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煤岩组合体的力学特征和损伤特性与能量演化研究进展

2024-12-12 63 上传者：管理员

摘要：随着浅部资源的逐渐枯竭，我国向深地进发过程中面临煤与瓦斯突出、冲击地压及其复合煤岩动力灾害诸多问题。专家学者们以室内试验和数值模拟为研究手段，深入地探究了深部煤岩组合体各项性质。文中首先介绍了不同加载方式作用下煤岩组合体的力学特性，然后从破坏模式、分形特征与裂隙演化3方面总结了煤岩组合体的损伤特性。随后从能量演化角度对煤岩组合体失效破坏机理进行总结。最后对煤岩组合体未来研究方向进行了展望。

关键词：
力学特性
损伤特性
煤岩组合体
煤炭需求量
能量演化
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随着我国煤炭需求量的持续增加，浅部资源已经逐渐枯竭，深部开采成为我国煤炭资源开发新局面。而对于深部煤炭开采深度界定，受多因素影响，不同地区临界深度各有不同[1]。深部开采较浅部相比地质条件、应力环境、煤岩体性质等更为复杂[2-7]。实践表明，深部开采时煤岩体自身裂隙结构面，煤岩组合体的不同力学性质以及深部岩体的高应力环境均是深部采矿动力灾害的主要影响因素[3]。开采扰动作用下“煤体-岩体”组合体整体结构失稳破坏是冲击灾害的主要诱因之一[8]。

特殊的地质环境和煤岩组合体结构的多样性使得深部煤岩体失稳机制愈加复杂。为深入了解煤岩组合体的力学及损伤特性和能量演化规律，学者们开展了大量室内试验和数值模拟研究工作[9-11]。室内试验材料主要以现场取样与类岩石材料为主，数值模拟则以FLAC3D等为主。为系统了解煤岩组合体相关特性，将从力学及损伤特性与能量演化规律3个方面介绍国内外关于煤岩组合体的研究，并对未来的发展方向进行展望。

1、煤岩组合体力学特性研究

1.1 单轴压缩试验作用下煤岩组合体力学特性研究

煤岩组合体是一种煤体与岩体的复合结构，其力学与单一煤岩体有所区别，无法用单一岩体或煤岩体二者取平均来预估其强度特征和变形特征。研究人员开展了大量单轴压缩试验研究煤岩组合体。马庆等[12]基于不同加载速率研究煤岩组合体的破坏特征，发现随着加载速率的增大，煤岩组合体的单轴抗压强度、弹性模量和峰值应变先增大后减小。余伟健等[13]研究不同煤厚的岩-煤-岩组合体，得到了如图1所示不同高度比煤岩组合体的单轴抗压强度，可以看出煤岩组合体试件的煤/岩高度比越大，单轴抗压强度越小。杨科等[14]研究了不同高度比的岩-煤-岩组合体，发现煤体强度对岩-煤-岩组合体强度影响较大，岩-煤-岩组合体单轴抗压强度和弹性模量随煤岩高比增大而降低。李延河等[15]研究了单轴条件下不同强度煤岩组合体的破坏特征，结果表明提高岩体强度有助于提高煤岩组合体的整体承载能力，而增加煤体强度能降低压密阶段的持续时间。郑建伟等[16]以层面数量为变量研究了其对煤岩组合体抗压特性的影响，层面数量的增加会导致煤岩组合体单轴抗压强度存在降低趋势。程晋恒[17]通过改变交界倾角来研究其对煤岩组合体压缩破坏特征的影响，试验表明随着交界倾角增大，煤岩组合体结构的抗压强度和弹性模量均降低。学者们对单轴加载条件下煤岩组合体的研究已取得较为丰富的理论成果。

1.2 真三轴试验作用下煤岩组合体力学特性研究

基于单轴压缩实验，学者们开展真三轴试验并与单轴试验结果进行对比。左建平等[18]研究发现随着围压的增加，煤岩组合体的峰值强度几乎呈线性增加，但弹性模量初始阶段缓慢增加，超过15 MPa后迅速增加。董浩[19]研究了真三轴条件下不同煤岩比例组合体力学响应，发现试样强度及弹性模量均随煤层厚度减小，试样峰值应变呈非单调变化。张泽天等[20]研究发现在三轴加载条件下，随着围压的增大，不同组合方式试样的三轴抗压强度平均值均明显提高且最终逐渐趋近。彭岩岩等[21]研究了含不同交界面倾角煤岩组合体的破坏，研究发现随着煤岩组合体交界面倾角的增大，其整体强度呈下降趋势。

图1 不同高度比组合体单轴抗压强度[13]

1.3 循环加卸载试验条件下煤岩组合体力学特性研究

基于单轴和三轴试验，学者们通过循环加载进一步研究煤岩组合体的力学特性。徐金海[22]开展了单一煤岩体、煤岩组合体试样的单轴循环加卸载试验，结果如图2所示。可以看出煤岩组合体的单轴抗压强度和弹性模量位于单一煤岩体试样之间，其值接近于煤体试样的试验结果。王凯等[23]对煤岩复合试样施加2种循环加卸载路径，发现随着加载速率的提高，2种路径下煤岩复合试样的弹性模量和峰值强度均有所提高，加载时间和峰值应变均降低。ZHANG等[24]对不同深度煤样开展循环三轴加卸试验。结果表明，煤的强度和变形随着深度的增加而增大，塑性变形特性变强。彭瑞东等[25]开展了岩石三轴循环加卸载试验，发现在低围压作用时随循环应力增大煤岩的弹性模量会下降，但在高围压作用下并不会降低。

1.4 动载试验条件下煤岩组合体动力学特性研究

为了更好了解煤岩组合体的动力学特性，研究人员们开展了一系列动载试验。赵阳等[26]对单一煤岩体和不同交界面倾角的煤岩组合体开展动载试验，试验发现煤岩组合体的动态抗压强度与材料受力形式以及交界面的力学特性密切相关。杨科等[27]研究了冲击荷载作用下不同岩样煤岩复合体的动力学响应特征，研究发现同组煤岩组合体的应力-应变曲线变化规律相似，而不同组则差异较大，如图3所示。苗磊刚[28]对动载作用下煤岩组合体的力学性质进行研究发现岩-煤-岩和煤-岩-煤组合体在动态试验中，煤岩组合体的动态弹性模量随着应变率的升高而不断增大。

除了以上所述外，学者们还通过施加动静载、循环扰动等条件更好了解深部煤岩组合体的力学特性。YU等[8]探究了动力扰动下煤岩组合体的力学特性，当受到动力扰动时，单轴抗压强度和轴向应变会出现不同程度的降低，而弹性模量可能会有所增强。

图2 试件单轴峰值抗压强度和峰值弹性模量[22]

图3 不同冲击速度下煤岩组合体波形[27]

2、煤岩组合体损伤特性研究

2.1 破坏模式

学者们通过对损伤特性进行研究，探究了煤岩组合体的破裂特征，有利于深入了解组合体的破裂机理。李成杰等[29]采用类煤岩体材料进行试验发现煤岩组合体结合面附近煤体和岩体彼此影响其变形特征，峰前破坏段前煤体受岩体限制，峰前破坏段及破坏后段岩体受煤体影响。赵阳等[26]发现动载作用下煤岩组合体破坏可以分为加载压实、线弹性、非线性加载、弹性卸载阶段，且冲击破坏形式主要为压剪破坏。候宪港等[30]研究结果表明不同煤岩组合的破坏方式均表现为煤体部分的“N”型剪切破坏。秦忠诚等[31]基于不同组合方式的煤岩组合体研究其破坏特征，可以发现煤岩组合体破坏特征受各组分硬度影响较大，不同组合体呈“碎状”“锥形”和“Y形”破坏，如图4所示。尹大伟等[32]对顶板-煤柱结构体施加不同加载速率，发现试样的破坏均发生在煤样内，煤样主要发生劈裂弹射破坏。

图4 部分组合体破坏形态[31]

2.2 分形损伤特征

王磊等[33]研究了冲击载荷下2种应变率作用方式对煤岩组合体的影响，发现2种应变率方式的平均粒径与应变率均呈负相关关系，分形维数则随着应变率增大而增大，表明随着应变率升高试样的破碎程度逐渐增加。王凯等[23]观察了循环荷载作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征，可以发现在2种循环载荷作用下，煤体破碎的分形维数随着加载速率的增加而增大，如图5所示。苗磊刚等[34]基于不同应变率研究了岩-煤-岩组合体的动力特性，发现随着应变率的增大，组合体破碎程度增强，块度体积变小，块度分维数值呈线性升高。陈光波等[35]对煤岩组合体施加不同加载速率，试验表明试样的粒度-数量的分形维数随着加载速率增大而减小，粒度-质量分形维数均随加载速率增大而减小。

图5 2种循环加卸载作用下煤岩复合试样中破碎煤组分的分形维数[23]

2.3 裂隙演化规律

杨科等[36]研究发现煤岩组合体的破坏是逐次进行的，宏观裂隙、宏观起裂破坏主要发生在远离煤岩交界面强度相对较低的煤体或岩石端部。雷顺等[37]运用数值模拟对煤与软弱夹层组合体的裂纹扩展进行研究，发现压缩程度的增加使得组合体的破坏逐渐向夹层上部以及下部转移。赵文慧等[38]运用DIC方法观测岩煤岩组合体受到冲击荷载时的破坏特征，结果表明裂隙先产生在中间煤样部分，随后向岩石扩展形成贯通裂纹直至破坏。王延辉等[39]基于数值模拟发现煤岩组合体先于强度较弱的结构中起裂，微裂纹在弱属性结构内部发育扩展，逐渐形成裂纹群，弱属性结构的分布特征决定了导致试样破坏的贯通裂隙形态。

3、煤岩组合体能量演化规律

由于组合体从加载到破坏伴随着能量的变化，因此学者们从能量角度进行了研究。王磊等[33]发现冲击荷载作用下随着应变率增加，驱动气压方式的破碎耗能和破碎耗能密度呈正线性，而长度改变方式则呈指数关系。茹文凯等[40]探究了煤岩组合体卸围压能量演化规律，试验发现在三轴卸围压路径下，加载阶段和轴向应力恒定阶段为试样的主要储能阶段，失稳破坏阶段主要以能量的释放和耗散为主。秦涛等[41]探究了煤厚对煤岩组合体的影响，观察发现煤岩组合体的单轴抗压强度和声发射峰值计数与煤厚呈负相关。左建平等[42]研究结果如图6所示，可以发现在单轴条件下煤岩峰值弹性能密度差与抗压强度、煤体弹性模量、岩煤高度比、岩煤弹模比等因素均具有正相关关系，而与岩体弹性模量的关系不明确。

张晨阳[43]研究了真三轴条件下煤岩组合体的冲击破坏特征，得出岩样是主要的冲击能量储存体，而煤样是主要的冲击能量显现体。赵鹏翔等[44]使用类煤岩材料探究煤厚效应影响，试验表明煤厚占比越大，能量耗散系数越小，储能极限逐渐减小。杨磊等[45]发现煤岩组合体破坏的能量驱动机制为煤、岩受压储存弹性能，煤体弹性能先达到储能极限，煤体破坏并释放变形能，释放的能量传递至岩石，当达到岩石的储能极限时，则会使岩石发生破坏。

除上述所外，学者们研究了煤岩组合体的声发射特征、并结合能量演化规律等判断煤岩组合体冲击倾向性并运用于工程实际。肖晓春等[46]考虑组合煤岩中岩石和煤的高度及其力学性质因素，提出组合煤岩冲击倾向性判定指数。陈光波等[47]提出了一种新的冲击倾向性鉴定指标，剩余能量释放速度指数WT。

图6 不同影响因素下峰值弹性能密度差变化[42]

4、结论与展望

目前对于煤岩组合体的理论研究逐渐趋于丰富。在力学特性方面，煤岩组合体力学特性以及相关因素对于其力学特性影响的研究成果较为丰富。关于损伤特性，除了观察宏观裂纹、分形损伤特征以及用数值模拟对细观裂纹演化进行研究外，声发射目前也多用于观察煤岩组合体的损伤演化规律。在能量方面，由于煤岩组合体从稳定到破坏的过程中一直存在能量的输入、积聚、耗散和释放，因此从能量角度可以进一步研究组合体破坏规律，当前能量演化规律与模型的构建取得了较好的研究成果。

虽然目前研究理论较为丰富，但仍需进行下一步完善，以增加对深部煤岩组合体性质的了解。

(1)目前我国冲击地压大多发生在巷道中，半煤岩巷道围岩强度较低且性质复杂。特别是对于临空巷道来说，处于五面加载单侧临空。因此临空侧煤岩组合体的力学性质与破坏机制还有待进一步研究。

(2)由于复杂而长期的地质运动，煤岩组合体中往往会产生较多的结构面，如节理、裂隙等，但其劣化程度与破坏机制却知之甚少，因此需完善该方面相关理论。

(3)煤岩界面破坏、煤柱失稳是常见的煤岩动力灾害，部分是因为巷道煤帮存在软弱层及夹矸等非均质结构。但关于含非均质结构煤岩组合体的承载特性与裂隙演化规律等方面的研究较少，需要对其进行系统研究。

参考文献:

[1]张建民,李全生,张勇,等.煤炭深部开采界定及采动响应分析[J].煤炭学报,2019,44(5):1314-1325.

[2]谢和平,高峰,鞠杨.深部岩体力学研究与探索[J].岩石力学与工程学报,2015,34(11):2161-2178.

[3]左建平,陈岩,宋洪强.深部煤岩组合体破坏行为与非线性模型研究进展[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(8):2510-2521.

[4]夏开文,王帅,徐颖,等.深部岩石动力学实验研究进展[J].岩石力学与工程学报,2021,40(3):448-475.

[5]袁亮,王恩元,马衍坤,等.我国煤岩动力灾害研究进展及面临的科技难题[J].煤炭学报,2023,48(5):1825-1845.

[6]何满潮,武毅艺,高玉兵,等.深部采矿岩石力学进展[J].煤炭学报,2024,49(1):75-99.

[9]姚文杰,刘学伟,刘滨,等.煤-过渡层-岩组合体物理力学特征试验及数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2024,43(1):184-205.