DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.039
煤岩组合体分级循环加卸载力学特性的实验研究
朱卓慧1, 2，冯涛2，宫凤强1，叶洲元2，喻智2
(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭，411201)
摘要：使用MTS815岩石力学实验系统，对煤岩组合体进行单轴分级循环加卸载实验，对煤岩组合体在分级循环加卸载实验条件下的力学特性进行分析。研究结果表明：在单轴分级循环加卸载实验条件下，煤岩组合体破坏以剪切破坏机制为主；与单轴抗压强度实验结果相比，在单轴分级循环加卸载作用下，煤岩组合体内部微观裂纹得到扩展，试样的整体强度降低，试样破坏更彻底；在分级加卸载过程第1阶段中，煤岩组合体单循环应变曲线及能耗曲线呈现先骤然下降然后平缓下降的趋势，初始应力与耗散能和应变呈现正相关关系。
关键词：煤岩组合体；分级循环加卸载；整体强度；耗散能
中图分类号：TU45 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)07-2469-07
Experimental research of mechanical properties on grading cycle loading-unloading behavior of coal-rock combination bodies at different stress levels
ZHU Zhuohui1, 2, FENG Tao2, GONG Fengqiang1, YE Zhouyuan2, YU Zhi2
(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)
Abstract: To research the mechanical properties of coal-rock combination bodies under multistage and cyclical loading-unloading, a multistage and cyclical uniaxial loading-unloading test (consisting of repeated loading and unloading) was conducted by using the MTS815 System. The results show that the shear failure is the main failure type occurring in the coal-rock combination bodies under multistage uniaxial cyclical loads. Crack propagation in the coal-rock combination bodies under multistage cyclical loads reduces the overall strength of the samples, resulting in more severe failure than in uniaxial compression test. At the first stage of the testing, the strain curve and energy dissipation curve of the samples for a single cycle tend to drop sharply and then go into a slower decline. Moreover, the initial stress shows a positive correlation with dissipate energy and strain.
Key words: coal-rock combination body; multistage cyclical loading-unloading; overall strength; energy dissipation
上保护层开采能够使下部具有瓦斯突出危险性的煤层受到采动影响而减小突出危险性，是防治煤与瓦斯突出的有效措施。上保护层开采过程中巷道掘进、工作面开采、老顶初次来压、周期来压等对底板及被保护煤层产生反复的应力扰动，此时，被保护煤层与上保护层底板共同组成一种极复杂的岩石结构，由于其内部结构复杂，在不同的外部应力作用下会产生不同的宏观力学表现[1]。岩石在不同应力条件下的破坏实际上是内部微裂纹、微缺陷在荷载作用下断裂、发展、聚合及相互作用的宏观体现[2-3]。岩石宏观力学特性的表现决定于内部细观结构在不同应力条件下的力学响应[4]。人们对煤岩组合体进行了研究，如：郭东明[5]等通过对4种不同倾角组合煤岩体单轴实验、三轴实验和有限元分析，得出倾角与煤岩组合体破坏强度、围压与煤岩组合体破坏强度、倾角与煤岩组合体黏聚力之间的关系；刘文岗[6]基于能量积聚-释放诱发冲击地压的原理进行了组合体结构加载失稳实验，发现煤岩组合体在加卸载过程和破坏失稳过程中表现出稳定态能量积蓄、非稳态释放特性是非线性动力学过程；刘少虹等[7-8]运用改进的霍普金森压杆对动静载下煤岩结构的应力波传播机制与能量耗散进行了研究，分析了应力波幅值和静载对煤岩组合体中应变波波形、透射系数的影响等规律。通过理论分析和非线性力学模型建立，得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移和能量释放的数学表达式，发现外载能量与自身固有能量之间的相互作用是导致模型阶段性演化过程和混沌现象出现的原因；王学滨[9]运用拉格朗日元法，对弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型破坏过程进行了模拟，并分析了岩石高度对应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切增量分布的影响；左建平等[10]使用MTS815实验机和声发射检测系统对单体岩石、单体煤和煤岩组合体进行单轴实验下的声发射测试，对三者的破坏机制进行了对比；刘杰等[11]测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律，分析了岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响；牟宗龙等[12]分析了岩-煤-岩组合体受载过程中各部分的位移、加速度、刚度及能量等物理参量的演化规律，提出了以煤体峰值后刚体和岩石卸载刚度为基本参量的组合体破坏的判别条件；张泽天等[13]利用MTS815岩石力学实验系统，对岩-煤-岩、岩-煤及煤-岩3种组合方式试件进行了单轴和三轴压缩实验，对其力学特性及破坏特征进行了研究。为分析岩石在反复应力作用下的力学响应，尤明庆等[14-15]对大理石、矽卡岩进行了循环加卸载实验，实验表明循环加卸载情况下，试样的整体强度得到提高；而周家文等[16]对砂岩进行了单轴循环加卸载实验，实验结果表明砂岩的循环加卸载强度比单轴压缩强度小得多；刘建锋等[17]通过研究循环荷载作用下岩石的阻尼特性，分析出了动弹模、阻尼比、动载荷之间的关系；杨永杰等[18]研究了鲍店矿3煤试样循环载荷作用下的强度、变形及疲劳损伤过程。由于岩石的构造差异，不同的岩石在循环加卸载条件下具有不同的力学变化趋势。鉴于煤岩组合体的特殊构造，煤岩组合体在循环加卸载作用下的力学响应更特殊。左建平等[19]对煤岩组合体进行了不同应力水平的循环加卸载实验，对煤岩组合体的强度、耗散能、残余变形、弹性模量等进行了研究。为更好地模拟开采过程中上保护层底板与被保护煤层组成的煤岩组合体受力状态，本文作者采用原煤与砂岩组合试件进行分级循环加卸载实验，对煤岩组合体在循环加卸载条件下的力学特性进行研究。
1 煤岩组合体试件及实验方案
实验所用原煤体采自贵州盘江煤电(集团)有限公司金佳矿，埋深500 m。使用直径为50 mm的钻机钻取煤岩试样，用岩石切割机将煤岩柱切割成直径×高为50 mm×50 mm的小圆柱，用磨平机对煤岩样进行研磨，保证两端不平行度不大于0.01 mm，上下两端偏差不大于0.02 mm。经组合，煤岩组合体均为直径×高为50 mm×100 mm的小圆柱，径高比为1:2。
为减少原煤体裂隙对实验结果的影响，首先对煤样波速进行测定，从中选取波速相近的煤体进行实验。本实验共加工28组试件，选取其中波速相近的3组进行单轴实验，4组进行分级加卸载实验。实验使用湖南科技大学MTS815岩石力学测试系统。
轴抗压强度实验采用力控制加载方式，采用0.02 kN/s的加载速率，直到试件破坏，对试件的单轴抗压强度进行测量。分级循环加卸载实验采用力控制方式, 采用0.02 kN/s的加载速率加载至设定的初始平均力，采用组合加载方式加固定振幅(6 kN)和频率(1 Hz)的斜波循环载荷，逐步分级提高初始平均力等级(力分级差值取1.5 kN)，加载固定振幅和频率的斜波循环载荷直到煤岩组合体破坏。分级加卸载方案见表1，分级加卸载力曲线见图1。
表1 分级循环加卸载实验方案
Table 1 Multistage cyclical loading-unloading test plan
图1 力加卸载示意图
Fig. 1 Schematic of force loading-unloading test
2 煤岩组合体常规单轴实验
单轴实验测得煤岩组合体平均单轴抗压强度为20.91 MPa。对砂岩实验进行单轴抗压强度实验，测得砂岩单轴抗压强度如表2所示。由表2可知：砂岩试样的破坏强度高于煤的破坏强度。在实验过程中，随着荷载增加，煤体上首先出现微裂纹，当达到峰值荷载时，煤体产生典型的单斜面剪切破坏，部分部位出现粉碎性破坏，局部区域有煤样剥落。单轴荷载条件下煤岩组合体的实验参数及变形破坏如表3和图2所示。
表2 单轴荷载下砂岩的基本物理力学参数
Table 2 Fundamental physico-mechanical parameters of sandstone under uniaxial compression test
表3 单轴荷载下煤岩组合体的基本物理力学参数
Table 3 Fundamental physico-mechanical parameters of coal-rock combination bodies under uniaxial compression tests
煤岩组合体：(a) MR-1；(b) MR-2；(c) MR-3
图2 单轴荷载条件下煤岩组合体变形破坏图
Fig. 2 Failure models of coal-rock combination bodies under uniaxial compression loading
3 煤岩组合体分级循环加卸载实验
为模拟采矿工程中煤岩体所受循环荷载作用，对煤岩组合体进行单轴分级循环加卸载实验，实验结果如表4所示。从表4可见：在分级加卸载条件下，煤岩组合体的破坏强度(平均15.81 MPa)，相对单轴压缩强度(平均20.91 MPa)有所降低。其主要原因是在分级加卸载过程中，内部裂纹在长时间循环扰动下不断扩张，进而破坏煤岩组合体的整体性，降低其强度。在煤岩组合体分级加卸载实验中，煤岩体组合体破坏仍为单斜面剪切破坏，但煤体比单轴压缩实验时更破碎，如图3所示。从破坏机制看，分级加卸载条件下试件仍以剪切破坏机制为主，但与单轴实验相比，煤体更破碎，这主要是分级加卸载导致煤体内部疲劳损伤所致。实验结果表明：循环加卸载有助于煤岩组合体内部微裂纹的发展，能够降低煤岩组合体的整体 强度。
4 煤岩组合体循环加卸载能耗分析
在上保护层开采过程中，随着顶板周期来压和采煤机割煤振动的影响，煤岩组合体受循环加卸载应力作用，本实验中煤岩组合体第1阶段循环加卸载能模拟该情形下煤岩组合体的受力作用。提取MR-4，MR-5，MR-6和MR-7这4个试件第1阶段应力应变曲线如图4所示。
由图4可知：煤岩组合体同一循环中加载和卸载曲线通常不重合，应力应变曲线形成多样式的滞回环。这是煤岩组合体自身材料特性及原生缺陷、结合岩石材料的黏滞性所致。当加载和卸载曲线几乎重合时，意味着此时煤岩组合体已经接近完全脆性材料，随着应力增加，此时的煤岩组合体将破坏。
由图5可知：随着循环加卸载次数增加，滞回环面积逐渐减小。滞回环面积代表1个循环过程中煤岩组合体能量耗散，因此，随着循环加卸载次数增加，单个循环能量耗散减小，累计耗散增加。图4、图5显示滞回环面积与初始应力呈正相关关系，初始应力越大的试件其能耗越大。这是由于循环加卸载过程中，较大的初始应力能够充分闭合试件内部微观结构，提高了单循环的能量耗散。
煤岩组合体：(a) MR-4；(b) MR-5；(c) MR-6；(d) MR-7
图3 分级加卸载条件下煤岩组合体变形破坏图
Fig. 3 Failure models of coal-rock combination bodies in multistage cyclical loading-unloading tests
表4 分级循环加卸载下煤岩组合体的物理力学参数
Table 4 Physico-mechanical parameters of coal-rock combination bodies in multistage cyclical loading-unloading tests
图4 煤岩组合体循环加卸载第1阶段应力应变曲线图
Fig. 4 Stress-strain curves of coal-rock combination bodies at the first stage of cyclical load tests
图5 煤岩组合体第1阶段能耗曲线
Fig. 5 Energy dissipation curves of coal-rock combination bodies in the first cycle
5 煤岩组合体循环加卸载应变分析
煤体和砂岩作为沉积类岩石，在长期沉积环境下，矿物内部发育有大量的节理、裂纹、孔洞等微观结构，同时还伴随有水、瓦斯等物质，这导致煤岩组合体在循环加卸载过程中具有明显的非线性弹性行为和滞后特性。对4个试样第1阶段各循环轴向应变进行统计，结果如图6所示。
由图6可看出：伴随循环加卸载的进行，应变在整个过程中逐渐减少；在初始阶段，由于煤岩体内部大量原生裂隙被压实，应变量大；随着循环加卸载进行，微观结构减少，应变逐渐减少，并逐渐趋于稳定。试件的应变与初始应力成正相关关系，这是因为循环加卸载前期，较大的初始应力闭合了更多的微观结构，造成了更大的应变；而在同一阶段循环加卸载后期，可闭合微观结构变少，应变相应减小。
图6 煤岩组合体第1阶段轴向应变统计结果
Fig. 6 Statistical results of strain of coal-rock combination bodies at the first stage
6 结论
1) 煤岩组合体在同一循环中加载和卸载曲线通常不重合，应力应变曲线形成多样式的滞回环，这主要是煤岩组合体自身材料特性、内部原生缺陷及材料的黏滞性所致。当加载和卸载曲线几乎重合时，意味着此时煤岩组合体已经接近完全脆性材料，随着应力增加，此时的煤岩组合体将发生剪切破坏。
2) 随着循环加卸载次数增加，滞回环面积逐渐减小。随着循环加卸载次数增加，单个循环能量耗散减小，累计耗散能增加。此外，滞回环面积与初始应力呈正相关关系，初始应力越大的试件能耗越大。其原因在于在循环加卸载过程中，较大的初始应力能够充分闭合试件内部微观结构，提高单循环的能量耗散。
3) 随着循环次数增加，第1阶段中单循环滞回环面积和应变都呈现骤然下降然后逐渐缓慢下降的趋势，表明循环初始阶段煤岩组合体内部大量微观结构被压密，致使应变急剧增加，后期微观结构减少变形难度增大，同时初始应力与耗散能和应变呈现正相关趋势。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2015-07-26；修回日期：2015-09-24
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51274095，51204068)；煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目(13KF06) (Projects(51274095, 51204068) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(13KF06) supported by the Open Projects of State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, CUMT)
通信作者：冯涛，教授，博士生导师，从事复杂煤层开采研究；E-mail: tfeng @hnust.edu.cn
