单轴压缩条件下含层理煤岩力学特性的细观研究

周喻，李程，王文林，周贤

(1.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083；2.陕西华彬煤业股份有限公司，陕西 咸阳，713500)

层理作为一种沿垂直方向变化的地质结构面，广泛分布于各类岩体中。在煤炭领域，含层理岩体会影响煤矿的开采安全。目前，有学者利用声发射技术和瞬态压力脉冲法等研究手段和方法，对含层理煤岩进行了研究[1]。虽然目前国内外学者对层理煤岩开展了一系列研究，但所研究煤岩层理大多为水平层理或垂直层理，且多集中于室内实验，关于煤岩层理的多角度研究及细观研究相对较少。

刘伟[2]对层理岩体破坏机制进行了研究，通过一系列的直剪试验，研究了层理面间距和层理面倾角对岩体抗剪强度的影响，分析了层状岩体剪切破坏形态的规律。王旭一等[3]对层状岩体开展了单轴压缩试验，对其非均质性进行了研究。唐克东等[4]开展了层状岩体的三轴压缩试验，研究了层状岩体的扩容及塑性应变特性。张海兵等[5]在考虑岩层结构面的基础上，运用离散元数值方法，研究了鲁班亭小净距隧道的合理净距。宋斌[6]开展了岩体的变形试验，发现随着层理倾角不断增大，岩样的抗压强度、变形模量均呈先减小后增加的“U”型变化规律。伍东卫等[7]开展了一系列试验，研究了层状岩体变形的结构效应。李青刚等[8]对典型层状围岩破坏模式进行了研究，从力学的角度揭示各类型破坏发生的机制。徐子瑶等[9]对不同角度下层状岩体的力学性质进行了研究，分析了层理角度与加载方向夹角的变化对试样破坏模式的影响。MENG 等[10]对层状岩体中大型地下洞室结构采用控制位移连续分析。苏士龙等[11]研究了层状岩体巷道的承载特性及失稳机理。YANG等[12]对层状岩石的破坏模式进行了模拟研究。CHANG等[13]研究了层状岩体中层理面对裂隙的扩展、贯通的影响。

颗粒流法及PFC 程序是CUNDALL 等[14-15]在离散元法基础上引入分子动力学思想创建的，主要应用于岩石、混凝土力学与工程的研究。王云飞等[16]运用PFC程序研究了煤岩的损伤破坏特性。周喻等[17]在单侧限压缩条件下对预制裂隙试样的力学特性及板裂化机制进行了细观研究。宿辉等[18]利用PFC 程序从细观角度对侧限压缩下的非均匀花岗岩岩样进行了声发射(AE)时空特征研究。周喻等[19]开展了一系列室内试验，利用PFC2D 程序，构建含双圆孔类岩石试样并对其进行单轴压缩试验，研究其在不同圆孔间距、倾角组合条件下的强度、裂纹模式及破裂孕育演化特征。

本文以陕西省彬长矿区层理煤岩为研究对象，采用CT扫描试验对层理倾角分别为30°与60°的试样内部层理进行观察，结合扫描电镜试验进一步开展煤岩层理的细观研究，通过PFC2D 程序进行数值计算，并对试验结果与计算结果进行分析，得到强度特征、应力-应变曲线、破坏模式以及裂纹分布情况随层理角度的变化规律。

1 试验

1.1 试验试样

本次单轴压缩试验试样尺寸如图1所示，试样为直径×高度为50 mm×100 mm 的圆柱体，取自陕西省彬长矿区下沟煤矿现场，通过控制钻机钻进方向取得不同层理倾角煤岩，再经过切割和打磨处理成标准样品。层理倾角α定义为层理面与水平方向的夹角，本次试验试样层理倾角α分别为0°，30°，45°，60°和90°。

扫描电镜主要用于观察各种固态物质表面的超微结构形态以及组成物质。本文利用扫描电镜对含30°层理试样进行观察。图2(a)所示为试样局部层理放大500倍的图像，可以发现，层理呈规则线状分布于试样中，局部存在断裂，厚度均匀，层理与煤岩物质组成不同，在扫描电镜图像中呈不同颜色，层理中存在微裂隙。通过能谱分析可得，煤岩中主要为C，Au，O，Al 和Fe 元素，如图2(b)所示，其中C 元素质量分数为68.49%，Au元素为11.01%，O 元素为10.75%，Al 元素为6.71%，Fe元素为3.04%。

图2 层理倾角为30°试样扫描电镜-能谱图像Fig.2 Scanning electron microscope-energy spectrum image of sample with 30° bedding inclination

煤岩体内部结构通过普通的探测设备很难观察和区分，利用CT检测技术可以在不损害内部原有结构的情况下获得煤岩内部结构信息。本文对层理倾角为30°与60°的煤样进行CT扫描试验，结果如图3所示。

图3 煤样CT扫描图Fig.3 CT scan of coal sample

图3(a)中，试样所含层理倾角为30°，层理主要分布于试样下端。图3(b)中，试样所含层理倾角为60°，试样中层理主要分布于试样右侧及中下端，试样中裂隙较为发育。

本文采用单轴压缩试验，试验设备及加载条件如下：单轴压缩试验采用CMT5105 微机控制电子万能试验机(见图4)；试验过程中主轴采用应力控制，规定总压缩应变为0.5%，规定非比例压缩应变为0.2%，加载速率为0.3～0.5 MPa/s。当听到明显的试样破裂声响或加载传感器数值骤降时，停止试验，记录数据。

图4 CMT5105微机控制电子万能试验机Fig.4 CMT5105 microcomputer controlled electronic universal testing machine

1.2 模拟方法

颗粒流理论着重从细观力学角度解释材料的损伤断裂机制，分析材料从线弹性阶段至断裂破坏的大变形过程，能直观表征裂纹的形成、扩展及贯通过程，适用于岩石、混凝土等材料的力学与工程特性研究。近年来，基于颗粒流理论的PFC程序被广泛用于模拟介质内部裂纹的产生及扩展过程，该程序只需通过设定颗粒的细观力学参数便可模拟得出计算模型的宏观力学参数。

PFC程序提供了接触黏结和平行黏结两种颗粒黏结模型。当法向或切向应力分别超过对应的接触黏结强度时，则产生接触黏结破坏。平行黏结模型可用于模拟两相邻颗粒间的附着胶凝物质，当法向或切向应力超过对应的平行黏结强度时，则产生平行黏结破坏，分别产生张拉型微裂纹或剪切型微裂纹。

对本文单轴压缩试验试样进行观察并对明显层理进行测量，当层理倾角α为0°，30°，45°，60°和90°时，试样层理平均间距为22，26，20，29 和28 mm。因此，本文选取层理平均间距为25 mm，构建3个层理面，采用平行黏结模型构建含层理煤岩的细观分析模型，如图5所示。

图5 含层理煤岩的数值计算模型Fig.5 Numerical calculation models of bedding coal

构建模型需要的参数为细观参数，可先假定一组参数，进行数值计算获得计算宏观力学参数，将其与试验获得的宏观力学参数对比，通过不断地调试匹配，当计算与试验所得宏观力学参数基本一致时说明该组细观参数选取合理。

当进行数值计算时，位移加载速率需设定得足够小以保证拟静力加载状态，本文轴向位移加载速率设置为1.0 mm/(104步)。计算终止条件为：当试样残余强度达到峰值强度的60%时，停止计算。本文计算模型细观力学参数见表1。

表1 颗粒体模型细观力学参数Table 1 Mesomechanical parameters of granular model

2 试验与颗粒流模拟分析

2.1 层理对强度的影响

单轴抗压强度能直接反映岩石的强度特征。本文不同层理倾角与煤岩单轴抗压强度的关系如图6所示。

图6 单轴抗压强度与倾角的关系Fig.6 Relationship between uniaxial compressive strength and inclination

由图6所示试验结果可见：当层理倾角α分别为0°，30°，45°，60°和90°时，煤岩的单轴抗压强度分别为15.00，12.74，10.10，9.10和14.25 MPa。以层理倾角为60°作为分割点，单轴抗压强度在60°前后表现出相反的规律：当0°≤α≤60°时抗压强度随着层理倾角的增大而减小；当60°＜α≤90°时抗压强度随着层理倾角的增大而增大，在α=60°时取得最小值。

由图6所示计算结果可见：当层理倾角α分别为0°，30°，45°，60°和90°时，煤岩的单轴抗压强度分别为17.94，16.93，14.72，11.62，17.23 MPa。当层理倾角从0°增大到60°时抗压强度逐渐减小，当层理倾角从60°增大到90°时抗压强度逐渐增大，在α=60°时抗压强度取得最小值。

总体来看，试验结果与计算结果均表现出一致的规律，即在单轴压缩条件下煤岩的抗压强度随着层理倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势，在α为60°时均取得最小值。

2.2 层理对应力-应变曲线的影响

图7所示为煤岩在单轴压缩条件下通过试验获取的应力-应变曲线。可以发现，在加载初期，不同层理倾角试样的应力-应变曲线均呈上凹型，曲率逐渐增大，为压密阶段；随着不断施压，曲线由上凹型转变为直线型，应力-应变呈线性相关，试样的弹性模量在该阶段取得最大值。当试样中层理倾角不同时，弹性模量差异较为明显，层理倾角为0°时的弹性模量最大，为2.14 GPa，对应的应变为(0.35～0.84)×10-2，该阶段为弹性阶段；当试样的应力-应变曲线达到峰值时，试样发生破坏，应力产生突变现象，出现了明显的峰值强度，层理倾角为0°，60°，90°时曲线类型为“单峰型”，倾角为30°和45°时曲线类型为“双峰型”，当层理倾角分别为0°和60°时，试样峰值强度取得最大与最小值，分别为15.00 MPa和9.10 MPa，对应的应变为9.9×10-3和10.4×10-3，在层理倾角α为30°～60°时，曲线达到峰值后呈台阶式震荡下降，试样峰后强度下降速率较慢，延性破坏程度较高。

图7 试验获取的应力-应变曲线Fig.7 Calculated stress-strain curves

图8所示为煤岩在单轴压缩条件下通过计算获取的应力-应变曲线。加载初期，不同于试验获取的上凹型曲线，构建的数值计算模型颗粒紧密接触，故从加载后应力-应变近似呈线性相关。与试验结果相似的是，在层理倾角为0°时，试样的峰值强度取得最大值，为17.94 MPa，对应的应变为0.67×10-2。当倾角为60°时峰值强度取得最小值，为11.62 MPa，对应的应变为0.49×10-2。计算获得的应力-应变曲线最高点发生了小范围的上下波动，曲线达到峰值后，应力-应变曲线直线下降，下降速率比试验所得应力-应变曲线的快，脆性破坏程度较高。

图8 计算获取的应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curves obtained from test

总体来看，室内单轴压缩试验与PFC2D 数值计算结果较为一致，单轴抗压强度随层理倾角的不同表现出的变化规律一致。

2.3 破坏模式及微破裂分析

试验结果中，当荷载超过了试样的极限强度后，含不同倾角层理的试样表现出了不同的破坏模式，如图9所示。

由图9(a)可见：在单轴压缩条件下，煤样内部层理被压实，随着不断地加载，煤岩内部能量已动能或冲击波的形式释放，出现瞬间崩落现象，向周围高速弹射大量碎屑并伴有巨响，试样没有出现明显的破裂面且破碎程度相对较高，碎屑多为小块，表现出很强的冲击能力，可认为该破坏模式属于脆性破坏。

由图9(b)，(c)和(d)可见：随着加载过程的进行，荷载达到峰值强度后，试样发生破坏，出现了平行于层理面的破裂斜面，以层理倾角为45°的试样为例，其破坏形态近似为沿着45°角的软弱面剪切滑移并形成宏观破坏，试样主体较为完整，碎块较大，破裂时的声响明显减弱，冲击倾向性较弱，可认为该破坏模式属于剪切破坏。

由图9(e)可见：不断施压直至达到峰值强度后，试样沿着层理面发生劈裂破坏，出现多个平行于轴向压力的破裂面，伴随着碎屑与声响。

图9 试验所得含层理煤样破坏模式Fig.9 Failure mode of bedding coal sample obtained from the test

不同倾角α下试样的破坏计算结果如图10 所示，计算模型中脱离试样的破碎颗粒体的颜色与试样颜色不同。

由图10 可见：当α=0°时，模型中产生多处裂纹，主要集中于加载端部与试样中部，裂纹相通形成了体积较小的破碎颗粒体，微破裂数量较多，裂纹分布与层理相关性不大；当α=30°时，计算模型中产生的裂纹基本沿着层理面，加载端部出现少量裂纹，脱离于计算模型的破碎颗粒体体积较大；当α=45°时，计算模型破裂面主要沿着倾角为45°的层理面发育，加载端部出现少量裂纹，与计算模型脱离的破碎颗粒体体积较大，微破裂数量减少；当α=60°时，破裂面主要沿着倾角为60°的层理面发育，加载端部已无明显裂纹，微破裂数量最少，没有明显的破碎颗粒体；当α=90°时，裂纹与加载方向呈较小的角度，加载端部出现少量裂纹，主要集中于试样中部，破碎颗粒体体积较小。

图10 计算所得含层理煤样破坏模式Fig.10 Calculated failure modes of bedding coal samples

计算模型中不同试样的微破裂分布情况如图11 所示，模型中相互黏结的颗粒由于受到不同应力作用会产生不同的黏结断裂，对应产生两种微破裂，即当颗粒间应力超过张拉黏结强度时，形成张拉型微破裂(图11中用红色短线表示)；当颗粒间应力超过剪切黏结强度时，形成剪切型微破裂(图11中用黑色短线表示)；可以看出，在不同试样中张拉型微破裂均占主导优势。

由图11 可见，当α=0°时，微破裂数量较多，加载端部与中部较为密集，含有少量剪切型微破裂，微破裂分布情况与层理相关性不大。当α=30°时，加载端部微破裂明显减少，试样中部微破裂明显增加，主要沿着倾角为30°的层理面分布，且含少量剪切型微破裂。当α=45°时，微破裂数量相对减少，加载端部产生部分微破裂，主要沿着倾角为45°的层理面分布，含少量剪切型微破裂。当α=60°时，微破裂数量最少，加载端部无明显微破裂，微破裂主要沿倾角为60°的层理面分布并贯通试样，含少量的剪切型微破裂。当α=90°时，微破裂主要分布于加载端部与试样中部，主体微破裂与轴向力呈一定的角度，含少量剪切型微破裂。

图11 不同倾角层理试样裂纹分布情况Fig.11 Crack distributions of bedding samples with different inclination angles

图12 所示为计算模型中微破裂数量与层理倾角的关系。当α=0°时，计算模型中微破裂数量为2 367 条，其中张拉型微破裂数量为2 293 条，占96.9%，剪切型微破裂数量为74 条，占3.1%；当α=30°时，模型中微破裂数量为2 063 条，其中张拉型微破裂数量为1 997 条，占96.8%，剪切型微破裂数量为65 条，占3.2%；当α=45°时，模型中微破裂数量为1 825条，其中张拉型微破裂数量为1 774 条，占97.2%，剪切型微破裂数量为51 条，占2.8%；当α=60°时，模型中微破裂数量为582条，其中张拉型微破裂数量为562 条，占96.7%，剪切型微破裂数量为20条，占3.3%；当α=90°时，模型中微破裂数量为1 793条，其中张拉型微破裂数量为1 719 条，占95.9%，剪切型微破裂数量为74条，占4.1%。

图12 微破裂数与层理倾角的关系Fig.12 Relationship between number of micro fractures and bedding dip

综上所述，试验结果与计算结果较为一致，即层理倾角为0°时，试样破坏模式为脆性破坏，微破裂分布受层理影响不大；当层理倾角为30°，45°与60°时，试样破坏模式为剪切破坏，破裂面与层理面平行，微破裂主要沿层理面分布；当层理倾角为90°时，试样破坏模式为劈裂破坏，微破裂在一定程度上受层理影响。微破裂总数中，张拉型微破裂占主导优势。

2.4 声发射特性分析

周喻等[20-21]以矩张量理论为基础，利用PFC程序构建了岩石计算模型，建立了细观尺度上岩石声发射模拟方法。计算模型中颗粒通过黏结作用黏结在一起，模型受外力作用产生黏结破坏，通过计算矩张量可再现材料声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特性。声发射事件的信号强弱用圆圈大小表示，空间位置由圆圈中心坐标确定。本文从细观角度揭示含层理试样在单轴压缩条件下微破裂及裂纹的发展特征。

图13～17所示分别为计算模型中层理倾角分别为0°，30°，45°，60°和90°试样声发射孕育演化过程，图中黑线表示不同倾角层理，红色圆圈表示声发射事件。研究表明，在岩石全应力-应变曲线的各个阶段，声发射事件的产生随应变的变化具有如下特征：1) 当试样处于压密阶段时，基本没有声发射事件产生；2) 当试样处于弹性变形阶段时，产生少量声发射事件；3) 当试样处于弹性变形阶段后至峰值强度前，声发射事件数明显增加；4) 当达到试样峰值强度时，声发射事件数量急剧增加；5) 当试样达到峰值强度后，声发射事件信号较为强烈。因此，本文分别选择声发射事件产生起始点、试样弹性变形阶段、弹性变形阶段后至试样峰值强度前、试样达到峰值强度时、试样峰值强度后这几个阶段作为声发射孕育演化过程的代表性阶段。

图13 层理倾角为0°试样声发射演化过程计算结果Fig.13 Calculation results of acoustic emission evolution process of samples with bedding dip angle of 0°

当层理倾角α为0°时，单轴压缩条件下试样声发射孕育演化过程如图13 所示。可以发现，初期声发射事件主要随机产生于试样中，之后向试样中部发展，如图13(a)和图(b)所示。继续加载，加载端部声发射事件数明显增多，形成了较为发育的裂纹，如图13(c)所示。随着加载继续进行，加载端部与试样中部声发射事件数进一步增加，微破裂增多并形成多处明显裂纹，裂纹相互贯通并产生与试样脱离的破碎颗粒体，如图13(e)所示。

当层理倾角α为30°时，单轴压缩条件下试样声发射孕育演化过程如图14 所示。加载初期，声发射事件随机产生于试样中，如图14(a)所示。继续加载，加载端部声发射事件数增多，出现了明显的裂纹，试样中部沿着30°层理面也出现了明显裂纹，如图14(c)所示。当加载继续进行，沿层理面分布的微破裂逐渐增多，形成与水平方向成30°的裂纹，如图14(e)所示。

图14 层理倾角为30°试样声发射演化过程计算结果Fig.14 Calculation results of the evolution process of acoustic emission for samples with bedding angle of 30°

当层理倾角α为45°时，单轴压缩条件下试样声发射孕育演化过程如图15 所示。声发射事件首先随机产生于试样中，形成众多细小裂纹，如图15(c)所示。随着不断地施压，声发射事件主要集中于层理面附近，微破裂沿着层理面分布形成了明显裂纹，如图15(e)所示。

图15 层理倾角为45°试样声发射演化过程计算结果Fig.15 Calculation results of the evolution process of acoustic emission for samples with bedding angle of 45°

当层理倾角α为60°时，单轴压缩条件下试样声发射孕育演化过程如图16 所示。可以发现，声发射事件首先随机产生于试样中，随后产生于层理面附近，如图16(a)和图(b)所示。当加载继续进行，层理面附近声发射事件数逐渐增多，微破裂逐渐贯通整个试样，如图16(e)所示。声发射事件沿着60°层理面表现出较强的规律性，可能是因为层理倾角为60°时裂纹贯穿 60°弱面，形成宏观破裂，试样的破坏模式为沿着60°弱面的大角度剪切破坏。

图16 层理倾角为60°试样声发射演化过程计算结果Fig.16 Calculation results of the evolution process of acoustic emission for samples with bedding angle of 60°

当层理倾角α为90°时，单轴压缩条件下试样声发射孕育演化过程如图17 所示。如图17(a)所示，声发射事件首先随机产生于试样中，随后集中于加载端部，试样中部有少量分布。随着加载不断进行，加载端部与试样中部声发射事件数逐渐增多，产生一条与加载方向成一定夹角的裂纹，并形成较多与试样脱离的破碎颗粒体，如图17(e)所示。

图17 层理倾角为90°试样声发射演化过程计算结果Fig.17 Calculation results of the evolution process of acoustic emission for samples with bedding angle of 90°

图18所示为声发射事件数与层理倾角的关系。可以发现，当α=0，30°，45°，60°和90°时，试样声发射事件数分别为1 898，1 641，1 469，519 和1 423 次。其中，当α=0°时，声发射事件数最多，当α=60°时，声发射事件数最少。出现这一现象的可能原因是当层理倾角为0°时，试样单轴抗压强度最大，试样破坏模式为脆性破坏；当层理倾角为60°时，试样单轴抗压强度最小，试样沿着弱面发生大角度剪切破坏。

图18 声发射事件数与层理倾角的关系Fig.18 Relationship between the number of acoustic emission events and the bedding inclination

3 结论

1) 随着试样层理倾角增大，煤岩单轴抗压强度表现为先减小后增大的趋势，近似呈“V”字形。

2) 当试样中层理倾角α为0°时，煤岩的破坏模式为脆性破坏；当层理倾角α分别为30°，45°与60°时，煤岩的破坏模式为剪切破坏；当α为90°时，煤岩的破坏模式为劈裂破坏。

3) 当层理倾角α为0°与90°时，裂纹主要集中于加载端部；当倾角α为30°，45°与60°时，裂纹主要沿着层理面分布。微破裂总数中，张拉型微破裂占主导优势，剪切型微破裂占少数，所有试样均表现出一致的规律。

4) 加载初期，声发射事件均随机产生于试样中。随着加载进行，声发射事件逐渐集中于试样中部与加载端部，α为60°的试样声发射事件沿层理面产生。当层理倾角α为0°时，声发射次数最多，为1 898次；当层理倾角α为60°时，声发射次数最少，为519次。