劉曉輝，康佳輝，余 潔，郝齊鈞

(1.西華大學(xué) 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610039；2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100084)

1 研究背景

隨著地表資源逐漸枯竭，深部能源開采勢(shì)在必行，煤炭作為我國(guó)最重要的支柱型產(chǎn)業(yè)，其資源開采不斷走向深部。處于深部高地應(yīng)力狀態(tài)下的煤巖，其相互作用關(guān)系勢(shì)必增強(qiáng)，上層巖體的開挖擾動(dòng)所引起的巖層擾動(dòng)問題更加復(fù)雜，巖層突出災(zāi)害現(xiàn)象更為頻繁，歸根結(jié)底是由于煤巖的力學(xué)響應(yīng)機(jī)理發(fā)生了變化[1-2]。因此，研究不同圍壓下煤巖的變形破壞特征，對(duì)安全、高效開采地下煤炭資源具有重要科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

目前對(duì)巖石力學(xué)特性的研究主要有兩種方法。一種是基于室內(nèi)試驗(yàn)的三軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)分別在試件的軸向和橫向施加荷載從而模擬巖石在不同賦存條件下的應(yīng)力狀態(tài)。再者就是基于數(shù)值模擬方法，通過給定細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，建立本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則，從而模擬巖石受載破壞過程。王水林等[3]、鄭宏等[4-5]基于物理試驗(yàn)對(duì)脆塑性巖體的破壞原理進(jìn)行了研究,張慧梅等[6]對(duì)巖石在凍融循環(huán)和圍壓雙重作用下的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，均取得較好的試驗(yàn)結(jié)果。朱澤奇等[7]采用室內(nèi)試驗(yàn)方法研究了三峽花崗巖在三軸壓縮狀態(tài)下的側(cè)向脆性特征和損傷機(jī)理，發(fā)現(xiàn)花崗巖等脆性巖石在不同應(yīng)力路徑和不同加載控制方式下均以側(cè)向損傷為主。張春生等[8]對(duì)錦屏二級(jí)電站深埋的大理巖進(jìn)行了室內(nèi)單軸壓縮-聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了巖石的啟裂強(qiáng)度和損傷強(qiáng)度關(guān)系，為引水隧洞的圍壓深度預(yù)測(cè)提供了理論參考。

煤作為一種遠(yuǎn)古地表腐植物沉積演化的巖類礦物，是典型的含有大量原始微觀損傷的非均質(zhì)體，對(duì)于它的研究，長(zhǎng)期以來也一直倍受廣大學(xué)者關(guān)注。劉?？h等[9]基于室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)煤巖在單軸壓縮條件下的變形損傷和聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤巖單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程可分為4個(gè)階段。高保彬等[10]通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)煤巖的聲發(fā)射和分形維度進(jìn)行了研究，對(duì)煤巖的變形破壞作了更為深入的討論，觀察到分形維值在煤巖破壞前會(huì)出現(xiàn)突降現(xiàn)象，為預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害提供了依據(jù)。蘇承東等[11]通過三軸壓縮試驗(yàn)探討了煤在三軸壓縮和卸圍壓條件下的變形和強(qiáng)度特征，認(rèn)為煤在兩種狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度均呈線性關(guān)系。薛東杰等[12]通過單、三軸試驗(yàn)研究了不同加載速率下煤巖采動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)及破壞機(jī)制，對(duì)煤巖在單軸和三軸壓縮狀態(tài)下的破壞進(jìn)行了探討。Liu等[13]采用MTS 815(mechanics testing system)和聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)研究了平行和垂直層理方向的煤巖聲發(fā)射特征，闡述了煤巖在壓縮變形過程中的能量釋放特征?？缀Ａ甑萚14]采用FLAC 2D模擬了不同圍壓下煤巖的破壞情況，對(duì)煤巖的破壞強(qiáng)度、破斷角度、屈服極限等進(jìn)行了討論。李建樂等[15]采用PFC離散元軟件模擬研究了不同加載條件下的煤巖破壞特征。學(xué)者們嘗試運(yùn)用不同的試驗(yàn)方法來研究煤巖的破壞特征和力學(xué)特性，但研究中所采用的試驗(yàn)或模擬方法往往比較單一，所得試驗(yàn)結(jié)果無法相互佐證，且由于煤自身的離散性和不均勻性使所得結(jié)果差異較大。若對(duì)某礦井采集的煤巖同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬來分析其變形破壞特征，勢(shì)必更具優(yōu)越性。

因此，本文對(duì)某礦井采集的煤巖同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)單、三軸壓縮試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，通過數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，進(jìn)而重現(xiàn)不同圍壓下煤巖的變形破壞過程，揭示煤巖在不同圍壓下的變形破壞機(jī)理，為煤炭資源開采提供一定理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

2 研究設(shè)備及方法

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備及方法

室內(nèi)試驗(yàn)所用巖樣取自四川省宜賓市芙蓉白皎煤礦，煤層埋深300～450 m，經(jīng)鉆芯取樣制作成直徑50 mm×高度100 mm標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)煤樣[16]，試樣上、下面經(jīng)拋光打磨平整，誤差控制在±0.02 mm[17]，試驗(yàn)條件滿足規(guī)范要求。考慮到煤巖層理和節(jié)理具有明顯的非均質(zhì)性和各向異性，在煤巖試樣制備過程中均選擇平行層理方向進(jìn)行鉆芯取樣和制樣?？紤]到單個(gè)煤巖的偶然性因素可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，每組圍壓下均設(shè)置對(duì)照組，煤巖試樣編號(hào)、尺寸等物理參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖試樣的物理力學(xué)參數(shù)

室內(nèi)試驗(yàn)采用的是MTS 815 Flex Text GT巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。加載應(yīng)變率為10-5/s，采用LVDT軸向位移控制加載，配備PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)，信號(hào)采集門檻值為40 dB。

圖1 MTS 815 Flex Text GT巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

2.2 RFPA 2D數(shù)值模型

數(shù)值模擬采用基于彈性損傷理論開發(fā)出的真實(shí)破裂過程分析系統(tǒng)RFPA 2D(realistic failure process analysis)，該系統(tǒng)可模擬巖石在應(yīng)力作用下裂紋從萌生到擴(kuò)展直至宏觀破壞的全過程。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬橹睆?0 mm×高度100 mm，劃分單元數(shù)為10 000個(gè)，數(shù)值模擬計(jì)算模型示意圖如圖2所示。模型底部完全固定，頂部自由，采用軸向位移加載方式控制，單步增量為0.002 mm[18]，圍壓為均布荷載，采用應(yīng)力加載方式進(jìn)行控制，其破壞準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，有關(guān)RFPA 2D的介紹詳見文獻(xiàn)[19-21]。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型示意圖

在數(shù)值試驗(yàn)過程中，由于細(xì)觀單元和巖石試件整體強(qiáng)度之間的差異，計(jì)算參數(shù)Em、fm的確定十分重要，因此在利用RFPA 2D進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，需將巖石宏觀力學(xué)參數(shù)和細(xì)觀力學(xué)參數(shù)通過均質(zhì)度系數(shù)m按公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

(1)

式中：Em和fm分別為Weibull分布賦值時(shí)的細(xì)觀彈性模量和細(xì)觀強(qiáng)度均值;Ec和fc分別為試樣宏觀彈性模量和宏觀強(qiáng)度均值。

均質(zhì)度系數(shù)定義了材料的強(qiáng)度分布，直接關(guān)系到模型強(qiáng)度特性，為與室內(nèi)試驗(yàn)達(dá)到較好的一致性，經(jīng)多次試驗(yàn)，最終確定計(jì)算采用的均值度系數(shù)m為4，RFPA 2D中其他細(xì)觀力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 RFPA 2D計(jì)算參數(shù)值

3 煤巖破壞過程分析

圖3為煤巖在不同圍壓條件下最終破壞狀態(tài)的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果。由圖3可以看出，煤巖的破壞形式與圍壓密切相關(guān)。當(dāng)圍壓為0時(shí)，即在單軸壓縮狀態(tài)時(shí)，煤巖從中部發(fā)生雙向剪切破壞，破斷角較大，煤巖的破壞形式為剪切-劈裂破壞，破壞后呈碎裂塊狀，破碎塊較多；當(dāng)有圍壓存在時(shí)，煤巖均從中部發(fā)生單一剪切破壞，破斷角隨圍壓的增大而逐漸增大，煤巖破壞形式為剪切破壞，破壞后呈較完整塊狀，破碎塊較少。

圖3 不同圍壓下煤巖最終破壞狀態(tài)的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果

為更好地描述煤巖變形破壞過程，將數(shù)值模擬中圍壓為0和16 MPa的煤巖漸進(jìn)破壞過程列出，如圖4所示，圖中圓圈內(nèi)為煤巖在受壓過程中產(chǎn)生的宏觀裂紋。由圖4可以看到，在單軸壓縮狀態(tài)下(圍壓為0時(shí))，煤巖右下部最先產(chǎn)生拉裂紋，隨著進(jìn)一步加載，煤巖出現(xiàn)宏觀橫向擴(kuò)容，體積增大，最終因失去承載能力而發(fā)生剪切-劈裂破壞。當(dāng)圍壓為16 MPa時(shí)，煤巖初始起裂點(diǎn)出現(xiàn)在試樣中部，隨著軸向荷載不斷增加，微裂縫不斷產(chǎn)生、擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)試樣而形成剪切破壞。在此過程中煤巖幾乎沒有出現(xiàn)較大的橫向擴(kuò)容，這主要是因?yàn)閲鷫旱拇嬖谙拗屏嗣簬r的橫向擴(kuò)展，且圍壓越大，限制作用越明顯。

圖4 數(shù)值模擬煤巖試件漸進(jìn)破壞過程

4 煤巖應(yīng)力變形及抗壓強(qiáng)度分析

4.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

煤巖在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看到，室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的整體變化趨勢(shì)較為一致，說明了數(shù)值模擬的可靠性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓增大，煤巖軸向應(yīng)力和軸向變形均增大且塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)變也顯著增加。在單軸壓縮狀態(tài)下，煤巖峰值抗壓強(qiáng)度最低，脆性破壞特征明顯。隨著圍壓增大，煤巖峰值抗壓強(qiáng)度顯著增大，破壞前的應(yīng)變?cè)龃?，破壞類型由突發(fā)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)闈u進(jìn)失穩(wěn)[22]。隨著圍壓由0向25 MPa變化，煤巖線彈性階段占峰前軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線段的比例逐漸提高，彈性模量逐漸增大，這主要是因?yàn)閲鷫涸龃笫姑簬r抗側(cè)向變形能力和剛度逐漸提高。

圖5 煤巖在不同圍壓下的室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線

煤巖峰后應(yīng)力跌落隨圍壓升高逐漸增大，且在相同圍壓下，數(shù)值模擬過程中的峰后應(yīng)力跌落明顯大于室內(nèi)試驗(yàn)。其原因可能是由于數(shù)值模擬采用的是理想彈-塑性本構(gòu)關(guān)系，無法真實(shí)還原煤巖峰后階段的非線性變化過程，故在煤巖破壞時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力驟降現(xiàn)象。梁正召等[23]在采用RFPA模擬各項(xiàng)同性巖石的破裂過程中也曾出現(xiàn)過類似現(xiàn)象，故筆者認(rèn)為可針對(duì)RFPA獨(dú)特的加載控制方式展開進(jìn)一步的研究討論。

4.2 煤巖典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圍壓對(duì)煤巖的變形破壞影響較大，為進(jìn)一步分析煤巖在圍壓狀態(tài)下的力學(xué)特性，以煤巖在圍壓8 MPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為例進(jìn)行分析，如圖6所示。由圖6可以看到，在圍壓8 MPa下，煤巖變形破壞具有明顯的4個(gè)變化階段：Ⅰ壓密階段、Ⅱ彈性階段、Ⅲ塑性階段、Ⅳ破壞階段。

圖6 煤巖在圍壓8 MPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Ⅰ壓密階段(OA段)：此階段在軸向荷載作用下，細(xì)微裂隙受壓閉合，煤巖應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，且應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率大于應(yīng)力增長(zhǎng)速率。宏觀上表現(xiàn)為煤巖體積減小，軸向應(yīng)變?cè)黾?，密度增大，隨著圍壓的增大，煤巖橫向變形減小。

Ⅱ彈性階段(AB段)：此階段隨著軸向荷載增大，煤巖原生裂隙被壓密閉合，煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性增大，彈性模量保持不變。由于圍壓效應(yīng)的存在，8 MPa圍壓下煤巖的彈性模量明顯大于0圍壓(如圖5所示)，說明圍壓的存在提高了煤巖剛度。

Ⅲ塑性階段(BC段)：此階段為煤巖塑性軟化階段，隨著軸向荷載的增大，平行于荷載軸方向內(nèi)開始大量地產(chǎn)生新的細(xì)微裂紋，而圍壓效應(yīng)又使新產(chǎn)生的細(xì)微裂紋壓密閉合，煤巖內(nèi)部變形處于動(dòng)態(tài)平衡，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為上凸趨勢(shì)。

Ⅳ破壞階段(CD段)：此階段煤巖微粒間黏聚力和摩擦力因無法抵抗剪切應(yīng)力而產(chǎn)生滑動(dòng)，煤巖細(xì)微裂紋逐漸增多并貫通形成宏觀裂紋，局部破壞導(dǎo)致煤巖出現(xiàn)應(yīng)力降現(xiàn)象，峰后應(yīng)力呈階梯狀下降，并最終趨于穩(wěn)定，但圍壓的存在使煤巖破壞后仍具有一定的承載能力。

4.3 抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系

由于煤巖在三軸應(yīng)力狀態(tài)下主要發(fā)生剪切破壞，根據(jù)Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則有：

τm=c+σtanφ

(2)

式中：τm為抗剪強(qiáng)度，MPa；σ為破壞面上的正應(yīng)力，MPa；c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角(°)。當(dāng)用主應(yīng)力表示時(shí)，Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則為：

σs=Q+Kσ3

(3)

式中：σs為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；Q和K為強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)，表示不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)煤巖承載能力的影響情況，其中K與內(nèi)摩擦角φ滿足：

K=tan2(45°+φ/2)

(4)

由公式(3)可知，單個(gè)煤巖所承受的最大軸向應(yīng)力σ1max應(yīng)與圍壓σc呈線性關(guān)系。

圖7為煤巖峰值抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系，由圖7可以看到，煤巖峰值抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系密切，隨圍壓σc的增加而線性增大，單軸狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度較三軸狀態(tài)下的明顯偏低，究其原因是由于在單軸狀態(tài)下煤巖破壞形式雖然屬于剪切型劈裂破壞，但其抗壓強(qiáng)度并非完全由剪切破壞所決定。但在三軸壓縮狀態(tài)下，圍壓的存在限制了煤巖側(cè)向變形能力，煤巖破壞模式為單一的剪切破壞，圍壓的增大提高了煤巖抗壓強(qiáng)度。

圖7 煤巖峰值抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系

煤巖破壞時(shí)峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向最大應(yīng)變與圍壓關(guān)系如圖8所示。

圖8 煤巖峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變與圍壓關(guān)系

由圖8可以看到，圍壓的增大顯著提高了煤巖應(yīng)變能力。在單軸壓縮狀態(tài)下，煤巖僅經(jīng)歷了短暫的壓縮變形后即被壓壞，當(dāng)圍壓升高到8 MPa時(shí)，應(yīng)變值提高了近1.5倍，煤巖經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的壓縮變形后才破壞。這主要是因?yàn)槊簬r內(nèi)部變形受裂隙面上的內(nèi)摩擦力影響，而內(nèi)摩擦力與正應(yīng)力有關(guān)，正應(yīng)力又與圍壓有關(guān)，圍壓的存在強(qiáng)化了這一作用效果[24]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍壓在0～8 MPa范圍內(nèi)時(shí)，煤巖峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變隨圍壓的增長(zhǎng)較快，但圍壓在8～16 MPa范圍內(nèi)時(shí)，其最大應(yīng)變隨圍壓的增長(zhǎng)反而減緩，而在16～25 MPa范圍內(nèi)時(shí)，其應(yīng)變值隨圍壓的增長(zhǎng)又加劇，數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)均得到相似規(guī)律。說明圍壓的存在確實(shí)提高了煤巖的應(yīng)變能力，但該部分應(yīng)變應(yīng)包括煤巖因自身無法抵抗變形而發(fā)生的形變和煤巖因內(nèi)部裂隙面壓密閉合而產(chǎn)生的形變的疊加。當(dāng)圍壓足夠大使裂隙面迅速被壓密閉合時(shí)，這種疊加效應(yīng)就減弱了，故在圍壓為16 MPa附近時(shí)，應(yīng)變值出現(xiàn)跌落。

4.4 彈性模量與圍壓關(guān)系

圍壓對(duì)彈性模量的影響，不同巖石力學(xué)試驗(yàn)所得出的結(jié)果差異較大。最早關(guān)于大理巖單軸和三軸壓縮的試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石的彈性模量并不隨圍壓的變化而變化，如張流等[25]對(duì)我國(guó)6種巖石在高圍壓下的強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究表明，圍壓對(duì)彈性模量沒有影響。但也有其他試驗(yàn)得出不同結(jié)論，如劉泉聲等[26]對(duì)高應(yīng)力下原煤三軸壓縮力學(xué)特性的研究表明，煤巖所受圍壓越大彈性模量越大，彈性模量隨圍壓增大而增大。楊永杰等[24]對(duì)鮑店煤礦3#煤進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤巖彈性模量隨圍壓增大而非線性增大，壓縮強(qiáng)度隨圍壓增大而線性增大。通過對(duì)大量巖石力學(xué)試驗(yàn)的分析發(fā)現(xiàn)，彈性模量隨圍壓的變化可能與煤巖內(nèi)部缺陷及致密程度有關(guān)，由于煤巖離散程度較大，勢(shì)必導(dǎo)致不同試驗(yàn)所得結(jié)論差異較大。故彈性模量采用較為可靠的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線法進(jìn)行計(jì)算，如公式(5)所示：

(5)

式中：E50為彈性模量，GPa；(σ1-σ3)50為50%主應(yīng)力差的應(yīng)力值，MPa；εh50為抗壓強(qiáng)度50%時(shí)的縱向應(yīng)變值。

圖9為采用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線法計(jì)算得到的彈性模量與圍壓變化關(guān)系。由圖9可以看到，試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法所得結(jié)果較為一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，煤巖的彈性模量E隨圍壓升高呈增大趨勢(shì)，這主要是由于煤巖中含有大量原生裂隙，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)育，在圍壓作用下，原生裂隙被壓密閉合，煤巖剛度提高，彈性模量隨之增大。該結(jié)論與范鐵剛等[27]關(guān)于煤的有效彈性力學(xué)性質(zhì)的研究結(jié)果相一致。

圖9 煤巖彈性模量與圍壓關(guān)系

5 聲發(fā)射特性分析

聲發(fā)射現(xiàn)象是反映巖石材料內(nèi)部微破裂的損傷特征的表征，聲發(fā)射累積數(shù)則能夠反映出煤巖在漸進(jìn)破壞過程中不同時(shí)刻的損傷累積量，損傷越嚴(yán)重，則聲發(fā)射累積數(shù)越多[28]。RFPA自帶的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)功能能夠?qū)r石從最初的裂紋萌生直至完全破壞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而分析巖石破壞過程中的能量釋放特征。

圖10為煤巖在不同圍壓下破壞時(shí)的聲發(fā)射圖，其中圖10(a)為室內(nèi)試驗(yàn)采集得到的聲發(fā)射事件經(jīng)MATLAB三維重構(gòu)的結(jié)果，紅點(diǎn)表示聲發(fā)射事件；圖10(b)為數(shù)值模擬的結(jié)果，圖中紅色代表拉破壞，白色代表壓剪破壞。由圖10可以看出，初始圍壓對(duì)煤巖力學(xué)特征和破壞特征具有顯著的影響。圍壓為0時(shí)，煤巖主要產(chǎn)生大量拉破壞，宏觀上表現(xiàn)為剪切-劈裂破壞；圍壓為8～25 MPa時(shí)，煤巖在產(chǎn)生大量壓剪破壞的同時(shí)僅伴有少量的拉破壞，宏觀上表現(xiàn)為剪切破壞。

圖10 不同圍壓下煤巖破壞時(shí)聲發(fā)射圖

煤巖軸向應(yīng)變與聲發(fā)射累積數(shù)關(guān)系如圖11所示。由圖11可以看出，在單軸壓縮狀態(tài)下，煤巖聲發(fā)射事件十分活躍，煤巖從初始加載至最終破壞時(shí)的應(yīng)變量較小。而當(dāng)圍壓分別為8、16、25 MPa時(shí)，煤巖聲發(fā)射事件相差不大，但破壞時(shí)的聲發(fā)射累積數(shù)隨圍壓的提高反而逐漸降低，煤巖從初始加載至最終破壞時(shí)的應(yīng)變量隨圍壓升高而逐漸增大，并出現(xiàn)延性破壞。同時(shí)，根據(jù)圖11變化規(guī)律，圍壓應(yīng)力差越大，煤巖聲發(fā)射現(xiàn)象增長(zhǎng)越劇烈，但當(dāng)煤巖初始缺陷壓密后，其聲發(fā)射現(xiàn)象趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。說明煤巖在加載過程中，初始圍壓對(duì)其損傷破壞活動(dòng)的影響很大，故在深部煤巖開采活動(dòng)中，初始地應(yīng)力的影響是不容忽視的。

圖11 不同圍壓下煤巖軸向應(yīng)變與聲發(fā)射累積數(shù)關(guān)系

6 結(jié) 論

本文綜合利用MTS 815試驗(yàn)機(jī)和RFPA 2D數(shù)值模擬方法對(duì)四川省宜賓芙蓉白皎煤礦煤巖進(jìn)行4種不同圍壓下的煤巖變形破壞特征分析，結(jié)果表明：

(1)圍壓與煤巖破壞特征密切相關(guān)。圍壓對(duì)煤巖的變形破壞特征影響顯著，隨著圍壓的增大，煤巖最大抗壓強(qiáng)度線性增大，破壞形式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變，破壞形態(tài)多以單軸壓縮下的壓剪-劈裂破壞和三軸壓縮下的剪切破壞為主。煤巖的強(qiáng)度參數(shù)隨圍壓增大呈非線性增大，圍壓越大，煤巖越密實(shí)，剛度越大，塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

(2)煤巖在低圍壓下?lián)p傷劇烈，破碎嚴(yán)重。圍壓對(duì)煤巖聲發(fā)射活動(dòng)影響顯著，單軸壓縮狀態(tài)下的聲發(fā)射累積數(shù)明顯高于三軸壓縮狀態(tài)，但隨著圍壓的增加，聲發(fā)射活動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。說明初始圍壓對(duì)煤巖損傷破壞活動(dòng)的影響很大，故在深部煤巖開采活動(dòng)中，初始地應(yīng)力的影響不容忽視。

(3)數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)所得結(jié)果較為一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。說明采用RFPA再現(xiàn)煤巖在不同圍壓下裂紋萌生、擴(kuò)展至完全破壞的漸進(jìn)破壞過程是可行的，這為進(jìn)一步研究煤巖等巖石材料的變形特性和力學(xué)特性提供了一種有力的工具。