不同含水率下煤巖組合體力學特性損傷規律研究

孫長斌，吳斌斌，楊 逾

（1.國能神東煤炭集團有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 017000； 2.中國神華能源股份有限公司神東煤炭分公司，陜西榆林 719000； 3.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧阜新 123000）

0 引言

煤田賦存地質條件及在人為開采擾動下地下水情況復雜多變。陜北地區侏羅紀煤田煤層賦存條件具有厚度較大、構造單一、埋深較淺的特點，開采過程普遍受覆巖層導水裂隙影響，致使工作面頂板面臨水害威脅［1-2］。在水巖耦合作用下引發的直接及伴生災害成為最常見的礦井災害之一［3］。尤其在煤巖巷道采掘時，留設煤柱頂底板夾層等煤巖巷道周邊巖體形成的復合結構。受水害影響具有多重疊加效應，其破壞形式往往為煤巖層狀組合系統整體失穩［4-5］。因此，水巖作用下工作面煤巖體穩定性對煤礦安全生產具有重要意義。

煤巖組合體的力學行為及演化規律，對于煤巖巷道的穩定性控制及礦井災害預測，具有重要參考價值［6］。楊磊等通過設計不同高度比煤巖組合體試件，開展單軸壓縮實驗，基于能量耗散理論，分析了煤巖組合的力學規律及破壞形式［7］。李回貴等研究了不同煤層厚度組合體破壞過程中的聲發射特性，相關研究結論為富水礦區災害的防治提供前兆信息［8］。武強等基于試驗研究，提出了煤層頂板涌水危險性定量評價方法，為頂板水害預測控制及評價分析提供了關鍵研究思路［9］。CAI 等等結合CT 技術、核磁共振、聲發射、電鏡等研究手段，對煤巖內部孔隙賦存及導水通道進行研究，從微觀角度揭示不同含水狀態下煤巖穩定性，對于富水條件下煤巖失穩預測及控制具有指導作用［10］。

基于此，多數學者從不同角度研究了煤巖組合體的力學性質和變形與破壞規律。在此基礎上，考慮水巖耦合作用，基于煤層開采特點，分析不同煤-巖層組合的力學性質，并揭示不同含水率下，巖－煤－巖組合體在單軸壓縮條件下的裂隙演化規律，從而為礦井水害危險性評價提供依據。

1 試驗方案

1.1 試件設計與制備

依托錦界煤礦3-1煤層深部區頂板水危險性評價及防治水技術研究項目，本次室內試驗在遼寧工程技術大學土木工程學院巖土實驗室進行，始于2022 年10 月初至11 月末，周期約2 個月。砂巖、煤巖采自陜西榆林錦界煤礦三盤區31301 工作面，先將巖樣制成不同高度，直徑50 mm圓柱體，端面平行度＜0.02mm。

自然條件下沉積巖層間界面，因礦物成分不同強度具有較大的差異性，但具有厚度薄的共性。為降低層間錯動對于試驗的干擾，采用高強度云石膠充當煤－巖界面間的膠結劑，其固結強度達105MPa，膠結界面層厚度＜1 mm。滿足煤巖組合體界面的強度、厚度要求。將砂巖、煤巖圓柱體按照“砂巖-煤巖-砂巖”的順序，頂底次序平行相接，最終制成直徑50 mm，高度100 mm的巖-煤-巖組合體標準試件。

其中，結合井下留設煤柱煤巖厚度比，將煤巖組合體中部煤層厚度設計為30mm。煤巖組合體制備示意及試件，如圖1所示。

圖1 不同煤巖高度組合體制備示意及試件Figure 1 Preparation diagram and specimens of different coal rock height combinations

1.2 試驗方法及過程

力學試驗前需開展浸水預試驗，選取一組外觀完好組合體試件，先在烘干箱中進行烘干，待其質量維持不變后，記錄為干燥狀態組合體質量。根據含水率與浸水時間關系曲線，確定多組不同含水率區間的組合體時間，開展力學及聲發射試驗。

試驗加載系統為TAW-2000 型液壓伺服試驗機，試驗前調試壓力機采集系統，并將加載盤調制于水平狀態，試件置于試驗機的承壓板中心，保證試件受力均勻；以軸向變形0.15 mm/min 的速度施加壓縮荷載，直至試件破壞，并記錄試件破壞應力-應變曲線，試驗系統如圖2所示。

圖2 煤巖組合體試驗過程Figure 2 Test process of coal rock combination

試件加載過程中，及時采集聲發射信號，通過聲發射監測系統記錄聲發射計數與累計數。聲發射信號采集采用Nano30小型傳感器，傳感器布設在距離試件端面15mm 處，使用黃油填充傳感器與試件表面間隙，外側橡膠帶固定。聲發射監測下限值設為45dB，主放為40dB，采樣頻率為1MHz。

2 試驗結果

2.1 組合體含水率變化規律分析

干燥狀態下完好的組合體，浸沒于煤礦地下水中，稱重時擦除表面附著水，稱重間隔為24h，當組合體質量不在增加，即認為試件處于飽水狀態。

試驗中記錄不同浸水時間的試驗含水率變化曲線，如圖3所示。

圖3 組合體含水率變化曲線Figure 3 Combination moisture content change curve

圖3中含水率W利用下式（1）計算得到：

式中：m0為煤巖組合體干燥狀態下質量，g；m1為不同浸水時間下煤巖組合體含水狀態下總質量，g。

由圖3 可知，組合體在第6～7d 浸水區間內，總質量基本維持不變，含水率最高維持在4.91%。 曲線瞬時斜率可表示此時組合體吸水速率，可以看出，組合體吸水速率隨著浸水時間的增加不斷降低，在浸水第2d 時，吸水量達到飽和水量的57.6%。其根本原因與組合體內部孔隙率有關，開放孔隙或孔洞在其前期起到主導作用，內部相連孔隙形成毛細通道，對前期吸水速率的提高起到疊加促進作用。當浸水時間達到4d時，組合體含水率進入穩定增長期，此時組合體內部閉合孔隙開始吸收水分，水體與巖石礦物成分發生化學作用，短期內巖石內部溶融物質阻斷水力通道，并對組合體吸水起到一定抑制作用，在一定程度上起到了隔水的作用。但當巖石內部原生裂隙或孔隙與外界形成滲流時，組合體含水率還將繼續穩定增長?；诖?，當組合體浸水時間為7d時，即認為組合體達到飽水狀態。

2.2 不同含水率煤巖組合體應力-應變曲線

根據組合體含水率-浸水時間變化曲線，結合含水率等差原則，選取浸水時間為0、2、3 及7d 的組合體，編號為SMS-1、SMS-2、SMS-3 及SMS-4。每組編號下3 個試件進行單軸壓縮試驗，不同含水率條件下組合體應力-應變曲線如圖4所示。

圖4 不同含水率煤巖組合體應力-應變曲線Figure 4 Stress-strain curves of coal rock combinations with different moisture contents

由圖4可知，不同含水率條件下組合體破壞，具有經典四階段漸進發展特征：

1）壓縮變形初始階段。組合體內部原生孔隙承受壓縮荷載下逐漸緩慢閉合，曲線呈現出明顯的“上凹”形增長趨勢，屬于壓密階段。此階段組合體抗壓強度與其內部原生孔隙分布及比率敏感度最高，內部結構強度對壓密階段的巖體整體強度影響較小。因此，不同含水率下組合體壓密階段應力-應變曲線變化趨勢基本一致。

2）隨著組合體壓縮變形逐漸發展，不同含水率組合體進入彈性階段即呈現出較大不同，含水率越高，應力增長的彈性階段結束越早，增長速度（直線段的斜率）也越低，說明組合體含水率的不同，導致巖體內部結構強度發生改變，致使巖體彈性模量逐漸降低，直觀地表現為組合體彈性階段應力-應變曲線變化趨勢的差異。

3）應力增長至彈性區間上限閾值時，組合體達到內部結構承受極限強度，宏觀表現為試件破裂失穩。不同含水率條件下，組合體的承壓極限強度明顯不同，這說明水巖作用下巖體內部結構出現損傷，最終強度劣化降低，并隨著含水率的升高，強度劣化不斷加劇。同時也能看出SMS-3 組合體出現明顯的“雙峰”現象，這主要是由于組合體內部砂巖、煤巖在水巖作用下，煤巖抵抗水巖作用損傷的能力明顯低于砂巖，從而使強度損傷差異性導致應力-應變曲線出現“雙峰”現象。

4）當組合體壓縮破壞進入失穩階段后，組合體試件內部結構完全喪失有效支撐體系，反復出現峰值直至完全失去承載強度。組合體局部表現為網狀細微裂紋匯聚成主要斷裂縫，此時組合體發生完全破壞。

2.3 水巖作用下煤巖組合體強度損傷弱化規律

在對SMS-1、SMS-2、SMS-3 及SMS-4 進行單軸壓縮試驗前，測定每組試件平均含水率。通過圖4中不同含水率組合體強度數據，計算水巖作用后組合體強度損傷弱化后剩余強度與干燥狀態下組合體強度比值，從而得到組合體損傷后的弱余強度。弱余強度-含水率變化曲線如圖5所示。

圖5 弱余強度-含水率變化曲線Figure 5 Weak residual strength moisture content variation curve

由圖5 可知，組合體弱余強度隨含水率增加不斷降低。強度弱余趨勢曲線點斜率表示為強度損傷速率，隨著含水率的提高，組合體強度損傷劣化的速度不斷加快。這說明初期含水率偏低時，組合體內部結構受水巖作用的損傷程度較少，水體主要集中在巖體內部開放孔隙及孔洞。隨著含水率的逐漸提高，巖體內部親水礦物發生水化反應，產出的溶融物質不斷產物支解巖石結構，并形成新的水力通道，在兩種結果的協同作用下，強度損傷劣化速率不斷加快。另一方面，當溶融物質達到一定濃度后，會形成礦物結晶及水膜，阻斷組合巖體進一步吸水及強度損傷劣化進程。

根據弱余強度-含水率變化趨勢曲線，可定量預測組合體弱余強度值，以含水率w為自變量，弱余強度y為因變量，則弱余強度隨含水率預測數學模型如下式（2）所示。

通過（2）可知，在含水率處于0＜w≤飽和時，煤層厚度比為0.3 的組合體，隨含水率增加弱余強度變化滿足二次函數數學關系式。通過關系式可較好預測水巖作用下煤巖組合體強度損傷規律，對于井下留設煤柱安全穩定性及控制提供數據支撐。

3 煤巖組合體聲發射測試及微觀損傷機理

3.1 含水率影響下組合體聲發射變化規律

巖石聲發射現象伴隨巖石破壞全過程，巖石內部結構裂隙萌生、發展及貫通，直觀反映在巖石聲發射參數之中［11-12］。因此，開展不同含水率下組合體破壞全過程聲發射監測試驗，組合體破壞應變與聲發射參數變化曲線，如圖6所示。

圖6 組合體破壞過程聲發射參數曲線Figure 6 Acoustic emission parameter curve during the failure process of combination

通過圖6可直觀看出煤巖組合體內部聲發射規律。聲發射計數直觀表現組合體不同應力狀態下瞬時損傷程度，累計計數可體現出組合體內部損傷累積量。結合累計計數及計數曲線可標識出巖體彈性階段平穩期閾值，進而通過分析不同含水率下巖石聲發射平穩期區間長度及峰值，可表征含水率對巖體影響程度。

由圖6a 可以看出，干燥狀態下組合體聲發射事件在壓密階段即大量發生，可直觀體現出此時組合體較“硬脆”。隨著進入彈性階段平穩期，聲發射事件發生頻率也較穩定，聲發射積累數呈勻速增長，當達到平穩期上限閾值后，聲發射事件陡然上升，此時積累數曲線也出現抬頭。這說明組合體內部發生突發破壞，可認同于此時發生巖爆。

圖6b為SMS-4組合體聲發射特征曲線，此時組合體含水率為4.92%為飽和狀態。結合聲發射計數曲線，壓密階段聲發射事件發生明顯低于干燥狀態，組合體呈現較“軟弱”特征。該種現象主要是由于巖體內部孔隙水起到消音吸聲作用，將聲波降至于監測下限以下。同時進入彈性階段平穩期較早，區間內聲發射事件逐漸增多，聲發射累計數增速不斷提高，當達到平穩期上限閾值后，累計數增速達到峰值，組合體聲發射事件也出現陡增，此時巖體發生破壞。

綜上，當組合體處于飽和狀態時，聲發射事件發生頻率低于干燥狀態，巖體破壞前預兆聲發射特征不明顯，這一特征也可說明現場高含水率巖體監測時，巖爆、冒頂片幫發生前聲發射無規律及易突變，造成組合巖體破壞較難預測及控制。

3.2 水巖作用下組合體微觀損傷機理

由力學及聲發射試驗結果可知，煤巖組合體在水巖作用下力學特征出現損傷效應，其本質為巖體內部發生復雜的物理、化學及力學反應［13］。不同含水率組合體微觀電鏡圖像如圖7所示。

圖7 不同含水率組合體微觀電鏡圖像Figure 7 Microscopic electron microscopy images of combinations with different moisture contents

由圖7a 可知，干燥狀態下巖體內部斷裂面結構較為密實，呈現出明顯的鱗片狀，表面尖銳且緊致。但當組合體處于飽水狀態時，巖體內部出現較多的溶蝕塌陷坑，礦物顆粒表面圓滑，無明顯突起（圖7b）。在大顆粒礦物表面可看出溶融物質重結晶現象。該現象解釋了由于煤巖內部礦物成分不同，煤巖組合體弱余強度及聲發射事件差異的本質原因。說明水巖作用下，煤巖組合體強度等力學特征的損傷劣化，主要與內部礦物，在溶解-蝕變-結晶等一系列水化反應后，所形成的新礦物有關，由“新-原”礦物的空間結構鏈及黏結程度共同決定。

4 討論

煤炭實際開采活動中，煤層與巖體在時空上存在著緊密的聯系和相互作用關系，通過煤巖組合體表征原始賦存地層，基于試驗手段可直觀揭示煤-巖間的作用機理、應力傳遞規律以及變形破壞協調關系。研究不同含水率條件下組合體的力學性能演化、聲發射能量變化特征以及微觀結構破壞機制，通過試驗數據評估及預測富水礦井覆巖及隔水煤巖柱穩定性具有很好的前景［14-16］。本實驗結果表明水巖作用下組合體含水率增長速率逐漸緩釋，而聲發射累積數表現出組合體儲能與應變能釋放能力明顯降低，內部微觀結構裂紋擴展及顆粒脫落破壞加劇，導致組合體弱余強度衰減速率不斷加快，試件塑性增強。與此類似，前人針對不同比例、巖性及溶液成分均得到了相近的結論［17-20］。上述實踐均是通過研究水巖作用下巖體微觀損傷演化與宏觀力學行為建立聯系，但研究主要基于煤-巖間弱膠結構造，本實驗驗證了強膠結下煤巖組合體水巖損傷機制。

水巖作用本質上而言，地下水通過微觀孔裂隙滲流至巖體內部，與親水成分反應改變礦物顆粒物理化學形態，最終導致巖體內部結構發生變化。通過聲發射累計數可表征出這一變化結果，利用能量演化機理可反映出試樣的力學特征規律，儲能與應變能釋放能力降低引發強度不斷衰減。利用擬合數學模型可對不同含水率組合體強度進行評估，但該結論對現場煤巖柱是否適用，需進一步分析驗證，可具體到建立本構模型映射關系。

整體上，筆者從室內實驗角度探索了不同含水率強膠結煤巖組合體力學特性損傷規律，并未涉及施工監測、探放水、強擾動等現場實際問題。而通過地質賦存與自然巖性等組合體控制手段，相比于原位試驗利用室內試驗數據對現場評估預測同樣直觀高效，并避免了影響開采活動，此外，已有學者開展相關研究［21］。盡管通過不同含水率組合體力學損傷規律真實反映原生煤-巖層界面力學效應仍需通過大量數據進行驗證，但它為富水礦井留設煤巖柱穩定性評估提供了一種潛在方案。

5 結論

1）煤巖組合體吸水速率隨著浸水時間的增加不斷降低，開放孔隙或孔洞在其前期起到主導作用，而巖石內部溶融物質阻斷水力通道，對組合體吸水起到一定抑制作用，有一定的隔水性能，從而在一定程度上減緩了含水層中的水進入開采工作面。

2）不同含水率條件下煤巖組合體具有經典四階段漸進發展特征，組合體弱余強度隨含水率增加不斷降低，強度損傷速率，隨著含水率的提高不斷加快，并滿足二次數學函數關系式。由于煤巖材料抵抗水巖作用損傷的能力的不同，導致應力-應變曲線出現“雙峰”現象。

3）干燥狀態下煤巖組合體聲發射事件具有“硬脆”特征，表現為巖爆特點。由于巖體內部孔隙水的消音吸聲作用，飽和狀態組合體呈現較“軟弱”特征。且聲發射事件發生頻率低于干燥狀態，巖體破壞前預兆聲發射特征不明顯，故富水礦體的防災預測及控制難度較大。

4）含水率的變化，導致煤巖組合體內部由較為密實的鱗片狀結構，轉變具有較多溶蝕塌陷圓滑結構，組合體強度劣化損傷程度本質上與內部礦物在溶解-蝕變-結晶等一系列水化反應后，所形成的新礦物有關，由“新-原”礦物的空間結構鏈及黏結程度共同決定。