煤炭作为我国的主体能源，对我国国民经济发展起着至关重要的作用。随着浅部易采煤炭资源的枯竭，煤炭开采逐渐向深部转移，深部环境下煤岩体的变形破坏不仅受自身物理力学特性、赋存禀赋与地质构造的影响，更重要的是受煤岩组合结构的共同影响[1-2]。因此，研究煤岩组合体的力学特性与损伤失稳破坏特征，对深部煤炭资源安全高效开采有着重要意义。
近年来，国外内众多学者分别运用数值模拟和实验室单轴、三轴试验等科学方法对煤岩组合体展开了深入而全面的研究。如，尹光志等[3]利用“多功能真三轴流固耦合试验系统”，以层状复合煤岩体为研究对象，分析了动、静荷载作用下层状复合岩体破坏机理与显现特征。在数值模拟上，尹大伟等[4]采用PFC2D颗粒流数值模拟软件对煤样含贯穿节理的岩-煤组合体开展了单轴压缩试验，分析了节理对岩-煤组合体强度及破坏特征的影响;林鹏等[5]利用RFPA2D数值模拟软件对二岩体组合试件受力损伤破坏过程进行了研究，解释了微破裂迁移、变形局部化等现象;在组合体的力学特性方面，刘杰、陈绍杰等[6-7]的研究指出了岩石强度与煤岩高比对煤岩组合体的强度特性与破坏机制的影响，张泽天、郭东明等[8-9]分析了组合方式和倾角效应对煤岩组合体力学特性与破坏特征的影响规律。在组合体破坏机制上，陈绍杰等[7]对比分析了5种不同高比的砂岩-煤柱结构体的渐进破坏机制，指出组合体发生整体性破坏是由煤样内部裂纹扩展至砂岩导致的。杨磊等[10]研究了循环加卸载下煤岩组合体的能量演化规律与破坏机制，研究结果表明煤岩组合体受载过程中，煤体率先达到储能极限发生破坏，煤体破坏瞬间释放的能量传递岩石中，在弹性能驱动下岩石发生张拉破坏，进而导致组合体发生承载失效。此外，左建平、陆菜平等[11-12]对组合体的冲击倾向性进行了深入研究，指出煤岩组合体冲击倾向性指数大于纯煤样，且随着岩石强度和厚度的增大煤岩组合体的冲击倾向性随之增强，还有部分学者对组合体损伤失稳过程中的声电效应、前兆信息以及声发射特征进行了研究[13-16]。
上述研究成果对深入全面了解煤岩组合体力学行为和损伤失稳破坏特征提供了基础，但对于界面效应下组合体受载时能量演化规律及煤岩体破坏互馈机制还有待进一步研究。笔者以3种不同高比的“顶板-煤柱-底板”(RCR)组合体为研究对象，从RCR组合体瞬时失稳前后的损伤破坏特征、能量演化规律及声发射特性等方面分析了RCR组合体渐进失稳破坏特征，以期为深部煤炭资源开采的围岩力学响应提供一定基础研究。
1 RCR组合体单轴压缩试验
1.1 组合体模型建立
煤炭资源采出后，采空区原岩应力平衡状态被打破，围岩应力重新分布，引起顶板的变形、破断，底板岩层在一定范围内也发生破坏[17]形成“顶板-煤柱-底板”组合结构体(图1)，此外，组合结构体的变形失稳将导致覆岩稳定结构被打破，岩层发生大范围整体性运动，易引发煤岩动力灾害。为研究坚硬煤岩组合条件下组合结构全生命周期的力学表征，本文将取自胡家河矿402102盘区的煤岩样，加工不同高比的“顶板-煤柱-底板”组合体标准试件，开展了单轴压缩试验。
1.2 “顶板-煤柱-底板”组合体试件加工制作
实验所需煤岩样均取自彬长矿业集团胡家河矿402102工作面泄水巷顶底板岩层。为了控制煤岩样的离散性，现场选取完整性较好且未经风化的煤岩样密封后运回实验室，在实验室将煤岩样经过切割、取芯、打磨，加工成不同高度直径为50 mm的试件，要求试件端面不平行度符合国标GB/T 23561.7—2009。按煤岩比为4∶2∶4，3.5∶3∶3.5和3∶4∶3将试件自上而下用黏结剂黏合成3组9个φ50 mm×100 mm的标准试件，如图2所示，分组编号分别为RCR20，RCR30，RCR40，组合体尺寸见表1。
图1 顶板-煤柱-底板组合结构体
Fig.1 Roof-pillar-floor composite structure
图2 RCR组合体标准试样
Fig.2 Standard sample of coal-rock combined specimen
表1 RCR组合体物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of coal-rock combined specimen
试样类型与编号试件尺寸/(mm×mm)煤岩高比单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa标准砂岩试样ϕ50×99.86—61.658.16标准煤样ϕ50×99.84—16.591.47RCR20-1ϕ50×100.274∶2∶433.704.34RCR20-2ϕ50×99.924∶2∶420.323.31RCR20-3ϕ50×99.644∶2∶436.334.66RCR30-1ϕ50×101.163.5∶3∶3.531.373.65RCR30-2ϕ50×100.243.5∶3∶3.527.873.52RCR30-3ϕ50×101.243.5∶3∶3.528.483.69RCR40-1ϕ50×100.183∶4∶318.542.94RCR40-2ϕ50×99.683∶4∶322.282.58RCR40-3ϕ50×99.083∶4∶322.042.30
1.3 实验系统与监测设备
实验测试系统主要包括RMT加载系统、声发射监测系统、Nikon数码相机录像采集系统(图3)。为减小时间误差，有利于试验数据的处理与分析，试验时RMT加载系统、录像采集系统和声发射监测系统同步运行。其中RMT-150加载系统最大试验荷载可达1 000 kN，试验时采用力加载控制，加载速率0.2 kN/s，直至试样破坏。声发射监测系统采用MISTRAS系列MICRO-II对组合体损伤失稳全过程的弹性波进行实时监测，实验时设置声发射测试系统主放为40 dB，门槛值为45 dB，浮动门槛5 dB，探头谐频率为100～600 kHz，为保证声发射探头与试件能够更好的接触，减小试件表面弹性波的折损，在声发射探头和试件接触处涂抹凡士林并用弹性带固定，在声发射测试之前，对传感器进行断铅测试确保传感器幅值信号都在90 dB以上。为获得组合体宏观破坏特征，采用Nikon便携式数码摄相机对试件破裂形态进行实时录像监测。
2 RCR组合体强度特性
2.1 RCR组合体强度试验结果
实验开始后RMT岩石力学加载系统逐渐对试件加载和同步数据采集，测得煤样、岩样以及RCR组合体的应力-应变曲线如图5所示，基本物理力学参数见表1。砂岩单轴抗压强度为61.65 MPa，弹性模量为8.16 GPa;煤样单轴抗压强度为16.59 MPa，弹性模量为1.47 GPa。与纯煤样和岩样的力学特性相比，RCR组合体的强度和弹性模量受煤体影响较大，组合体RCR20平均单轴抗压强度为35.02 MPa，平均弹性模量为4.50 GPa，RCR30平均单轴抗压强度为29.24 MPa，平均弹性模量为3.62 GPa，RCR40平均单轴抗压强度为20.95 MPa，平均弹性模量为2.67 GPa;其中RCR20-2受原生裂隙的影响，单轴抗压强度和弹性模量与同组其他两个试样差异性较大，试验结果不具有参考价值，在分析试验规律时不予以考虑。由图4组合体强度和弹性模量随煤岩高比变化曲线可知，随着煤岩高比的增加，RCR组合体的单轴抗压强度和弹性模量均呈现递减的趋势，表明组合体抵抗变形破坏的能力逐渐降低。
图3 实验系统
Fig.3 Experimental system
图4 RCR组合体抗压强度和弹性模量变化规律
Fig.4 Variation of strength and modulus of the coal-rock combined specimen
图5 RCR组合体应力-应变曲线
Fig.5 Stress-strain curves of the coal-rock combined specimen
2.2 RCR组合体强度理论分析
为便于RCR组合体强度分析，假设组合体受力变形时，在层间黏聚力作用下相邻煤岩体不发生相对位移，即没有剪力的存在。设砂岩弹性模量为ER，泊松比为μR，煤样弹性模量为EC，泊松比为μC，且ER>EC，μC>μR。由于煤岩泊松比的差异性，在煤岩交界面处会存在径向力的作用，在煤岩体中径向力为作用力与反作用力的关系，煤样中径向力沿径向指向交界面中心，对交界面处煤样的变形破坏起一定束缚作用。因此，在煤岩样交界面一定范围内，煤样处于“三向”受力状态。
图6 RCR组合体受力示意
Fig.6 Stress diagram of the coal-rock combined specimen
取RCR组合体交界面微单元分析(图6)，由变形连续条件和静力学平衡关系[18]可得
(1)
式中，i=2,3，σ1=σ1R=σ1C。
Druker-Prager准则是由Druker和Prager1952年提出的弹塑性材料强度准则，可表示为
(2)
式中，I1=σ1+σ2+σ3为应力第1不变量;J2=[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]/6为应力偏量第2不变量;α,K为与煤、岩内摩擦角φ和黏聚力c有关的试验常数，
当σ2=σ3时，可将式(2)简化为
(3)
当σ2=σ3=0时，可得远离煤岩交界面处煤岩体的强度为
(4)
由式(3)和(1)可得交界面处煤体强度为
(5)
式中，
由式(5)可知，在RCR组合体中，由于泊松比的差异性交界面处煤体强度大于远离交界面煤体的强度，交界面处煤体强度被“强化”;同理可得交界面处砂岩强度小于远离交界面砂岩的强度，砂岩强度被“弱化”。
3 RCR组合体变形破坏能量演化规律
煤岩损伤破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象，研究RCR组合体破坏过程中的能量变化规律及其与强度和整体破坏之间的联系，将更有利于反映外载作用下RCR组合体强度变化与整体破坏的本质特征[19]。根据热力学第1定律(假设外力做功时组合体与外界没有热量交换)，外力对组合体做功所产生的总能量Uo为弹性能Ue和耗散能Ud之和[20]。
Uo=Ue+Ud
(6)
由单轴压缩试验中煤岩单元体能量转化关系(图7)，基于微积分思想可得总能量Uo计算式:
Uo=
σidε
(7)
式中，σi为应力-应变上任一点应力，MPa;εc为峰值应力对应的应变。
由组合体单轴压缩加卸载试验可知，峰值前卸载路径与加载曲线斜率基本一致[10]。因此，可由式(8)和式(9)计算获得试件受载时耗散能Ud与内部储存弹性能Ue:
(8)
(9)
式中，σc试件峰值强度，MPa;Δεe为可恢复应变。
峰后释放能Uf为应力-应变曲线从εc至εf包络线的面积，其计算式为
Uf=
σidε
(10)
式中，εf为应力-应变曲线的最大应变。
组合体发生承载失效后，峰前弹性能Ue一部分转化为峰后释放能Uf，一部分转化为盈余能Uy，盈余能大小与煤岩体破坏时动力显现强度直接相关。盈余能Uy计算式为
(11)
图7 煤岩体单元中能量转化关系
Fig.7 Energy transformation relationship in coal and rock mass units
由式(6)～(11)计算可得组合体加载过程中各能量值，见表3。在组合体加载阶段外界能量不断输入，一部分转化为耗散能表现为组合体的塑性变形以及微裂隙萌生、扩张等细观损伤，其余能量以弹性能的形式储存在组合体中;组合体达到峰值应力发生失稳破坏时，组合体内储存的弹性能转化为峰后释放能Uf使岩石内部裂隙贯通造成组合体宏观破裂失稳和盈余能Uy煤岩粉发生动力突出。由表3可知，随着煤高比的增大，煤岩体储存的弹性能、盈余能逐渐降低，弹性能与总能量的比值变化较小分别为58.24%,54.39%和56.12%，说明组合体达到峰值强度发生宏观失稳破坏时，所需要外部输入的能量逐渐降低，破坏时动力强度也逐渐降低;当煤岩高比为3∶4∶3时，组合体RCR40-3盈余能为0.1，说明外力做功大部分被消耗于组合体的损伤破坏。因此，在同等条件下，煤岩高比越小，煤岩体越不易发生失稳破坏，在破坏时动力显现愈发猛烈。
表3 RCR组合体加载过程中能量值
Table 3 Energy values of coal-rock combined specimen during loading
组合体编号总能量/(J·m-3)平均值/(J·m-3)弹性能/(J·m-3)平均值/(J·m-3)盈余能/(J·m-3)平均值/(J·m-3)弹性能占比/%RCR20-124.3523.4213.0813.6411.7110.058.24RCR20-322.4914.198.30RCR30-118.8511.385.36RCR30-219.9119.2110.7610.456.165.7554.39RCR30-318.899.215.74RCR40-111.625.914.04RCR40-213.4612.178.976.833.242.4656.12RCR40-311.435.620.10
4 RCR组合体裂纹扩展特征及失稳破坏形态
4.1 煤岩细观参数标定
为获得RCR组合体受载时煤岩体的损伤演化规律，分析组合体损伤破坏的内在机理，利用PFC2D数值模拟软件建立了煤岩组合数值模型。在建立数值模型前，对纯煤、岩样在单轴压缩下进行了细观参数的标定，以保证RCR组合体在外载作用下有客观的力学响应特征，标定获得煤岩细观力学参数结果见表2。
表2 煤岩细观力学参数
Table 2 Microscopic mechanical parameters of coal and rock
细观参数砂岩煤样颗粒、黏结键的变形模量/GPa9.5,9.51.5,1.5颗粒、黏结键的法向与切向刚度比1.5,1.51.2,1.2黏结键的法向、切向强度/MPa65,608,8颗粒密度/(kg·m-3)2.691.37
4.2 RCR组合体力链演化与破坏形态分析
由组合体瞬时失稳前后力链演化和损伤破坏形态可知(图8)，组合体瞬时失稳前，煤岩损伤主要集中在煤体中，岩石几乎不发生破坏。当煤岩高比为4∶2∶4时，RCR组合体宏观破坏主要表现为煤样右侧的拉伸弹射和内部微裂隙的萌生;煤岩高比为3.5∶3∶3.5时，RCR组合体宏观破坏表现为煤样右侧的拉伸抛射和内部的剪切破坏，剪切破坏面与水平方向夹角分别为52°和50°;煤岩高比为3∶4∶3时，组合体以剪切破坏为主，剪切面与水平方向夹角为61°;因此，在RCR组合体瞬时失稳前，随着煤岩高比的变化，煤体发生不同程度和不同形式的破坏，且剪切裂纹从煤样扩展至煤岩交界面时裂纹扩展路径被阻隔，在裂纹尖端形成强力链。
随着轴向应力的增加，当轴向应力大于某一临界值时，煤体中的裂纹越过煤岩交界面发育至岩石中，RCR组合体发生整体性破坏。当煤岩高比为4∶2∶4，煤体剪切裂纹越过煤岩交界面发育到砂岩顶、底板时，裂纹倾角(裂纹与水方向的夹角)由煤体中的41°分别偏转为65°,82°，顶板砂岩发生径向拉伸破坏;煤岩高比为3.5∶3∶3.5时，煤体裂纹发育到顶、底板岩石中时裂纹倾角由50°分别偏转为84°,73°，砂岩发生拉伸劈裂;当煤岩高比为3∶4∶3时，煤体裂纹倾角为65°，发育到顶板时偏转为85°，发育到底板时偏转为94°。由裂纹在RCR组合体中的扩展形态可知，虽然煤体裂纹发育至砂岩中时裂纹倾角的差异性较大，但整体表现出由煤体发育至岩石中裂纹倾角增大的特点。由于裂纹扩展能力、速度和角度的不同，RCR组合体破坏失稳时，呈现出不同的破坏形态，但破坏形式具有相似性，其中煤体以剪切破坏为主伴随着煤体帮部颗粒的弹射和剥落，顶底板砂岩则以拉伸劈裂破坏为主，且由于煤体裂纹较为发育使得组合体失稳后煤体较为破碎，与煤体相比砂岩破坏后完整性相对较好。
图8 RCR组合体力链演化和损伤破坏形态
Fig.8 Force chains evolution and damage patterns of coal-rock combined specimen
图9 RCR组合体应力-能量特征曲线
Fig.9 Stress-energy characteristic curve of coal-rock combined specimen
5 RCR组合体渐进破坏与声发射演化规律
选取RCR20-3,RCR30-3和RCR40-3对组合体渐进破坏过程中应力和声发射的变化规律以及组合体变形破坏特征进行分析。图9为各试样单轴压缩下应力、声发射能量曲线及宏观变形破坏示意图。
由图9可知，随着轴向应力的加载，声发射能量具有明显的阶段性特征，根据声发射能量信号的数量和峰值大小，可将组合体渐进破坏分为波动区，静寂区，活跃区，骤增区4个区域。
在初始能量波动区(A阶段)，RCR组合体主要发生原生裂隙和煤岩接触面的压缩密实，期间有少量的声发射信号，声发射能量值出现较小的波动。随着轴向应力的增大，组合体渐进破坏进入静寂区(B阶段)，RCR组合体发生弹性变形，煤体发生明显的径向鼓胀变形，此阶段声发射信号能量值几乎为0。
当轴向应力达到RCR组合体峰值强度的75%左右时，组合体渐进破坏进入活跃区(C阶段)，RCR组合体出现宏观起裂破坏，声发射能量值出现“脉冲”式突增。在t=204 s时，组合体RCR20-3煤体率先发生颗粒弹射，随着轴向应力的增大，煤体表面持续发生张拉破坏，并伴有清脆的噼啪声响，煤样破碎体以小块煤粒为主，煤体破坏时声发射信号较多，声发射信号最大值为2 168。组合体RCR30-3宏观损伤始于煤样表面的张拉抛射，而后在t=186 s时，煤体表面出现剪切裂纹的扩张，对应声发射能量值为6 345;组合体RCR30-3宏观损伤破坏，与瞬时失稳前煤岩高比为3.5∶3∶3.5的数值模型损伤破坏过程相同，验证了数值模型的可靠性。与RCR20-3和RCR30-3不同，组合体RCR40-3发生宏观破坏时，煤体表面颗粒弹射较少，其损伤破坏主要集中在煤体内部剪切裂纹的扩张与贯通，裂纹在煤体表面呈X-共轭状分布，裂纹扩展释放瞬时弹性波，对应发射能量值为1 982。由上述分析可知，在活跃区，RCR组合体的损伤破坏发生质的变化，煤体内部裂纹快速交叉、贯通，煤样发生剪切或张拉破坏，煤体发生损伤破坏时伴随着弹性能的集聚和释放，对应声发射能量信号值较为密集，出现若干峰值。
当轴向应力接近RCR组合体峰值强度时，组合体渐进破坏进入骤增区(D阶段)，声发射能量值发生突增，大小约为煤样破坏时的4～5倍。在t=285 s时，组合体RCR20-3发生整体性失稳，顶底板砂岩发生拉伸劈裂破坏，对应声发射能量峰值大小为9 968;砂岩破坏后积聚在其中的弹性能释放，煤体发生严重的压剪破坏并伴随着颗粒抛射，且颗粒抛射动能较大，破碎颗粒弹射范围较远。组合体RCR30-3，在t=202 s时，煤体压剪裂纹延展至岩石中，底板砂岩发生劈裂破坏，对应声发射能量峰值大小为15 980;砂岩发生破坏时，伴随着煤体帮部的块片的剥落，组合体煤样发生大块煤粒的倾出。组合体RCR40-3，在t=123 s时，煤体X-状共轭剪切裂纹延展至底板砂岩中，致使底板砂岩发生严重拉伸劈裂破坏，砂岩破裂体较为粉碎，砂岩破坏时伴有响亮的爆鸣声和煤岩粉尘的扬起，对应声发射能量峰值大小为7 856。综合上述分析可知，随着煤岩高比的增大，组合体发生宏观起裂破坏和瞬时失稳破坏的时间逐渐降低。由于砂岩的脆性较强，破坏过程极为短暂，所以相比于活跃区，骤增区持续时间较短，声发射信号较少，但其声发射能量达到历史最大。
RCR组合体渐进失稳破坏特征可知，由于煤岩交界面处煤体强度得到“强化”，砂岩强度相对“弱化”，当组合体渐进破坏进入骤增区，交界处应力大于“弱化”砂岩强度时，顶底板砂岩开始起裂，煤体裂纹越过煤岩交界面快速扩展至顶底板砂岩中，煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏，砂岩破坏后释放大量能量传递至煤样中，加剧了煤体的损伤破坏程度和动力显现强度，形成了煤体和顶底板砂岩破坏的互馈机制。
6 煤岩体动力监测预警防控技术
由上述分析可知，煤岩组合体的变形失稳表现出明显的渐进非连续的破坏特征，经历了从静态到动态、从渐变到瞬变的过程;随着煤岩高比的增大，组合体发生整体性瞬时承载失效的时间越短，盈余能逐渐降低，组合体破坏时的动力显现逐渐减弱，外界输入的总能量几乎全部转化为耗散能和释放能，促使组合体发生严重损伤破坏，因此降低采高可对煤岩动力灾害的发生起到一定抑制作用。随外载的增大，声发射能量信号有着明显的时段差异性，当煤岩组合体发生渐变破坏时，声发射信号较为密集、频率较大，声发射能量峰值较小;当煤岩组合体渐进破坏由渐变转变到瞬变时，声发射信号频率明显降低，声发射能量值发生突增。由此可知，声发射信号与煤岩体的失稳破坏具有良好的同步性，可作为矿井煤岩动力灾害的前兆信息之一[21]。根据煤岩体时段声发射的时频、时空特性，可对煤岩体的大范围瞬时失稳破坏开展监测预警技术研究，实现煤岩动力灾害危险的实时监测及超前预警[22]。
7 结 论
(1)煤体强度对RCR组合体的整体强度影响较大;随着煤岩高比的增大，RCR组合体单轴抗压强度和弹性模量均逐渐降低;受泊松效应的影响，煤岩交界面处煤体强度得到“强化”，砂岩强度被“弱化”。
(2)随煤岩高比的增大，RCR组合体破坏失稳时所需要外界输入的能量和盈余能逐渐减小，发生整体性瞬时承载失效的时间也越短;当煤岩高比为3∶4∶3时，RCR40-3盈余能为0.1，外力做功大部分被消耗于组合体的损伤破坏，瞬时破坏时动力显现较弱。
(3)煤体破坏形式以剪切破坏为主，顶底板砂岩以张拉劈裂破坏为主;煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏，而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度。当煤体裂纹与煤岩交界面交汇处的强应力链大于砂岩“弱化”强度时，煤体裂纹迅速发育至岩石中，砂岩破坏后释放大量能量传递至煤样中，促使煤体破坏时动力显现更加剧烈。
(4)RCR组合体受载时，声发射信号具有明显的阶段性特征。在波动区和静寂区，声发射信号较少，且能量值较小;进入活跃区，煤体发生局部破坏，声发射信号较为密集，声发射能量值出现“脉冲”式突增;当RCR组合体发生整体性失稳时，声发射信号频率明显降低，但声发射能量值迅速升高并达到最大。根据煤岩组合体渐变破坏不同区段声发射前兆信息的特征，可对煤岩体的瞬时失稳破坏实现实时监测及超前预警。
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