不同含水率下煤岩组合体力学特性损伤规律研究

孙长斌，吴斌斌，杨 逾

（1.国能神东煤炭集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000； 2.中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司，陕西榆林 719000； 3.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000）

0 引言

煤田赋存地质条件及在人为开采扰动下地下水情况复杂多变。陕北地区侏罗纪煤田煤层赋存条件具有厚度较大、构造单一、埋深较浅的特点，开采过程普遍受覆岩层导水裂隙影响，致使工作面顶板面临水害威胁［1-2］。在水岩耦合作用下引发的直接及伴生灾害成为最常见的矿井灾害之一［3］。尤其在煤岩巷道采掘时，留设煤柱顶底板夹层等煤岩巷道周边岩体形成的复合结构。受水害影响具有多重叠加效应，其破坏形式往往为煤岩层状组合系统整体失稳［4-5］。因此，水岩作用下工作面煤岩体稳定性对煤矿安全生产具有重要意义。

煤岩组合体的力学行为及演化规律，对于煤岩巷道的稳定性控制及矿井灾害预测，具有重要参考价值［6］。杨磊等通过设计不同高度比煤岩组合体试件，开展单轴压缩实验，基于能量耗散理论，分析了煤岩组合的力学规律及破坏形式［7］。李回贵等研究了不同煤层厚度组合体破坏过程中的声发射特性，相关研究结论为富水矿区灾害的防治提供前兆信息［8］。武强等基于试验研究，提出了煤层顶板涌水危险性定量评价方法，为顶板水害预测控制及评价分析提供了关键研究思路［9］。CAI 等等结合CT 技术、核磁共振、声发射、电镜等研究手段，对煤岩内部孔隙赋存及导水通道进行研究，从微观角度揭示不同含水状态下煤岩稳定性，对于富水条件下煤岩失稳预测及控制具有指导作用［10］。

基于此，多数学者从不同角度研究了煤岩组合体的力学性质和变形与破坏规律。在此基础上，考虑水岩耦合作用，基于煤层开采特点，分析不同煤-岩层组合的力学性质，并揭示不同含水率下，岩－煤－岩组合体在单轴压缩条件下的裂隙演化规律，从而为矿井水害危险性评价提供依据。

1 试验方案

1.1 试件设计与制备

依托锦界煤矿3-1煤层深部区顶板水危险性评价及防治水技术研究项目，本次室内试验在辽宁工程技术大学土木工程学院岩土实验室进行，始于2022 年10 月初至11 月末，周期约2 个月。砂岩、煤岩采自陕西榆林锦界煤矿三盘区31301 工作面，先将岩样制成不同高度，直径50 mm圆柱体，端面平行度＜0.02mm。

自然条件下沉积岩层间界面，因矿物成分不同强度具有较大的差异性，但具有厚度薄的共性。为降低层间错动对于试验的干扰，采用高强度云石胶充当煤－岩界面间的胶结剂，其固结强度达105MPa，胶结界面层厚度＜1 mm。满足煤岩组合体界面的强度、厚度要求。将砂岩、煤岩圆柱体按照“砂岩-煤岩-砂岩”的顺序，顶底次序平行相接，最终制成直径50 mm，高度100 mm的岩-煤-岩组合体标准试件。

其中，结合井下留设煤柱煤岩厚度比，将煤岩组合体中部煤层厚度设计为30mm。煤岩组合体制备示意及试件，如图1所示。

图1 不同煤岩高度组合体制备示意及试件Figure 1 Preparation diagram and specimens of different coal rock height combinations

1.2 试验方法及过程

力学试验前需开展浸水预试验，选取一组外观完好组合体试件，先在烘干箱中进行烘干，待其质量维持不变后，记录为干燥状态组合体质量。根据含水率与浸水时间关系曲线，确定多组不同含水率区间的组合体时间，开展力学及声发射试验。

试验加载系统为TAW-2000 型液压伺服试验机，试验前调试压力机采集系统，并将加载盘调制于水平状态，试件置于试验机的承压板中心，保证试件受力均匀；以轴向变形0.15 mm/min 的速度施加压缩荷载，直至试件破坏，并记录试件破坏应力-应变曲线，试验系统如图2所示。

图2 煤岩组合体试验过程Figure 2 Test process of coal rock combination

试件加载过程中，及时采集声发射信号，通过声发射监测系统记录声发射计数与累计数。声发射信号采集采用Nano30小型传感器，传感器布设在距离试件端面15mm 处，使用黄油填充传感器与试件表面间隙，外侧橡胶带固定。声发射监测下限值设为45dB，主放为40dB，采样频率为1MHz。

2 试验结果

2.1 组合体含水率变化规律分析

干燥状态下完好的组合体，浸没于煤矿地下水中，称重时擦除表面附着水，称重间隔为24h，当组合体质量不在增加，即认为试件处于饱水状态。

试验中记录不同浸水时间的试验含水率变化曲线，如图3所示。

图3 组合体含水率变化曲线Figure 3 Combination moisture content change curve

图3中含水率W利用下式（1）计算得到：

式中：m0为煤岩组合体干燥状态下质量，g；m1为不同浸水时间下煤岩组合体含水状态下总质量，g。

由图3 可知，组合体在第6～7d 浸水区间内，总质量基本维持不变，含水率最高维持在4.91%。 曲线瞬时斜率可表示此时组合体吸水速率，可以看出，组合体吸水速率随着浸水时间的增加不断降低，在浸水第2d 时，吸水量达到饱和水量的57.6%。其根本原因与组合体内部孔隙率有关，开放孔隙或孔洞在其前期起到主导作用，内部相连孔隙形成毛细通道，对前期吸水速率的提高起到叠加促进作用。当浸水时间达到4d时，组合体含水率进入稳定增长期，此时组合体内部闭合孔隙开始吸收水分，水体与岩石矿物成分发生化学作用，短期内岩石内部溶融物质阻断水力通道，并对组合体吸水起到一定抑制作用，在一定程度上起到了隔水的作用。但当岩石内部原生裂隙或孔隙与外界形成渗流时，组合体含水率还将继续稳定增长。基于此，当组合体浸水时间为7d时，即认为组合体达到饱水状态。

2.2 不同含水率煤岩组合体应力-应变曲线

根据组合体含水率-浸水时间变化曲线，结合含水率等差原则，选取浸水时间为0、2、3 及7d 的组合体，编号为SMS-1、SMS-2、SMS-3 及SMS-4。每组编号下3 个试件进行单轴压缩试验，不同含水率条件下组合体应力-应变曲线如图4所示。

图4 不同含水率煤岩组合体应力-应变曲线Figure 4 Stress-strain curves of coal rock combinations with different moisture contents

由图4可知，不同含水率条件下组合体破坏，具有经典四阶段渐进发展特征：

1）压缩变形初始阶段。组合体内部原生孔隙承受压缩荷载下逐渐缓慢闭合，曲线呈现出明显的“上凹”形增长趋势，属于压密阶段。此阶段组合体抗压强度与其内部原生孔隙分布及比率敏感度最高，内部结构强度对压密阶段的岩体整体强度影响较小。因此，不同含水率下组合体压密阶段应力-应变曲线变化趋势基本一致。

2）随着组合体压缩变形逐渐发展，不同含水率组合体进入弹性阶段即呈现出较大不同，含水率越高，应力增长的弹性阶段结束越早，增长速度（直线段的斜率）也越低，说明组合体含水率的不同，导致岩体内部结构强度发生改变，致使岩体弹性模量逐渐降低，直观地表现为组合体弹性阶段应力-应变曲线变化趋势的差异。

3）应力增长至弹性区间上限阈值时，组合体达到内部结构承受极限强度，宏观表现为试件破裂失稳。不同含水率条件下，组合体的承压极限强度明显不同，这说明水岩作用下岩体内部结构出现损伤，最终强度劣化降低，并随着含水率的升高，强度劣化不断加剧。同时也能看出SMS-3 组合体出现明显的“双峰”现象，这主要是由于组合体内部砂岩、煤岩在水岩作用下，煤岩抵抗水岩作用损伤的能力明显低于砂岩，从而使强度损伤差异性导致应力-应变曲线出现“双峰”现象。

4）当组合体压缩破坏进入失稳阶段后，组合体试件内部结构完全丧失有效支撑体系，反复出现峰值直至完全失去承载强度。组合体局部表现为网状细微裂纹汇聚成主要断裂缝，此时组合体发生完全破坏。

2.3 水岩作用下煤岩组合体强度损伤弱化规律

在对SMS-1、SMS-2、SMS-3 及SMS-4 进行单轴压缩试验前，测定每组试件平均含水率。通过图4中不同含水率组合体强度数据，计算水岩作用后组合体强度损伤弱化后剩余强度与干燥状态下组合体强度比值，从而得到组合体损伤后的弱余强度。弱余强度-含水率变化曲线如图5所示。

图5 弱余强度-含水率变化曲线Figure 5 Weak residual strength moisture content variation curve

由图5 可知，组合体弱余强度随含水率增加不断降低。强度弱余趋势曲线点斜率表示为强度损伤速率，随着含水率的提高，组合体强度损伤劣化的速度不断加快。这说明初期含水率偏低时，组合体内部结构受水岩作用的损伤程度较少，水体主要集中在岩体内部开放孔隙及孔洞。随着含水率的逐渐提高，岩体内部亲水矿物发生水化反应，产出的溶融物质不断产物支解岩石结构，并形成新的水力通道，在两种结果的协同作用下，强度损伤劣化速率不断加快。另一方面，当溶融物质达到一定浓度后，会形成矿物结晶及水膜，阻断组合岩体进一步吸水及强度损伤劣化进程。

根据弱余强度-含水率变化趋势曲线，可定量预测组合体弱余强度值，以含水率w为自变量，弱余强度y为因变量，则弱余强度随含水率预测数学模型如下式（2）所示。

通过（2）可知，在含水率处于0＜w≤饱和时，煤层厚度比为0.3 的组合体，随含水率增加弱余强度变化满足二次函数数学关系式。通过关系式可较好预测水岩作用下煤岩组合体强度损伤规律，对于井下留设煤柱安全稳定性及控制提供数据支撑。

3 煤岩组合体声发射测试及微观损伤机理

3.1 含水率影响下组合体声发射变化规律

岩石声发射现象伴随岩石破坏全过程，岩石内部结构裂隙萌生、发展及贯通，直观反映在岩石声发射参数之中［11-12］。因此，开展不同含水率下组合体破坏全过程声发射监测试验，组合体破坏应变与声发射参数变化曲线，如图6所示。

图6 组合体破坏过程声发射参数曲线Figure 6 Acoustic emission parameter curve during the failure process of combination

通过图6可直观看出煤岩组合体内部声发射规律。声发射计数直观表现组合体不同应力状态下瞬时损伤程度，累计计数可体现出组合体内部损伤累积量。结合累计计数及计数曲线可标识出岩体弹性阶段平稳期阈值，进而通过分析不同含水率下岩石声发射平稳期区间长度及峰值，可表征含水率对岩体影响程度。

由图6a 可以看出，干燥状态下组合体声发射事件在压密阶段即大量发生，可直观体现出此时组合体较“硬脆”。随着进入弹性阶段平稳期，声发射事件发生频率也较稳定，声发射积累数呈匀速增长，当达到平稳期上限阈值后，声发射事件陡然上升，此时积累数曲线也出现抬头。这说明组合体内部发生突发破坏，可认同于此时发生岩爆。

图6b为SMS-4组合体声发射特征曲线，此时组合体含水率为4.92%为饱和状态。结合声发射计数曲线，压密阶段声发射事件发生明显低于干燥状态，组合体呈现较“软弱”特征。该种现象主要是由于岩体内部孔隙水起到消音吸声作用，将声波降至于监测下限以下。同时进入弹性阶段平稳期较早，区间内声发射事件逐渐增多，声发射累计数增速不断提高，当达到平稳期上限阈值后，累计数增速达到峰值，组合体声发射事件也出现陡增，此时岩体发生破坏。

综上，当组合体处于饱和状态时，声发射事件发生频率低于干燥状态，岩体破坏前预兆声发射特征不明显，这一特征也可说明现场高含水率岩体监测时，岩爆、冒顶片帮发生前声发射无规律及易突变，造成组合岩体破坏较难预测及控制。

3.2 水岩作用下组合体微观损伤机理

由力学及声发射试验结果可知，煤岩组合体在水岩作用下力学特征出现损伤效应，其本质为岩体内部发生复杂的物理、化学及力学反应［13］。不同含水率组合体微观电镜图像如图7所示。

图7 不同含水率组合体微观电镜图像Figure 7 Microscopic electron microscopy images of combinations with different moisture contents

由图7a 可知，干燥状态下岩体内部断裂面结构较为密实，呈现出明显的鳞片状，表面尖锐且紧致。但当组合体处于饱水状态时，岩体内部出现较多的溶蚀塌陷坑，矿物颗粒表面圆滑，无明显突起（图7b）。在大颗粒矿物表面可看出溶融物质重结晶现象。该现象解释了由于煤岩内部矿物成分不同，煤岩组合体弱余强度及声发射事件差异的本质原因。说明水岩作用下，煤岩组合体强度等力学特征的损伤劣化，主要与内部矿物，在溶解-蚀变-结晶等一系列水化反应后，所形成的新矿物有关，由“新-原”矿物的空间结构链及黏结程度共同决定。

4 讨论

煤炭实际开采活动中，煤层与岩体在时空上存在着紧密的联系和相互作用关系，通过煤岩组合体表征原始赋存地层，基于试验手段可直观揭示煤-岩间的作用机理、应力传递规律以及变形破坏协调关系。研究不同含水率条件下组合体的力学性能演化、声发射能量变化特征以及微观结构破坏机制，通过试验数据评估及预测富水矿井覆岩及隔水煤岩柱稳定性具有很好的前景［14-16］。本实验结果表明水岩作用下组合体含水率增长速率逐渐缓释，而声发射累积数表现出组合体储能与应变能释放能力明显降低，内部微观结构裂纹扩展及颗粒脱落破坏加剧，导致组合体弱余强度衰减速率不断加快，试件塑性增强。与此类似，前人针对不同比例、岩性及溶液成分均得到了相近的结论［17-20］。上述实践均是通过研究水岩作用下岩体微观损伤演化与宏观力学行为建立联系，但研究主要基于煤-岩间弱胶结构造，本实验验证了强胶结下煤岩组合体水岩损伤机制。

水岩作用本质上而言，地下水通过微观孔裂隙渗流至岩体内部，与亲水成分反应改变矿物颗粒物理化学形态，最终导致岩体内部结构发生变化。通过声发射累计数可表征出这一变化结果，利用能量演化机理可反映出试样的力学特征规律，储能与应变能释放能力降低引发强度不断衰减。利用拟合数学模型可对不同含水率组合体强度进行评估，但该结论对现场煤岩柱是否适用，需进一步分析验证，可具体到建立本构模型映射关系。

整体上，笔者从室内实验角度探索了不同含水率强胶结煤岩组合体力学特性损伤规律，并未涉及施工监测、探放水、强扰动等现场实际问题。而通过地质赋存与自然岩性等组合体控制手段，相比于原位试验利用室内试验数据对现场评估预测同样直观高效，并避免了影响开采活动，此外，已有学者开展相关研究［21］。尽管通过不同含水率组合体力学损伤规律真实反映原生煤-岩层界面力学效应仍需通过大量数据进行验证，但它为富水矿井留设煤岩柱稳定性评估提供了一种潜在方案。

5 结论

1）煤岩组合体吸水速率随着浸水时间的增加不断降低，开放孔隙或孔洞在其前期起到主导作用，而岩石内部溶融物质阻断水力通道，对组合体吸水起到一定抑制作用，有一定的隔水性能，从而在一定程度上减缓了含水层中的水进入开采工作面。

2）不同含水率条件下煤岩组合体具有经典四阶段渐进发展特征，组合体弱余强度随含水率增加不断降低，强度损伤速率，随着含水率的提高不断加快，并满足二次数学函数关系式。由于煤岩材料抵抗水岩作用损伤的能力的不同，导致应力-应变曲线出现“双峰”现象。

3）干燥状态下煤岩组合体声发射事件具有“硬脆”特征，表现为岩爆特点。由于岩体内部孔隙水的消音吸声作用，饱和状态组合体呈现较“软弱”特征。且声发射事件发生频率低于干燥状态，岩体破坏前预兆声发射特征不明显，故富水矿体的防灾预测及控制难度较大。

4）含水率的变化，导致煤岩组合体内部由较为密实的鳞片状结构，转变具有较多溶蚀塌陷圆滑结构，组合体强度劣化损伤程度本质上与内部矿物在溶解-蚀变-结晶等一系列水化反应后，所形成的新矿物有关，由“新-原”矿物的空间结构链及黏结程度共同决定。