岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制

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、陆菜平、左建平、张晨阳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、白金正、陈绍杰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，CHEN S等开展了组合煤岩单轴压缩试验，认为岩煤力学性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。ZHAO Z等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。SONG H等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。YIN D等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。

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。