Mechanical properties and damage characteristics of coal-rock combined samples under water-rock interaction
-
摘要:
水岩相互作用是地下采矿工程活动中的常见问题。为研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性、损伤特征及劣化机制，对不同浸水时间下的细砂岩−煤(FM)、粗砂岩−煤(GM)、细砂岩−煤−粗砂岩(FMG)3种组合体开展了轴向压缩试验。结果表明：①组合体含水率随浸水时间增加而增大，浸水20 d以后达到饱水状态；5～15 d为组合体的吸水区，15～20 d为组合体近饱和区，20～25 d为组合体的饱和区。②水岩作用下3种组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数具有明显的劣化效应，其参数值均随浸水时间增加而减小；浸水5～15 d阶段为峰前能量陡降区，浸水15～25 d阶段为峰前能量缓降区；浸水时间5～15 d，组合体冲击能量指数劣化明显，15 d之后，劣化效应较弱；浸水5～10 d组合体为弱冲击倾向性，浸水15～25 d组合体无冲击倾向性。③随着浸水时间增加，组合体的声发射累积数显著下降。利用损伤理论构建了基于浸水时间的组合体损伤模型，该模型揭示了损伤变量与浸水时间的关系，反映了随着浸水时间增加，组合体的损伤程度增大的规律。④推导了类孔隙比计算公式，组合体的类孔隙比为：FM组合体＜FMG组合体＜GM组合体；分析了组合体类孔隙比与抗压强度的关系，组合体类孔隙比越大，其抗压强度越小；⑤针对水岩作用下煤岩组合体的劣化效应，从物理、化学、力学3方面，分析了水岩作用下煤岩组合体的劣化机理。⑥对鹤岗矿区某煤矿采矿区积水影响下的煤岩柱破坏特征和变形规律进行分析，水岩作用下煤岩体强度和稳定性具有明显的劣化效应，并且这种劣化效应在浸水初期更为明显，随着浸水时间增加，劣化效应逐渐减弱，这与试验结论相一致。
Abstract:Water-rock interaction is common seen in underground mining engineering activities. In order to study the mechanical properties, damage characteristics and deterioration mechanism of coal-rock combined samples under water-rock interaction, axial compression tests were carried out on FM, GM and FMG combined samples under different immersion time. The main results are as follows: ①Water content of the sample increases with the increase of immersion time, and reaches saturated after 20, 5−15 is the water absorption period of the sample, 15−20 is the near-saturation period, and 20−25 is the saturation period.②The compressive strength, elastic modulus, pre-peak energy and burst energy index of the three types of samples have obvious degradation effect under the interaction of water and rock, and the parameter values decrease with the increase of immersion time. The steep drop region of pre-peak energy is observed in the 5−15 d of immersion, and the slow drop region of pre-peak energy is observed in the 15−25 d of immersion. Immersion time 5−15 d, the burst energy index deterioration is obvious, after 15 d, the deterioration effect is weak; Sample of immersion of 5−10 d is of weak burst proneness, Sample of immersion of 15−25 d is of no burst proneness.③With the increase of immersion time, the cumulative number of acoustic emission of the sample decreases significantly. Based on the damage theory, the damage model of the sample with respect to immersion time was constructed. The model reveals the relationship between the damage variable and the immersion time, and reflects the behavior that damage degree of the sample increases with the increase of the immersion time. ④The calculation formula of fake-void ratio is derived, and the fake-void ratio of the combined body is as follows: FM combined body < FMG combined body < GM combined body. The relationship between the fake-void ratio of composite and compressive strength was analyzed. the larger the fake-void ratio, the smaller the compressive strength. ⑤With respect to the deterioration effect, the deterioration mechanism of coal-rock combination under water-rock interaction was analyzed from physical, chemical and mechanical aspects.⑥The failure characteristics and deformation of coal-rock pillar under the influence of water in a coal mining area of Hegang mining area were analyzed. The strength and stability of coal-rock mass under the water-rock interaction have obvious deterioration effect, and this deterioration effect is more obvious at the early immersion stage. With the increase of immersion time, the deterioration effect is gradually weakened. This is consistent with the conclusions of the tests.
-
0. 引 言
随着煤炭资源开采深度的加深，水岩相互作用更加明显[1]。煤岩体在水的作用下易出现软化、膨胀、泥化、冻融等损伤特性[2-3]。富水环境下的煤岩体经过长期的水岩作用，其力学特性发生显著改变，稳定性明显下降，继而造成围岩变形严重。大水矿山或富水煤岩层的煤矿开采活动中，地下水的存在对煤岩力学特性和稳定性起到了弱化作用，对围岩系统造成一定的损伤，导致了围岩自承力低，胶结性差，支护设备失效严重，甚至出现巷道局部垮冒、阶段垮塌、整体垮塌等情况，对煤矿工人生命安全和煤矿的稳定生产产生较大威胁。
水对煤岩结构特征和力学特性具有重要影响。Burshtein[4]、朱珍德等[5]、朱传奇等[6]研究了含水率对岩石单轴抗压强度的影响，发现抗压强度随含水率增大而减小；HEGGHEI等[7]研究了石灰岩在海水中的力学特性，发现海水作用下力学特性的劣化效应更加明显；蔡毅等[8]研究发现变形已趋于稳定的非饱水状态采空区冒落松散岩体在注入水之后仍会发生迅速而明显的压缩变形；文献[9-11]研究了含水率对煤岩波速的影响，发现含水率与试件纵波波速呈正相关；黄彦森等[12]研究了含水率对泥质白云岩变形特征和强度的影响，发现随含水率增大，变形逐渐增大，强度逐渐减小；陈田等[13]研究了浸水次数与煤样力学特性的关系，发现煤样的峰值应力、弹性模量随浸水次数的增加而逐渐减小；邓华锋等[14]研究了含水率对层状岩体抗拉强度的影响，发现随着含水率的增加，层状砂岩的抗拉强度逐渐减小；邵明申等[15]从龙游石窟保护的角度出发，对不同含水率的砂岩力学性质进行了测试，研究发现砂岩含水率越大，应变软化效应越弱，峰值强度越低。另外，许多专家研究了水岩作用下煤岩声发射特征。许江等[16]、秦虎等[17]、童敏明等[18]、文圣勇等[19]等研究了含水率对煤岩破坏过程声发射特征的影响，发现随着含水率增大，试件声发射累积数下降。夏冬等[20-21]对干燥及饱水岩石循环加卸载过程中的声发射特征进行了研究，发现声发射累积数与岩样内部损伤具有一致性；张艳博等[22]研究了含水砂岩失稳过程的频谱特征，发现含水试件的声发射信号峰值频率比正常低。上述专家针对单一煤体或岩体的结构特征、力学特性、声发射特征等方面开展了研究。然而地下采矿工程中，煤体与岩体并非独立存在，它们之间交错互层共同组成煤岩系统。因此来看，煤体与岩体虽然具有不同的力学性质，但煤岩以共同体形式存在时，可以将煤岩共同体视为具有独特性质的岩层整体来看待。基于上述考虑，齐庆新研究员提出了采用煤岩组合体评价冲击倾向性的观点，并且最先开展煤岩组合体的相关研究[23-25]，其后，赵善坤等[26]建立“顶板-煤层”结构体模型，研究了不同顶板特性对其冲击倾向性的影响；李晓璐等[27]通过数值模拟研究了煤岩比例和夹角对组合体冲击倾向性的影响；左建平等[28]研究了裂纹和界面对煤岩组合力学特性和应力应变曲线特征的影响。然而，对于煤岩组合体水岩作用下的力学特性和损伤特征鲜有研究。
据此，以3种典型的煤矿常见的煤岩组合体(细砂岩−煤、粗砂岩−煤、细砂岩−煤−粗砂岩)为研究对象，对5种浸水时长的组合体开展轴向加载试验，探究不同水岩作用下组合体的力学、声学、能量和损伤特征，对于大水矿山或富水煤岩层条件下井下围岩力学特性的预测判断以及煤岩系统整体的稳定性评价具有较好的参考价值。
1. 煤岩组合体水岩作用力学试验
黑龙江龙煤集团鹤岗分公司某煤矿地下开采活动中经常受到水岩作用的困扰，影响到煤矿的正常生产。试样取自该煤矿17层煤及其顶板细砂岩、底板粗砂岩。为保持煤岩自然条件下的含水状态，现场取样后用保鲜膜包住，运回实验室待加工。同时，为保证试验水质与工程水质相同，用水桶盛取地下水30 kg备用。
构建细砂岩−煤(编号为FM)、粗砂岩−煤(编号为GM)、细砂岩−煤−粗砂岩(编号为FMG)煤岩组合体，组分比例依次为1∶1、1∶1、1∶2∶1。试件尺寸ø50 mm×100 mm。组分之间用强力胶黏结。典型的组合体如图1所示。组合体浸水时间设为5、10、15、20、25 d，另增加1组自然含水状态下的组合体。浸水试验开展前，均置于烘干箱烘干，烘干箱温度设为50 ℃，直至试件质量不再变化取出。为降低试验结果离散性，每种试件在同一浸水时间下开展3组相同试验，数据取均值。
试验采用TAW-2000 kN微机控制电液伺服岩石试验系统，采用0.005 mm/s位移加载对组合体做单轴压缩试验。
2. 试验结果及分析
工程实际中，煤岩系统是由多种岩（煤）层相间互层构成的，经过长期作用形成了极富特性的煤岩结构体。据此可将组合体视为整体研究其含水率。组合体浸泡至设计时间后，取出擦干表面多余水分后称重。设组合体烘干后的质量为m0，浸水后的质量为m1，则组合体含水率为
$$ \omega {\text{ = }}\frac{{{m_1} - {m_0}}}{{{m_0}}} \times 100\% $$ (1) 同时，对3种自然含水条件的组合体和另外15种不同浸水时间的组合体进行单轴压缩试验，获得抗压强度等力学参数，见表1。
表 1 不同浸水时间下煤岩组合体的试验数据Table 1. Test data of water-immersed coal-rock combined bodies组合体编号 浸水时间/d 含水率/% 抗压强度/MPa 弹性模量/MPa 峰前能量/(kJ•m−3) 峰后能量/(kJ•m−3) 冲击能量指数 FM-0 自然状态 0.63 10.78 1104 0.171 0.067 2.56 FM-1 5 0.32 14.36 1326 0.185 0.045 4.15 FM-2 10 0.45 12.89 1211 0.174 0.081 2.16 FM-3 15 0.61 11.05 1145 0.168 0.125 1.34 FM-4 20 0.66 10.23 1055 0.165 0.136 1.21 FM-5 25 0.69 9.87 1021 0.163 0.150 1.09 GM-0 自然状态 0.65 9.87 1102 0.178 0.113 1.58 GM-1 5 0.33 13.58 1289 0.198 0.049 4.05 GM-2 10 0.47 12.18 1197 0.182 0.091 2.01 GM-3 15 0.65 9.88 1125 0.173 0.154 1.12 GM-4 20 0.68 9.25 1011 0.169 0.161 1.05 GM-5 25 0.71 8.95 986 0.166 0.169 0.98 FMG-0 自然状态 0.64 10.62 997 0.173 0.135 1.28 FMG-1 5 0.32 13.89 1298 0.194 0.048 4.08 FMG-2 10 0.46 12.54 1125 0.180 0.085 2.11 FMG-3 15 0.63 10.65 1089 0.171 0.143 1.20 FMG-4 20 0.66 10.12 1008 0.167 0.149 1.12 FMG-5 25 0.70 9.21 976 0.164 0.152 1.08 2.1 水岩作用对组合体含水率的影响
图2反映了浸水时间对组合体含水率的影响。3种组合体含水率均随浸水时间增加而增大。5～15 d，组合体吸水较多，这是因为组合体内空隙迅速吸水，其中5～10 d，3种组合体含水率增长率为40.63%、42.42%、43.75%，10～15 d，3种组合体含水率增长率为35.56%、38.30%、36.96%，为吸水区。15 d后，含水率增长率迅速减小，分别为8.20%、4.62%、4.76%，为近饱和区；20～25 d，含水率增长率较小，为4.55%、4.41%、6.06%，组合体基本不再吸水，为饱和区。
![]()
图 2 组合体含水率与浸水时间的关系Figure 2. Relationship between moisture content and immersion time of combined bodies值得注意的是，煤和岩石的吸水速率不同，这就导致了组合体中煤组分先达到饱和状态，而且经过长时间的浸水可能出现酥软、掉渣、剥离等现象。本次试验以煤岩组合视为整体，通过研究组合体吸水前后的质量变化来判断其饱和情况。因煤岩吸水速率不同，组合体吸水初期，以煤组分吸水为主；当接近饱和状态时，煤组分已经达到饱和，不再吸水，此时以岩石组分吸水为主。由于试验中的煤结构致密，浸水后期宏观上并未出现明显的酥软、掉渣、剥离等现象。
2.2 水岩作用对组合体抗压强度的影响
图3反映了不同浸水时间下组合体抗压强度的变化规律。由图3可知，3种组合体抗压强度均随浸水时间增加而减小。由拟合曲线知，水岩作用下组合体抗压强度劣化明显，浸水10、15、20、25 d，FM组合体抗压强度分别劣化10.24%、23.05%、28.76%、31.27%，FMG组合体分别劣化9.72%、23.33%、27.14%、33.69%，GM组合体别劣化10.31%、27.25%、31.89%、34.09%。随着浸水时间增加，组合体强度逐渐降低。工程实际中，长期水岩作用会加速煤岩系统的失稳。
![]()
图 3 不同浸水时间试样的抗压强度演化趋势Figure 3. Evolution trend of compressive strength of samples with different immersion time2.3 水岩作用对组合体弹性模量的影响
图4反映了组合体弹性模量与浸水时间的关系。由图4可知，水岩作用下3种组合体弹性模量劣化明显。浸水10、15、20、25 d，FM组合体弹性模量分别劣化8.67%、13.65%、20.43%、23.00%，GM组合体分别劣化7.13%、12.72%、21.57%、23.51%，FMG组合体分别劣化13.33%、16.10%、22.34%、24.81%。随着浸水时间的增加，组合体的弹性模量有所下降。这表明水岩长期作用会加速煤岩体软化。富水环境下的煤矿开采应该加强软岩巷道的支护。
![]()
图 4 不同浸水时间试样的弹性模量演化趋势Figure 4. Evolution trend of elastic modulus of samples with different immersion time2.4 水岩作用对组合体峰前能量的影响
图5反映了组合体峰前能量与浸水时间的关系。由图5可知，浸水时间越短，试样峰前能量越多，浸水时间越长，试样峰前能量越少；并且发现随着浸水时间的增加，峰前能量降低幅度逐渐变小。GM组合体的峰前能量衰减率从8.08%减小至1.78%，FMG组合体从7.22%减小至1.80%，FM组合体从5.95%减小至1.21%。浸水5～15 d组合体能量减少较多，为组合体峰前能量陡降区；浸水15 d后组合体能量虽有所减少，但衰减率较低，为组合体峰前能量缓降区。这说明在水岩作用初期，煤岩系统的积聚能量减少幅度较大。
![]()
图 5 组合体峰前能量与浸水时间的关系Figure 5. Relationship between pre-peak energy and immersion time of combined bodies2.5 水岩作用对冲击能量指数的影响
图6显示了组合体冲击能量指数与浸水时间的关系。由图6可知，随着浸水时间的增加，组合体冲击能量指数逐渐减小。浸水5、10 d后试样的冲击倾向性为弱冲击，浸水15 d后试样变为无冲击倾向。并且发现，试样浸水15 d内，冲击能量指数降低较快，浸水15 d后，冲击能量指数降低较慢。工程实际中，水岩长期作用下，煤岩系统的冲击性能减弱，虽然没有冲击的危险，但围岩变形严重，支护困难。
![]()
图 6 不同浸水时间试样的冲击能量指数演化趋势Figure 6. Evolution trend of rock burst energy index of samples with different immersion time另外，从冲击能量指数下降幅度来看。浸水时间5～15 d为冲击能量指数陡降期。浸水时间5～10 d，冲击能量指数下降47.95%、48.28%，50.37%；浸水时间10～15 d，冲击能量指数下降37.96%，43.13%、44.28%。浸水时间15～25 d为冲击能量指数缓降期。浸水时间15～20 d，冲击能量指数下降9.70%、6.67%、6.25%；浸水时间20～25 d，冲击能量指数下降9.92%、3.57%、6.67%。由此来看，水岩相互作用初期煤岩系统的冲击倾向下降明显。
3. 水岩作用下煤岩组合体损伤特征
3.1 水岩作用对组合体声发射损伤特征的影响
组合体宏观破坏的本质是载荷作用下试件的损伤累积，试件的损伤累积可用试件加载过程中的声发射累积数来反映。根据试验过程中的声发射情况，绘制浸水时间与声发射累积数的关系，并对其进行拟合，如图7所示。3种组合体声发射累积数与浸水时间均存在如下定量关系：
![]()
图 7 不同浸水时间试样的声发射累积数Figure 7. Cumulative number of acoustic emission of samples with different immersion time$$ N\left( t \right) = A\exp \left( { - Bt} \right) + C $$ (2) 式中：N(t)为声发射累积数；t为浸水时间；A、B、C为系数。
FM组合体声发射累积数与浸水时间关系：
$$ N\left( t \right) = 4.236\exp \left( { - 0.065t} \right) + 3.170 $$ (3) FMG组合体声发射累积数与浸水时间关系：
$$ N\left( t \right) = 4.398\exp \left( { - 0.116t} \right) + 3.702 $$ (4) GM组合体声发射累积数与浸水时间关系：
$$ N\left( t \right) = 4.966\exp \left( { - 0.153t} \right) + 3.731 $$ (5) 由图7可以看出，浸水时间对于组合体的声发射累积数具有显著作用。FM、GM、FMG试样浸水5 d，声发射累积数依次为6.15×106、6.03×106、6.12×106次；FM、GM、FMG试样浸水10 d，声发射累积数依次为5.62×106、4.88×106、5.25×106次，较浸水5 d下降了8.62%、19.07%、14.22%；浸水15 d，组合体声发射累积数为4.52×106、4.12×106、4.25×106次，较浸水10 d下降了19.57%、15.57%、19.05%；浸水20 d，组合体声发射累积数4.32×106、4.01×106、4.18×106次，较浸水15 d下降了4.42%、2.67%、1.65%；浸水25 d，组合体声发射累积数4.05×106、3.85×106、3.98×106次，较浸水20d下降了6.25%、3.99%、4.78%。由此可知，组合体在浸水10、15 d时声发射累积数下降明显，浸水20、25 d，声发射累积数下降缓慢。随着浸水时间增加，3种组合体声发射累积数显著下降。这说明水岩作用越长，水对其损伤越严重。
需要说明的是，试样初始条件下存在于内部的原生裂纹、裂隙、软弱细小结构等初始损伤对试样声发射累积数具有一定影响，但同等应力条件、赋存条件下，声发射累积数在不同水岩作用时间下的演化趋势与得出的结论是一致的。
3.2 基于浸水时间的损伤模型构建
煤和岩石在水岩作用下强度降低，水岩作用是造成岩石损伤劣化的重要原因。试件内部裂纹的萌生和扩展均产生声发射，试件声发射特征可以间接反映试件内部的损伤情况。试件的声发射与试样损伤变量、本构关系之间具有一定关系，可以将声发射引入到损伤理论中，从而建立声发射损伤模型。TANG等[29]研究发现，试件内部产生的声发射事件累积数与损伤变量具有较好的一致性，声发射特征与损伤特征具有较好的统一性。
试件的损伤劣化状态常用损伤变量D表示，其表达式为
$$ D = \frac{{{A_{\rm{d}}}}}{A} $$ (6) 式中：Ad为断面微缺陷面积； A为初始断面面积。
水岩作用对于不同浸水时间试样的外形几乎无影响，可以不考虑该部分影响。认为浸水前试样无初始损伤，此时D=0。若初始截面A的试样在完全破坏时声发射累积数为Nm，则单位面积上的声发射事件为
$$ {n_{\rm{v}}} = \frac{{{N_{\rm{m}}}}}{A} $$ (7) 当微缺陷面积为Ad时，则发生在微缺陷面积上的声发射累积数为
$$ N = {n_{\rm{v}}} {A_{\rm{d}}} = \frac{{{N_{\rm{m}}}}}{A} {A_{\rm{d}}} $$ (8) 根据式（6）、式（8）可得，损伤变量可以写成关于声发射事件的函数关系：
$$ D\left( t \right) = \frac{{N\left( t \right)}}{{{N_{\rm{m}}}}} $$ (9) 式（9）验证了试件声发射与内部损伤一致性的观点，忽略煤岩自身对声发射的影响，认为声发射数的减少是因为水与煤岩内部产生的劣化效应，由此来看，水与岩石作用的时间越长，即浸水时间越长，水对试样的损伤劣化越明显。结合式（2），可得不同浸水时间损伤变量与声发射数的关系：
$$ D\left( t \right) = \frac{{A\exp \left( { - Bt} \right) + C}}{{{N_{\rm{m}}}}} $$ (10) 当微缺陷面积Ad等于断面面积A时，由公式（6）可知，此时D=1。那么，水岩作用对试样造成的损伤变量D'(t)可用式（11）表示：
$$ D'\left( t \right) = 1 - D\left( t \right) $$ (11) 结合式（10），又可写为
$$ D'\left( t \right) = 1 - \frac{{A\exp \left( { - Bt} \right) + C}}{{{N_{\rm{m}}}}} $$ (12) 由式（12）可知，水岩作用对试样造成的损伤变量D'(t)是关于浸水时间t的函数关系式，根据3种试件不同浸水时间下的声发射试验数据，可得3种试件不同浸水时间下的损伤变量D'(t)，如图8所示。
![]()
图 8 不同浸水时间下试样损伤变量演化特征Figure 8. Evolution characteristics of damage variables of samples under different immersion time根据拟合曲线可得组合体损伤变量与浸水时间存在如下定量关系：
$$ D'\left( t \right) = A'\exp \left( {B't} \right) + C' $$ (13) FM组合体损伤变量与浸水时间关系：
$$ D'\left( t \right) = - 0.640\exp \left( { - 0.119t} \right) + 0.452 $$ (14) FMG组合体损伤变量与浸水时间关系：
$$ D'\left( t \right) = - 0.768\exp \left( { - 0.154t} \right) + 0.496 $$ (15) GM组合体损伤变量与浸水时间关系：
$$ D'\left( t \right) = - 0.694\exp \left( { - 0.143t} \right) + 0.521 $$ (16) 由图8可知，3种组合体随着浸水时间的增加，损伤变量值也逐渐增大。FM、FMG、GM组合体浸水5 d时损伤变量分别为0.10、0.14、0.18；浸水10 d时损伤变量为0.28、0.34、0.35，较浸水5 d增加了180.00%、142.86%、94.44%；浸水15 d时损伤变量分别为0.35、0.42、0.44，较浸水10 d增加了25.00%、23.53%、25.71%；浸水20 d时损伤变量分别为0.39、0.46、0.48，较浸水15 d增加了11.43%、9.52%、9.09%；浸水25 d时损伤变量分别为0.42、0.48、0.50，较浸水20 d增加了7.69%、4.35%、4.17%。由此可见，组合体浸水10、15 d损伤变量增幅较大，浸水20、25 d损伤变量增幅减小。随浸水时间增加，组合体的损伤程度增大，组合体强度和稳定性降低，这也是长期富水围岩系统疏干排水和加强支护的原因。
4. 讨 论
4.1 组合体类孔隙比与抗压强度关系
煤岩内部存在大量细小的空隙，在外力作用下闭合错动，并沿薄弱裂隙发生破坏，导致煤岩逐步失稳。为深入分析水岩作用对组合体抗压强度的影响，对水岩作用下饱和状态的煤岩组合体内空隙对抗压强度的影响进行分析。
试验所选试样品质较好，含黏土等吸水矿物很少，在一定程度上认为，组合体吸水为空隙吸水。当组合体达到饱和状态时，其吸入水的体积等同于空隙体积。鉴于此，设类孔隙比K为组合体饱和状态下吸入水的体积与组合体体积之比
$$ K=\frac{{V}_{{\rm{w}}}}{{V}_{{\rm{v}}}} $$ (17) 式中：Vw为组合体饱和状态下吸入水的体积；Vv为组合体的体积。
Vw可以用式（18）求解：
$$ {V}_{{\rm{w}}}=\frac{{m}_{1}-{m}_{0}}{{\rho }_{{\rm{w}}}} $$ (18) 类孔隙比可以用式（19）求解：
$$ K=\frac{{m}_{1}-{m}_{0}}{{\rho }_{{\rm{w}}} {V}_{{\rm{v}}}} $$ (19) 由试验结果可知，浸水20 d时，3种组合体处于近饱和状态和饱和状态的临界点。当浸水时间25 d时，3种组合体均达到饱和状态，因此，组合体类孔隙比与抗压强度对应关系如图9所示。由图9可知，FM、FMG、GM组合体的类孔隙比为0.61%、0.67%、0.74%，FM组合体＜FMG组合体＜GM组合体。类孔隙比越大，抗压强度越小，其原因在于：组合体内空隙越多，外力作用下贯通越容易，越容易形成弱面，多组弱面会产生联合效应，加速组合体的破坏。
![]()
图 9 组合体类孔隙比与抗压强度的关系Figure 9. Relationship between similar-void ratio and compressive strength of combined bodies4.2 水岩作用下煤岩组合体力学性质劣化机理
试验结果表明：煤岩组合体在水岩作用下抗压强度等力学性质具有明显的劣化效应，这主要是因为水和煤岩之间发生了物理、化学、力学作用，宏观上表现出力学性质的劣化。对水岩作用下煤岩组合体劣化机理的分析如下：
1）煤岩材料的主要构成部分为矿物颗粒，这些矿物颗粒大小不一、形态各异、种类较多，矿物颗粒之间相互胶结。由煤岩材料的构成特点可以看出，煤岩材料内部具有明显的非均质性和多缺陷性，内部空隙、裂隙较多，煤的这种性质尤为明显。水岩作用下，水会进入到空隙、裂隙中，对矿物颗粒起到润滑和软化作用，降低了颗粒间的摩擦效应。试件受载时，煤岩空隙、裂隙的闭合和滑移受该方面的影响。图10为不同浸水时间下试件的电镜图像。浸水5 d，试件中矿物颗粒较小，结构较致密，随着水岩作用时间的不断增加，依次出现絮状结构、团状结构、片状结构，当试件浸水25 d时，其内部出现软弱的松散结构，并且颗粒间出现较多大空隙，这就导致了试件强度的劣化。随着浸水时间增加，原来内部胶结性强、孔隙度低的致密结构，逐渐演变成胶结性弱、孔隙度高的松散弱结构，这也揭示了水对煤岩的软化作用。
![]()
图 10 不同浸水时间下试件的电镜图像Figure 10. SEM images of specimen at different water absorption time2）煤岩材料内部的矿物颗粒之间存在着黏土矿物，这些黏土矿物提高了矿物颗粒间的胶结作用，黏土矿物主要为蒙脱石、绿泥石等，这些矿物成分遇水会发生化学反应，如溶解、蚀变等，这就改变了煤岩的矿物成分和煤岩内部结构。这也导致煤岩组合体水岩作用下会出现不同程度的劣化。
3）煤岩试件内部的黏土矿物成分，在浸水作用下膨胀，宏观上表现出试件表面出现拉裂破坏；黏土矿物遇水后具有明显的膨胀效应，煤岩材料内部微小裂纹的尖端在膨胀效应下出现应力集中，导致裂纹、裂隙的扩展和贯通，这就拓宽了试件内部的渗水通道，增加了水岩作用面积，加速了水岩作用下煤岩组合体的劣化程度。另一方面，图10反映了不同水岩作用时间下煤岩内部结构的改变，这些改变对于拓宽水岩作用通道和提高水岩作用速率具有一定作用。
5. 工程实例分析
黑龙江龙煤矿业集团有限公司鹤岗分公司某煤矿工程情况如图10所示。1105工作面开采结束后，沿空掘巷准备1025工作面的采煤工作，留设的煤岩柱高3.2 m，煤的强度为13.25 MPa，岩体为强度为56 MPa的粗砂岩。其中，煤体高度为2.0 m，粗砂岩高度为1.2 m。半煤岩巷道掘进完成后，采空区积水严重，对留设的煤岩柱造成一定程度的侵蚀，降低了其稳定性。现场观测发现：
1）煤体部分起裂严重，出现较小裂纹、裂隙，并且变形较为严重，呈现一定的酥软特性。岩体部分变形较小，出现裂纹较少。由此说明：煤岩柱在地下水的浸泡作用下劣化效应明显，变形严重，软化严重，稳定性降低。这与研究结论一致，煤岩体在浸水作用下强度下降较为明显。
2）对煤岩柱的最大变形量进行量测，如图11所示。煤岩柱最大变形量如图12所示。由图12可知，采空区积水的浸泡对煤岩柱的变形产生重要影响。随着浸水时间的增加，最大变形量逐渐增大，由3.68 cm增加至57.76 cm，增加了14.70倍。采空区积水20 d左右，最大变形量显著增加，此后，煤岩柱最大变形量增加缓慢。浸水初期，最大变形量增长率可达到158.99%（图13），浸水30 d左右，最大变形量增长率为0.85%。随着浸水时间的增加，水对煤岩柱的影响减弱。
![]()
图 12 水浸泡作用下煤岩柱最大变形量Figure 12. Maximum deformation of coal-rock pillar under water-rock interaction通过对鹤岗矿区某煤矿采矿区积水影响下的煤岩柱破坏特征和变形规律进行分析，得知水岩作用对煤岩体强度和稳定性具有劣化效应，并且这种劣化效应在浸水初期更为明显，随着浸水时间增加，劣化效应逐渐减弱。这与试验得出的结论一致。
6. 结 论
1)随浸水时间的增加，组合体的含水率逐渐增大，抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数均有所减小。水岩长期作用下，原来处于稳定状态的巷道可能演变为软岩巷道而变形严重，应提高支护强度。
2)随着浸水时间增加，组合体的声发射累积数显著下降。浸水时间越长，组合体损伤越严重。构建了基于浸水时间的组合体损伤模型，该模型反映了试样浸水时间与内部损伤的关系，浸水时间越长，试样损伤劣化越大，强度和稳定性越低。
3)假定组合体吸入水的体积等同于组合体内空隙的体积，推导了类孔隙比K的表达式，探究了类孔隙比与抗压强度的关系。组合体类孔隙比越大，抗压强度越小。
4)讨论分析了水岩作用下煤岩组合体的劣化机理。组合体在水岩作用下抗压强度等力学参数具有明显的劣化效应，劣化效应的根源在于浸水条件下水与煤岩之间发生了物理、化学、力学作用，在宏观上表现出力学性质的劣化。
5)对某煤矿受采空区积水影响的煤岩柱的破环特征和变形规律进行分析，水岩相互作用对煤岩体强度和稳定性具有劣化效应，并且这种劣化效应在浸水初期更为明显，随着浸水时间增加，劣化效应逐渐减弱。工程实际中，煤岩柱浸水初期应及时做好探放水工作和支护措施。
-
![]()
图 2 组合体含水率与浸水时间的关系
Figure 2. Relationship between moisture content and immersion time of combined bodies
![]()
图 3 不同浸水时间试样的抗压强度演化趋势
Figure 3. Evolution trend of compressive strength of samples with different immersion time
![]()
图 4 不同浸水时间试样的弹性模量演化趋势
Figure 4. Evolution trend of elastic modulus of samples with different immersion time
![]()
图 5 组合体峰前能量与浸水时间的关系
Figure 5. Relationship between pre-peak energy and immersion time of combined bodies
![]()
图 6 不同浸水时间试样的冲击能量指数演化趋势
Figure 6. Evolution trend of rock burst energy index of samples with different immersion time
![]()
图 7 不同浸水时间试样的声发射累积数
Figure 7. Cumulative number of acoustic emission of samples with different immersion time
![]()
图 8 不同浸水时间下试样损伤变量演化特征
Figure 8. Evolution characteristics of damage variables of samples under different immersion time
![]()
图 9 组合体类孔隙比与抗压强度的关系
Figure 9. Relationship between similar-void ratio and compressive strength of combined bodies
![]()
图 10 不同浸水时间下试件的电镜图像
Figure 10. SEM images of specimen at different water absorption time
![]()
图 12 水浸泡作用下煤岩柱最大变形量
Figure 12. Maximum deformation of coal-rock pillar under water-rock interaction
表 1 不同浸水时间下煤岩组合体的试验数据
Table 1 Test data of water-immersed coal-rock combined bodies
组合体编号 浸水时间/d 含水率/% 抗压强度/MPa 弹性模量/MPa 峰前能量/(kJ•m−3) 峰后能量/(kJ•m−3) 冲击能量指数 FM-0 自然状态 0.63 10.78 1104 0.171 0.067 2.56 FM-1 5 0.32 14.36 1326 0.185 0.045 4.15 FM-2 10 0.45 12.89 1211 0.174 0.081 2.16 FM-3 15 0.61 11.05 1145 0.168 0.125 1.34 FM-4 20 0.66 10.23 1055 0.165 0.136 1.21 FM-5 25 0.69 9.87 1021 0.163 0.150 1.09 GM-0 自然状态 0.65 9.87 1102 0.178 0.113 1.58 GM-1 5 0.33 13.58 1289 0.198 0.049 4.05 GM-2 10 0.47 12.18 1197 0.182 0.091 2.01 GM-3 15 0.65 9.88 1125 0.173 0.154 1.12 GM-4 20 0.68 9.25 1011 0.169 0.161 1.05 GM-5 25 0.71 8.95 986 0.166 0.169 0.98 FMG-0 自然状态 0.64 10.62 997 0.173 0.135 1.28 FMG-1 5 0.32 13.89 1298 0.194 0.048 4.08 FMG-2 10 0.46 12.54 1125 0.180 0.085 2.11 FMG-3 15 0.63 10.65 1089 0.171 0.143 1.20 FMG-4 20 0.66 10.12 1008 0.167 0.149 1.12 FMG-5 25 0.70 9.21 976 0.164 0.152 1.08 
下载: 导出CSV
-
[1] 姚强岭,刘亚鹏,陈 田,等. 地下水库人工坝体强度损伤演化特征试验研究[J]. 煤炭学报,2018,43(4):1111−1117. YAO Qiangling,LIU Yapeng,CHEN Tian,et al. Experimental study of damage evolution of artificial dam strength of under-ground reservoir[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(4):1111−1117.
[2] 顾大钊,李 庭,李井峰,等. 我国煤矿矿井水处理技术现状与展望[J]. 煤炭科学技术,2021,49(1):11−18. GU Dazhao,LI Ting,LI Jingfeng,et al. Current status and prospects of coal mine water treatment technology in China[J]. Coal Science and Technology,2021,49(1):11−18.
[3] 陈光波,秦忠诚,张国华,等. 受载煤岩组合体破坏前能量分布规律[J]. 岩土力学,2020,41(6):2021−2033. CHEN Guangbo,QIN Zhongcheng,ZHANG Guohua,et al. Law of energy distribution before failure of loaded coal - rock combined body[J]. Rock and Soil Mechanics,2020,41(6):2021−2033.
[4] BURSHTEIN L S. Effect of moisture on the strength and deformability of sandstone[J]. Soviet Mining Science,1969,5(5):573−576. doi: 10.1007/BF02501278
[5] 朱珍德,邢福东,王思敬,等. 地下水对泥板岩强度软化的损伤力学分析[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(S2):4739−4743. ZHU Zhende,XING Fudong,WANG Sijing,et al. Analysis on strength softening of argillite under groundwater by damage mechanics[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(S2):4739−4743.
[6] 朱传奇,谢广祥,王 磊,等. 含水率及孔隙率对松软煤体强度特征影响的试验研究[J]. 采矿与安全工程学报,2017,34(3):601−607. ZHU Chuanqi,XIE Guangxiang,WANG Lei,et al. Experimental study on the influence of moisture content and porosity on soft coal strength characteristics[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(3):601−607.
[7] HEGGHEIM T,MADLAND M V,RISNES R,et al. A chemical induced enhanced weakening of chalk by seawater[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering,2005,46(3):171−184.
[8] 蔡 毅,严家平,徐良骥,等. 不同含水状态采空区冒落岩体压缩变形特征研究[J]. 煤炭科学技术,2014,42(11):20−24. CAI Yi,YAN Jiaping,XU Liangji,et al. Study on compressive deformation characteristics of rock mass in goaf with different water-bearing state[J]. Coal Science and Technology,2014,42(11):20−24.
[9] 张书林,刘永茜,孟 涛. 不同矿化度水对煤的甲烷解吸影响的试验研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(7):110−117. ZHANG Shulin,LIU Yongqian,MENG Tao. Experimental study on theinfluence of water with different salinity on desorption performance of coal seam[J]. Coal Science and Technology,2021,49(7):110−117.
[10] 牛新团. 非饱和煤样浸水软化性的超声波试验研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2010. NIU Xintuan. Ultrasonic test study on the softening of water immersion in unsaturated coal samples [D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2010.
[11] 王云刚,李满贵,陈兵兵,等. 干燥及饱和含水煤样超声波特征的实验研究[J]. 煤炭学报,2015,40(10):2445−2450. WANG Yungang,LI Mangui,CHEN Bingbing,et al. Experimental study on ultrasonic wave characteristics of coal samples under dry and water saturated conditions[J]. Journal of china coal society,2015,40(10):2445−2450.
[12] 黄彦森,邓建华,钟蜀晖,等. 含水率对泥质白云岩力学特性影响的试验研究[J]. 地下空间与工程学报,2014,10(2):276−284. HUANG Yansen,DENG Jianhua,ZHONG Shuhui,et al. Experimental study on mechanical property of argillaceous dolomite with different moisture content[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2014,10(2):276−284.
[13] 陈 田,姚强岭,杜 茂,等. 浸水次数对煤样裂隙发育损伤的实验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2016,35(S2):3756−3762. CHEN Tian,YAO Qiangling,DU Mao,et al. Experimental research of effect of water intrusion times on crack propagation in coal[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(S2):3756−3762.
[14] 邓华锋,张吟钗,李建林,等. 含水率对层状砂岩劈裂抗拉强度影响研究[J]. 岩石力学与工程学报,2017,36(11):2778−2787. DENG Huafeng,ZHANG Yinchai,LI Jianlin,et al. Effect of moisture content on splitting tensile strength of layered sandstone[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(11):2778−2787.
[15] 邵明申,李 黎,李最雄. 龙游石窟砂岩在不同含水状态下的弹性波速与力学性能[J]. 岩石力学与工程学报,2010,29(S2):3514−3518. SHAO Mingshen,LI Li,LI Zuixiong. Elastic wave velocity and mechanical properties of sandstone under different water contents at longyou grottoes[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S2):3514−3518.
[16] 许 江,吴 慧,陆丽峰,等. 不同含水状态下砂岩剪切过程中声发射特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2012,31(5):914−920. doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2012.05.007 XU Jiang,WU Hui,LU Lifeng,et al. Experimental study of acoustic emission characteristics during shearing proess of sandstone under different water contents[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(5):914−920. doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2012.05.007
[17] 秦 虎,黄 滚,王维忠. 不同含水率煤岩受压变形破坏过程声发射特征试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2012,31(6):1115−1120. QIN Hu,HUANG Gun,WANG Weizhong. Experimental study of acoustic emission characteristics of coal samples with different moisture contents in process of compression deformation and failure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(6):1115−1120.
[18] 童敏明,胡俊立,唐守峰,等. 不同应力速率下含水煤岩声发射信号特性[J]. 采矿与安全工程学报,2009,26(1):97−100. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2009.01.019 TONG Minming,HU Junli,TANG Shoufeng,et al. Study of acoustic emission signal characteristic of water-containing coal and rock under different stress rates[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2009,26(1):97−100. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2009.01.019
[19] 文圣勇,韩立军,宗义江,等. 不同含水率红砂岩单轴压缩试验声发射特征研究[J]. 煤炭科学技术,2013,41(8):46−52. WEN Shengyong,HAN Lijun,ZONG Yijiang,et al. Study on acoustic emission characteristics of sandstone uniaxial compression test with different moisture content[J]. Coal Science and Technology,2013,41(8):46−52.
[20] 夏 冬,杨天鸿,王培涛,等. 干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究[J]. 煤炭学报,2014,39(7):1243−1247. XIA Dong,YANG Tianhong,WANG Peitao,et al. Experimental study of acoustic emission characteristics of dry and saturated rocks during cyclic loading and unloading proces[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(7):1243−1247.
[21] 夏 冬,杨天鸿,王培涛,等. 循环加卸载下饱和岩石变形破坏的损伤与能量分析[J]. 东北大学学报(自然科学版),2014,35(6):867−870. XIA Dong,YANG Tianhong,WANG Peitao,et al. Analysis on damage and energy in deformation and fracture of saturated rock subjected to cyclic loading and unloading[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science),2014,35(6):867−870.
[22] 张艳博,黄晓红,李莎莎,等. 含水砂岩在破坏过程中的频谱特性分析[J]. 岩土力学,2013,34(6):1574−1578. ZHANG Yanbo,HUANG Xiaohong,LI Shasha,et al. Spectral character analysis of sandstone under saturation condition in rupture procedure[J]. Rock and Soil Mechanics,2013,34(6):1574−1578.
[23] 齐庆新,史元伟,刘天泉. 冲击地压粘滑失稳机理的实验研究[J]. 煤炭学报,1997,22(2):34−38. QI Qingxin,SHI Yuanwei,LIU Tianquan. Mechanism of instability caused by viscous sliding in rock burst[J]. Journal of China Coal Society,1997,22(2):34−38.
[24] 齐庆新,彭永伟,李宏艳,等. 煤岩冲击倾向性研究[J]. 岩石力学与工程学报,2011,30(S1):2736−2742. QI Qingxin,PENG Yongwei,LI Hongyan,et al. Study of bursting liability of coal and rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(S1):2736−2742.
[25] 李纪青, 齐庆新, 毛德兵, 等. 应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探讨[C]// 第九届全国岩石动力学学术会议论文集. 2005: 4805−4810. [26] 宋录生,赵善坤,刘 军,等. “顶板-煤层”结构体冲击倾向性演化规律及力学特性试验研究[J]. 煤炭学报,2014,39(S1):23−30. SONG Lusheng,ZHAO Shankun,LIU Jun,et al. Experimental research on rules of rock burst tendency evolution and mechanical properties of “roof-coal”structure body[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(S1):23−30.
[27] 李晓璐,康立军,李宏艳,等. 煤-岩组合体冲击倾向性三维数值试验分析[J]. 煤炭学报,2011,36(12):2064−2067. LI Xiaolu,KANG Lijun,LI Hongyan,et al. Three-dimensional numerical simulation of bust-prone experiments about coal-rock combination[J]. Journal of China Coal Society,2011,36(12):2064−2067.
[28] 左建平,陈 岩,宋洪强,等. 煤岩组合体峰前轴向裂纹演化与非线性模型[J]. 岩土工程学报,2017,39(9):1609−1615. doi: 10.11779/CJGE201709008 ZUO Jianping,CHEN Yan,SONG Hongqiang,et al. Evolution of pre-peak axial crack strain and nonlinear model for coal-rock combined body[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2017,39(9):1609−1615. doi: 10.11779/CJGE201709008
[29] TANG C A,XU X H. Evolution and propagation defect and Kaiser effect function[J]. Journal of Seismological Research,1990,13(2):203−213.
-
期刊类型引用(9)
1. 李杨杨，张搏明，张士川，郑丹，任邓君，陈方明，蔺成森，朱凯，鲁守明，徐新启. 循环荷载下初始损伤煤岩宏-细观破坏特征及劣化机制研究. 采矿与安全工程学报. 2025(01): 60-72 . 
百度学术
2. 庞建勇，王宇，巩义鑫，李垂宇. 不同含水率花岗岩单轴压缩力学特性及破坏特征研究. 金属矿山. 2025(01): 81-88 . 百度学术
3. 孙长斌，吴斌斌，杨逾. 不同含水率下煤岩组合体力学特性损伤规律研究. 中国煤炭地质. 2024(01): 30-35 . 百度学术
4. 吝曼卿，冯磊，孙郡阳，彭亚利，张岸勤，金胜利. 不同含水率和应力作用下磷块岩的损伤特性研究. 金属矿山. 2024(05): 169-178 . 百度学术
5. 陈光波，唐薇，李谭，王创业，王二雨，张国华. 裂隙煤岩组合体单轴压缩力学响应及失稳机制. 岩土力学. 2024(09): 2633-2652 . 百度学术
6. 张村，高敬宜，吴润泽，师旭涛，王方田，王潇杰，韩鹏华. 含水饱和度影响下砂岩单轴压缩破碎特征及其弱化机理. 中国矿业大学学报. 2024(06): 1117-1131 . 百度学术
7. 黄子康，李准，王继超，马世纪，杨雨默. 不同煤体高度煤岩组合体的蠕变扰动特性及强度极限邻域研究. 煤矿安全. 2024(12): 39-47 . 百度学术
8. 陈光波，王创业，田志超，李谭，王二雨，高宁，徐泽瑞，张国华，陈伟，尚建学. 煤岩组合体动力破坏响应研究进展述评. 金属矿山. 2024(12): 10-25 . 百度学术
9. 蔡益栋，李倩，肖帆，刘大锰，邱峰. 深部煤-岩组合体力学特征及裂隙扩展规律——以沁水盆地武乡区块为例. 石油与天然气地质. 2024(06): 1686-1704 . 百度学术
其他类型引用(4)
计量
- 文章访问数: 192
- HTML全文浏览量: 47
- PDF下载量: 85
- 被引次数: 13
