0 引 言
地下岩石工程正逐渐面临越来越复杂的地质环境，因此，复杂工程难题对人类的探索提出了更高的挑战。地下工程逐年逐步向地下更深部发展，伴随而来的问题与人们以往的普遍认识发生了很大矛盾。深部地下岩石工程不再是单一的难题，引起的是多方面、多重性的影响。众多科学问题诸如高地温[1-2]、高应力[3]、高瓦斯[4-5]、强冲击、多重扰动、复杂地质构造[6-9]等已经引起了广大学者的高度关注。作为深部面临难题之一的煤岩组合系统稳定问题，简单来说就是两类或者两类以上不同岩性组合系统处于各种极端环境因素耦合下，地下工程巷道或硐室开挖、稳定过程。严格来说，煤岩组合系统并不是一个整体的系统，其岩石力学差异性过大时，煤岩整体受各种应力扰动和叠加之后，煤体和岩体均会发生非线性、非均匀破坏，特别在一定条件下(如高应力、高瓦斯)会发生煤与瓦斯突出动力破坏灾害，这给生产矿井带来了巨大的潜在危险，甚至发生重大灾害[10-11]。中国南方地区矿区瓦斯含量普遍较高，而且，煤层薄、地质构造复杂。因此，巷道或硐室绝大部分布置在2种或2种以上不同岩层类别组合而成的复合地质岩体中，通常所说的组合地质岩体在煤矿井下巷道工程中以煤岩体巷道居多，即半煤岩巷[12]。余伟健等 [13-14]认为，煤层受高应力和高瓦斯影响，其内部原生裂隙发育，在开挖扰动应力叠加影响下，次生裂隙与原生裂隙相互贯通，煤层普遍呈现松散状，从而导致围岩强度不断弱化。在这种煤岩体中开挖巷道，其围岩呈较为明显的不均匀变形特征，即：较松散的煤层部分首先会发生局部关键处非线性破坏，进而直接导致煤岩体巷道发生整体破坏。
近些年来，煤岩组合体得到了越来越多学者的关注。早期，PETUKHOV等[15]提出了煤岩体整体稳定性问题；然而，针对不同岩性岩石组合体的整体力学机理和非线性破坏关系的研究目前仅有少量相关文献，并且大多集中在其煤-岩冲击倾向性的研究上[16-17]，例如：TANG等[18]利用岩石真实破坏分析方法(RFPA2D)揭示岩石了自然破坏的断裂现象，从微观尺度发现了岩层分界面具有自仿射分形特性，且其与分形维数相关性明显；MOGI K[19]提出了第二主应力对煤岩体破断模式的影响；WANG[20]研究煤岩冲击倾向性指标时，提出利用试样的单轴抗压强度和脆性系数衡量冲击能力，发现试样的单轴抗压强度越高，脆性系数越大，则煤岩冲击倾向性越强；CHEN等[21]采用数值模拟和实验室试验等手段，通过组合岩石试样研究冲击矿压发生机理，提出声发射信号的突降或者异常平静可以作为试样冲击破坏的前兆信息；左建平等[22-23]针对煤岩组合体的破坏机制与力学特性做了大量研究，详细阐述了煤岩组合体与煤单体或岩单体之间的力学差异。
因此，笔者以受瓦斯影响之后，完整型煤岩体巷道形成松散半煤岩巷道为工程背景，制备了多组松散煤岩组合体试件，进行了单轴岩石力学破坏试验，同时还针对松散煤体和岩体组成部位环向应变规律进行探讨。
1 试件制备和试验方法
国内外学者[17,19,23,24]在分析和制备相关煤岩组合体试验时，大多数是利用数值模拟或者以取芯手段获取原煤样以及各类沉积岩(如砂岩等)通过水平接触组合。在处理煤体与岩体的界面层相互接触关系上，采用了具有一定强度的黏结剂粘结，或是在煤-岩层界面中不添加任何黏结剂，仅以透明胶带等在煤-岩连接处简单连接。以这样的方式处理煤-岩组合试件层界面存在一定弊端：首先，仅适用于理想条件下完全水平煤-岩层接触面特征，同时，试验要求煤体的均质性高，整体性完好。但是，试验在取芯过程中由于原煤中原生裂隙发育，离散性很大，或多或少会影响煤岩组合的整体力学特性和试验结果。因此，考虑到松散煤的松散破碎结构特征，现场取芯手段无法完整取样以及现场各种条件因素的限制。试验样品根据国际岩石力学学会(ISRM)标准，利用标准岩石成型模具，在煤体中添加双氧水(H2O2)，双氧水与煤和硅酸盐水泥在碱性环境中发生歧化反应，在煤体中产生氧气，并且内部会形成封闭的孔隙，形成较为松散的煤体[14]。将煤体与岩体按体积比例1∶1自然沉积粘结最后形成松散煤岩组合体试件。同时，还各制备一组全煤和全岩试件进行对比试验。岩体与煤体经过捣鼓震实之后所形成的煤-岩层交界面不但具有一定的黏结力，而且煤-岩层界面并不是绝对水平，这样形成的煤-岩交界面符合煤矿地层沉积形成的交界面形态(图1a)。松散煤岩组合试件制备的主要材料见表1。
表1 松散煤岩试件制作主要材料参数
Table 1 Loose coal and rock composite specimen mainly material parameters
注：煤灰直径0.1 mm，河砂直径0.3 mm，水灰比表示煤灰与水泥总质量之比。
松散煤岩组合试件制作具体过程如下：
1)首先将河砂与水泥按照设计比例充分搅匀，浇筑至磨具1/2(试验控制误差在(5.0±0.5)cm)，捣鼓震实，作为松散煤岩组合体的岩体部分；
2)将煤灰与水泥按照比例充分搅匀，添加双氧水含量0.5%，充分搅匀之后将松散煤体浇筑磨具至满，捣鼓震实。图1b为加入双氧水之后煤体部分由于双氧水在碱性环境中发生歧化反应，煤体体积膨胀约至总体积的5%，由此作为松散煤岩组合体的松散煤体部分。
3)24 h之后脱模，在室温下自然养护至28 d，试件两端用细砂纸磨平，试验养护后部分试样如图1所示。
图1 试件模型
Fig.1 Specimen model
松散煤岩组合体试件在中科院武汉岩土力学所岩石力学试验系统(Rock Mechanics Test)RMT-150C上进行试验。试验之前首先将试件两端利用砂纸磨平，在松散煤体和岩体分别贴环向应变片，环向应变采用东华公司DH3816N静态应变测试系统，通过电脑自动采集，采集频率为2 Hz。在试验加载过程的同时监测松散煤岩组合体中松散煤体与岩体的环向应变。为了减小试验误差，每组试验分别试验4个试件，单轴破坏试验采用位移加载方式控制，具体为：0.005、0.01、0.02 mm/s三种速率加载条件，直至试件破坏。
2 试验结果和讨论
2.1 松散煤岩组合体力学特征
松散煤岩组合体试件在3种加载速率下单轴破坏试验的典型全应力-应变曲线如图2所示，松散煤岩组合体试件煤体部分其内部较为松散，强度明显低于全岩试件。组合体试件发生破坏以松散煤体部分破坏为主，应变曲线的线弹性过程并不明显，峰前有较小波动，出现微小应力下降，主要是因为松散煤体内部结构不均匀、存在缺陷，松散煤岩组合试样在达到承载能力时，内部骨架缺陷己开始破裂贯通。煤岩组合体试样岩石性质差异较大，在峰值附近特别是在峰后阶段，煤-岩交界关键层处发生较大的宏观破裂以及释放弹性变形能量，在峰值附近出现持续的较大波动或者产生“多峰波动”现象，并且峰值之后曲线波动剧烈。在本次试验中，特别是在以相对较快(0.02 mm/s)和较慢加载速率(0.005 mm/s)下，峰后多峰波动现象更为明显。
图2 不同加载速率条件下松散煤岩组合体全应力应变曲线
Fig.2 Stress-strain curves of loose coal and rock composite specimen under different loading rates
一般来说，完整的硬脆岩石抗压强度随加载速率的增大而增大[25-26]。表2为不同加载速率下各个试件岩石力学参数，可以发现，全岩试件的单轴抗压强度与完整硬脆性岩石变化规律一致：随加载速率增大有少量提升(0.5 MPa左右)。
表2 不同加载速率下各个试件岩石力学参数
Table 2 Rock mechanical parameters of specimens under different loading rates
在各个加载速率条件下，煤岩组合体试件的平均单轴抗压强度介于全岩试件与全煤试件强度之间(2.19～3.37 MPa)，松散煤体其内部较为松散，含有较多缺陷，为全煤试件与煤岩组合体试件的薄弱组成部位。因此，当加载速率加，全煤试件与煤岩组合体试件的平均单轴抗压强度和平均残余强度二者相差很小。此外，随载速率增加，松散煤岩组合体与全煤试件的力学试验结果表现了非常规现象：试样平均单轴抗压强度和平均残余强度值没有增加，反而随加载速率增加而减小(1 MPa左右)。
因此，松散煤体与松散煤岩组合体试件存在着一个加载速率的临界值效应，导致了松散煤岩组合体试件和煤体试件力学性质发生异常：松散煤体与硬脆岩石相比，自身承载能力有限，其整体力学性质与常规完整脆性岩石差异较大。文献[27-28]认为，内部含缺陷较多的岩石(如松散煤岩组合体，泥岩等)，加载速率存在着一个临界值(图3)，当加载速率小于这个临界值时，试件内部有更多较小尺寸的缺陷被激活，由于缺陷处的应力集中水平与加载速率呈正相关，加载速率越大，裂隙更容易扩展和贯通，因而随加载速率的增加，试件强度反而逐渐降低。相反地，当加载速率大于这个临界值时，试件强度随加载率增大而增大。从表2可以看出，全煤试件的平均单轴抗压强度变化有小幅波动，在0.01 mm/s加载条件下相对于其他加载方式，平均单轴抗压强度发生了小幅度的上升。可以看出，由于全煤试件的随机分布孔、裂隙较松散煤岩组合体试件的离散程度更大。但是，结合总体的变化趋势(包括平均残余强度)分析，煤岩组合体试件岩体部位比煤体部位的完整性更高，松散煤体为薄弱部位，所以可以认为其整体力学特征与松散煤体相似。由于本次试验仅以研究煤岩组合体试件的破坏规律特征为目的，因而未设置更全面的加载率控制方式对松散煤岩组合体进行试验，关于具体掌握松散煤岩组合体系统关键加载速率临界值，还需进行更为全面的试验。但是，可以预知，松散煤岩组合体系统同样也存在着一个类似与泥岩类的加载速率临界值效应，而加载速率0.005～0.020 mm/s应属于临界值变化之前阶段。针对加载率这一特性对松散煤岩组合体试件力学特性的影响，笔者将会进一步探究。
图3 泥岩峰值应力σc随加载速率v的变化曲线[28]
Fig.3 Change curves of peak strength with loading rates
2.2 环向应变
从松散煤-岩组合体的三维环向变形规律来看(图4)。
图4 不同加载条件下煤岩组合体三维环向应变和应变等值线云图
Fig.4 Three dimensional circumferential strain and strain contour clouds of loose coal and rock composite specimen under different loading conditions
组合体试件煤体变形波动较大，在加载速率为0.01 mm/s时，松散煤体的环向应变值达到了420
，变化量明显大于岩体环向应变(51×10-6)。松散煤体的破坏特征既有压剪趋势，也有扩容剪胀效应，由于松散煤体内部有原始缺陷、表面有孔隙，在受载后沿轴向生长至贯通，同时断面约束应力小于横向膨胀的应力，所以松散煤体相比岩体环向应变变化幅度大。松散煤体和岩体变化率最大值均发生在单轴应力加载的峰值强度附近(图4a为2.15 MPa，图4b为2.84 MPa)，即发生在松散煤岩组合体由弹性阶段到塑性破坏的转折点附近。从煤、岩环向应变等值线分布云图可知(图4)，岩体在受载全过程环向应变较为平稳，而煤体应变波动敏感较大，煤体部位环向应变最大值与最小值分布范围明显大于岩体部位的环向应变值。可见，松散煤岩组合体试件整体变形呈非线性，二者不均匀破坏明显。此外，试件煤体和岩体的环向变形值也呈现出随加载速率的增大而增大的趋势。
3 试件破坏特征
松散煤岩组合体、全岩、全煤试件破坏规律如图5所示，在单轴破坏试验加载后，全煤和全岩试件为典型的劈裂破坏，岩石试件整体脆性较强。煤岩组合体发生的破坏集中在松散煤体处，破坏以松散破裂为主，并无明显剪切带。在煤与岩的交界面处，发生小了范围滑移破坏，最终以松散煤体产生溃裂，试件最终整体失去稳定承载能力。松散煤岩组合体试件整体以不均匀，非统一破坏为主，破坏关键点沿着煤-岩交界面发生破裂、滑移，裂纹起裂与发育具有随机性，分布松散，试件整体性较差。
图5 松散煤岩组合体、全岩、全煤试件典型破坏模式
Fig.5 Typical failure modes of loose coal and rock composite specimens,rock and coal
4 结 论
1)在煤体中添加双氧水(H2O2)，双氧水与煤和硅酸盐水泥在碱性环境中发生歧化反应，煤体内部含有封闭孔隙，形成较为松散的煤体，与岩体按体积比例1∶1自然沉积粘结形成松散煤岩组合体试件。岩体与煤体经过捣鼓震实之后所形成的煤-岩层交界面不但具有一定的粘结力，而且煤-岩层界面并不是绝对水平，这样形成的煤-岩交界面较好地符合煤矿地层沉积形成的交界面形态特征。
2)一般来说，完整的硬脆岩石抗压强度随加载速率的增大而增大。但是，随着恒定加载速率增加，松散煤岩组合体与全煤试件的试验结果发生了异常：试样平均单轴抗压强度和平均残余强度没有增加，反而随加载速率增加而减小。松散煤体与松散煤岩组合体试件存在着一个加载速率的临界值效应，当加载速率小于这个临界值时，试件内部有更多较小尺寸的缺陷被激活，由于缺陷处的应力集中水平与加载速率呈正相关，加载速率越大，裂隙更容易扩展和贯通，因而随着加载速率的增加，试件强度反而逐渐降低。相反地，当加载速率大于这个临界值时，试件强度随加载率增大而增大。
3)从煤、岩环向应变等值线分布云图来看，岩体在受载全过程环向应变较为平稳，而煤体应变波动敏感较大，煤体部位环向应变最大值与最小值幅度明显大于岩体部位的环向应变值。可见，松散煤岩组合体试件整体变形呈非线性，二者不均匀破坏明显。
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