第36卷第1期2021年 3月
矿业工程研究
Mineral Engineering Rearch Vol. 36 No.1Mar. 2021
/oi ：10.13522/j7i.l674-5276.2021.01.001
不同倾角煤岩组合岩石力学试验及破坏特征
沈文兵打余伟健1>2*
*，潘豹1收稿日期：2020-11-12
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51974117)；湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4027)
* 通信作者'E-maig **************
(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭411201)
摘要：薄煤层开采条件下多为煤层与岩层复合结构，为提供可靠的开采环境与支护稳定，深入研究煤岩体的岩石力
学特征具有重要的意义.通过RMT-150C 岩石力学试验机分别对煤岩接触面倾角0。，15。,30。,45。,60。进行一次单轴压缩试
验，分析倾角不同的煤岩组合体强度和变形破坏特征.研究结果表明：煤岩组合体的破坏强度接近煤单体的抗压强度，破坏 主要集中于煤体部位.对于倾角30。以下裂纹主要分布于煤体，岩体完整性较好.倾角45。以上出现拉剪破坏，裂纹贯穿煤岩
体，煤体裂纹多而密集，而岩体出现深部裂纹.在煤体部分与岩体部分峰后破坏后发生明显的滑移现象，主要发生滑移破坏 并伴随着拉剪破坏.此外煤体的累计环向应变高于岩体的累计环向应变，煤体的环向应变片破坏30 ?左右后岩体开始发生 破坏，因此岩体的破坏滞后于煤体.两者破坏整体不一致，具有不均匀性的特征.
关键词：岩石力学；煤岩组合体；倾角；煤-岩结构面
中图分类号:TD315 文献标志码：A 文章编号：1672-9102( 2021) 01-0001-08
Rock Mechanics Test and Failure Characteristics of Coal-Rock
Combination with Differeri Dip Anglet北京周边旅游
SHEN Wenbing 1, YU Weijian 1"2, PAN Bao 1
(1. School of Resources , Environment and Safety Engineering , Hunan University of Science and Technology , Xiangtan 411201, China ；
2. Hunan Provincia. Key Laboratoro of Safe Mining Techniques of Coa. Mineo , Hunan University of Science and Technology , Xangtan 411201, China )
Abstract : Undec tOe mining conditions of thin coal ms, there io mostly a composite structure of coal
amo and rock layers . In ordea to provide a reliable mining environment and support stability , O is of greet
siyniqconco to study the rock mechanics characteastice of coai and rock mass. A es of uniaxiai compossion
expeoent wero coiried out with the RMT-150C rock mechanico testing machine on the dip a
ngle of the (:^.- rock faco at 0。，15。，30。，45。and 60。. Analyze the strength and failuro characteastics of coai - rock combination with dVferent diq angles .The resrch results show tyat the failure strength of coai-rock combination
is closs t 。tye compressivv strength of coal , and thSailuro is mainly concentrated in tye coal body. Foe the dip angle below 30。，the cracks are mainly distributed in the coal , and the rock intesrity is good. Tensile - she
音乐之父是谁啊feiluro occuo when the diq angle is abovv 45。，the cracks run through the coal and rock mass. There are many
and denss coal mass cracks , while deep cracks appe in the rock mass. Obvious slip phenomenon occuo aftee tie failure of the col body part and tye rock body part aftee the peak. In addition , the cumulativv hoop strain of
tye col mass is higher tian teat of the rock mass , and the rock mass starts te fait about 30 s aftee the col mass
is damaged . Therefore , tee of the rock mass laas behind that of. The damage of tie two is inconsistent ovvraH and has the characteristico of unevennss.
Keywords ： rock mechanico ; rgck-coal-rock combination ；dipangle ； col -ack intefaco
2矿业工程研究2021年第36卷
由于煤体和岩体的力学性质的差异性，会出现不一致的变形特性•于是，国内外学者为了研究带倾角煤岩组合体在不同条件下的破坏特性以及力学模型分析，在实验室内大多采用煤岩组合体试样进行岩石力学试验•目前，研究不同倾角组合形式如0。,15。,30。,45。,60。组合体的力学性质与破坏形式能为薄煤层的开采提供理论依据，进而根据现场地质条件改善矿区的开采方案［1］-郭东明等&2］通过实验室进行单轴和三轴压缩试验来研究煤岩接触面倾角不同的组合体试件破坏机制；张泽天等［3］对不同组合体在单轴和三轴压缩作用下的力学特性和破坏特征的差异性进行了室内试验分析；齐庆新等⑷通过组合煤岩试验研究指出组合煤岩试件与单体煤岩试件的应力-应变关系存在着明显的差异，例如变形的程度在减小、被破坏的程度更加猛烈和弹塑性变形特征更加显著等-
左建平等&5_8］对煤-岩组合体在不同围压条件下的抗压强度、变形特征、裂纹演化、峰后强度等以及在单轴和三轴荷载作用下煤、岩石及0。倾角煤岩组合体的整体强度及破坏机制进行了较全面的分析；余伟健等［9'10］对煤岩接触面不同倾角的组合体进行了较为完整细致的分析，探究了不同倾角的煤岩组合体破坏特征及变形特性，并总结了煤-岩-锚组合锚固件中锚杆的作用及其机理；刘杰等［11］研究了不同煤岩体在单轴压缩条件下所发生的破坏过程、破坏特征、应力应变特征，分析了力
学强度对于组合试样的力学行为影响；兰永伟等&12'研究了不同组合条件下煤岩组合体的力学强度、弹性模量、冲击倾向性等力学特性.李纪青等［13］研究了单体煤模型及煤岩组合体模型的冲击倾向性，得出了煤岩组合模型的冲击倾向性指标均高于单体煤模型，并建议采用组合模型来评价煤岩冲击倾向性.左键平、陈岩等&14'研究了组合体强度受煤的影响较大，其峰前积蓄能量及峰后耗散能量与单轴抗压强度基本呈正比关系，煤、岩-煤、煤-岩及岩-煤-岩依次增大；与煤样单体相比，组合体的冲击能量指数增大，煤岩组合体提高了煤的冲击倾向性，因此对冲击地压矿井的煤岩组合体进行冲击倾向性鉴定，对预测及防止冲击地压的发生产生了深远影响-有关不同倾角煤岩组合体的变形特性以及力学破坏特征还没有研究足够充分，因此本文选用南方薄煤层中的砂岩与煤岩结合成不同倾角的煤岩体进行岩石力分析以及应力-应变分析来探究其力学破坏机制-
1实验概述
1.1试件的加工制作
本试验所使用的单体以及组合体的煤岩、砂岩均来自湖南某矿区，将取得的砂岩与煤岩通过专业机构加工制备成单体试件即煤单体与砂岩单体如图1(H).试件严格按照国际岩石力学学会(ISRM)标准制成高径比2:1，直径50mm，高度100mm.本实验的倾斜煤岩组合体是由砂岩与煤岩通过云石胶相接触粘合组成不同角度的组合体试件，此组合体以砂岩与煤岩的径向线为轴心，按1:1的比例组合成为0。，15。
，30。,45。,60。这5种不同倾角的煤岩组合体，其高径比也为2:1(直径50mm，高度100mm)，部分试件如图1(-)所示，要求各圆柱体两端平行度必须小于0.02mm.砂岩与煤岩单体试件作为本实验的参考对照试件•为了减小实验结果的误差和离散型，每种组合体各取5个试件且从5组数据中选取2组较为接近的数值为本次实验结果-
图1组合体与煤岩单体部分标准试件
1.2单轴压缩试验方案与设备
如图2(-)所示，采用中国科学院武汉岩石力学研究所制的RMT-150C岩石力学试验系统对试件施加轴向压力并自动采集试件的轴向应变•由于此试验设备仅有一套轴向传感器而无法对组合体的煤体与岩体同时水上婚礼
第1期沈文兵，等：不同倾角煤岩组合岩石力学试验及破坏特征3
进行环向应变的测定，因此分别对煤体与岩体在相同高度处分别粘贴2个120-10AA电阻应变片分别为轴向应变片和环向应变片，此测定数值由D3816N应变采集系统自动采集，如图2(b)所示.
图2试验设备及应变片
其次，对煤岩组合体进行单轴加载试验，通过试验机对试件预加载，预加载完成后同时开启应变测试系统测试与RMT试验系统加载.加载方式采用控制位移的形式，考虑到应变仪数据记录频率为2Hz，为
避免测得数据点过少，加载速度设为0.1kN/s，直至试件破坏.
2试验结果与分析
2.1煤与砂岩
图3是煤单体与砂岩单体的应力-应变曲线(其中C代表煤单体,R代表岩体，从5组实验中分别选取3组相近的实验数值在图中予以表示).从图3中的曲线可以看出煤体与岩体的极限抗压强度有差异，其中岩体的差异较小，而煤体试件差异较大，最大的抗压强度为26.56MPa，最小的为14.97MPa.因此提取3种试样的抗压强度的平均值来减小试件材料带来的数值上的误差.其岩体平均抗压强度是31.67MPa，而煤单体的平均抗压强度是20.76MPa.煤单体与砂岩相比，其抗压强度要低于砂岩，这是因为煤体内部的缺陷以及松散导致其抗压强度较低.
如图4所示，煤体与砂岩均为脆性破坏，为了更好地观察其破坏特征，在试验前用热塑袋将其包裹，使其破坏后不易飞溅伤人又能很好地观察•由于煤体冲击性较大，表面形成不规则的裂纹且周围存在压碎的碎块，而砂岩在达到抗压极限时则清楚地听到噼里啪啦的响声，也能很清楚地观察到其裂纹分布及贯通裂缝，从而判断出主要是剪切破坏.
图3煤体与砂岩的应力应变曲线图4煤体与砂岩的破坏特征
2.2不同倾角煤岩组合体
2.2.1组合体的轴向变形
选取试验中典型破坏的4种不同倾角试件的应力-应变曲线，如图5所示，从图5可以看出，煤岩组合体受载后变形破坏经历了4个阶段：压密阶段、弹性阶段、塑性变形阶段以及峰后破坏阶段，这与煤单体与砂岩单体试件的破坏过程类似.0。倾角的煤岩组合体极限抗压强度高于其他倾角的组合体，倾角30。以下
4
矿业工程研究2021 年第 36 卷
的煤岩组合体破坏得更快，这说明主要受到剪切破坏，同时还受到煤岩交界面的约束影响-45°以上的煤岩
组合体抗压强度降低，其煤体破坏得更为严重，这说明45。倾角的煤岩组合体不仅仅受到压剪破坏还受到
滑移破坏，且以滑移破坏为主，其峰后变形量增大.
由于倾角45。以上的界面对煤岩体的破坏影响较大，该组合体中煤岩破坏主要是由于滑移导致了组
合体体系的失效，从而承载力下降，如果要防止该条件下发生失稳现象，应首先考虑防止该类型的滑移破
坏的发生.
4 000
2.2.2 组合体的环向应变
由图3中煤与砂岩的单体应力-应变曲线可
以看出，煤与砂岩的抗压强度与变形存在很大的 差异，相对于砂岩来说，煤单体的强度远远低于岩
单体，而且其变形相对于砂岩要大•由这两者组合 而成的煤岩组合体就存在着物理力学性质上的差 异，
对于较为脆弱的煤单体来说，其首先会发生破
碎以及破坏，若是煤内部极不规整且比较松散则
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图6 倾角30。煤岩组合体环向应变与时间曲线自己装修房子
峰前破坏
峰后破坏
:
—煤1
一爆2i 二：黏
\应变片失效
:；285 s
破坏更为明显，且冲击倾向性会很大•而对于组合
体中的砂岩来说，煤破坏后将使砂岩破坏在受载 后，砂岩的破坏滞后于煤•图6是倾角为30。的煤岩
组合体的应变时间曲线，从图6可以看出这种滞后
100
200
300
效应，煤达到破坏的时间是255 ?左右，而煤破坏后紧跟着砂岩达到285 ?左右应变片才失效，其两者之间
相差30 s 的时间，煤提前30 s 左右处于不稳定的状态，砂岩则滞后于煤.从而可以得出煤岩组合体之间存
在着差异性且破坏不具有同步性，试件的破坏具有非均匀性的特点
.
第1期沈文兵，等：不同倾角煤岩组合岩石力学试验及破坏特征5
由于应变采集器测得煤体与岩体在破坏后的环向应变存在不规律性，误差很大，这对于测定煤岩体之间的应变带来不便，因此取各煤岩组合体在峰前破坏之前的数值来观察其规律性，如表1所示•煤体的环向应变明显高于砂岩的环向应变，且煤体的最大环向应变为3388.99!"，而砂岩的最大环向应变为2288.12!"，由此可知煤体的环向应变高于砂岩的环向应变.
表1不同倾角煤岩组合体环向应变与时间
时间/s-------------------------------煤体环向应变s------------------------------------------岩体环向应变
0。15。30。45。60。0。15。30。45。60。
1049.77442.26416.84950.34110.78926.6409.982 5.19313.797 2.310 20154.145142.69982.548107.35023.92993.21330.50637.77370.1397.077 30290.253218.950129.451214.28536.955159.880105.37261.502115.77025.354 40422.635419.345167.461312.39349.743260.684172.940104.468208.72344.669 50561.852572.781245.199406.70372.231372.526254.216147.532297.69652.846 60713.000655.743353.337501.913112.391457.963310.752212.638396.51770.025 70864.731737.796527.564654.081138.628554.104349.302302.143459.96882.565 80953.474941.733606.940895.027185.827633.548414.082341.494556.719103.497 901114.7591078.006722.118967.743219.298707.803495.765402.402685.934117.924 1001265.7081270.472842.4031056.618312.919816.509541.218496.018741.778145.265 1101338.2971404.443934.1471167.551394.434904.182609.590540.179943.097170.918 1201427.7371572.9861131.4241296.981457.0751021.852682.416656.5511038.486191.497 1301581.0321746.4051244.4401379.680520.1041125.990696.298819.9681208.530215.543 1401765.6871971.7881427.6931509.995583.2081195.324716.0121016.7541434.498240.574 1501996.9592353.5571871.6151621.337711.4821325.768800.8471160.0161529.666281.358 1602125.3762502.5152086.8341795.075785.3641372.240858.7381293.3291711.542297.460 1702242.3112713.9342199.8082033.641936.4351444.817907.9111351.5581878.367325.015 18023
65.8713049.9513038.3942223.1171037.1291510.218967.6431429.0891977.396352.328 1902435.5363146.1853247.9642377.6181123.1171610.867990.0661564.5842072.386379.069 2002492.1623319.7533388.9932512.2271476.4971710.9651002.7031726.1652288.127473.646
将表1的峰前破坏前200S的应变数据进行数据拟合，如图7所示.煤体各角度的相关系数!在0.9967左右，岩体拟合的相关系数!在0.9978左右.从图7的拟合曲线可以看出，煤岩组合体在受压时随着时间的增长应变也在增长，但是不同倾角的煤岩体环向应变增长的速度有所不同，煤体的应变增长速度较岩体增长得快•因此在荷载作用下不同倾角煤岩体的整体破坏不同•图7中曲线始终保持一定的稳定状态，曲线成非线性演化特征.
4000 2500■0。煤环向应变
0。煤拟合曲线□15。煤环向应变眼袋是什么
15。煤拟合曲线■30。煤环向应变
30。煤拟合曲线O45。煤环向应变
45。煤拟合曲线©60。煤环向应变
60。煤拟合曲线▲0。岩环向应变
0。岩拟合曲线△15°岩环向应变
15°岩拟合曲线▼30。岩环向应变
30。岩拟合曲线V45。岩环向应变
45。岩拟合曲线
60。岩环向应变
60。岩拟合曲线
3000
2000
1500
女生时代
3500
时间/s
图7不同倾角煤岩组合体数据拟合曲线
