靜載下含預制裂隙煤巖力學特性及破壞特征試驗研究*

任建喜 谷 禹 賈龔杰 王曉琳 岳 東 霍小泉

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

0 引 言

隨著我國淺埋煤炭資源的枯竭,煤礦生產日益向深部進軍,預估在將來的20年,我國大多數煤礦都將進入到千米的深度(陳浮等,2021)。深部的高地應力及各種復雜的構造應力環境使煤巖力學性質發生極大的變化,同時開采技術的成熟使煤礦趨于高強度的集約化生產,造成巷道圍巖所處應力狀態復雜化,煤礦發生沖擊地壓的強度和頻率顯著增加(潘一山等,2003; 姜耀東等,2014)。沖擊地壓是指煤巖在達到極限強度后,受采動等影響積聚在煤巖內部的大量彈性能劇烈釋放的過程,通常伴隨著瓦斯突出、瓦斯爆炸等次生災害(謝和平等,2015)。

目前,針對沖擊地壓發生機理已經進行了大量的研究工作,劉少虹等(2013,2014)采用霍布金森桿試驗系統,對不同沖擊傾向性煤巖動力破壞過程的載荷規律進行了研究。鄭文紅等(2015)通過三軸條件下的電荷感應實驗,研究煤巖破壞程度與電荷釋放間的關系。宮鳳祥等(2017)通過對煤巖進行不同量級的加載率單軸壓縮試驗,考察加載率對煤巖沖擊傾向性影響,得到臨界加載率附近煤巖沖擊性突變明顯。李鵬波等(2018)通過對煤巖進行力學試驗,并基于試驗所得的煤巖擴容數據證明彈性波引起的圍巖擴容是導致沖擊地壓發生的直接原因。蔣軍軍等(2018)運用MTS-1500動態試驗機,對大尺寸的沖擊傾向性卸荷煤巖進行動靜組合加載試驗,研究了煤巖在整個加載過程中的宏觀力學表現和損傷特性。張廣輝等(2020)通過對煤巖進行應力與應變分級循環加載試驗,分析得到煤巖失穩破壞過程中聲發射能量特征規律。任建喜等(2021)對不同加載模式下具有沖擊傾向性煤巖的力學特性及破壞機理進行了研究,證明沖擊地壓是靜載和動載共同作用的結果,其中高水平靜載為沖擊地壓發生的基礎條件,動載則是其主要的誘發條件。大量工程實踐表明,大多數沖擊地壓多發生在斷層等構造區域附近。斷層等大型宏觀裂隙造成整個煤巖應力場分布復雜化,在改變煤巖力學性質的同時加劇了沖擊危險性(張科學等,2017; 張寧博等,2019; 任政等,2021)。隨著認識的深化,沖擊地壓機理的研究也開始從完整煤巖本身破壞機理出發向裂隙煤巖轉變。唐紅梅等(2016)對裂隙巖石單軸壓縮下裂紋擴展模式與破壞特征進行了研究。王笑然等(2018)對砂巖進行裂隙預制,對其加載過程中的裂隙擴展規律進行了研究。趙建軍等(2019)研究了不同裂隙長度對凍融下裂隙巖石力學性質的損傷影響。趙海軍等(2019)通過連續-非連續方法,對裂隙巖體裂紋擴展規律與強度變化情況進行了研究。成小雨等(2022)則利用相似材料預制裂隙對巖體的動力損傷破壞特性進行了研究。

綜上所述,目前研究或停留于完整煤巖力學特性及破壞機理方面研究,或局限于其他裂隙巖體破壞特性研究,而對裂隙煤巖自身力學特性及破壞特征的研究較少。因此,目前針對裂隙煤巖的研究還遠未成熟。鑒于此,本文在原煤巖試件上預制不同傾角的宏觀裂隙,進行單軸及不同圍壓作用下的加載試驗,并輔以聲發射監測及高速攝影技術對裂隙擴展規律以及煤巖破壞特征進行分析。研究結果有助于提高對沖擊地壓形成機理的認識。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

本次試驗煤巖選自彬長礦區某礦綜掘工作面,煤層為侏羅系中統延安組,平均埋深710m,煤巖類型以暗淡煤為主,夾半暗及半亮型煤,煤巖頂板為泥質粉砂巖,底板為泥巖,根據礦區勘測資料得煤層所受原巖應力約為12MPa。將選取的煤塊做以下加工處理:將煤塊按照垂直層理的方向加工成直徑50mm、高度100mm的標準圓柱體試件,保證試件兩端的平行度偏差小于0.05mm。采用超聲波檢測儀測定試樣的縱波波速,剔除波速差異較大者,減小試件差異性過大帶來的試驗誤差,加工好的完整試件如圖1所示; 然后使用金剛石線性切割機在試件裂隙中央預制一條貫通裂隙,其中裂縫與試件徑向的角度分別為30°、45°、60°,裂隙寬度約為1.5mm,保證裂隙兩尖端與試件左右兩側的間距為10mm,加工好的預制裂隙煤巖如圖2所示。試件共計24個,分4組,其中1組為完整試件,其余3組為裂隙傾角30°、45°、60°的試件。

圖1 加工完成后的標準煤試件

圖2 裂隙煤巖實物圖及示意圖

1.2 試驗系統

本次試驗系統主要包括加載系統、圖像監測系統及聲發射監測系統,具體如圖3所示。加載系統為DTAW-8000巖石高壓動力試驗系統,可施加最大靜態軸向荷載為8000kN、最大圍壓50MPa,支持位移、應變、應力3種加載控制方式。

圖3 試驗加載系統示意圖

采用DISP系列8通道全數字化聲發射監測系統,該監測系統可對煤巖加載破壞的全過程進行實時監測與數據采集,采用耦合劑將4個高承壓聲發射探頭均勻地固定在試件不同位置,聲發射探頭為定制的弧面高承壓探頭,保證試件與探頭的貼合度,提高聲發射信號采集的效果。

1.3 試驗方案

分別進行完整煤巖及不同傾角裂隙煤巖的單軸壓縮試驗及三軸壓縮試驗。單軸壓縮試驗采用位移控制方式進行軸向加載,加載速率為0.01mm·s-1,直至將試件加載至完全喪失抗壓強度為止。在加載開始時同步進行聲發射信號采集并采用高速攝影機進行實時錄像; 三軸壓縮試驗為了研究煤巖不同埋深、不同地應力條件下的受力變形及破壞特征,將圍壓設定為4個值,分別為4MPa、8MPa、12MPa、16MPa,采用位移控制方式進行軸向加載,加載速率為0.01mm·s-1,將試件加載至完全喪失抗壓強度為止。

2 試驗結果及分析

2.1 不同圍壓作用下完整煤巖力學及破壞特征分析

圖4為完整煤巖單軸壓縮過程中的全應力-應變曲線圖。從圖中可以明顯的看出,煤巖的單軸壓縮過程可分為4個階段:原生孔裂隙壓密閉合階段(OA)、彈性變形階段(AB)、彈塑性變形階段(BC)及峰后破壞階段; 但與常規巖石相比,煤巖峰后破壞階段并不明顯,在達到峰值應力后產生“突降式”的應力跌落,試件瞬間失去強度; 破壞過程中發生瞬間爆沖現象并伴隨尖銳的聲響,發生明顯的脆性破壞。由最終的破壞特征圖也可以看出,與傳統的劈裂張拉破壞不同,該礦煤巖破壞時更加劇烈,除了形成多條貫穿裂縫以外,還會伴生大量的次生裂縫,在張拉破壞帶處形成破碎區,破壞程度高,這說明該礦煤巖破壞時釋放能量劇烈,具有極強的沖擊傾向性。

圖4 完整煤樣單軸壓縮應力-應變曲線及破壞特征圖

圖5a為不同圍壓條件下完整煤巖的應力-應變曲線,可以看出,煤巖在單軸加載時強度低、變形小,而隨著圍壓的增大,強度及變形能力都得到有效提高,并且圍壓越大,提高的效果也越明顯。結合表1可以看出從圍壓0MPa到16MPa,峰值強度提高了400%,峰值軸向應變增大了125%,彈性模量增大了115%。分別對峰值強度、彈性模量與圍壓的關系進行線性擬合,擬合結果如圖5b所示,煤巖的峰值強度及彈性模量與圍壓具有良好的線性特征關系。煤巖結構相較于其他巖體結構來說內部比較松散,而圍壓將煤巖擠壓密實,內部微裂隙之間的正應力和摩擦力也隨之增大,使裂隙不易發生脹裂和滑移,限制了裂隙的擴展發育,因而承載力更高,儲能能力也就越強。

表1 煤巖三軸壓縮條件下峰值強度及變形參數

圖5 不同圍壓條件下完整煤巖應力-應變特征圖

圖6為不同圍壓下煤巖的破壞特征圖,隨著圍壓的增大,煤巖由單軸時的張拉劈裂破壞逐漸轉化為剪切破壞; 煤巖在4MPa、8MPa時的剪切裂縫角度分別為38.2°、58.5°,裂縫長度較小,為局部剪切破壞,而當圍壓增大到12MPa、16MPa時,剪切裂縫角度增至61.5°、69.5°,呈整體剪切破壞特征。這是因為在低圍壓作用下,內部原生孔裂隙壓密不完全,煤巖破壞更易受其內部原有裂隙的影響,導致煤巖呈局部剪切破壞; 而隨著圍壓的增大,煤巖被完全壓密,煤巖內部裂隙對煤巖破壞狀態影響逐漸降低,其破裂角度主要受煤巖自身力學特性的影響,因此高圍壓下煤巖呈整體剪切破壞。

圖6 不同圍壓條件作用下煤巖破壞特征圖

2.2 不同傾角裂隙煤巖力學及破壞特征分析

表2為不同傾角裂隙煤巖單軸壓縮時的強度變形參數表,裂隙為30°、45°、60°時的峰值強度分別為11.74MPa、10.27MPa、8.55MPa,較完整煤巖的強度分別降低了13%、24%、37%。根據以往的試驗研究,通常靜載作用下45°裂隙巖體強度為最低,并不符合本次試驗規律,筆者認為,在進行裂隙預制的過程中,裂隙傾角越大的同時裂隙長度也隨之增加,由此推測在裂隙傾角≤45°時,此時煤巖強度主要受傾角角度影響,而裂隙傾角≥45°時,裂隙長度對強度影響占主導地位,同時說明裂隙的存在破壞了煤巖原有的力學結構,降低了煤巖的承載能力,并且傾角越大,強度劣化越明顯。同時峰值軸向應變較完整煤巖分別增大了22%、34%、12%,彈性模量較完整煤巖分別降低了8%、39%、35%。究其原因,由于裂隙的存在,使煤巖在受壓時在裂隙尖端處受壓剪作用增大,裂隙尖端擴展出新裂隙,并且隨著裂隙傾角的增大,裂隙尖端應力集中現象提前發生,最后貫通整個試件,使煤巖提前喪失抗壓強度。軸向應變與彈性模量均呈現先增大后減小的趨勢,45°裂隙煤巖相比30°、60°裂隙煤巖在軸向壓縮時,預制裂隙有效承載面積更大,更易被壓實。

表2 不同傾角裂隙煤巖單軸壓縮峰值強度及變形參數

圖7為不同傾角裂隙煤巖的應力-應變曲線圖及破壞特征圖。裂隙煤巖的應力-應變曲線同樣具有典型的壓密、彈性變形等不同的4個變形階段,同時每個階段又具有不同于完整煤巖的差異性特征。裂隙煤巖因為宏觀裂隙的存在導致壓密階段較長,這是因為在預制裂隙過程時并未對裂隙處進行填充,其內部空間變大,提高軸向與徑向方向上的變形空間,同時彈性階段較短且不明顯,彈塑性變形階段出現應力波動,并在達到峰值應力前發生流變變形。這是因為預制裂隙尖端應力分布不均,極易產生高應力集中區,雖然煤巖整體處于低應力水平,但裂隙尖端或其四周在高應力作用下提前起裂擴展,較完整煤巖提前進入彈塑性階段。

圖7 不同傾角裂隙煤巖應力-應變曲線及破壞特征圖

通過高速攝影機捕捉的實時畫面與應力-應變曲線(圖中數字序號標注處)進行對應發現,每一次的應力跌落都對應裂隙的進一步擴展延伸。同時,從最后的破壞特征圖可以看出,裂隙煤巖最終破壞程度較完整煤巖較為緩和,未發生全面爆沖現象,僅在裂隙尖端發生局部的破碎彈射區。對于完整煤巖來說,其內部存在大量隨機分布的微觀裂隙,因此應力集中區是隨機分布的。而對于預制裂隙煤巖,其應力集中區總是分布在裂隙兩尖端及其附近,加載時總是先在預制裂隙附近開裂,即預制裂隙對于煤巖的破壞起決定性作用,不僅改變煤巖的力學特性,還使其破壞形式發生變化。

2.3 裂隙煤巖圍壓效應分析

由圖8a可以看出,裂隙煤巖在圍壓4MPa時因為受到圍壓的側向約束作用,應力-應變曲線在達到峰值應力前趨于平滑,并且產生明顯的塑性流動現象; 裂隙煤巖在經過數次“突降-上升-突降”的階段后,發生應力跌落現象,瞬間失去承載能力; 結合其破壞特征圖可知,宏觀裂隙在加載過程中不斷擴展延伸,形成貫穿試件的剪切滑移面,最終突破圍壓的約束作用沿預制裂隙面發生整體剪切失穩破壞,并在預制裂隙尖端上下部分形成破碎區。

圖8 圍壓作用下裂隙煤巖應力-應變曲線及破壞特征圖

裂隙煤巖在4MPa時較單軸壓縮時的強度及變形能力均得到了提升,即圍壓的存在對裂隙煤巖同樣存在側向約束作用。而當圍壓水平繼續提升到8MPa時,3種裂隙煤巖強度均降低了200%,破壞時的變形量也成倍增大,徑向應變最大達到-9.4%,軸向應變最大達到了6.33%,呈現出與完整煤巖不同的圍壓效應,如圖8b所示。這是由于低圍壓時,圍壓使裂隙煤巖密實性提高,此時圍壓主要起到側向約束作用,煤巖不易發生失穩破壞; 而高圍壓條件下,煤巖體自身屬于脆性巖體,在達到8MPa圍壓水平過程中,煤巖內部產生擠壓變形,內部新裂隙發育,存在初始損傷,使其在后期加載時相較于4MPa圍壓下的煤巖更易發生失穩破壞,呈現出“逆圍壓效應”。根據其破壞特征圖也可看出,8MPa圍壓下的煤巖破碎更為徹底,表明了其內部裂隙較多,初始損傷現象嚴重; 同時裂隙煤巖在高圍壓下達到峰值強度后迅速發生破壞,具有明顯的脆性特征。

3 裂隙煤巖破壞聲發射特征演化規律分析

圖9為單軸壓縮條件下不同傾角裂隙煤巖的應力、聲發射振鈴計數和聲發射累積振鈴數隨時間的變化曲線圖?？梢灾庇^地反映裂隙煤巖在受載過程中裂隙起裂、擴展貫通直至失穩破壞的演化特征,根據煤巖應力-應變曲線4個變形階段匹配聲發射參數變化,將煤巖失穩破壞聲發射演化規律分為4個階段。

圖9 裂隙煤巖單軸壓縮應力和振鈴計數時程變化曲線

(a)初始壓密階段——聲發射沉寂期。此階段完整煤巖及裂隙煤巖聲發射活動很少,聲發射振鈴計數都相對較小,聲發射累積振鈴曲線近乎水平,只有零星微弱的聲發射信號產生。

(b)彈性變形階段——聲發射初始活躍期。此階段完整煤巖因為受Kaiser效應的影響,幾乎沒有聲發射事件產生; 而裂隙煤巖因為存在宏觀裂隙,煤巖提前開裂,聲發射振鈴計數出現第1個峰值,聲發射累積振鈴曲線陡增; 聲發射計數的峰值點和應力曲線的波動點是相互對應的,因此聲發射信號參數很好地反應了裂隙煤巖的損傷開裂情況。

(c)塑性軟化階段——聲發射過渡期。此階段完整煤巖聲發射事件發生較為平穩; 裂隙煤巖局部應力集中效應更劇烈,宏觀裂隙的擴展會產生聲發射計數的激增點,且每兩次激增點之間都會伴隨一段低幅值的信號波動。這是因為應力集中區的能量得到初步釋放,此時裂隙的擴展受阻,聲發射進入“平靜期”,兩次激增點之間的“平靜期”便是能量的再次積聚過程,這也從側面說明宏觀裂隙的開裂、擴展發育是一個反復的“蓄能-耗能-蓄能”的過程。

(d)破壞階段——聲發射爆發期。完整煤巖和裂隙煤巖在達到峰值強度時,積聚的彈性能瞬間釋放,尤其是完整煤巖,由于沒有經歷過裂隙煤巖階段性釋能的過程,導致其最終破壞時彈性能的急劇釋放,聲發射計數在峰值應力處達到極大值,聲發射累積曲線斜率在整個受載過程最大。

結合不同傾角裂隙煤巖聲發射累計振鈴計數和累計振鈴數綜合分析可得,聲發射計數并不連續,與應力大小無相關性,裂隙開裂擴展釋放的彈性波導致聲發射事件的產生,裂隙擴展速度越快,聲發射特征值參數越大; 隨著裂隙傾角增大,裂隙面之間的的摩擦滑移現象加劇,聲發射特征值參數隨之增大; 聲發射極值點往往發生在裂隙開裂擴展所產生的應力跌落處和峰值應力附近。

4 結 論

(1)單軸壓縮條件下的完整煤巖在達到峰值強度后產生“突降式”應力跌落,試件瞬間發生整體爆沖破壞,沖擊現象明顯; 隨著圍壓的增大,煤巖的峰值強度和峰值應變隨之提高,煤巖發生明顯的剪切破壞,且剪切破裂角呈遞增趨勢。

(2)宏觀裂隙降低了煤巖的承載力及彈性模量,在傾角30°～60°范圍內,裂隙傾角越大煤巖的強度劣化越明顯,峰值軸向應變與彈性模量先增大后減小; 宏觀裂隙對煤巖破壞形式起到決定性作用,煤巖在裂隙尖端及附近形成破碎區,破壞特征變成在裂隙附近的局部彈射破壞。

(3)裂隙煤巖在圍壓作用下呈現出“逆圍壓效應”,即當圍壓增大到一定程度時,煤巖強度不再隨著圍壓的增大而增大,而是呈現出降低的趨勢; 高圍壓作用下煤巖發生明顯的脆性破壞,破壞程度加劇。

(4)完整煤巖與裂隙煤巖聲發射階段與其破壞過程相對應。完整煤巖由于沒有釋能過程,在爆發期釋放最大能量,聲發射計數達到極值; 裂隙煤巖的每一次應力跌落使聲發射計數產生激增點,裂隙的開裂、擴展是“蓄能-耗能-蓄能”的過程。