兰永伟，高红梅，张国华，李兴伟，朱文博

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 100819；2.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；3.黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

0 引 言

煤矿生产过程中，随着采深的增大，煤岩体所受的地压增大，诱发的冲击地压等动力灾害越来越多，严重危害着煤矿的安全生产[1-5]。对多种工作面回采方式的研究表明[6]，煤矿开采过程中除引起煤体变形破坏外，还引起煤体顶底板的变形破坏，在它们共同作用下产生煤岩互层的整体失稳破坏，开采过程需既要考虑单元煤岩体的力学性质，同时也要考虑岩层与煤层之间的相互作用。因此，研究不同组合比例条件下煤岩组合体峰前、峰后变形能变化规律，对于现场工程实践具有十分重要的现实意义。

国内外许多学者对煤岩组合体力学特性进行了研究。PETUKHOV等[7]分析了两体系统和“坚硬顶底板-薄层”系统的稳定性问题，最早提出了煤岩体整体稳定性问题。左建平等[8-10]通过MTS815试验机研究了煤岩体分级加卸载过程中的破坏特性以及单体岩石、单体煤和煤岩组合体在单轴试验下的声发射特性，研究了不同开采卸荷条件下的应力路径对围岩的力学行为影响，以及不同围压作用下煤-岩组合体破坏行为及强度特征。郭东明等[11]分析了煤岩组合不同倾角对煤岩组合体整体变形破坏的影响。刘杰等[12]研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等，分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响。窦林名等[13]研究了组合煤岩体试样的变形破裂规律及冲击倾向性。兰永伟等[14]研究了不同组合条件下煤岩组合体的强度、弹性模量、冲击倾向性等力学特性。上述研究主要针对组合整体进行了稳定性、声发射、破坏特征、影响因素相关研究，而对不同组合形式、不同组合单元对煤岩体峰前、峰后变形能影响规律仍迫切需要深入研究。

本文结合现场围岩体赋存情况，对不同组合类型、不同组合单元高度比例下的组合体进行单轴压缩试验，分析了不同组合条件下、不同组合单元对煤岩组合体的峰前、峰后变形能影响，为峻德煤矿井下开采设计及开采过程中冲击地压的防治研究提供了参考。

1 试验研究

1.1 试验方案

煤岩样来源于峻德煤矿，采用TAW-2000KN微机控制电液伺服岩石试验系统进行试验。试件加工遵照《煤和岩石物理力学性质测定方法》的规定执行。试验中煤用C表示、细砂岩用F表示、粗砂岩用G表示。为了研究组合单元煤、细砂岩、粗砂岩及不同组合类型下，组合体峰前、峰后能量变化规律，把组合单元煤、细砂岩、粗砂岩加工成标试件，同时设计了FCG组合体和FGC组合体，两种组合体相比只是组合单元煤位置不同，组合单元高度所占比例相同。FCG组合体组合单元按高度比1∶1∶1、2∶1∶1、3∶1∶1、2∶1∶2、1∶1∶2、1∶1∶3制作、FGC组合体组合单元按高度比1∶1∶1、2∶1∶1、3∶1∶1、2∶2∶1、1∶2∶1、1∶3∶1制作，为了减小误差，各种比例条件下组合体各自制作了3组试件，然后取平均值进行研究。

组合体全应力-应变曲线所围面积以峰值强度点为界，可以分为左右两个部分，左半部分面积代表达到峰值强度时，峰前积聚的变形能；右半部分面积代表试件从破裂到破坏整个过程所消耗的能量。 按照这个原理，实验系统对数据进行了处理，试验后峰前、峰后变形能具体数值计算机软件开发系统直接提供。

1.2 煤、岩样单轴实验

采用TAW-2000KN微机控制电液伺服岩石试验系统，用位移控制加载的方式对加工好的试件进行变形破坏实验。具体参数见表1(C代表煤、F代表细砂岩、G代表粗砂岩)。按照国家标准加工成标准试件，利用岩石试样加工设备分别对细砂岩、煤、粗砂岩进行取芯、切割、打磨制成试验试件。制成标准试件的煤岩样见图1。

1.3 不同组合条件下煤岩样单轴实验

按照试验方案设计好的组合体组合单元比例，把煤岩样切割成小的组合单元，上下端打磨光滑，用AB胶体按照设计比例把各组合单元黏合形成组合体，组合体近似标准试样，组合单元、组合体试样，如图1所示。

2 结果分析

通过单轴压缩实验，获得不同比例条件下组合体峰前积聚的变形能和峰后消耗的变形能，具体数据见表2。

表1 煤岩样相关参数

图1 煤岩样照片

Fig.1 Photos of coal and rock samples

表2 煤岩组合体相关参数

2.1 峰前变形能

由表1、表2和图2(a)可知，随着组合件中细砂岩高度所占比例的增大，FCG组合体、FGC组合体峰前积聚的变形能呈波动性变化。 从整个变形曲线来看，FCG组合体变形波动小，FGC组合体变化大，FCG组合体峰前所积聚的变性能均值0.249 kJ，FGC组合体峰前所积聚的性能均值0.400 kJ，相比来说FGC组合体峰前积聚的变形能大于FCG组合体积聚的变形能；FCG组合、FGC组合体峰前积聚的变形大于煤体峰前积聚的变形能0.096 kJ，小于细砂岩(17.08 kJ)、粗砂岩(2.757 kJ)峰前积聚的变形能。由表1、表2和图2(b)可知，随着组合件中粗砂岩高度所占比例的增大，FCG组合体峰前积聚的变形能是波动性变化，先增大后减小，总体趋势是减小，FGC组合体峰前积聚的变形能是波动性变化，先减小后增大再减小。但从曲线变化来看，FGC组合体变化大。

由表1、表2和图2可知，整个细砂岩、粗砂岩高度比例变化过程中，FCG组合体在细砂岩、煤、粗砂岩高度所占比均为33%时，峰前积聚能量最大；FGC组合体在细砂岩、粗砂岩高度所占比例均为40%，煤高度所占比例为20%时，峰前积聚能量最大。说明每种组合体都存在一组组合单元高度比，在此条件下，组合体峰前积聚变形能最大。FCG组合体煤上部是细砂岩，下部是粗砂岩，FGC组合体煤上部是粗砂岩、细砂岩，下部是实验平台加压板，加圧板刚度比粗砂岩大，在夹持作用下，FGC组合体更容易存储变形能，峰前积聚的变形能大。由于组合单元自身组成及组合体在加工过程中各组合单元接触面胶体黏合，造成组合体积聚的变形能呈波动性变化。从实验数据及变化曲线来看，组合体组合类型及组合体组合单元所处位置对峰前能量积聚有大的影响。

图2 不同组合、细砂岩、粗砂岩高度所占比例不同条件下组合体峰前能积聚的变形能变化图

Fig.2 The deformation energy variation diagram of pre-peak energy accumulation of the composite with the different combination,proportion of the fine sandstone and the coarse sandstone height

按照实验设计方案，同种类型组合体，在不同比例组合体中，选取细砂岩、粗砂岩高度比例相同、煤所占高度比相同的组合体进行比较。由表2和图3(a)可知，在细砂岩、粗砂岩高度所占比例在20%、25%、33%变化过程中，组合体煤所占比例变化过程为20%、25%、33%，对应的粗砂岩、细砂岩比例变化过程为60%、50%、33%。比较可以得出，组合体峰前积聚的变形能受细砂岩高度比例影响大，究其原因与各自组合体组成单元高度比例有关。细砂岩、粗砂岩高度比例在20%条件下，各自组合体中煤高度比例是20%，对应组合体中粗砂岩60%，细砂岩60%，除去相同因素20%煤、20%细砂岩、20%粗砂岩，细砂岩组组合体还有40%粗砂岩，粗砂岩组组合体还有40%细砂岩，此时粗砂岩组峰前积聚的变形能大，起决定作用的是粗砂岩组组合体中剩余的40%细砂岩，所以组合体中细砂岩、粗砂岩在高度比例所占20%条件下，细砂岩高度所占比例是决定组合体峰前积聚变形能大小的主要因素。

同理，细砂岩、粗砂岩高度所占比例25%时，得出的结论与上述相同。细砂岩、粗砂岩高度比例变化过程为40%、50%、60%时，煤变化过程为20%、25%、20%，对应的粗砂岩、细砂岩高度比例变化过程为40%、50%、60%。细砂岩、粗砂岩在同比例比较时，组合体中煤所占比相同。细砂岩、粗砂岩高度比例在50%条件下，各自组合体中煤高度比例是25%，对应组合体中粗砂岩25%，细砂岩25%，除去相同因素25%煤、25%细砂岩、25%粗砂岩，细砂岩组组合体还有25%细砂岩，粗砂岩组组合体还有25%粗砂岩，此时细砂岩组峰前积聚的变形能大，起决定作用的是细砂岩组组合体中剩余的25%细砂岩，所以组合体中在细砂岩、粗砂岩在高度比例占50%的条件下，细砂岩高度所占比例是决定组合体峰前积聚变形能大小的主要因素。同理细砂岩、粗砂岩高度所占比例60%时，得出的结论与上述相同。

由表2和图3(b)可知，组合体峰前积聚的变形能大小受细砂岩、粗砂岩高度比例交替影响，表现在图3(b)中就是曲线在该过程中相交，假设交点对应处横坐标为a%，添加分析方法同上，高度比例在[20%～a%)条件下，同高度比例的细砂岩、粗砂岩形成的组合体，粗砂岩组聚积变形能大，比较可知细砂岩高度所占比例是决定组合体峰前积聚变形能大小的主要因素；高度比例在(a%～33%)条件下，同高度比例的细砂岩、粗砂岩形成的组合体，细砂岩组聚积变形能大，比较可知粗砂岩高度所占比例是决定组合体峰前积聚变形能大小的主要因素。随着组合件中细砂岩、粗砂岩高度比例变化呈40%、50%、60%增大，在此变化过程中曲线有交点，假设交点对应处横坐标为b%。高度比例在(40%～b%)条件下，同高度比例的细砂岩、粗砂岩形成的组合体，粗砂岩组聚积变形能大，比较可知粗砂岩高度所占比例是决定组合体峰前积聚变形能大小的主要因素；高度比例在(b%～60%]条件下，同高度比例的细砂岩、粗砂岩形成的组合体，细砂岩组聚积变形能大，此时细砂岩高度所占比例是决定组合体峰前积聚变形能大小的主要因素。

图3 相同组合类型、相同高度所占比例、不同组合单元条件下组合体峰前能积聚的变形能变化图

Fig.3 The deformation energy variation diagram of pre-peak energy accumulation of the composite with the same combination type,the proportion of the same height and the different combination elements

2.2 峰后消耗的变形能

由表1、表2和图4中(a)可知，随着组合件中细砂岩比例呈20%、25%、33%、40%、50%、60%增大，FCG组合体、FGC组合体体峰后消耗的变形能呈波动性变化，FCG组合体变形波动小，FGC组合体变化大。组合单元在相同比例不同位置条件下，FCG组合体峰后消耗的变性能平均为0.133 kJ，FGC组合体峰前所积聚的变性能平均为0.199 kJ，相比来说，FGC组合体峰后消耗的变形能大于FCG组合体峰后消耗的变形能；FCG组合体、FGC组合体峰后消耗的变形能大于煤体峰后消耗的变形能0.019 kJ，小于细砂岩(8.003 kJ)、粗砂岩(0.988 kJ)峰后消耗的变形能。说明组合体组合形式及组合体组合单元所处位置对峰后消耗的变形能有大的影响。由表1、表2和图4(b)可知，随着组合件中粗砂岩高度所占比例呈20%、25%、33%、40%、50%、60%的增大，FCG组合体峰后消耗的变形能是先减小后增大再减小，呈波动性变化；FGC组合体峰后消耗的的变形能是先减小后增大再减小、增大，呈波动性变化。 但从曲线变化来看，FGC组合体变化更大。

由表1、表2和图4可知，FCG组合体、FGC组合体在细砂岩、粗砂岩高度所占比均为40%时，峰后消耗的变形能最大，说明每种组合体都存在一组最佳组合单元高度比，在此情况下，组合体峰后消耗的变形能最大。

由表2和图5(a)可知，在细砂岩、粗砂岩高度所占比例在20%、25%、33%变化过程中，比较可以得出组合体峰后消耗的变形能大小受细砂岩、粗砂岩高度比例交替影响，表现在图5(a)中就是曲线在该过程中相交，假设交点对应处横坐标为c%，高度比例在[20%～c%)条件下，同高度比例的细砂岩、粗砂岩形成的组合体，粗砂岩组消耗的变形能大，组合体中在细砂岩、粗砂岩在高度比例所占20%条件下，细砂岩高度所占比例是决定组合体峰后消耗变形能大小的主要因素；同理细砂岩、粗砂岩高度所占比例小于c%时，得出的结论与上述相同。高度比例在(c%～33%)条件下，粗砂岩高度所占比例是决定组合体峰后消耗变形能大小的主要因素；随着组合件中细砂岩、粗砂岩高度比例呈40%、50%、60%增大，组合体峰后消耗的变形能大小受细砂岩、粗砂岩高度比例交替影响，表现在图5(a)中就是曲线在此过程中相交，假设交点对应处横坐标为d%，细砂岩、粗砂岩高度比例在(40%～d%)条件下，粗砂岩高度所占比例是决定组合体峰后消耗变形能大小的主要因素；高度比例在(d%～60%]条件下，同高度比例的细砂岩、粗砂岩形成的组合体，细砂岩组消耗的变形能大，细砂岩高度所占比例是决定组合体峰后消耗变形能大小的主要因素。

图4 不同组合、细砂岩、粗砂岩高度所占比例不同条件下组合体峰后消耗的变形能变化图

Fig.4 The deformation energy variation diagram of post-peak energy consumption of the composite with the different combination,the proportion of fine sandstone and coarse sandstone height

图5 相同组合类型、相同高度所占比例、不同组合单元条件下组合体峰后消耗的变形能变化图

Fig.5 The deformation energy variation diagram of post-peak energy consumption of the composite with the same combination type,the proportion of the same height and the different combination elements

由表2和图5(b)可知，在细砂岩、粗砂岩高度所占比例在20%、25%、33%变化过程中，对比以上组成可以得出，粗砂岩高度所占比例是决定组合体峰前积聚变形能大小的主要因素；同理25%条件下也可得出上述结论。粗砂岩高度比例呈40%、50%、60%变化时，组合体中细砂岩呈40%、25%、20%变化，煤呈20%、25%、20%变化。细砂岩、粗砂岩高度比例在50%条件下，粗砂岩高度所占比例是决定组合体峰后消耗变形能大小的主要因素；同理60%条件下也可得出上述结论。(说明：FGC组合体组合比例为1∶1∶1和2∶2∶1时，细砂岩、粗砂岩高度所占比例相等分别为33%和40%，此时测得峰前、峰后消耗的变形能相等，所以无法比较。)

3 结 论

1) FCG组合体峰前变形能介于0.210～0.321 kJ之间，峰后消耗变形能介于0.108～0.180 kJ之间，FGC组合体峰前变形能介于0.176～0.689 kJ之间，峰后消耗变形能介于0.069～0.315 kJ之间，煤峰前0.096 kJ，峰后0.019 kJ，细砂岩峰前17.08 kJ，峰后8.003 kJ；粗砂岩峰前2.757 kJ，峰后0.988 kJ。FCG组合体、FGC组合体与组合单元煤、细砂岩、粗砂岩峰前、峰后变形能相比，组合体峰前、峰后变形能大于煤的变形能，小于细砂岩和粗砂岩的变形能。

2) 组合体组合类型不同，对组合体峰前、峰后变形能影响不同。组合单元煤所处位置对组合体峰前、峰后有较大影响。随着组合体中细砂岩、粗砂岩高度比例的增大，组合体峰前、峰后变形能变化FGC组合体大于同比例下的FCG组合体。FCG组合体在细砂岩、煤、粗砂岩高度所占比均为33%时，峰前积聚能量最大，在细砂岩、粗砂岩高度所占比例均为40%，煤高度所占比例为20%时，峰后消耗的变形能最大；FGC组合体在细砂岩、粗砂岩高度所占比例均为40%，煤高度所占比例为20%时，峰前积聚变形能和峰后消耗的变形能最大。

3) 细砂岩、粗砂岩在各自所占比例相同条件下，组合体峰前积聚的变形能大小主要影响因素由组合单元高度所占比例决定，不同比例下，细砂岩、粗砂岩组合单元所起的作用不同。粗砂岩、细砂岩高度所占比例在20%、25%、33%、40%、50%、60%变化时，FCG组合体，细砂岩是决定组合体峰前积聚变形能的主要因素，峰后消耗的变形能受细砂岩、粗砂岩所占高度比交替影响；FGC组合体，峰前积聚变形能受细砂岩、粗砂岩所占高度比交替影响，粗砂岩所占高度比是决定组合体峰后消耗变形能的主要因素。