软分层对煤的单轴压缩力学特性影响研究_冯康武.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 煤与瓦斯突出是一个极其复杂的煤 （岩） 动力过 程， 目前普遍被接受的是综合假说， 即煤与瓦斯突出 是应力、 瓦斯和煤的自身特性综合作用的结果[1]。而 软分层对煤的单轴压缩力学特性影响研究 冯康武 1,2 （1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037） 摘要 为了探究松软构造煤分层对原生煤样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响程度和影响 规律， 在室内试验得出的宏观力学参数的基础上， 采用 PFC2D软件对含有不同厚度和倾角构造软 煤分层的原生煤样试样进行数值模拟， 分析试样受荷后的细观力学响应机制； 根据试验结果， 建 立松软构造煤分层与荷载耦合作用下煤的单轴压缩损伤模型， 探讨构造煤赋存参数对试样破坏 形态演化的影响。研究结果表明 构造软煤分层厚度是影响复合煤层试样单轴抗压强度的重要 参数， 当软煤分层厚度增加时， 导致含软煤分层的试样单轴抗压强度降低； 软煤分层的倾角主要 影响试件内部裂纹的萌生和扩展方式， 倾角越大， 剪切裂纹萌生的时间越晚， 剪切裂纹在总裂纹 数中所占比例越小； 含软煤分层的试样破坏主要包括沿交界面的层裂破坏、 拉伸破坏和复合破 坏 3 种类型， 破坏类型主要与含软煤分层的倾角相关。 关键词 软煤分层； 单轴压缩； 裂纹； 赋存参数， 数值模拟； 力学特性 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0012-05 Study on Influence of Soft Coal Interlayer on Mechanical Properties of Coal Under Uniaxial Compression FENG Kangwu1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China; 2.National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China） Abstract In order to explore the influence degree and law of soft structure coal interlayer on the uniaxial compression mechanical parameters and failure mode of primary coal samples, based on the macro-scopic mechanical parameters obtained from the indoor test, the standard coal samples with different thickness and dip structure soft coal interlayer are simulated by PFC2Dsoftware, and the micro mechanical response mechanism of the samples under load is analyzed. According to the test results, the uniaxial compression damage model of coal under the coupling action of soft structure coal interlayer and load is established, and the influence of structural coal occurrence parameters on the failure mode evolution of the sample is discussed. The results show that the thickness of soft coal interlayer is an important parameter affecting the uniaxial compressive strength of composite coal seam samples. When the thickness of soft coal interlayer increases, the uniaxial compressive strength of samples in soft coal interlayer decreases. The dip angle of soft coal interlayer mainly affects the initiation and propagation mode of internal cracks. The larger the dip angle, the later the initiation time of shear cracks, and the smaller the proportion of shear cracks in the total number of cracks. There are three types of failure of soft coal intercalation spallation failure along the interface, tensile failure and composite failure. The failure type is mainly related to the dip angle of soft coal intercalation. Key words soft coal interlayer; uniaxial compression; crack; occurrence parameter; numerical simulation; mechanical properties DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.003 冯康武.软分层对煤的单轴压缩力学特性影响研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 12-16. FENG Kangwu. Study on Influence of Soft Coal Interlayer on Mechanical Properties of Coal Under Uniaxial Compression［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 12-16. 移动扫码阅读 基金项目“十三五”国家重点研发计划重点专项资助项目 （2018YFC0808001） ； 中煤科工集团重庆研究院有限公司自筹基金 资助项目 （2019ZDXM06） 12 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 表 3软煤平行黏结细观参数 Table 3Micro mechanical parameters of parallel bonding of soft coal 黏结模量 /GPa 黏结刚度比 黏结强度 /MPa 黏结黏聚力 /MPa 黏结内摩擦角 / （ ） 0.182.100.150.7333.0 表 4软煤颗粒接触细观参数 Table 4Micro mechanical parameters of particle contact of soft coal 最大颗粒半径 /mm 接触弹性模量 /GPa 接触刚度比 接触摩擦系数 孔隙率 0.500.182.100.700.12 黏结模量 /GPa 黏结刚度比 黏结强度 /MPa 黏结黏聚力 /MPa 黏结内摩擦角 / （ ） 5.132.104.502.4042.0 表 1原生煤平行黏结细观参数 Table 1Micro mechanical parameters of parallel bonding of hard coal 最大颗粒半径 /mm 接触弹性模量 /GPa 接触刚度比 接触摩擦系数 孔隙率 0.505.132.100.700.12 表 2原生煤颗粒接触细观参数 Table 2Micro mechanical parameters of particle contact of hard coal 煤的力学特性是决定煤的自身特性的一个重要方 面， 包括煤的力学强度和破坏方式[2]， 根据相关文献 测试结果，不同煤的单轴力学强度差异较大，对于 结构完整的硬煤，单轴抗压强度可超过 10 MPa， 而 对于节理发育的煤种或者构造软煤，单轴抗压强度 可小于 3 MPa。但由于煤矿井下采掘工作面煤层赋 存的复杂性，同一种类的煤层中往往存在一定的 “软煤” 分层， 这种软煤分层是指由于受到地质构造 的影响，正常结构的煤在构造活动中形成的碎粒煤 和糜棱煤， 这种 “软煤” 分层对于煤层整体的单轴抗 压强度具有严重的影响[3]。在煤的力学参数方面， 张 庆贺等[4]采用颗粒流软件模拟了不同吸附性气体对 煤的损伤作用机理，测定了不同吸附性气体作用下 型煤单轴抗压强度和破坏形态； 王刚等[5]借助 PFC2D 进行了煤体的抗压及抗拉试验模拟，建立了煤体宏 观力学参数与细观参数之间的关系，并对煤体进行 不同围压和瓦斯压力条件下常规三轴颗粒流模拟试 验； 高瑞元等[6]借助 PFC 软件对石门揭煤过程进行 了颗粒流数值模拟，得出石门揭煤区域内各单元发 生煤与瓦斯突出的可能性。综上分析，软煤分层与 正常煤体的力学性质差异巨大，且对煤层整体的力 学性质有很大的影响，目前已有大量采用颗粒流方 法进行的研究，但均未考虑含软煤分层对复合煤层 整体的力学性能的影响，或者仅考虑单纯的软煤或 正常硬煤的细观参数。基于煤矿井下采掘工作面煤 层赋存的实际情况，采用 PFC2D软件对含软煤分层 的复合煤层进行单轴压缩颗粒流模拟，从细观角度 分析试样受荷后内部颗粒位移场分布、裂纹数目、 破裂发展过程，建立软煤分层与荷载耦合作用下煤 的单轴压缩模型试验， 以期为现场应用提供参考。 1含软煤分层复合煤样数值模型 1.1硬煤宏细观参数 试验所用煤样取自吉林省营城矿业有限公司， 所有试样均取自同一煤层同一地点，在实验室对煤 样进行单轴压缩和巴西劈裂试验后，得出原生煤体 的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和抗拉强度等 宏观力学参数，同时通过多组数值模拟试验拟合， 得到宏细观参数之间的关系。原生煤平行黏结细观 参数见表 1， 原生煤颗粒接触细观参数见表 2。 1.2构造软煤宏细观力学参数 通过实验室制作型煤的方法， 或根据文献[3]中 相关结论采用散体力学的理论，利用散体力学试验 和摩尔库伦强度破坏准则求得构造软煤的黏聚力和 内摩擦角、 单轴抗压强度等宏观力学参数， 具体方法 如下 σc 2c cosφ 1-sinφ （1 ） 式中σc为单轴抗压强度， MPa；c为黏聚力， MPa；φ为内摩擦角，（） 。 同时结合文献[7]通过实验室构造煤的相关力 学试验， 得到构造煤的宏观力学参数经验值， 然后代 入式 （1 ） 可求得煤的单轴抗压强度， 通过宏观力学 参数和应力-应变曲线特征，对构造煤的细观力学 参数进行标定， 软煤平行黏结细观参数见表 3， 软煤 颗粒接触细观参数见表 4。 2数值试验结果 2.1应力应变关系 由于煤矿井下采掘工作面的软弱分层变化多种 多样，在数值试验中均对其进行简化为均一厚度的 13 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1不同软煤厚度的应力应变曲线 Fig.1Stress-strain curves of different thickness of soft coal 图 2不同倾角软煤应力应变曲线 Fig.2Stress-strain curves of different dip of soft coal 面状分层，并对含不同厚度和不同倾角的软弱分层 试件进行单轴压缩试验模拟[8-12]。不同软煤厚度、 不 同倾角软媒 （厚度 10 mm） 的应力应变曲线如图 1、 图 2。 根据曲线变化情况，应力-应变可分为 5 个阶 段①初始压缩阶段应力应变曲线呈上下波动起 伏状， 几乎无裂纹产生； ②弹性变形阶段 应力-应 变曲线近似呈直线，随着荷载增加，在软煤分层内 部逐渐开始产生微裂纹，随着载荷逐步增加，裂纹 数目增加，但是增加不明显，裂纹发展为逐步扩展 阶段； ③应变硬化阶段 此阶段应力-应变曲线呈现 显著非线性， 随施加载荷继续增加， 拉伸裂纹发展， 剪切裂纹开始出现，微裂纹逐渐发展贯通为长裂 纹；④应变软化阶段试样承载能力达到峰值强度 后，内部出现围绕贯通裂缝的塑性区，颗粒黏结遭 到区域性破坏，应力从峰值出现迅速衰减；⑤残余 强度阶段试件出现块体整体滑移，承载力已逐步 降低为 0。 2.2软煤分层厚度对力学特性的影响 从图 1 可以看出，随着软煤分层厚度的逐步增 加，煤样的单轴抗压强度逐步减小，不含软煤分层 时， 煤样单轴抗压强度可达到 6.42 MPa， 当软煤分 层厚度由 10、 20 mm 逐步增加到 50 mm，出现如下 规律①单轴抗压强度随软煤分层厚度增加呈现出 非线性减小的关系，软煤分厚度超过 30 mm 后， 试 样单轴抗压强度出现跳跃性减小；②除单轴抗压强 度减小之外，煤样的应力-应变关系特征逐渐由脆 性破坏向塑性破坏转变， 随着软煤分层厚度的增加， 试件在峰后破坏过程中的塑性硬化特征表现的越明 显； ③随着软煤分层厚度增加， 试样轴向应力峰值所 对应的变形量在逐渐减小，变形量的减小趋势与抗 压强度的减小趋势相同，均是在软煤分层厚度超过 30 mm 后出现跳跃性减小。 2.3软煤分层倾角对裂纹扩展的影响 从图 2 可以看出， 当软煤分层厚度一定时 （保持 在 10 mm） ， 随着软煤分层倾角的逐步增加， 抗压强 度出现了小幅波动，出现了增大-减小-增大的过 程。而随着软煤分层倾角的逐渐增大，裂纹的萌生 和扩展方式也出现了明显的变化，随着软煤分层倾 角的逐渐增大， 总的裂纹数量没有发生明显变化， 但 拉伸裂纹和剪切裂纹的数量以及出现时间均发生了 较为明显的变化。裂纹总数量中，拉伸裂纹占比均 达到 80以上，而剪切裂纹均在压缩后期出现， 煤 样试件的破坏主要为拉伸破坏。随软煤分层倾角增 大， 剪切裂纹出现的时间逐渐延后， 拉伸裂纹的出现 代表拉伸破坏， 剪切裂纹的出现代表滑动破坏， 说明 试样出现滑动破坏的时间逐渐后移。不同倾角软煤 夹层试样破坏形态如图 3。 2.4含软煤分层煤样试件的破坏模式 破坏模式分析主要是从含软煤分层煤样试件的 破坏细观特征进行描述， 分析裂纹的萌生、 扩展和宏 观裂纹的贯通以及试样整体失去承载能力的过程， 揭示试样的破坏机制。根据上述分析，软煤分层倾 角是影响试件破坏模式的主要参数，主要分为以下 3 种破坏类型 1） 沿交界面的层裂破坏。这种破坏类型最典型 的体现在软煤分层倾角为 90时， 施加载荷初期时， 试件沿交界面处开始出现拉伸微裂纹，到 4 000 步 时， 拉伸裂纹出现了第 1 次跃升， 同时， 在交界面处 初次出现了剪切裂纹，所有裂纹均是在材料的交界 面处萌生并逐渐向软煤夹层内扩展，并最终形成贯 穿交界面的宏观裂纹，形成沿交界面的拉伸或滑动 破坏。 2） 拉伸破坏。载荷初始阶段， 试件沿交界面处 14 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 3不同倾角软煤夹层试样破坏形态 Fig.3The failure mode of soft coal interlayer samples with different inclinations 开始出现由拉应力所造成的微裂纹，随着载荷的逐 渐增加，试件内部出现横向的宏观裂纹，伴随着剪 切裂纹的萌生，轴向应力逐渐达到峰值，拉伸裂纹 和剪切裂纹都出现急速的上升，横向宏观裂纹和竖 向宏观裂纹开始贯通，试件底部或者中部出现块状 劈裂， 并伴随出现大面积开裂， 形成宏观大裂缝。以 图 2 中含软煤分层倾角 0的试样破坏类型为典型。 3） 复合破坏。以拉伸破坏和层裂破坏相结合的 破坏类型，在试件初始压密阶段，试件软煤分层内 部开始出现拉伸性质的微裂纹，当荷载逐步增加， 交界面处也逐渐萌生微裂纹，拉伸破坏产生的微裂 纹开始增多，微裂纹逐步贯通，当轴向应力逐步接 近峰值时，交界面处出现大量的剪切裂纹，拉伸裂 纹也急速增加，由于裂纹的逐步贯通，与交界面成 一定角度的块体出现宏观裂缝，最终试件失去承载 能力。 以图 2 中含软煤分层倾角为 15和 30的试样 破坏类型为典型。 3结论 1） 研究结果表明， 软煤分层厚度是影响复合煤 层试样单轴抗压强度的重要参数，当软煤分层厚度 增加时，导致含软煤分层的试样单轴抗压强度降 低，尤其当软煤分层厚度大于 30 mm 临界值时， 单 轴抗压强度会出现跳跃性急剧降低。且随软煤分层 厚度增加， 煤样由脆性破坏向塑性破坏转变。 2） 软煤分层的倾角主要影响试件内部裂纹的萌 生和扩展方式，倾角越大，剪切裂纹萌生的时间越 晚，剪切裂纹在总裂纹数中所占比例越小。而拉伸 破坏在煤样试件总体破坏过程中起主导作用，随软 煤分层倾角的增大， 拉伸破坏的主导作用降低。 3） 含软煤分层的试样破坏主要包括沿交界面的 层裂破坏、 拉伸破坏和复合破坏 3 种类型， 软煤分层 倾角为 0时煤样主要表现为内部发生拉伸破坏； 软 煤分层倾角在 20时主要表现为发生拉伸破坏和剪 15 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 作者简介 冯康武 （1983） ， 陕西渭南人， 副研究员， 重 庆大学在读博士研究生，主要研究方向为煤矿及隧道瓦斯 防治。 （收稿日期 2020-03-19； 责任编辑 王福厚） 切破坏结合的复合破坏； 当软煤分层倾角在 90时， 破坏类型主要是交界面滑动和拉伸的层裂破坏。 参考文献 ［1］ 涂庆毅.构造煤表观物理结构及煤与瓦斯突出层裂发 展机制研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2019. ［2］ 康向涛， 黄滚， 邓博知， 等.模拟原煤的相似材料试验 研究 ［J］ .东北大学学报 （自然科学版） ， 2015 （1） 138. ［3］ 张飞燕， 韩颖， 杨志龙.软煤力学参数的一种估算方法 ［J］ .煤矿安全， 2013， 44 （4） 13-16. ［4］ 张庆贺， 杨科， 袁亮， 等.吸附性气体对构造煤的损伤 效应试验研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2019 （5） 995-1001. ［5］ 王刚， 王锐， 武猛猛.渗透压-应力耦合作用下煤体常 规三轴试验的颗粒流模拟 ［J］ .岩土力学， 2016 （6） 538-546. ［6］ 高瑞元， 蒋承林， 孟京京.石门揭煤过程颗粒流模拟的 探讨 ［J］ .煤矿安全， 2014， 45 （1） 147-151. ［7］ 张荣.复合煤层水力冲孔卸压增透机制及高效瓦斯抽 采方法研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2019. ［8］ 陈宇龙， 张宇宁， 李科斌， 等.单轴压缩下软硬互层岩 石破裂过程的离散元数值分析 ［J］ .采矿与安全工程 学报， 2017 （4） 795-802. ［9］ 蒋昱州， 朱杰兵， 王瑞红.软硬互层岩体卸荷蠕变力学 特 性 试 验 研 究［J］ . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2012 （4） 778-784. ［10］ 姚池， 李瑶， 姜清辉， 等.应力作用下软硬互层岩石破 裂过程的细观模拟 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2015 （8） 1542-1551. ［11］ 殷鹏飞.层状复合岩石试样力学特性单轴压缩试验 与颗粒流模拟研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2016. ［12］ 何忠明， 彭振斌， 曹平， 等.层状岩体单轴压缩室内试 验分析与数值模拟 ［J］ .中南大学学报 （自然科学 版） ， 2010 （10） 1906-1912. process of gas liberation from a coal bed ［J］ . Fuel, 1992, 71 （4 ） 431-435. ［19］Clarkson C R. Adsorption potential theories to coal methane adsorption isotherms at elevated temperature and pressure ［J］ . Carbon, 1997, 35 （12） 1689-1705. ［20］ 张新民， 庄军， 张遂安.中国煤层气地质与资源评价 ［M］ .北京 科学出版社， 2002. ［21］ 化学工程手册 编辑委员会.化学工程手册 ［M］ .北 京 化学工业出版社， 1989. ［22］ 苏现波， 林荫， 林晓英， 等.吸附势理论在煤层甲烷吸 附中的应用 ［J］ .中国煤层气， 2006， 3 （2） 28-30. ［23］ 周亚平， 周理.超临界氢在活性炭上的吸附等温线研 究 ［J］ .物理化学学报， 1997， 13 （2） 119-127. ［24］ Amankwah K A G, Schwarz J A. A modified approach for estimating preudovapor pressure in the application of the Dubinin-asakhow equation ［J］ . Carbon, 1995, 33 （9） 1313-1319. ［25］Dubinin M M. The potential theory of adsorption of gases and vapors for adsorbents with energetically nonuni surface ［J］ . Chemical Reviews, 1960, 60 （2） 235-241. ［26］Reich R, Ziegier W T, Rogers K A. Adsorption of methane, ethane and ethylene gases and their binary and ternary mixtures and carbon dioxide on activated carbon at 212-301K and pressure to 35 atmospheres ［J］ . Industrual Engineering Chemistry Process De－ sign and Development, 1980, 19 （3） 336-344. 作者简介 位乐 （1985） ， 重庆人， 助理研究员， 硕 士， 2013 年毕业于河南理工大学，现主要从事煤与瓦斯突 出预测与防治研究。 （收稿日期 2020-01-16； 责任编辑 王福厚） （上接第 11 页） 16 ChaoXing