顶板煤柱结构体力学特性及其渐进破坏机制研究

第36卷第X期岩石力学与工程学报Vol.36No.X2017年X月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringXXX，2017 收稿日期：2016–10–07；修回日期：2017–01–20基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474134)；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-13-0880)；山东省自然科学杰出青年基金资助项目(2016JQ015)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.51474134)，ProgramforNewCenturyExcellentTalents(GrantNo.NCET-13-0880)andShandongProvincialNaturalScienceFundationforDistinguishedYoungScholars(GrantNo.2016JQ015)作者简介：陈绍杰(1978–)，男，2002年毕业于山东科技大学采矿工程专业，现任副教授、博士生导师，主要从事矿山岩石力学与特殊开采方面的研究。Email：[e-mail]。通讯作者：尹大伟(1989–)，男，现为博士研究生。Email：[e-mail]：10.13722/j.cnki.jrme.2016.1282“顶板–煤柱”结构体力学特性及其渐进破坏机制研究陈绍杰，尹大伟，张保良，马宏发，刘兴全(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛266590)摘要：基于声发射和数码摄像机录像系统，对不同高比的5组顶板砂岩-煤柱结构体进行了单轴压缩试验，研究了其力学特性及渐进破坏机制。顶板砂岩-煤柱结构体整体强度是远离交界面和交界面处砂岩、煤样强度的综合，摩擦效应加强了交界面处煤样强度，而削弱了交界面处砂岩强度；顶板-煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随岩煤高比递减而呈递减趋势；在同等条件下煤样原生裂纹越发育，顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、弹性模量和单轴抗压强度越小。顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂导致应力–应变曲线出现阶梯状波动，AE信号出现峰值，大部分起裂位置位于煤样上，但当岩煤高比为9∶1时，交界面处砂岩首先破坏起裂。煤样内裂纹扩展和贯通使其变得较破碎且形成局部破坏，同时局部破坏的贯通导致煤样最终破坏；砂岩破坏是煤样内裂纹扩展贯通至其内部造成的，且由于裂纹扩展能力、速度及角度的不同，砂岩破坏形态呈劈裂破坏、剪切破坏或不发生破坏，随岩煤高比增大，煤样和砂岩破坏程度增大，煤样更加破碎。关键词：“顶板–煤柱”结构体；声发射；数码摄像；宏观破坏起裂；力学特征；渐进破坏中图分类号：文献标识码：A文章编号：1000–6915(2017)00–0000–00Studyonmechanicalcharacteristicsandprogressivefailuremechanismof“roof-coalpillar”structurebodyCHENShaojie，YINDawei，ZHANGBaoliang，MAHongfa，LIUXingquan(StateKeyLaboratoryofMiningDisasterPreventionandControlCo-foundedbyShandongProvenceandtheMinistryofScienceandTechnology，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao，Shandong266590，China)Abstract：Inordertostudythemechanicalcharacteristicsandprogressivefailuremechanismoftheroof-coalpillarstructurebody，uniaxialcompressiontestswerecarriedoutonfivegroupsofroofsandstone-coalpillarstructurebodieswithdifferentheightratios.Andacousticemission(AE)monitoringtechniqueanddigitalvideocamerasystemwereusedtoinvestigatethefailureprocessofthestructurebody.Thestructuralstrengthofthestructurebodyisacompositeofthestrengthsofsandstoneandcoalawayfromandintheinterface.Thecontactfrictionaleffectsenhancethestrengthofcoalintheinterface，butweakenthestrengthofsandstoneintheinterface.Withthedecreaseoftheheightratioofsandstonetocoal，themacroscopicfailureinitiationstrength，uniaxialcompressivestrengthandelasticmodulusofthestructurebodygraduallyreduce.Andunderthesameconditions，thegreaterdevelopmentdegreeofprimarycracksinthecoalis，thelowerthemacroscopicfailureinitiationstrength，uniaxial•2•岩石力学与工程学报2017年 compressivestrengthandelasticmodulusofthestructurebodyare.Themacroscopicfailureinitiationofthestructurebodycausestheoccurrenceofturningpointsonstress-straincurveswhiletheAEenergyindexreachesapeakvalue.Andaftermacroscopicfailureinitiation，theAEenergyindexdropstooriginallevel.Generally，themacroscopicfailuteinitiationsarelocatedinthecoal，butwhentheheightratioofsandstonetocoalis9∶1，becausethestrengthofthesandstoneintheinterfaceisthelowest，itfirstlyoccursmacroscopicfailureinitiation.Thepropagationandcoalescenceofcracksincoalmakethecoalmorebrokenandlocaldamagesareformedonthecoal.Andthecoalescenceoflocaldamagesleadstocoalfailure.Thesandstonefailureiscausedbycrackpropagationincoalthroughthesandstoneinterior.Andduetothedifferenceofthepropagationability，velocityandangleofcracksincoal，thesandstonesoccursplitfailure，shearfailureornodamage.Withtheincreaseoftheheightratioofsandstonetocoal，thedamageextentofthecoalbodyandsandstoneincreases，andthecoalbodyismorebroken.Keywords：roof-coalpillarstructurebody；acousticemissiondetectiontechnology；digitalvideo；macroscopiccrackinitiation；mechanicalcharacteristics；progressivefailuremechanism1引言条带开采长期以来是我国开采“三下”压煤的主要开采方法。部分煤柱在一定时间内能够保持稳定支撑上覆岩层，但随时间推移，煤柱内部弹性核区剩余太小而不能承载上覆岩层载荷时，煤柱将发生破坏、坍塌及失稳，煤柱一旦失稳，地表将发生突然塌陷，将造成重大人员伤亡及财产损失。煤柱是“煤体–岩体”系统的一部分，其破坏失稳是煤体和岩体共同作用的结果，是一个渐进发展的弱化过程[1-2]。因此，研究“煤体–岩体”结构体力学特性及其渐进破坏机制对预防煤柱失稳灾害和煤柱加固具有十分重要的意义。当前“煤体–岩体”结构体的研究方法主要包括两种，一种是将现场采集煤、岩块加工成标准纯煤、岩试件以及煤岩组合体试件，在实验室进行单轴或三轴试验；另一种是借用数值模拟手段。如，李纪青等研究了单一煤样及煤岩组合体冲击倾向性，结果表明煤岩组合冲击倾向性指标均高于单一煤样[3]；宋录生、刘波等[4-5]研究了不同高比的“顶板–煤层”、“煤层–老顶”、“煤层–直接顶”以及“底板–煤层–老顶”组合体冲击倾向性演化规律；陆菜平试验研究了不同组合类型的“顶板–煤样–底板”组合体冲击倾向性演化规律，结果表明当煤样、岩石强度及厚度增加时，组合体冲击倾向性增强[6]；李晓璐等利用FLAC数值模拟软件，进行了3种高比(1∶1，1∶2，2∶1)和3种夹角(0，30°，45°)的“煤层–底板”组合体冲击倾向性模拟试验[7]；赵善坤等利用RFPA数值模拟软件研究了不同高比和不同顶板强度、厚度、均质性及接触面角度下煤岩组合体冲击倾向性[8]；林鹏等利用RFPA数值模拟软件模拟了不同岩性的二岩体相互作用系统受力破坏过程，解译了微破裂迁移、变形局部化等现象[9]；郭东明等对4种不同倾角“顶板–煤层”组合体进行了试验和数值模拟研究，获得了单轴和三轴压缩条件下煤岩组合体的强度和破坏机制，并分析了交界面倾角对煤岩组合体整体变形破坏的影响[10]；郭伟耀等利用PFC2D颗粒流软件模拟了不同煤岩强度比、高比的煤岩组合体单轴、双轴压缩试验，从细观角度分析了岩煤强度比、高比对组合体冲击倾向性、破坏形态以及极限抗压强度特征影响[11]。刘杰等研究了岩石强度对煤岩组合试样力学行为及声发射特性的影响[12]；张泽天等研究了组合方式对煤岩组合体力学特征及破坏机制的影响[13]；左建平等进行了高比为1∶1的“坚硬顶板(砂岩)–煤层”组合体单轴和三轴压缩试验，研究了其力学特性及破坏机制[14]；窦林名等进行了不同高比的煤岩组合体冲击性特征试验，并利用声电测试系统对高比为5∶3∶2的“坚硬顶板–煤层–底板”组合体破坏规律进行了研究[15]。以上对“煤体–岩体”结构体的研究大多关注其冲击倾向性，而对其强度、宏观破坏起裂等力学特性以及渐进破坏机制的研究却较少。此外，在实际工程中，顶板垮落高度一般大于煤柱高度[16]。为此，本文制备了高比为9∶1，8∶2，7∶3，6∶4和5∶5的5组顶板砂岩-煤柱结构体标准试件，在岛津AG-X250电子万能试验机进行单轴压缩试验，利用声发射和数码摄像机录像系统对“顶板–煤柱”结构体力学特性及其渐进破坏机制进行了研究。第36卷第X期陈绍杰等：“顶板–煤柱”结构体力学特性及其渐进破坏机制研究•3• 2顶板–煤柱结构体单轴压缩试验2.1顶板–煤柱结构体模型建立煤柱两侧煤炭资源开采后，直接顶发生弯曲下沉并垮落填充到采空区，如图1所示。借鉴当前“煤体-岩体”结构体的研究方法[3-7