岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制.pdf

岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制樊玉峰1,2，肖晓春1,2，丁鑫1,2，徐军1,2，王爱文3，雷云4,5(1.辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000；2.辽宁工程技术大学辽宁省矿山环境与灾害力学重点实验室,辽宁阜新123000；3.辽宁大学灾害岩体力学研究所,辽宁沈阳110000；4.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺113122；5.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺113122)摘要：为明确组合煤岩力学行为及其冲击倾向性与岩煤间接触面力学性质关系，开展了组合煤岩单轴压缩试验，分析了岩煤间 4 种不同力学性质的接触面对组合煤岩强度、弹性模量、应变软化现象、声发射特征信号、能量累积耗散特征和冲击倾向性的影响规律，研究了接触面黏结属性和破坏情况所引起的端面效应对煤岩局部变形特征及强度的影响机制。研究结果表明：接触面力学性质对组合煤岩的力学性质有一定影响，完整的接触面增强了组合煤岩的强度和弹性模量，提高了弹性能累积能力，抑制了峰前阶段的煤岩破裂，削弱了峰后的应变软化阶段；接触面的破坏降低了端面效应的影响作用，提高了组合煤岩的破坏程度，延长了峰后的应变软化过程；无黏结型组合煤岩试样的各项力学指标均低于其余 3 种接触面；建立了组合煤岩本构关系并提出了考虑接触面破坏的组合煤岩强度估算方法和接触面断裂的判定方法；理论计算结果与实验结果较为一致；随着岩煤间接触面力学性质的提高，组合煤岩弹性能占比提高，塑性能占比降低；厘清了岩煤间接触面力学性质对组合煤岩冲击倾向性的影响规律，认为接触面和煤岩相对力学性质是引起组合煤岩冲击倾向性各项指标冲突的重要影响因素。关键词：力学行为；组合煤岩；岩煤接触面；冲击倾向性；端面效应中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：02539993(2023)04148715Influence mechanism of contact surface mechanical properties on mechanicalbehavior of coal rock combinationFANYufeng1,2,XIAOXiaochun1,2,DINGXin1,2,XUJun1,2,WANGAiwen3,LEIYun4,5(1.School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin123000,China;2.Liaoning Key Laboratory of Mining Environment andDisaster Mechanics,Liaoning Technical University,Fuxin123000,China;3.Institute of Disaster Rock Mechanics,Liaoning University,Shenyang110000,China;4.Shenyang Research Institute,China Coal Technology&Engineering Group Corp.,Fushun113122,China;5.State Key Laboratory ofCoal Mine Safety Technology,Fushun113122,China)Abstract:Theuniaxialcompressiontestofcoalandrockcombinationwascarriedoutinordertoclarifytheinfluencemechanismofthecontactsurfacemechanicalpropertiesontherock-bursttendencyofthecoalrockcombination,andthecontactsurfaceswithfourdifferentmechanicalpropertieswereconsidered.Thevariationlawsofstrength,elasticmodu-lus,strainsofteningphenomenon,acousticemissioncharacteristicsignal,energyaccumulationanddissipationcharacter-收稿日期：20220419修回日期：20220914责任编辑：郭晓炜DOI：10.13225/ki.jccs.2022.0540基金项目：国家自然科学基金资助项目(51974186,51974147)；辽宁工程技术大学学科创新团队资助项目(LNTU20TD-17)作者简介：樊玉峰(1995)，男，辽宁沈阳人，博士研究生。E-mail：通讯作者：肖晓春(1979)，男，内蒙古化德人，教授，博士生导师，博士。E-mail：引用格式：樊玉峰，肖晓春，丁鑫，等.岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制J.煤炭学报，2023，48(4)：14871501.FANYufeng，XIAOXiaochun，DINGXin，etal.Influencemechanismofcontactsurfacemechanicalproper-ties on mechanical behavior of coal rock combinationJ.Journal of China Coal Society，2023，48(4)：14871501.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2023istics,andimpacttendencyofcoalrockcombinationwereanalyzed.Theinfluencemechanismofendfaceeffectcausedbythebondingpropertiesandfailureofcontactsurfaceonlocaldeformationcharacteristicsandstrengthofcoalandrockwasstudied.Theresultsshowthatthemechanicalpropertiesofthecontactsurfacehaveacertaininfluenceonthemechan-icalpropertiesofthecoalrockcombination.Thecompletecontactsurfaceenhancesthestrengthandelasticmodulusofthecoalrockcombination,improvestheelasticenergyaccumulationability,inhibitsthesamplefractureinthepre-peakstage,andweakensthestrainsofteningstageafterthepeak.Thefailureofthecontactsurfacereducestheinfluenceoftheend-faceeffect,improvesthefailuredegreeofthecoalrockcombination,prolongsthepost-peakstrainsofteningprocess,andthestrainenergydensityinthepre-peakstageismainlyplasticdissipation.Themechanicalindexesofunbondedcoalrockcombinationsamplesarelowerthanthatofothers.Theconstitutiverelationshipofcoalrockcombinationisestablished,andthestrengthestimationmethodconsideringthecontactsurfacefailure,andthedeterminationmethodofcontactsur-facefractureareproposed.Thetheoreticalcalculationresultsareconsistentwiththeexperimentalresults.Withtheim-provementofmechanicalpropertiesofrockcoalinterface,theproportionofelasticenergyofcombinedcoalincreases,andtheproportionofplasticpropertydecreases.Theinfluencelawofthemechanicalpropertiesofrockcoalcontactsurfaceontherockbursttendencyofcoalrockcombinationisclarified.Itisconsideredthattherelativemechanicalpropertiesbetweenthecontactsurfaceandcoalisanimportantfactorwhichcausestheconflictofvariousindexesofcoalrockcom-binationrockbursttendency.Key words:mechanicalbehavior；coalrockcombination；contactsurfaceofcoalrock；rockbursttendency；end-faceeffect随着我国经济不断发展，能源需求日益增大，现阶段煤炭资源仍是我国经济发展的主要基础能源，浅部煤炭资源的枯竭，导致开采深度逐年增加，深部矿井不断有冲击地压现象显现，以冲击地压为代表的深部矿山动力灾害成为制约我国煤炭资源开采的主要因素。区别于露天矿井和浅埋煤层，深部矿井由于其复杂的地质构造特征，在矿山灾害的预防治理方面面临更高的挑战，如何科学准确的评价目标矿井的冲击倾向性对合理施加支护防冲措施、提高生产安全性具有重要工程意义。深部矿井具有更高的地应力，这使得岩层煤层内部聚积了大量的能量，以岩石和煤组成的岩煤组合体成为了评价深部矿井冲击倾向性的又一重要研究对象，而组合煤岩的力学性质如弹性模量、强度、能量累积能力，能量释放效率，能量释放速度，破坏启动应力等指标对其冲击倾向性评价结果有重要影响，因此厘清组合煤岩力学性质演化机制将进一步提高冲击倾向性判定结果的准确性。现有研究认为，组合煤岩的力学性质与其组合方式相关，肖晓春1、陆菜平2、左建平3、张晨阳4等认为组合煤岩的强度高于纯煤试样，低于岩石试样，而杨磊5、白金正6、陈绍杰7等则认为岩石的加入对组合煤岩的强度增幅有限，甚至略低于纯煤试样，组合方式方面，较多的研究4-5,7-9认为岩石的厚度会增大组合煤岩的强度，但并没有理论上的解释，一般的认为组合煤岩岩石厚度增大会使得组合试件中煤样的占比减少，降低了煤样内部存在明显缺陷的概率，或提高了组合试样中的岩石含量，从而提高了组合煤岩的均质度，进而使其强度提高。组合煤岩冲击倾向性评价方法方面，肖晓春等10-11研究了岩石弹性能累积特性对组合煤岩冲击倾向性的影响，并基于能量累积释放角度提出了冲击倾向性评价方法。付玉凯12提出了组合煤岩体剩余能量释放率指标的冲击倾向性评价方法。赵宏林等13探究了倾角对煤岩组合体力学性质及冲击倾向性的影响，认为倾角的增加导致组合煤岩冲击能量指数逐渐减小。左建平等14-16对不同组合方式的组合煤岩开展单轴压缩实验，探讨了组合方式对冲击倾向性的影响及煤岩的相互作用，探究了其破坏行为并建立了差能失稳模型和非线性模型。陈光波等17开展了不同岩煤比例和组合方式的组合体力学特征研究，从理论上揭示了组合体的弹性模量随岩石占比的增加而增加的规律，分析了组合体的失稳破坏机制。秦忠诚等18认为组合煤岩中煤岩是能量积聚的主要载体，组合体组分之间硬度差别越大，冲击能量指数越大，冲击倾向性越强。杜学领19综述了现有实验结果，针对组合煤岩试件冲击倾向性的国家标准进行了讨论，认为基于剩余能量指数法评价组合煤岩冲击倾向性不具备大量实验数据的支撑，试样采集、组合方式等方面还有待深入研究。究其原因，组合煤岩力学性质演化机制尚不明确，力学性质变化规律尚不统一。李单林等20认为试件端面的摩擦效应对试件的变形破坏特征有较大影响，CHENS等21开展了组合煤岩单轴压缩试验，认为岩煤力学性1488煤炭学报2023年第48卷质的差异影响接触面附近的应力状态，导致煤体强度的提高和岩体强度的降低。ZHAOZ 等22基于应变能等效原理建立了煤岩组合体的等效均质模型及其应力状态表达式，推导出考虑煤与软岩界面黏结强度等效模型的一般压剪破坏准则，并通过实验室实验来进行验证。SONGH 等23探究了考虑界面效应的岩煤组合试样的强度破坏特性及其渐进破坏机制，着重考虑了界面附近岩石与煤岩变形差异，解释了组合煤岩力学性质强度差异的原因。YIND 等24探究了单轴条件下组合煤岩的力学性质，研究了岩性对其强度、宏观破坏、能量演化和破坏特征的影响。可见端面效应对组合煤岩力学性质的影响已逐渐被国内外学者认可，上述研究表明组合煤岩的力学指标与岩煤间接触面力学性质有重要关系。准确的组合煤岩冲击倾向性评价是保障煤矿安全生产的重要前提，厘清组合煤岩力学性质和能量耗散运移特征对冲击倾向性评价指标的影响具有重要意义，前人对组合煤岩力学性质及冲击倾向影响因素的深入探索为后续研究提供了基础和方向。由于组合煤岩制备方法区别于标准岩心钻取过程，岩煤之间一般需要通过粘结剂粘结，组合煤岩中各亚层尺寸均小于标准试件，端面效应对煤岩局部变形及组合试件整体力学性质具有显著影响，因此应着重考虑岩煤间接触面力学性质来建立力学本构关系，更为准确地描述组合煤岩的力学特性及演化规律，从而保证冲击倾向性评价结果的准确性。笔者以岩石力学为基础，考虑岩煤间接触面力学性质引起的端面效应和岩、煤试件变形相互影响的特点，建立了考虑接触面及煤岩力学性质关系的组合煤岩本构模型，并提出了组合煤岩强度估算方法，讨论了岩煤间接触面变形破坏过程对组合煤岩冲击倾向性的影响情况，以期为明确冲击倾向性的准确评价方法提供理论基础。1试验系统与试验方案首先，采用试验研究的方法，将岩石试块分别通过环氧树脂、白乳胶和沥青黏结在一起，分别开展压剪和劈裂实验，获得粘结剂的抗拉强度和剪切强度，测定不同粘结剂的基本力学性质，黏结剂力学性质见表 1；其次，采用 3 种黏结剂制备成 3 种组合煤岩试样，与无黏结剂的组合试样共同开展单轴压缩试验，通过应变片测定组合试样中煤样各位置的横向变形，探究黏结剂力学性质对组合煤岩中煤样各位置变形特征的影响，通过声发射监测系统监测组合煤岩加载过程中的声发射关键参量；最后，采用理论分析方法，考虑端面效应建立组合煤岩力学性质本构模型，分析岩煤间接触面力学性质对组合试样冲击倾向性的影响机制。表 1 黏结剂力学参数标定Table 1 Mechanical parameters calibration of blinders黏结剂环氧树脂白乳胶沥青抗拉强度/MPa1.331.140.39内摩擦角/()9.1515.9117.13黏聚力/MPa11.384.452.15压剪和劈裂实验部分试样如图 1 所示，沥青试样压剪后表面具有较大的摩擦力，如图 1(a)所示；环氧树脂试件压剪和劈裂实验均伴随着碎块脱落，如图 1(b)、(c)所示；白乳胶试样压剪后试样保持原状，仅为接触面破坏，如图 1(d)所示。因此定义沥青为黏滑型接触面，白乳胶为脆断型接触面，环氧树脂为强黏结接触面。(a)沥青试样(黏滑型)(b)环氧树脂试样(强黏结型)(c)环氧树脂试样(强黏结型)(d)白乳胶试样(脆断型)图1接触面力学属性测定试验Fig.1Measurementtestofmechanicalpropertiesofcontactsurface1.1试验系统试验采用MTS岩石力学测试系统对组合煤岩试样进行一次位移加载，压力机最大荷载 2000kN，精度 0.5%，加载速率 0.01mm/s，采样频率 10Hz，应变监测系统采样频率 1000Hz，记录组合煤岩中岩石和煤的轴向应变、横向应变，同时监测受载过程的声发射信号，声发射采样频率为 1000kHz，阈值 40dB，采样点为 1024 个，试验系统如图 2 所示。第4期樊玉峰等：岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制1489岩石力学测试系统声发射监测系统横向应变监测系统数字散斑监测系统组合煤岩试件数字散斑相机图2试验系统Fig.2Experimentsystem1.2试样制备组合煤岩试样由岩石和煤样两部分组成，其中煤样采自鄂尔多斯新纳源矿，岩样取砂岩制备，为获得试样表面的横向应变，岩石与煤样均加工成边长 50mm的方形试样，保证上下端表面平整度小于 0.02mm，确保试样加载方向垂直于煤样的层理方向，采用环氧树脂、白乳胶、沥青以及润滑脂将岩石和煤样组合制备成组合试样，每类试样不少于 3 块，试样编号见表 2，试样实物如图 3(a)所示，在试样表面布置应变片监测试样横向应变，应变片分别布置在接触面两侧，即岩石底端、煤样顶端、煤样中部、煤样底端，应变片布置如图 3(b)所示。为消除试样与压力机间摩擦力，在试样和压力机接触部分放置润滑脂，试样布置示意如图 4 所示。表 2 试验方案Table 2 Experimental program试样编号黏结方式岩煤高度比加载速率/(mms1)f1f3环氧树脂110.01f4f6白乳胶f7f9沥青f10f12无黏结1.3试验步骤测量煤样的尺寸和质量，与岩石黏合后制成组合试样，对岩样部分和煤样部分分别粘贴横向应变片，将润滑脂涂抹到试验台上，试样放置于润滑脂上，在试样顶部涂抹润滑脂，在试验台上布置声发射探头，准备实验；调整声发射设备，设定声发射参数，调整动态应变仪，开始施加荷载，同时打开声发射监测系统和动态应变仪，采集加载过程中的荷载、位移、声发射信号以及组合煤岩局部的横向应变，在试样破坏后停止加载并保存数据；对试验数据进行处理并分析。2接触面力学性质影响的组合煤岩力学性质演化规律2.1组合煤岩力学性质演化规律通过单轴压缩试验，获得组合煤岩全程应力应变曲线，取 4 类组合煤岩典型应力应变曲线如图 5 所示，分析接触面力学性质影响的组合煤岩力学性质异同性。(a)组合煤岩试样(b)应变片布置位置图3试样实物Fig.3Samplephysical润滑脂岩石黏结剂煤样润滑脂应变片声发射探头下压头上压头图4试样布置方法Fig.4Samplearrangementmethod1490煤炭学报2023年第48卷0.020.040.060246810121416应力/MPa应变接触面性质强黏结型脆断型黏滑型无黏结型图5组合煤岩应力应变曲线Fig.5Stress-straincurvesofcoalrockcombination如图 5 所示，分别为强黏结型、脆断型、黏滑型和无黏结型 4 类组合试样的应力应变曲线，可以看出 4类试样的力学性质存在一定的差异。具体表现为强黏结型组合试样具有更高的弹性模量，且其强度明显高于其余 3 类试样，在峰前阶段没有明显的应力降低，但在峰后阶段出现了 2 次应力调整，随后应力突降，破坏最为猛烈；脆断型和黏滑型组合试样的应力应变曲线较为接近，在峰前阶段均有一定的应力调整，黏滑型组合试样较前者强度略低，且峰后阶段呈现出明显的应变软化现象，其破坏剧烈程度最低；无黏结型组合煤岩的峰值应变最小，强度最低，峰后无明显的应力调整。强度和弹性模量反映了试件的承载能力和蓄能特征，决定了试件累积能量的上限，弹性能指数和冲击能指数分别反映试件弹性能累积和释放特征，声发射能量反映试件破坏的剧烈程度以及损伤发育情况，因此选择以上 5 个指标进行量化，分析量化结果见表 3。表 3 组合煤岩试样力学指标量化Table 3 Quantification of mechanical index of coal rock combination试样黏结方式强度/MPa弹性模量/MPa弹性能指数冲击能指数声发射能量/(mVs)f1强黏结型14.731150.872.071.5814.52f2强黏结型13.81808.455.181.1722.63f3强黏结型11.54970.471.271.3625.05f4脆断型10.01578.571.626.067.97f5脆断型9.20606.520.961.7325.47f6脆断型8.23441.732.302.856.89f7黏滑型10.67496.679.220.7524.34f8黏滑型9.88143.26f9黏滑型6.67581.720.291.7435.41f10无黏结8.67562.161.466.348.71f11无黏结8.21614.211.091.7028.94f12无黏结6.76232.67由表 3 可知，接触面的力学属性对组合煤岩的力学指标均有不同程度的影响。具体表现为：强黏结型组合试样具有最高强度和弹性模量，强黏结接触面对煤样端面的约束作用最强，对组合煤岩的弹性模量和强度均有明显的强化作用；黏滑型组合试样具有最大的弹性能指数和声发射能量累积量，由于黏滑型接触面具有较大的摩擦力，因此组合煤岩在受载过程中接触面反复断裂，端面效应持续存在，从而导致峰后阶段表现出明显的应变软化现象，煤岩破坏最为彻底，因此黏滑型组合试样的声发射能量累积量最大，冲击能量指数最小；无黏结组合试样的冲击能量指数最高，表明组合煤岩所累积的弹性能在破坏时释放率最高，破坏后试样完全丧失承载能力。2.2组合煤岩试样变形特征与破坏特征岩石试件在单轴压缩过程中会发生轴向压缩和径向张拉的现象，区别于标准岩石试样或煤岩试样，组合煤岩受限于制备方法，岩样部分和煤样部分在变形属性上往往存在较大的差异，使得其在受载过程中两部分的变形情况是不同的，在接触面黏结作用下岩样和煤样接触面的变形应是相同的，而远离接触面位置的变形则会表现出较大的差异，接触面黏结是否完整对组合煤岩的变形和破坏特征具有重要影响，图 6 为 4 类组合煤岩中煤样顶端、中间和底端 3 个位置的横向应变，与之对应的组合煤岩破坏特征如图 7所示。从图 6 可知，接触面力学属性对组合煤岩的变形第4期樊玉峰等：岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制1491特征有重要影响。主要表现为：煤样受强黏结接触面约束作用，煤样顶端与岩样变形相同，其应变始终小于中部和底端的应变；脆断型接触面力学性质弱于强黏结型，因此在组合煤岩完全破坏前其变形特征与强黏结型组合煤岩类似，区别在于在加载初期煤样中 3个位置的应变同时出现了一次突降，这可能是由于接触面出现微剪断引起的；黏滑型接触面具有初始黏结强度低，破坏后摩擦力高的特性，因此在整个加载过程中出现应变反复增大再减小的现象；无黏结型组合试样中岩石与煤样间采用了润滑脂消除岩煤之间的摩擦力，因此煤样各位置的横向变形较为接近，端面对煤样的变形无影响作用。图 7 为 4 类组合煤岩的破坏特征，其中强黏结型组合煤岩的破坏程度最小，破坏后呈现出锥形破坏区，5010015020025000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007横向应变时间/s(a)强黏结型组合煤岩煤样中部煤样底部煤样顶部5010015020000.0010.0020.0030.0040.0050.006横向应变时间/s(d)无黏结型组合煤岩煤样中部煤样底部煤样顶部5010015020025000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0100.0070.0080.009横向应变时间/s(b)脆断型组合煤岩煤样中部煤样底部煤样顶部15030045060075090000.00100.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0100.0070.0080.009横向应变时间/s(c)黏滑型组合煤岩煤样中部煤样底部煤样顶部图6组合煤岩横向应变Fig.6Horizontalstrainofcoalrockcombination(a)强黏结型组合煤岩(b)脆断型组合煤岩(c)黏滑型组合煤岩(d)无黏结型组合煤岩图7组合煤岩试样破坏Fig.7Failurecharacteristicsofcoalrockcombination1492煤炭学报2023年第48卷受强黏结接触面作用，岩石出现了明显的张拉型裂纹，这是煤样横向变形对岩石力学性质的劣化作用引起的；脆断型和黏滑型组合煤岩的破坏形式均为张拉破坏，黏滑型组合煤岩的破坏程度更高，由于接触面断裂后较为粗糙，在峰后阶段仍引起较大的端面效应，使得煤样进一步破坏；无黏结组合试样则表现出明显的张拉破坏特征，破坏程度较低，也未表现出剪切破坏或共轭剪切破坏现象。结果表明接触面引起的端面效应对组合煤岩的破坏形式具有显著影响，消除了煤样两端的摩擦力后端面效应的作用不再显现。2.3组合煤岩试样破坏过程声发射能量演化特征进一步探究接触面力学性质对组合煤岩破坏过程的声发射能量特征影响情况，4 类组合试样的应力时间曲线和声发射能量曲线如图 8 所示。50100 150300 350 400 450200 2500426810161412042681016141218应力/MPa声发射能量累积量/(mVs)声发射能量/(mVs)时间/s(a)强黏结型组合煤岩声发射能量声发射能量累积量应力时间曲线00.0040.0020.0060.0080.0100.0140.0121003004005006002000426810010515202540353012应力/MPa声发射能量累积量/(mVs)声发射能量/(mVs)时间/s(c)黏滑型组合试样声发射能量声发射能量累积量应力时间曲线00.0040.0020.0060.0080.0100.0160.0120.01450100 150300 350 400 450200 25004268042681010应力/MPa声发射能量累积量/(mVs)声发射能量/(mVs)时间/s(b)脆断型组合试样声发射能量声发射能量累积量应力时间曲线00.0040.0020.0060.0080.0100.0125010015030035040020025004268042681010应力/MPa声发射能量累积量/(mVs)声发射能量/(mVs)时间/s(d)无黏结型组合试样声发射能量声发射能量累积量应力时间曲线00.0040.0020.0060.0080.0100.0140.012图8组合煤岩破坏过程声发射能量与应力关系Fig.8Acousticemissionenergyofcoalrockcombinationfailureprocess声发射能量特征反映了试样内部裂纹的产生与扩展，可以从峰前和峰后 2 个阶段讨论组合试样的损伤演化特征。从图 8(a)中可以发现，强黏结型组合煤岩峰前几乎没有声发射信号出现，表明组合试样在峰前阶段损伤发育极慢，在应力峰值处出现声发射信号峰值，声发射能量累积量在应力峰值处迅速上升，组合煤岩迅速破坏；脆断型组合煤岩在峰前阶段出现了几次应力突降，伴随着明显声发射信号产生，从声发射能量累积量来看，峰前阶段的损伤发育主要集中在应力突降处；黏滑型组合煤岩同样在峰前阶段出现了几次应力突降，区别于脆断型组合煤岩，黏滑型组合煤岩的声发射能量累积量增长速度快于前者，并且在峰后阶段有明显的应力调整现象，煤样进一步发生破坏；无黏结型组合煤岩均在应力突降处产生声发射信号，其声发射特征与常规煤岩试验并无区别，声发射能量累积量小于前 3 类组合试样，表明其损伤程度最小，消除了接触面摩擦力后端面效应，不再对组合煤岩破坏起作用。声发射能量累积量的变化反映了损伤发育情况，从声发射能量累积量增长特征来看，强黏结型组合煤岩在峰前阶段几乎没有损伤，直到应力峰值时损伤才开始快速发育，黏滑型和脆断型组合煤岩在加载至200s 时损伤开始发育，而无黏结型组合煤样在加载100150s 时损伤即开始发育，表明了接触面的黏结作用约束了组合煤岩的损伤演化，导致试件从有明显前兆信息的破坏转变为突然迅速破环，使组合煤岩的破坏愈加难以预测。3考虑端面效应的组合煤岩本构模型组合煤岩的变形由岩样和煤样两部分变形组成，岩煤接触面的黏结作用引起的端面效应导致煤样内部应力重分布，主要影响的是组合煤岩的强度指标，第4期樊玉峰等：岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制1493因此本节从一维组合煤岩的本构关系为切入点，讨论端面效应对组合煤岩的强度特征影响，并通过分析接触面断裂和黏滑特性解释峰前阶段的应力突降现象。3.1一维组合煤岩本构关系文献 11 表明，组合煤岩在加载至破坏过程中岩石一般不会发生破坏，由于组合煤岩中煤样的强度远低于岩样的强度，在组合煤岩发生破坏时岩石往往仍处于弹性阶段或刚刚进入弹性阶段，在应力峰值处岩石会出现变形回弹现象，如图 9(a)所示。煤岩一般为软岩，具有软岩的基本特征如屈服阶段，此阶段是煤岩损伤发育开始的阶段，如图 9(b)所示(其中，c,1为煤岩进入屈服阶段的应变；c,2为峰值应变；c,3为残余应变)，由此可将煤岩划分为 3 个阶段，分别为弹性阶段、屈服阶段和峰后残余阶段。煤岩单轴压缩曲线应力c,1c,2c,3岩石变形回弹曲线应变应变应力(a)岩石变形回弹曲线(b)煤岩单轴压缩曲线图9组合煤岩变形过程各亚层应力应变曲线Fig.9Stress-straincurvesofeachsublayerinthedeformationprocessofcoalrockcombinationKcKrKeq可以将组合煤岩简化成由岩石和煤岩组成的弹簧系统如图 10 所示，煤和岩石的刚度分别表示为和，组合煤岩的刚度表示为，在轴向压缩时，变形与弹簧刚度的关系为F=Keqx(1)x其中，F 为轴向荷载；为弹簧的变形量，轴向荷载和变形间存在的关系为A=EeqeqA=EeqAxH(2)Eeq其中，H 为弹簧的原始长度；A 为截面面积；为组合eq煤岩弹性模量；为组合煤岩的应变，弹簧刚度与弹性模量的关系为Keq=EeqAH(3)xKrKcErEcKeqEeq图10组合煤岩弹簧系统Fig.10Combinedcoalrockspringsystem此外，串联弹簧的等效刚度可以表示为1Keq=1Kc+1Kr(4)组合煤岩的弹性模量可以通过式(3)和式(4)得到：heqEeqA=hcEcA+hrErA(5)式中，heq为组合煤岩试件的总高度；hc为组合煤岩中煤样的高度；hr为组合煤岩中岩样的高度。K1组合煤岩弹性模量为K1=Eeq=ErEcP(Er+Ec)(6)ErEcP式中，和分别为岩石和煤岩的弹性模量；为煤高度占比，并且有组合煤岩的总应变与岩石和煤岩应变关系为eq=Pc+(1P)r(7)rc式中，和 分别为岩石和煤岩部分的应变，进一步得到组合煤岩阶段的本构关系为eq=Eeqeq=K1Pc+(1P)r(0 cc,1)(8)eqDEc,2其中，为应力，当煤岩进入阶段时，存在损伤因子，煤岩的弹性模量可表示为Ec,2=Ec(1D)(9)得到阶段的组合煤岩本构关系：eq,2=K2(cc,1)+1PP(rr,1)+K1(c,1+1PPr,1)(c,1cc,2)(10)K2其中，可表示为1494煤炭学报2023年第48卷K2=(1D)EcErEr+(1D)Ec(11)Ec,3在组合煤岩残余阶段即阶段，煤样的弹性模量为负值，表示为，则阶段的本构关系可表示为eq,2=K3(cc,2)+1PP(rr,2)+K2(c,2c,1)+1PP(r,2r,1)+K1(c,1+1PPr,1)(c,2CEc(vcEcvrEr)tan(31)式中，C 为接触面的黏聚力；为接触面的内摩擦角，并给出了接触面保持完整的岩煤变形参数条件如式(32)所示：接触面剪力岩石煤岩上端面影响范围zxzzzzxzxzxz剪应力相等zxxzxz(a)煤样内各点应力状态(b)接触面剪应力分布图12组合煤岩内各点应力状态Fig.12Stressstateofeachpointincoalrockcombination1496煤炭学报2023年第48卷C+ntan nEc(vcEcvrEr)(32)n式(32)中左侧项为接触面强度函数，右侧项为岩煤材料判定函数，两者关系如图 14 所示。由图 14 可以看出，接触面的力学性质由黏聚力和内摩擦角决定，而判定函数由岩石和煤岩的变形参数决定，当判定函数小于接触面强度函数时，接触面保持完整，反之接触面则发生断裂。此外，由于判定函数为关于轴向应力的一次函数，其斜率由岩石和煤岩的相对变形性质决定，当岩石与煤岩的弹性模量相差较大时，判定函数呈现出较大的斜率，接触面断裂应力较小，当两者弹性模量相差较小时，接触面断裂应力则相应提高，泊松比参量也表现出相同规律，这也说明了组合煤岩中岩石和煤岩的性质差异越大，接触面越难保持完整，需要更高强度的黏结剂黏结试件。接触断裂应力接触断裂应力截面应力轴向应力 nn EcEcErcrn EcEcErcrC+ntan 接触面完整区接触面破坏区岩、煤变形参量差值较大岩、煤变形参量差值较小图14接触面断裂判据Fig.14Fracturecriterionofcontactsurface当岩煤接触断裂后，由岩煤间摩擦力作用导致了较弱的端面效应，结合 3.2 节的强度估算方法对前文的实验结果进行验证，获得组合煤岩的单轴抗压强度试验结果与理论结果关系如图 15 所示。4321765121110980246810121420单轴抗压强度/MPa试样编号1816实验值理论值图15理论值与实验值Fig.15Theoreticalvaluesandexperimentalvalues从图 15 可以发现，通过理论计算得到的结果与实验所得结果比较接近，表明岩煤间接触的力学性质对组合煤岩试样的强度特征有重要影响，组合煤岩强度理论可以较准确的估算组合煤岩的强度。4接触面力学属性对组合煤岩冲击倾向性的影响机制冲击倾向性是指煤岩体能否发生冲击地压的自然属性，也是评价煤矿冲击地压发生危险的重要依据。冲击倾向性的评价方法依据试件能量累积能力(弹性能指数)、释放效率(冲击能指数，剩余能指数)、释放速度(动态破坏时间)和释放条件(强度)等指标确定，因此探究组合煤岩的冲击倾向性除需明确接触面力学性质对其强度的影响，也需要对接触面性质影响的破坏过程和能量运移特征进行探究，本节着重讨论接触面力学性质引起的组合煤岩破坏特征和能量累积耗散规律差异，并对标相关指标讨论组合煤岩的冲击倾向性。4.1组合煤岩破坏过程与接触面性质关系综合第 2、3 节可知，组合煤岩的力学性质与岩煤间接触是否断裂、断裂形式有重要关系，不同接触面对组合煤岩破坏特征的影响如图 16 所示。如图 16 所示，岩煤间 4 种接触类型的断裂及对组合煤岩破坏特征的影响机制如下：(1)强黏结型，组合试样在单轴压缩过程中，岩石与煤均发生横向变形，岩石底部与煤样顶部通过黏结剂黏接，黏结剂提供水平方向的剪应力以保持接触两侧试样横向变形相等，接触面附近受端面效应影响，煤样内单向应力状态转化为三向应力状态，组合试样的强度因此明显提高，直至试样破坏岩煤试样仍紧密相连。由于强黏结的作用，组合试样在应力峰值前内部损伤发育不彻底，并无明显的声发射信号出现，当煤样内部应力达到其强度峰值时瞬间发生破坏，由于强黏结的作用，岩石也随之破坏，同时释放大量能量，煤样发生剧烈破坏。(2)脆断型，在试样受载初期至中期时能保持岩煤试样接触面横向变形相同，随着加载进行，粘结剂强度不足以保持接触完整，此时接触断裂，煤样顶部水平应变和轴向应变迅速增大，应力应变曲线上表现出应力降低而无声发射信号的现象。由于在峰值应力前岩煤间接触即发生断裂，煤样顶端所受端面效应较小，因此组合煤岩试样强度并未明显提高，组合试样破坏程度不高。(3)黏滑型，接触面具有一定的强度和较大的内摩擦角，随着荷载增加，煤岩间接触