冲击倾向煤破坏断口微观特征及其机理研究.pdf

第3 7 卷第6 期 中国矿业大学学报V 0 1 ．3 7N o ．6 2 0 0 8 年11 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g yN o v ．2 0 0 8 冲击倾向煤破坏断口微观特征及其机理研究 宋晓艳，王恩元，刘贞堂，李忠辉，贾慧霖 中国矿业大学安全工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室．江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要运用扫描电镜观测了冲击倾向煤破坏断口的微观形貌，分析了煤体受载破坏断面的裂纹、 孔隙等缺陷特征及裂纹扩展特征，探讨了煤样破坏裂纹扩展途径及其微观断裂机理．结果表明， 冲击倾向煤内部含有大量的孔隙裂隙，在其受栽破坏过程中，这些孔隙裂隙均充当了G r i f f i t h 缺 陷，促使大量新裂纹生成和煤样发生破坏．煤样中大量的尖锐孔隙及张性裂隙的微观断面特征表 现出冲击倾向煤的脆性特征．由于煤的非均质性及煤样内部应力分布的非均衡性，其裂纹扩展也 是不均匀、间歇式的，且裂纹的扩展路线也是曲折的，扩展过程中往往产生分岔、拐折等现象．孔 隙、裂纹在应力作用下分岔、扩展、汇合贯通是导致煤体宏观断裂的直接原因． 关键词冲击倾向煤；微观特征；机理；扫描电镜；裂纹扩展 中图分类号T U4 5文献标识码A文章编号1 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 8 0 6 0 7 7 5 一0 5 S t u d yo nM i c r o s c o p i cC h a r a c t e r i s t i c sa n dM e c h a n i s m o fI m p a c tT r e n dC o a lF r a c t u r e S O N GX i a o - y a n ，W A N GE n y u a n ，L I UZ h e n - t a n g ， L IZ h o n g - h u i ，J I AH u i - l i n S c h o o lo fS a f e t yE n g i n e e r i n g ，S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e s M i n eS a f e t y ． C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do no b s e r v a t i o nr e s u l t so ft h em i c r o - - t o p o g r a p h yo fi m p a c tt r e n dc o a lf r a c t u r e s u r f a c ew i t hS E Mm e t h o d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e f e c ts u c ha sp o r e s ，c r a c k sa n dc r a c kp r o p a g a t i o ni nf r a c t u r es u r f a c eo fc o a ls a m p l e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ec r a c kg r o w t hr o u t ea n dm i c r o - f r a c t u r em e c h a n i s m so ft h eh a r db r i t t l ec o a lw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r ep l e n - t yo fp o r e sa n dc r a c k si ni m p a c tt r e n dc o a l ，a n dt h e ya c ta sG r i f f i t hd e f e c t si nt h ef r a c t u r e p r o c e s so fc o a lt h a ta d v a n c i n gt h eg r o w t ho fn e wc r a c k sa n df r a c t u r eo fc o a ls a m p l e s ．T h em i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c so ff r a c t u r es e c t i o no fp l e n t yo fa c u t ep o r e sa n dt e n s i l ec r a c k si n d i c a t e t h eb r i t t l ec h a r a c t e r i s t i c so fi m p a c tt r e n dc o a l ．T h ec r a c kg r o w t hi nc o a li sh e t e r o g e n e o u sa n d i n t e r m i t t e n tf o rt h eh e t e r o g e n e i t ya n dn o n p r o p o r t i o n a l i t yo f c o a ls t r u c t u r e 。a n dt h ec r a c k p r o p a g a t i o np a t hi sf l e x u o s ew i t hb i f u r c a t i o na n di n f l e c t i o n ．T h ed i r e c tr e a s o no ft h em a c r o s c o p i cf r a c t u r eo fc o a li st h eb i f u r c a t i o n ，e x p a n d ，c o n f l u e n c ea n dc o n n e c t i o no ft h ec r a c k so r p o r e su n d e rl o a d ． K e yw o r d s i m p a c tt r e n dc o a l ；m i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c s ；m e c h a n i s m ；s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ；c r a c kp r o p a g a t i o n 收稿日期2 0 0 8 0 3 3 1 ‘金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 2 7 4 0 1 ．5 0 2 0 4 0 1 0 l 教育部新世纪优秀人才支持计划 N C E T - 0 6 0 4 7 7 ；国家科技支撑计划 2 0 0 6 B A K 0 3 8 0 2 0 4 I 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 5 - 国家高技术研究发展计划 8 6 3 项目 2 0 0 6 A A 0 6 2 1 1 9 作者简介宋晓艳 1 9 8 1 一 ，女，山西省太原市人。博士研究生，从事矿山安全、矿山动力灾害监测预测方面的研究． E ‘m 蚰Ia n g i e s o n g 12 6 ．c o i nT e l 0 51 6 8 3 8 8 4 6 9 5 万方数据 7 7 6 中国矿业大学学报第3 7 卷 冲击地压和煤与瓦斯突出是矿山开采中时常 发生的煤岩动力灾害现象，煤岩动力灾害的发生伴 随有煤岩的各种破坏形式．煤的最终宏观破坏与其 内部的微结构和微缺陷是密切相关的，煤体破裂断 口的微观形貌在一定程度上能够反映煤体破裂损 伤演化过程中的受力情况和结构破坏特征，能够真 实的记录裂纹扩展与破裂过程．因此，利用扫描电 镜 S E M 试验研究煤体断口的形貌特征，对于研 究煤体破裂失稳过程的具体物理内涵，判定煤体断 裂性质，揭示煤体微观断裂机理具有重要的意义． 近年来，关于煤体微观特征的研究已受到一些 学者的重视【1 ．川，但研究对象多为突出煤．吴俊口] 从 地质学的角度研究了突出煤的显微结构及表面特 征，得出突出具有显微组分分布紊乱、原始沉积扰 动标志明显，及微断裂和微裂隙多样化等微观结构 特征．张慧[ 4 ] 、聂继红[ 5 1 等学者也分别对煤中显微 裂隙的成因及煤的微观特征进行了研究．张红日[ 6 J 对河北下花园煤矿的突出煤与非突出煤的微观特 征进行了对比研究，结果表明，突出煤具有网状、粒 状、鳞片状及成群的气孔构造等明显的表面立体结 构，为地质勘探中鉴别突出煤提供了依据．目前关 于冲击倾向煤的微观特征研究仍比较少．本文利用 扫描电镜 S E M 对冲击倾向煤受载后的微观破坏 形貌和裂纹扩展特征进行了观测研究，并对煤体破 坏过程的微观机理进行了分析讨论． 1 冲击倾向煤破坏断口扫描电镜观测研究 1 ．1试验设备与样品制备 扫描电子显微镜 S E M 是进行煤体微观力学 特性研究的有力工具，本试验中采用H I T A C H I 孓 3 0 0 0 N 扫描电镜对实验煤样受载破裂后的微观形 貌进行了观测．该电镜加速电压为2 0k V ，具有二 次电子分辨率高 可达3 ～4n m ，聚焦景深大 可 达1m m ，获取照片立体感强，放大倍率高等优 点，且观测时可直接获得数字图像． 实验所需煤样取自具有冲击危险性的大同忻 州窑矿1 1 。煤层东三盘区和同家梁矿1 4 。煤层3 1 1 盘区，煤样表面较光亮，层理清晰、硬度大，属原生 结构煤．将所取煤样 保留小部分原煤用于观察其 原有特征 用压力机单轴加载至其最大强度的 8 0 ％左右，这一应力水平下的煤样处于非线弹性变 形阶段[ 8 ] ，破裂丰富，便于研究煤样的变形破坏微 观特征．按照扫描电镜的制样要求，将煤样制成尺 度约为1 0m m 1 0m m 1 0m m 的样品．用于扫 描电镜观察的样品必须干燥无水份无污染、导电性 良好，对样品通过离子溅射镀金的方法进行导电性 处理，将样品用导电胶布黏在样品台上，再放入离 子溅射仪，调节溅射仪参数，再次进行镀金处理，镀 金层厚度控制在5 一- 1 0n m 为宜． 1 ．2 冲击倾向煤破坏断口微观特征分析 煤样断口形貌的扫描电镜照片见图1 所示，其 中，图1 a 为原煤样的断口形貌，图1 b ～l h 为受载 煤样的断口形貌． 1 煤样中包含大量孔隙 图l a ，l b ，且多为棱 角分明或尖锐孔隙．这些孔隙可分为原生孔隙和后 生孔隙．原生孔隙主要是成煤植物本身所具有的各 种组织孔以及碎屑镜质体、碎屑惰质体和碎屑壳质 体等有机物之间的孔；后生孔主要为煤变质过程中 由生气和聚气作用而形成的孔．煤中孔隙簇之间还 有多条裂纹存在 图1 b ，l c ，由于受压，气孔出现 破裂和连通，气孔周边尖锐部位有微裂纹产生，且 一些张性裂隙也出现连通现象． 冲击倾向煤样原生结构保存较好，煤质坚硬， 属于脆性材料．从扫描电镜下观察到煤样含有大量 的棱角分明的孔隙或尖锐孔隙，表现出冲击倾向煤 的硬脆质特性；此外，断面上的微裂纹多表现为张 性裂纹，这是由于脆性煤岩的抗压强度远远高于抗 拉强度，所以其破坏机制多为张拉脆性断裂． 2 煤多为晶粒的集合体，有时我们用肉眼也 能分辨出晶粒间的界限，这些晶界对煤的强度会产 生极大的影响．由于矿物晶粒彼此间的弹性模量不 同，当煤体承受载荷发生应变时，其晶粒界面上会 产生一定程度的应力集中现象，致使沿晶界出现新 的裂隙或者原有裂隙在晶界处发生拐折并进一步 扩展 图1 c ～1 e ． 3 从煤样的微观断面也可以看出煤受载后裂 纹、孔隙的闭合、扩展、聚集的痕迹．如图1 f 所示， 煤体受压后大量原生孔隙压密闭合，且大量孔隙压 裂后密集、集合形成碎粒状或较明显的破碎带，另 外，在煤的断面上可夹杂见到少量台阶状、贝壳状 断口。图1 9 为受载煤结构镜质体形貌。图中由张性 贯通裂纹形成，气孔发生变形，裂隙有拐折、弯曲、 分岔现象，在2 条大型张性裂隙之间还分布有多条 较小的裂纹，这些裂纹簇共同形成断裂破坏带．图 1 h 为受载煤的贝壳状断口和水流状花纹的微观形 貌，断面上气孔呈现变形破裂和连通，并有拐折的 张性裂隙生成，部分气孔内壁有张性裂口出现，表 现出典型的脆性材料的断面特征．图1 f ～l h 可以 在微观上解释煤受载破裂过程中裂纹的生成、扩 展，及扩展过程中发生的拐折、弯曲和分岔现象以 万方数据 第6 期宋晓艳等冲击倾向煤破坏断口微观特征及其机理研究 及煤体中断裂破坏带的形成． 图1煤样扫描电镜照片 F i g ．1 S E MP h o t o g r a p h so fc o a ls a m p l e s 2 煤体断裂的微观机理分析 2 ．1 裂纹扩展的条件 煤是多孔介质材料，其中包含大量的孔隙、裂 隙以及位错等宏观和微观缺陷，煤体中的这些孔 隙、裂隙也被称为G r i f f i t h 缺陷[ 9 ] ．正是由于这些 缺陷的大量存在，使得煤的强度较低，在远低于屈 服应力的条件下煤岩材料发生的断裂称为“低应力 脆断”．由煤的电镜照片 图1 可以看出，冲击倾向 煤中富含裂纹、裂隙等G r i f f i t h 缺陷，且表现出一 定的硬脆质特性，因此，可以用G r i f f i t h 理论来分 析冲击倾向煤破坏过程中裂纹的扩展途径E g q o ] ． G r i f f i t h 理论运用能量平衡的原理对脆性材料 作断裂强度分析，认为固体的破坏是裂纹扩展的结 果．裂纹扩展是由裂纹扩展时所释放出的弹性应变 能和形成新表面所吸收的表面能之间的失稳现象 所引起的．现实中由于裂纹的形状、大小和方向各 不相同，所以裂纹边缘上的集中拉应力也各不相 同；在恒载荷作用下，当集中应力达到煤体材料强 度的临界值时，裂纹就开始扩展，同时释放出应变 能，如果释放出来的弹性应变能大于形成新表面所 需的表面能，那么就会导致材料突然断裂．G r i f f i t h 认为裂纹失稳扩展的临界条件是裂纹扩展时所需 的表面能正好等于裂纹扩展时系统释放出的弹性 应变能，也就是能量变化率等于零．即得到著名的 G r i f f i t h 公式[ 们 1 式中c r c 为煤体裂纹扩展的临界应力；c 为裂纹的半 长度；E 为弹性模量；y 为单位面积的自由表面能． 由式 1 可知，当煤体裂纹中的应力大于t 时，裂 纹就会发生扩展． 煤样受载时，其裂纹的扩展是沿孔隙的两边进 行的，相当于受到拉应力的作用，并且由于煤中存 在大量缺陷，为非均质多相材料，使得其内部受力 不均匀，裂纹端部应力集中系数不断变化，从而会 引起裂纹的交替张开、闭合，导致裂纹扩展过程是 一个不均匀、间歇式、路径曲折的过程．煤体中的晶 间断裂是消耗能量最小的一种断裂方式，尤其在相 邻矿物颗粒的强度相差较大时，断裂发生的几率更 大，其特征是具有曲折的裂纹路径；对于大载荷下 快速扩展的裂纹还会发生穿晶断裂，这种方式往往 会穿过煤颗粒内部，破坏较强的原子间作用力，其 消耗的能量较大，如果应力不再继续升高，裂纹扩 展将会逐渐转变为沿晶扩展，扩展过程出现间歇． 图1 电镜图版中显示有微裂隙、张性裂纹，这些微 观裂纹只有在满足G r i f f i t h 扩展条件下才能进入 扩展、发展阶段，从而出现裂纹的贯通、分岔、拐折 等现象． 2 ．2 煤体断裂破坏带的形成 压缩条件下，煤样内部必然有水平拉应力产 生，且水平拉应力使与其正交或与压应力成临界角 的裂纹先开始扩展．这些轴向裂纹和沿矿物颗粒边 界的裂纹都可以算作最初的主裂纹．主裂纹扩展到 ～定程度后就停止，如果应力再增加，就在主裂纹 尖端的前方产生次裂纹，应力继续增加，这些次裂 纹就升级为主裂纹，并在其尖端前方再产生轴向裂 纹．应力再增加，这时的主裂纹和次裂纹就联结起 来．这个过程将随载荷的增加而重复，直至煤样破 坏．大多数次裂纹是沿着煤样的矿物颗粒边界发生 并发展的，但却在完整的颗粒前停止扩展，如果施 加更大的载荷，则裂纹能够继续扩展而穿过这些完 整的颗粒． 煤体在压应力状态下各方向的裂隙会发生闭 屉 一 万方数据 7 7 8中国矿业大学学报 第3 7 卷 合，在裂隙面一般都有剪应力r 与正应力。存在， 如果满足摩擦判据b r rI 一∥ 0 ， 2 式中r 为剪应力；仃为正应力；卢为裂纹表面间的摩 擦系数．则裂隙两壁发生相对移动，裂隙附近产生 应变，大量裂隙面的闭合、滑动也产生应变，当应变 积累到某个关键值时，煤体就会发生断裂，所以，通 常在煤体受载过程中均存在着闭合裂隙面的相对 滑动、摩擦．大量实验现象表明，煤体在最终断裂前 有强烈应变集中带出现，该应变集中带与主应力成 一夹角，在应变带中间有许多雁行排列和羽状排列 的微裂隙，它们大致与主应力平行或成很小的夹 角．这说明煤体在断裂前有大量的微裂隙扩展、汇 合和集聚．这一点得到了许多学者的证实． B r a c e [ 1 1 ] 用大理岩和花岗岩，夏继祥等[ 1 弘1 3 ] 用砂岩 在不同应力载荷下进行了单轴压缩试验，认为岩石 扩容膨胀是在应力达到强度的1 ／3 - - - 2 ／3 时开始发 生，当应力达到强度的0 ．8 5 时，微裂隙大量增加， 且与轴向应力方向呈较小角度 ≤3 0 。 的微裂隙数 目增长较快．岩石最终宏观断裂正是这些近似平行 轴向应力方向的大量微裂纹的产生、扩展、密集、集 中，沿相对较弱的方向相互贯通形成一定宽度的断 裂破坏带的结果 如图2 ． 图2岩石断裂宏观破坏带 F i g ．2 M a c r o s c o p i cf r a c t u r eb e l to fr o c k 冲击倾向煤的破坏失稳过程本质上是其在受 载过程中微裂纹萌生、扩展、汇集和贯通的结果，是 煤体微结构累积的变形破坏的宏观反映 如图3 ． 图3煤样断裂宏观破坏带 F i g ．3 M a c r o s c o p i cf r a c t u r eb e l to fc o a ls a m p l e 煤体内初始微缺陷 孔洞、微裂隙和颗粒边界 等 杂乱无章分布导致其受载时新生裂纹的随机分 布，初始微缺陷的特性在某种程度上对煤体的细观 裂纹扩展和宏观破坏失稳起到决定作用． 3 结论 1 冲击倾向煤具有明显的断面结构特征，包 含大量孑L 隙及较多的微裂隙．受压应力作用，煤样 内部会出现裂隙闭合及两壁面发生滑动、摩擦等现 象，甚至由于裂纹数量的大大增加，而逐步形成破 坏带． 2 煤样的微观断面结构体现出冲击倾向煤的 脆性特征，如大量棱角分明的孔隙或尖锐孔隙，及 微裂纹多为张性裂纹等． 3 利用脆性材料断裂的G r i f f i t h 理论分析了 冲击倾向煤在受载破坏过程中孔隙、裂隙的压密闭 合及裂纹的生成扩展等力学行为．在煤样的破坏过 程中，由于煤的非均匀性、应力分布的非均衡性，其 裂纹扩展也是不均匀、间歇式的，扩展路线也是曲 折性的，往往产生分岔、拐折等现象． 4 大量微裂隙的产生、扩展、密集和汇合，并 沿强度相对较弱的方向相互贯通而形成有一定宽 度的断裂破坏带，是导致煤体宏观断裂的直接原 因． 参考文献 1 - 1 3 傅雪海。秦勇，薛秀谦，等．煤储层孔、裂隙系统 分形研究C J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 3 2 2 5 2 2 8 ． F UX u e - h a i ．Q I NY o n g ，X U EX i u q i a n ，e ta 1 ．R e - s e a r c ho nf r a c t a l so fp o r ea n df r a c t u r e - s t r u c t u r eo f c o a lr e s e r v o i r s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，3 0 3 2 2 5 2 2 8 ． [ 2 ] 张慧，李小彦，赫琦，等．中国煤的扫描电子显 微镜研究[ M ] ．北京地质出版社．2 0 0 3 ． [ 3 ] 吴俊．突出煤的显微结构及表面特征研究[ J ] ．煤 炭学报，1 9 8 7 ，1 2 2 4 0 4 5 ． W UJ u n ．S t u d yo nm i c r o - s t r u c t u r ea n ds u r f a c el e a ． t u r e so fc o a lp r o n et oo u t b u r s t [ J ] ．J o u r n lo fC h i n a C o a lS o c i e t y ，1 9 8 7 ，1 2 2 4 0 4 5 ． [ 4 ] 张慧．王晓刚，员争荣．等．煤中显微裂隙的成因 类型及其研究意义[ J ] ．岩石矿物学杂志，2 0 0 2 ，2 1 3 2 7 8 - 2 8 4 ． Z H A N GH u i ，W A N GX i a o - g a n g 。Y U A NZ h e n g - r o n g ，e ta 1 ．G e n e t i ct y p e so fm i c r o f r a c t u r e si nc o a l a n dt h e i rs i g n i f i c a n c e [ J ] ．A c t aP e t r o l o g i c aE tM i n e r ． a l o g i c a ，2 0 0 2 ，2 1 3 2 7 8 2 8 4 ． 万方数据 第6 期 宋晓艳等冲击倾向煤破坏断口微观特征及其机理研究7 7 9 [ 5 3 聂继红．孙进步．瓦斯突出煤的显微结构研究口] ． 东北煤炭技术，1 9 9 6 6 4 0 - 4 2 ． N I EJ i - h o n g ，S U NJ i n - b u ．S t u d ya b o u tm i c r o s t r u c - 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z h i ，Q I A NQ i h u ．P h y s i c a lm e c h a n i s mo f d e p e n d e n c eo fm a t e r i a ls t r e n g t hO ns t r a i n r a t ef o r r o c k - l i k em a t e r i a l [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 2 2 1 7 7 1 8 1 ． [ 9 ]D Y S K I NAV ，G E R M A N O V I C HLN ．M o d e lo f r o c kb u r s tc a u s e db yc r a c k sg r o w i n gn e a rf r e es u r f a c c ] ／／Y O U N G E D ．R o c k b u r s ta n dS e i s m i c i t yi n M i n e sR o t t e r d a m AAB a l k e m a ，1 9 9 3 1 6 9 1 7 4 ． [ 1 0 ]G E R M A N O V l C HLN ，D Y S K MAV ，T S Y R U L N I K O VNM 。e ta 1 ．Am o d e lo ft h ed e f o r m a t i o na n d f r a c t u r eo fb r i t t l em a t e r i a l sw i t hc r a c k su n d e ru n i a x 一 [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 3 i a lc o m p r e s s i o n [ J ] ．M e c h a n i c so fS o l i d s ，1 9 9 3 2 8 1 1 1 6 - 1 2 8 ． M Y E RLR ，K E M E N YJM ．E x t e n s i l ec r a c k i n gi n p o r o u sr o c ku n d e rd i f f e r e n tc o p r e s s i v es t r e s s [ J ] ． A p p lM e c hR y e ，1 9 9 2 ，4 5 8 2 6 3 2 8 0 ． 张晓春．煤矿岩爆发生机制研究[ D ] ．武汉华中理 工大学力学系，1 9 9 9 ． 卢爱红．应力波诱发冲击矿压的动力学机制研究 [ D ] ．徐州中国矿业大学理学院，2 0 0 5 ． 夏致晰．煤矿巷道受爆炸应力波作用效应及战时利 用研究[ D ] ．徐州中国矿业大学理学院，2 0 0 4 ． 缪协兴，安里千，翟明华，等．岩 煤 壁中滑移裂纹 扩展的冲击矿压模型[ J ] ．中国矿业大学学报． 1 9 9 9 ，2 8 2 1 1 3 1 1 4 ． M 1 A 0X i e - x i n ，A NL i q i a n ，Z H A IM i n g h u a ，e ta 1 ． M o d e lo fr o c k b u r e s tf o re x t e n s i o no fs l i pf r a c t u r ei n p a l i s a d e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，2 8 2 1 1 3 1 1 4 ． 责任编辑邓群 万方数据