壓的增高，煤巖側向變形的約束能力增加，側向變形增加量遠小于軸向變形增加量，造成煤巖泊松比減小。裂隙煤巖泊松比隨著圍壓增加，顯著呈增大的趨勢。這是由于在高圍壓下煤巖在破壞階段沿著裂隙進行滑移，裂隙煤巖試件側向變形進而顯著增加，導致了隨著圍壓增加泊松比增幅較大。

3 裂隙煤巖破壞過程聲發射特性分析

當材料受外力作用或內力超過屈服而產生變形或斷裂時，以彈性波的形式釋放出應變能的現象叫聲發射，聲發射信息能很好地反映煤巖內部的破裂損傷，聲發射與裂隙的擴展、貫通等演化規律具有密切的關系，現采用聲發射振鈴計數對三軸壓縮裂隙煤巖破壞全過程的聲發射特征進行分析[8-10,13,18]。

3.1 完整煤巖三軸壓縮聲發射特征

不同圍壓完整煤巖三軸壓縮聲發射振鈴計數與應力應變曲線如圖9。

圖9 完整煤巖三軸壓縮聲發射振鈴計數與應力應變曲線Fig.9 Complete coal rock triaxial compression acoustic emission ringing count and stress-strain curves

從圖9可以看出，在圍壓5 MPa下完整煤巖壓密不完全，完整煤巖的原生孔隙一定程度被壓密，在局部發生剪切破壞，破裂面面積小，振鈴計數相對較少。當圍壓增加至10 MPa和15 MPa時，完整煤巖的原生孔隙被壓密完全，整體呈剪切破壞，破裂面積大，振鈴計數相對較多。

3.2 裂隙煤巖三軸壓縮聲發射特征

不同圍壓裂隙煤巖三軸壓縮聲發射振鈴計數與應力應變曲線圖10和圖11。

圖10 45°煤巖三軸壓縮聲發射振鈴計數與應力應變曲線Fig.10 Ringing count and stress-strain curves of 45°coal triaxial compression acoustic emission

對比圖9、圖10和圖11可得：

圖11 60°煤巖三軸壓縮聲發射振鈴計數與應力應變曲線Fig.11 Acoustic emission ringing count and stress-strain curves under 60°triaxial compression of coal and rock

在圍壓5 MPa下完整煤巖ε1到0.01左右時，煤巖進入塑性階段，聲發射振鈴計數開始顯著增加。裂隙煤巖ε1到達0.006左右時，開始出現明顯的振鈴計數，說明裂隙產生的初始的損傷，由于裂隙尖端產生的集中力，造成煤巖樣更早進入塑性階段。

在5 MPa下裂隙煤巖累計振鈴計數顯著大于完整煤巖，發生這一現象的主要原因是在圍壓5 MPa下完整煤巖僅發生局部的剪切破壞，破壞程度小，進而破壞產生的累計振鈴計數小于裂隙煤巖累計振鈴計數。

隨著圍壓的升高，完整煤巖的彈性階段相比圍壓5 MPa下更長，吸收的能量越多，破壞時產生的振鈴計數越多。而對于裂隙煤巖在圍壓15 MPa下的累計振鈴數小于圍壓10 MPa，這是由于在隨著圍壓升高，使得裂隙煤巖由復合破壞形式轉變為斜剪破壞，煤巖破壞模式的轉變減小了彈性波的釋放，進而出現了在圍壓15 MPa下累計振鈴計數減小的現象。

4 結論

1）裂隙對煤巖三軸壓縮強度影響顯著，在5、10、15 MPa下，峰值強度平均下降26.48%；預制裂隙降低煤巖的整體性，在三軸壓縮試驗過程中裂隙煤巖更早進入塑性階段，導致了煤巖彈性模量的降低；裂隙煤巖在較高的圍壓下側向變形增加顯著，表明較高圍壓時裂隙煤巖相比于完整煤巖擴容變形能力更強。

2）45°裂隙煤巖宏觀破裂模式受裂隙傾角和圍壓的共同影響。當圍壓較小時，破裂形態受裂隙傾角的影響較大，當圍壓增大到一定程度后，裂隙傾角的影響逐漸減弱，圍壓的作用開始顯現呈斜剪破壞模式；60°裂隙煤巖在低圍壓下僅沿裂隙發生剪切破壞，隨著圍壓升高，60°裂隙煤巖在裂隙出產出I型裂紋。

3）在相同圍壓下，隨著裂隙角度的增加，煤巖力學參數劣化顯著。相同圍壓下，裂隙傾角與振鈴計數呈正相關，說明隨著裂隙傾角的增加煤巖破壞程度越高。

4）煤巖裂隙和深埋是影響4210工作面煤巷嚴重破壞的重要因素，在煤巷返修支護設計應充分考慮裂隙和圍壓對煤巷圍巖變形的影響?？刂屏严睹簬r變形和頂板松動爆破泄壓是進行煤巷返修支護設計參數確定時需要重點考慮的問題。