尺寸与形状效应下煤岩组合体力学特性与声发射特征分析

张雪媛，马昊宾，许健飞，都平平

（1.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；2.洛阳坤宇矿业有限公司，河南 洛阳 471026）

由于早期矿井房柱式采煤法的普遍使用，大量尺寸不规则、形状不同的遗留煤柱搁置在地下，形成呆滞煤量[1-4]。不仅造成了优质煤炭资源的流失与浪费[5-8]，还容易诱发采空区顶板突然大面积垮落、矿区地震及采空区飓风等灾害，严重影响采空区的安全性[9-10]。而且顶板与煤柱是作为1 个承载体系共同承担上覆载荷，煤柱的破坏不仅受自身性质的影响，更多的是“煤体-顶板”组合结构共同作用的结果，因此研究不同尺寸、不同形状煤岩组合体的力学性质具有重要意义。

在煤岩组合体破裂过程研究方面，杨磊等[11]为研究煤岩组合结构受压过程中的能量演化规律与破坏机制，对煤、岩石及3 组煤岩组合体进行了单轴一次加载与循环加卸载试验，结果表明：煤岩组合体的单轴抗压强度与弹性模量介于纯煤和岩石试件中间,更接近于纯煤试件；左建平等[12-14]利用电液伺服压力机对煤岩组合体分别进行单轴压缩试验、三轴压缩试验及循环加载试验，研究得到了不同加载条件下煤岩组合体破坏过程及承载特性；杨二豪[15]利用高清摄像和AE 声发射监测，通过单轴压缩试验研究了3 种组合形式煤岩组合材料试件的力学及声发射特性；王晓南等[16]为了研究由顶板-煤体-底板所构成的煤岩组合体变形破裂声发射和微震的规律，对单轴受压的不同煤岩组合试样进行声发射和微震试验，结果表明：组合试样发生冲击破坏时的声发射和微震信号的强度随试样的单轴抗压强度的增加而增强。由于煤岩结构复杂多样，不同的影响因素对煤岩组合体的影响程度不同，以上研究未有针对形状这种因素对煤岩组合体的特性进行研究[17]，为此，将形状与尺寸2 种影响因素结合探讨，分析不同尺寸、不同形状组合体受载时的力学特性，对煤柱-顶板组合体试件进行单轴加载试验，采集其压缩破坏过程中的应力-应变状态、表面裂纹扩展规律，并通过多通道声发射系统得到组合体的承载压缩破坏特点，为研究煤岩组合体的力学特性提供数据支撑。

1 试验方案

1.1 试件制备

试验条件基于陕西省榆林市某煤矿开采的一盘区，主采煤层为5-2煤层，5-2煤层基本参数见表1。

表1 5-2 煤层基本参数Table 1 Basic parameters of 5-2 coal seam

圆柱组合体试件用50 mm 的钻孔取心机从整块煤、岩块体中钻取煤、岩试样，立方组合体试件将煤、岩块切割成50 mm×50 mm×100 mm 的立方体，然后分别将不同形状的试样切割成设计尺寸并打磨好的煤、岩试件用AB 强力胶将其黏合在一起，试件高度分别为50、75、100 mm，每个编号的试件均有3个，所有试件岩样与煤样部分的高度比均为2∶3。

对制作好的组合体试件进行编号，其宽高比的选取是依据煤矿柱式采空区遗留煤柱的尺寸所得，组合体试件编号及参数见表2，部分组合体试件实拍图如图1。

表2 组合体试件编号及参数Table 2 Number and parameters of combination specimens

图1 部分组合体试件实拍图Fig.1 Real shots of some combination specimens

1.2 试验装置

组合体压缩破坏过程与特性试验系统由加载系统、表面裂纹扩张监测系统和声发射监测系统组成。试验系统结构示意如图2。

图2 试验系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of test system structure

加载系统为WAD-1000 型电液伺服万能试验机，主要由试验机主机、计算机控制系统、液压源和机身等部分组成，试验机采用位移控制加载模式，加载速率为0.2 mm/min，最大载荷施加能力达1 000 kN，可实时显示测试过程中试件的应力-变形状态，并绘制应力-变形曲线；表面裂纹扩张监测系统主要由工业高速摄像机组成，可实现试验全程对试件表面裂纹扩展的观察；声发射监测系统采用美国物理声学公司（PAC）生产的多通道声发射系统，实现整个试验过程中试件声发射现象的实时监测，参数设置为：门槛值45 dB、采样率1 MSPS。实验采用了4 个声发射探头进行试件的声发射现象监测，声发射探头布置方式如图3。

图3 声发射探头布置方式Fig.3 Arrangement of acoustic emission probes

1.3 实验步骤

为了研究尺寸、形状2 种因素对组合体压缩破坏过程的影响规律，设计了圆柱形、立方体2 种不同形状和3 种不同宽高比共计6 组组合体试件，分别进行以下实验。

1）相同形状不同宽高比试件的单轴压缩实验。将声发射探头通过热熔胶固定在试件表面并在探头与试件接触面涂上耦合剂，利用压力机对试件进行单轴加载，直至试件破坏失去承载能力。每组实验开始时同时开启压力机、高速摄像头和声发射系统，并且试件破坏后三者同时关闭，确保三者时间线保持一致。

2）相同尺寸不同形状试件的单轴压缩实验。选取相同宽高比、不同形状的组合体试件，重复上述试验过程。

2 实验结果

2.1 试件破坏过程分析

1）立方组合体。对宽高比分别为1∶1、1∶1.5、1∶2的立方组合体进行单轴压缩实验，发现不同宽高比的立方组合体破坏发生的过程具有一定程度的相似性，且最终破坏形态较为相同。立方组合体试件因在边角处存在应力集中，所以在加载开始一段时间后即出现煤体部分边角崩落、表层片帮现象，加载一段时间后煤体主体部分开始出现裂纹，并随着加载的进行裂纹逐渐发育、扩展，煤体部分开始产生宏观贯通破裂面，出现块体脱落，侧向膨胀明显，随后破裂面继续发育至煤岩交界面，最后发生岩体的破裂现象，组合体试件失去承载能力。不同宽高比的立方组合体最终的破坏形态均呈现出煤体中存在多条贯通裂纹，且煤体整体破裂，而岩体中只有1 条或几条贯通裂纹。立方组合体试件最终破坏形态如图4。

图4 立方组合体试件最终破坏形态Fig.4 The final failure forms of the cubic assembly specimens

2）圆柱组合体。对宽高比分别为1∶1、1∶1.5、1∶2的圆柱组合体试件进行单轴压缩实验，发现不同圆柱体试件的破坏从煤体下部开始发生，在加载初期底部出现碎片状或针形的细长状剥离，随着载荷的加大，煤体表面多处开始出现裂纹，并在进一步载荷的作用下发生裂纹的扩展，与立方体试件类似，煤体中的裂纹相互贯通形成破裂面，当破裂面发育至煤岩交界面后引起岩体的破裂，破裂后的煤体部分整体破碎，也呈明显的侧向膨胀和块体剥离，岩体中只有1 条或几条宏观贯通裂纹。圆柱组合体试件最终破坏形态如图5。

图5 圆柱组合体试件最终破坏形态Fig.5 The final failure modes of the cylindrical assembly specimens

由上述分析可知，组合体的形状对其破坏形式有一定影响，立方体试件因为边角存在应力集中，因此破坏多从煤体部分的底部边角开始出现并向中部延伸，裂纹也多从底部向上逐渐发育至煤岩交界面，立方体试件的煤体破坏多为片状、长条状或碎块状部分脱落，且常在棱角处首先出现，随后破坏逐渐向煤体内部发展，而岩体的破坏大多发生在煤体大面积片帮并产生明显的侧向膨胀之后，此时煤岩交界面承受着煤体侧向膨胀导致的拉力，并且煤体破裂释放的弹性能传递至交界面，最终导致岩体部分产生裂纹，岩体部分的裂纹往往与煤体中的裂纹呈贯通状。圆柱体试件无明显应力集中，因此裂纹在圆柱煤体部分的四周随机产生，但多由煤体的原生细微裂纹发育而来，在试验过程中可明显观察到圆柱组合体试件的片帮多为细长型的针状，且四周破坏程度较为统一，破坏后侧向膨胀现象较立方体试件更为明显，圆柱体试件岩体部分的最终破坏形态多为从圆柱中间位置劈裂，并且煤体、岩体中裂纹也呈相互贯通。

总体而言，不同形状的组合体其破坏形式在一定程度上具有相似性，破坏顺序皆为从煤体部分发展至岩体部分，裂纹大多从底部开始出现并向上发育扩展，最终的破坏形态皆呈现出煤体整体破碎，侧向膨胀明显，而岩体只有1 条或几条贯通裂纹。

2.2 不同煤岩组合体抗压强度分析

2.2.1 纯煤和纯岩及煤岩组合体强度分析

基于φ50 mm×100 mm 的纯煤、纯岩及煤岩组合体试件实验过程中的应力-时间数据，绘制的应力-时间曲线图如图6，试件的应力值即试件抗压强度。

由图6 可知，纯岩、纯煤、煤岩组合体试件的峰值强度分别为30.3、5.7、9.7 MPa，可知煤岩组合体的强度介于纯煤、纯岩两者的强度之间。不同材料的试件强度随时间的变化规律大致相同，纯岩试件在实验过程中出现大块崩落，导致应力曲线出现陡降后重新上升的变化，组合体试件应力曲线中的波动或下降后重新上升是由于压缩破坏过程中伴随煤体的部分破裂出现的卸压，但试件中岩体部分保持完整，仍具有一定的承载能力，因此曲线重新上升直至峰值。

图6 纯煤、纯岩、煤岩组合体强度对比Fig.6 Strength comparison of pure coal, pure rock, and coal-rock combination

2.2.2 组合体试件峰值强度对比分析

6 组组合体试件的峰值强度折线图如图7。

图7 不同组合体试件峰值强度折线图Fig.7 Comparison of the peak strength ofdifferent combination specimens

由图7 可知，圆柱组合体试件峰值强度随着宽高比的减小不断降低，Y-1 试件峰值最大强度达到20.5 MPa，Y-3 较Y-1 试件峰值强度降低了52.68%，达到最小值9.7 MPa；立方组合体试件峰值强度随着宽高比的减小不断降低，L-1 试件峰值最大强度达到22.8 MPa，L-3 较L-1 试件峰值强度降低了59.21%,达到最小值9.3 MPa，立方组合体试件峰值强度最大降幅比圆柱组合体试件高6.53%。2种形状组合体的峰值强度都随着宽高比的增大而增大，但立方组合体试件的这种趋势更为明显。

综上可知，对于同一宽高比2 种不同形状的组合体试件之间强度没有出现明显差异。这与彭小沾等[18]的研究结果相吻合。

2.3 不同煤岩组合体声发射特征

2.3.1 试件声发射能量演化规律

由于声发射探头在试件受压过程中会发生不同程度的脱落，因此声发射监测数据选取其中记录数据最为完整的探头。

试件内部裂隙的产生与扩张过程实质上是试件积聚弹性能的释放过程，声发射信号的能量可以反映出时间内部微裂隙发育及相互作用的强弱，采集试验中的声发射能量数据，并与实验过程中的应力变化曲线放在同一时间轴上，得到的6 组试件的时间-应力-声发射能量关系如图8。

图8 试件时间-应力-声发射能量曲线Fig.8 Time-stress-acoustic emission energy curves of specimens

由图8 可知，声发射能量分布趋势与应力有明显的对应关系：①加载初期的声发射信号少量且能量幅值较低，能量计数仅有数十，这是因为试件煤体部分中本身存在的大量原生裂隙在压力作用下被压实、破裂和相互摩擦；②随着压力逐渐增大，声发射现象逐渐活跃，能量信号幅值随之增加，能量计数达到数千，这是因为组合体中煤体部分由于强度较低，更早地开始出现新生裂隙，此时随着试件承受压力的继续增大，内部裂隙开始发育、扩张，并逐渐贯通为破裂面，试件表面开始出现明显的裂纹；③随后伴随着煤体部分破坏更加剧烈，但岩体部分依然保持完整，试件整体仍具有承载能力，应力曲线出现多次的下降-上升，能量幅值也随之同步变化；④煤体基本失去承载能力后，破坏扩展到岩体中，应力曲线达到峰值后迅速下降，试件破坏，整体失去承载能力，声发射信号迅速衰减。

圆柱组合体试件的声发射能量幅值随着宽高比的减小而先增大后减小，表现为圆柱组合体试件峰值能量计数由4 202 增加至8 812 然后降低到4 035；立方组合体试件的声发射能量幅值随着宽高比的减小而不断增大，表现为后立方组合体试件峰值能量计数由6 215 增加至6 313 然后陡增到20 241。

2.3.2 试件声发射振铃计数演化规律

声发射振铃计数是指在1 次实验中声发射信号超过所设定阈值的振铃脉冲次数，可以间接反映出试件内部微裂隙产生和裂隙间相互摩擦、挤压的次数多少，6 组试件的时间-应力-振铃计数关系如图9。

由图9 可以看出，试件声发射振铃计数与能量表现出一致的规律性，均表现出与试件应力同步变化的趋势。

图9 试件时间-应力-振铃计数曲线Fig.9 Time-stress-ringing counting curves of specimens

圆柱组合体试件中，Y-1 试件在455 s 处振铃计数达到峰值2 751 次，而后在475 s 处应力达到最大值20.5 MPa；Y-2 试件在560 s 处振铃计数达到峰值5 703 次，较Y-1 试件涨幅高达107.3%，而后在652 s 处应力达到最大值16.0 MPa；Y-3 试件在577 s 处振铃计数达到峰值3 410 次，较Y-2 试件降低了40.21%，而后在632 s 处应力达到最大值9.7 MPa。由此可知，圆柱组合体声发射现象在应力达到最大时比较活跃，最大振铃计数的出现提前于最大应力值的出现。

立方组合体试件中，L-1 试件在781 s 处振铃计数达到峰值6 082 次，而后在758 s 处应力达到最大值22.8 MPa；L-2 试件在978 s 处振铃计数达到峰值5 582 次，较L-1 试件降低了8.22%，随即应力达到最大值15.8 MPa；L-3 试件在849 s 处振铃计数达到峰值6 288 次，较L-2 试件增长了12.65%，而后在820 s 处应力达到最大值9.3 MPa。由此可知，立方组合体声发射现象在应力达到最大时比较活跃，最大振铃计数滞后于最大应力值的出现。

3 结 论

1）煤岩组合体的强度介于纯煤、纯岩两者的强度之间，纯岩、纯煤、煤岩组合体试件的峰值强度分别为30.3、5.7、9.7 MPa。

2）圆柱组合体和立方组合体的峰值强度都随着宽高比的增大而增大，但立方组合体试件的这种趋势更为明显。

3）试件声发射振铃计数与能量的变化规律均与试件应力变化的趋势同步。圆柱组合体试件的声发射能量幅值随着宽高比的减小而先增大后减小，而立方组合体试件的声发射能量幅值随着宽高比的减小而不断增大。

4）圆柱组合体最大振铃计数的出现提前于最大应力值的出现，而立方组合体最大振铃计数滞后于最大应力值的出现。