摘要
煤层开采将导致其与顶底板共同组成的力学系统改变原有平衡状态，系统内部发生能量的快速积聚与耗散，不同煤层厚度比势必影响能量的传递和扩散路径。通过对不同厚度比的岩-煤-岩组合体开展单轴压缩试验，研究组合体力学特征及其能量演化特征，揭示煤-岩井巷围岩层间的破坏变形规律。研究结果表明：不同煤层厚度比组合体渐进性破坏中，稳定损伤期为主要的储能阶段，弹性应变能Ue随着轴向应变增加呈现线性变化，失稳破坏期间以释放和耗散为主；随着煤层厚度比的增加，组合体能量耗散率逐渐增大，煤层厚度比 hcou=0.5时能量耗散率分别为 hcou=0.1、hcou=0.2、hcou=0.3时的 5.02、1.10、1.01倍；根据组合体破坏形态及PFC颗粒流软件模拟结果，随着煤层厚度比hcou的增大，组合体中部煤层压裂破坏趋势显著增强，岩层区域衍生裂隙发展程度低、煤层断裂次生裂纹增多，导致破坏强度不断增强；该研究成果对于了解不同煤层厚度比组合体及地层变形破坏规律与能量演化特征具有重要意义。
Abstract
Coal seam mining alters the original equilibrium state of the mechanical system formed by the coal seam and the roof and floor plates, leading to rapid energy accumulation and dissipation within the system. The ratio of different coal seam thicknesses inevitably affects the paths of energy transfer and diffusion. Through uniaxial compression tests on rock-coal-rock composite bodies with varying thickness ratios, this study investigates the mechanical characteristics of the composites and their energy evolution, revealing the deformation and failure patterns in the surrounding rock of coal and rock tunnels. The elastic strain energy (Ue) shows a linear increase with axial strain, while the absorbed energy is primarily released and dissipated during the instability and failure period. As the coal seam thickness ratio increases, the energy dissipation rate of the composite gradually rises, with energy dissipation rates of 5.02, 1.10, and 1.01 times at thickness ratios of hcou=0.1, hcou=0.2, and hcou=0.3, when hcou=0.5. Furthermore, with an increasing coal seam thickness ratio (hcou), The trend of crack damage in the middle coal layer of the composite significantly intensifies. The development of derived fractures in the rock layer remains low, while the number of secondary cracks in the coal layer increases, leading to a continuous enhancement of failure strength. These findings are significant for understanding the deformation, failure patterns, and energy evolution characteristics of composites with different coal seam thickness ratios and their surrounding strata.
0 引言
随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，开采方式不可避免地转为深部矿井开采，由于深部地层的地质结构、地应力、岩层赋存较为复杂，使煤炭资源安全开采面临着极大挑战（谢和平等，2021）。而开采过程多数是在煤-岩层组合系统内进行，煤层和岩层之间的界面特性、断裂特征及岩性差异等，均是影响工程灾害发生的重要因素，极有必要研究煤岩组合结构力学特征（Wang et al.，2020；康红普，2021）。岩体受载发生变形破坏本质上是内部能量吸收、耗散和释放的转化，伴随半煤岩巷掘进和边角矿体回采的全过程（丁向勇等，2022）。因此，基于能量理论研究煤岩组合体变形破坏临界状态的规律具有重要意义。
结合实际工程情况，大多数学者是利用室内试验研究手段，对不同条件下煤岩组合结构的力学特征和能量演化规律开展了大量研究。通过对煤岩组合体开展单轴压缩试验，基于岩石能量耗散原理，建立了基于能量分析的差能失稳本构模型（左建平和宋洪强，2022；茹文凯等，2023）。伴随煤岩组合体破坏变形，通过对声发射累积数变化规律总结，揭示了煤岩组合体的变形破坏机制，研究结果可为工程灾害的信息预测与防治提供理论参考（李回贵等，2021；秦涛和任凯，2023）。对不同岩体的煤岩组合体开展循环加卸载的单轴压缩试验，采用多尺度的对比分析手段，得到了组合体能量演化规律，进而确定组合体变形破坏力学特征（杨磊等， 2020）。大量的试验表明，煤岩组合体的抗压强度更接近于较弱岩体的抗压强度，并随着岩层比例的增加，组合体的弹性模量也随之增大（杨俊鹏等， 2024）。通过对组合体试样开展不同应力路径下试验研究，明确了岩体峰前卸荷能量演化规律（戴兵等，2016）。相关研究也得出随着组合体内部层面数量增加，煤岩组合体的单轴压缩强度呈现降低趋势（郑建伟等，2023）。其他学者借助声发射、CT、 SEM 等手段，研究不同条件下煤岩组合体加载下的非线性力学特征（姜玉龙等，2019；杨科等，2020；李延河等，2023）。多数情况下层间破坏是导致岩体整体破坏失稳的触发条件，故对于矿山安全生产亟待揭示岩石层间破坏机理（陈光波等，2021）。但目前对煤岩组合体能量演化规律的研究，主要侧重于单轴、常规三轴和轴向加卸载方式不同方面，而对于组合体内部岩层赋存差异的试验研究相对较少 （余伟健等，2022）。因此，考虑不同煤层厚度比条件下，研究煤岩组合体力学特征和能量演化规律十分必要。
本文以内蒙古扎赉诺尔煤业有限责任公司灵泉矿七采区Ⅱ3煤层为研究对象，该煤矿位于扎赉诺尔煤田西翼中浅部，地理坐标为东经 117°41'07″~117°45'13″、北纬49°21'49″~49°25'10″。研究地层以红粉砂岩为主，含Ⅱ3厚煤层，受地壳运动影响较小，构造相对简单。故本文以不同煤层厚度比的煤岩组合体为研究对象，开展单轴压缩试验，对煤岩组合体加载中渐进性破坏全过程的能量演化规律展开研究，揭示不同煤层厚度比和能量演化的关联趋势，探究组合体在单轴压缩条件下的裂隙衍生机理和差异化变形破坏规律，为不同煤层厚度煤-岩围岩失稳与地层变形破坏预测和防治提供理论依据。
1 试验方案
1.1 试件加工制备
砂岩、煤岩均采自灵泉矿七采区Ⅱ3煤层矿区现场，将砂岩与煤岩原岩钻心切割、打磨制成直径 50 mm、不同高度的圆柱体，保证圆柱体端面平行度＜ 0.02 mm。矿区开采工作面为单煤层赋存地质条件，同时顶底板岩性可视为均质。因此，组合体按照 “砂岩-煤岩-砂岩”的顺序首尾相接，考虑岩层接触界面错动因素，煤-岩接触介质需满足强度高、厚度薄的前提条件（吴宝杨等，2022），故采用高强度云石胶充当煤-岩接触黏结介质，黏结强度达 105 MPa，黏合厚度＜1 mm。最终将不同厚度比的岩体组合成直径50 mm高度100 mm的标准试件。
根据现场地勘资料及实验室数据，矿区纯煤岩单轴抗压平均强度为13.67 MPa，红砂岩单轴抗压平均强度为35.85 MPa。试验中，煤岩组合体中部煤层分别为 0 mm、10 mm、20 mm、30 mm、50 mm 五种不同厚度，不同煤层厚度比值 hcou表示为煤层厚度/试件总高度，每组试件编号分别为：SCS-1、SCS-2、 SCS-3、SCS-4、SCS-5，每组 4 个相同煤层厚度的煤岩组合体。不同煤岩高度组合体制备示意及部分代表试件如图1所示。
图1部分不同煤层厚度比组合体制备示意及试件
1.2 试验方法及过程
单轴压缩试验中，采用辽宁工程技术大学的 TAW-2000 型液压伺服试验机，该试验机主要由微机控制系统、液压伺服系统组成，为自下而上加载方式，试验前将加载盘调制于水平状态，试件置于试验机上下加载台中心线位置，保证试件均匀受力。通过下部加载台调整煤岩组合体初始高度，布设一台工业相机辅助拍摄煤岩组合体的破坏过程。试验中以轴向变形 0.15 mm/min 的速度施加压缩荷载，微机控制系统自动采集应力、应变数据值，直至试件破坏；工业相机记录试件加载过程中的宏观破坏变形图像，并捕捉试验损伤破坏过程。不同煤层厚度煤岩组合体单轴压缩试验系统原理及试验情况如图2所示。
图2煤岩组合体单轴压缩试验过程
2 不同煤层厚度比组合体能量演化特性
2.1 岩石能量计算理论
岩石受荷变形本质上是能量非线性转化和演变的过程，内部能量耗散的宏观表现可等效为岩体的失稳破坏。岩石在受荷破坏过程中主要发生4种能量间的相互转化：能量输入、能量积聚、能量耗散及能量释放。不同煤层厚度比组合体，加载过程中伴随能量的转化。吸收的总能量一部分以弹性应变能形式储存于岩样内部，一部分以岩样损伤劣化形式消耗，另一部分则以与外界发生热交换等形式释放。故岩体吸收的总应变能 U 可表示为（Xie et al.，2009）：
(1)
式（1）中：Ue为弹性应变能（kJ·m−3）；Ud为耗散能（kJ·m−3）；U0 为以热能形式所释放的能量（kJ· m−3）。
试验过程均在实验室内进行，因而忽略试验中以热辐射及热交换形式释放的能量 U0，则岩石在应力-应变曲线中能量转化关系可由图3表示。
图3岩石内部能量转化关系示意图
在三维应力空间中岩体的能量可以表示为：
(2)
(3)
式（2）~（3）中：σ1、σ2、σ3为主应力；ε1、ε2、ε3为主应力方向上的总应变；εe1、εe2、εe3 为主应力方向上的弹性应变。
根据胡克定律，可得式（4）：
(4)
以煤岩组合体单轴应力-应变曲线进行分析，将 σ2=σ3=0 带入式（4）中，则总能量、弹性应变能及耗散能可表示为：
(5)
式（5）中：Ei为卸载弹性模量；σ1i为岩石破坏过程中每一点的应力值。
式（5）中所得到的 Ue为岩样卸载后所储存的弹性能，在试验中组合体一次性加载至破坏，因此卸载弹性模量 Ei无法确定，根据砂岩加卸载试验的结果，卸载弹性模量 Ei可用初始弹性模量 E0替代，故在计算Ue时，直接采用初始弹性模量E0（梁昌玉等， 2012）。故式（5）Ue可优化为：
(6)
2.2 基于能量理论组合体渐进性破坏分析
为分析不同煤层厚度比组合体能量损伤演化规律及其与应力-应变曲线映射关系，绘制煤岩组合体试件应力-应变、U、Ue和Ud变化曲线，因变化曲线具有共性发展规律，故列出代表性的对比分析结果，如图4所示。
图4不同煤层厚度比组合体力学及能量特征变化曲线
由图4可知，不同煤层厚度比组合体的能量间转化规律与应力损伤劣化过程基本一致，可分为初始损伤、稳定损伤、屈服加速损伤和失稳破坏4个阶段。
（1）初始损伤阶段AB：该阶段煤岩组合体的U、 Ue和 Ud随着轴向应变的增加呈现非线性的上凹型变化，吸收的总能量基本以弹性应变能的形式存储，主要是U和Ue间能量的转化。
（2）稳定损伤阶段BC：该阶段煤岩组合体的U、 Ue和Ud随着轴向应变增加呈现线性变化，试验机输入的能量大部分转化为弹性应变能 Ue，另一部分转化为损耗能Ud。
（3）屈服加速损伤阶段 CD：该过程中煤岩组合体进入屈服阶段，Ue曲线斜率继续增加，而 Ud曲线斜率逐渐减小，直至趋近于 0。弹性能累计达到最大值，试件处于临界平衡状态。
（4）失稳破坏阶段 DE：煤岩组合体达到峰值强度后迅速进入该阶段。主要原因是由于不同岩石性质的差异化，导致应力更易在强度较低的中部煤层区域集中，在不断的外力作用下，煤层中部裂隙尖端应力集中不断加剧，并快速延伸发展，使得集聚在岩体内部的弹性应变能突然释放，进而诱发两端砂岩弹性能释放，最终导致组合体整体弹性应变能的急剧降低，损耗能的骤然增大。此时，积存在岩体内的弹性应变能瞬间释放，使内部裂隙急剧贯通，承载能力大幅度降低。由于裂隙间的贯通和新裂隙的生成，试件逐渐丧失其承载能力，最终岩体表现出完全破坏。过程中损耗能也随着轴向应变增加而急速增大，弹性应变能则急速降低，并且损耗能与弹性应变能出现曲线交叉现象。随着煤层厚度比的增加，组合体试件呈现出明显的延性破坏。
此外，总能量U变化曲线在前期呈现上凹型，斜率变化大，能量吸收快，后期曲线斜率趋于恒定。弹性能应变能 Ue曲线呈现出先上升后下降的非线性关系。耗散能 Ud变化曲线呈现先缓慢增加后瞬间增大的趋势。
2.3 组合体能量间转化特征分析
岩石吸收外界的有效能量主要转化为弹性应变能，单位岩体内部弹性应变能随应变增加而不断加大，并伴随着岩石内部结构孔隙和宏观裂纹的衍生和扩张，从而消耗了部分吸收的能量，当岩石内部储存的弹性应变能集中释放时，岩体则突破能量存储临界状态而发生破坏。不同煤层厚度比组合体能量间转化指标值见表1，能量转化统计趋势如图5所示。
表1不同煤层厚度比组合体应力峰值时的能量值
根据表1中数据可以看出，煤岩组合体试样在应力峰值点处输入能量、弹性应变能量值，均随着煤层厚度比增大而逐渐降低，这是因为煤层厚度比越大，煤体占组合体的比重越高，组合体储能临界上限阈值越接近煤体，导致试件越快失稳破坏，故持续积聚能量的时间变短。如煤层高度hcou=0.5时，弹性能峰值分别为 hcou=0.1、hcou=0.2、hcou=0.3 时的 0.23%、0.39%、0.78%；而能量耗散率随着煤层厚度比的增加而逐渐降低，煤层厚度比hcou=0.5的组合体能量耗散率分别为 hcou=0.1、hcou=0.2、hcou=0.3 煤岩组合体的5.02、1.10、1.01倍。
根据图5中煤岩组合体能量间转化统计可知，煤岩组合体输入能量与弹性应变能量随煤层厚度增加逐渐降低，当煤层厚度hcou处于0.1~0.3时，输入能量与弹性应变能降低速率最快。这主要与两端砂岩储能极限有关，组合体整体发生失稳破坏往往是由煤岩引发，煤层峰后释放弹性能始发于中部区域，而两端岩层则始发于煤-岩接触界面。受岩层尺寸效应影响，岩层峰后释放弹性能触发阈值随着自身厚度增加而降低，当煤层厚度hcou为0.1~0.3时，煤层破裂后直接诱发岩层释放储存的弹性能，造成组合体峰后破坏所需时间缩短，导致组合体峰值点积累的弹性能较少。故煤层厚度在此区间的组合体，输入能量与弹性应变能降低速率较快。而当hcou 大于 0.3 后，煤层峰后释放弹性能不足以触发岩层释放储存的弹性应变能，此时岩层还处于弹性应变能储存阶段。故此时组合体输入能量与弹性应变能降低速率受煤层厚度增加影响较小。
图5不同煤层厚度比组合体能量转化统计
煤岩组合体能量损耗率随煤层厚度增加逐渐增大，其增大速率随煤层厚度变化的趋势与输入能量与弹性应变能基本一致，煤层厚度 hcou处于 0.1~0.3时，组合体能量损耗率增长速率较快，而当hcou小于0.1及hcou大于0.3时，组合体能量损耗率增长速率较慢。
3 不同煤层厚度比组合体变形特征及破裂模拟
利用 PFC 离散元法模拟煤岩组合体中的颗粒间相互作用，直观分析不同煤层厚度组合体裂隙发展规律及力学行为。不同煤层厚度组合体试件变形特征及破裂模拟如图6所示。
图6不同煤层厚度比组合体变形特征及破裂模拟
根据图6中煤岩组合体变形特征，可以明显的看出煤岩组合体宏观主裂隙（黄色实线）及次生裂纹的分布特征。总体来看，组合体试件的裂纹主要集中于煤层，且至少具有一条明显的贯穿煤层的剪切破坏主裂隙，逐渐向两侧翼状分布延伸裂纹。主裂隙数量随着煤层厚度增大而增加。
当煤层厚度较小时，如图6a所示 hcou=0.1时，组合体剪切破坏主裂隙周边分布大量的次生裂纹，剪切破坏主裂隙甚至扩展至两端岩层，次生裂纹与加载方向接近垂直分布，说明高强度接触界面的限制作用较为明显，此时拉伸破坏占据主导，煤层与岩层发生协同破坏。通过 PFC 破裂模拟结果也可看出，煤岩组合体内部微观结构颗粒间裂隙演化集中在中间部位，且煤层与岩层间相互贯通，与组合体变形特征基本吻合。
随煤层厚度的逐渐增加，如图6d所示 hcou=0.5 时，煤层中部出现明显的剥落，而岩层基本保持完好的现象，这是由于煤层裂纹快速积聚，在单位时间内弹性应变能释放过多，且未触发岩层释放储存的弹性应变能。结合 PFC数值模拟结果，组合体内部颗粒间裂隙扩展存在明显终止面，位于煤-岩层交界面区域，从微观裂隙演化层面印证了组合体宏观破坏变形特征。通过组合体试件变形特征及PFC 离散元模型，从宏观破坏及微观演化方面，充分的验证了上一节中能量转化速率和煤层厚度之间的关系。
4 讨论
借助煤岩组合体模型，可直观反映煤炭资源开采中原始地层分布情况，通过分析组合体模型力学行为，较为真实地得到煤层与岩层间的协同破坏机制与规律。煤岩组合体岩体不同尺度分布及强胶结交界面，不仅决定组合体变形破裂行为，也直接影响其内部能量耗散和释放的规律。本研究中，在不同煤层厚度组合体试件单轴压缩试验研究的基础上，分析了组合体变形破裂过程中的能量演化特征，探究了煤岩组合体耗散应变能、抗压强度以及煤层厚度之间的相关性，从能量的角度揭示煤-岩协同破坏过程中应力释放和耗散的机制。得到了随着煤层厚度的增加，组合体弹性应变能Ue峰值逐渐降低，能量耗散率逐渐增大的结论，并确定出组合体协同激发破坏高敏感阈值范围是 hcou=0.1~0.3。煤体弹性应变能Ue峰值低于岩体，煤体先于岩体释放弹性能，进而引发不可逆的热力学破坏过程，且煤层厚度决定最终组合体破坏形态。与此类似，前人针对不同岩性及组合方式也得到相近结论（李川和张明，2018；雷顺，2023）。不同于上述研究结果，本研究试验对象建立于煤-岩间强胶结构造基础上。
岩石破坏过程本质上是能量转化中的一种状态失稳阶段，当输入能量超过岩体内部储能极限后，岩石内部能量将瞬间转移或耗散，在此过程中，岩石特性、孔裂隙分布及赋存结构面对于能量释放的触发及过程起决定性作用（姚文杰等，2024）。在煤矿实际生产中，巷道掘进和工作面回采不可避免存在煤层岩层共同揭露的状况。因此，利用能量理论分析煤岩组合体破坏变形机制，进一步得到不同厚度影响下组合体能量演化规律具有重要意义。
综合以上，笔者利用室内实验手段得到了不同煤层厚度组合体力学行为及能量演化规律，并利用 PFC离散元法模拟内部微观结构颗粒间裂隙扩展规律，但该结论是否与煤炭开采过程中围岩破坏变形规律相吻合，需要结合现场原位应力监测数据，最终构建考虑煤层厚度初始损伤因子的本构模型十分必要。进而为不同厚度煤层回采及支护中潜在危险区域判定提供了一种预测分析方案。
5 结论
（1）不同煤层厚度比的煤岩组合体单轴压缩试验中，其应力-应变渐进性破坏主要分为初始损伤、稳定损伤、屈服加速损伤和失稳破坏4个阶段，其中稳定损伤期间为其主要的储能阶段，弹性应变能 Ue 随着轴向应变增加呈现线性变化，所吸收的能量在失稳破坏期间以释放和耗散为主。
（2）煤岩组合体峰后释放弹性能触发条件，由组合系统内煤层决定，煤层厚度的增加会导致组合体弹性能Ue峰值降低，煤层厚度比hcou=0.5时弹性能峰值分别为 hcou=0.1、hcou=0.2、hcou=0.3 时的 0.23%、 0.39%、0.78%；随着煤层厚度比的增加组合体能量耗散率逐渐增大，煤层厚度比hcou=0.5时能量耗散率分别为 hcou=0.1、hcou=0.2、hcou=0.3时的 5.02、1.10、1.01 倍。
（3）煤岩组合体输入能量、弹性应变能及能量损耗率数值，随煤层厚度的增加变化速率趋势一致，当煤层厚度hcou处于0.1~0.3时，煤岩组合体能量值及损耗率变化速率较为敏感并快速变化，而当hcou小于0.1及hcou大于0.3时，煤岩组合体能量值及损耗率变化速率较为缓慢。
（4）当煤层厚度比 hcou较小时，煤层与岩层易发生协同失稳破坏，随着煤层厚度比 hcou的增大，组合体试件中部煤层压裂破坏趋势显著增强，微观颗粒间裂隙扩展在煤-岩交界处出现终止面，导致岩层区域衍生裂隙发展程度低、煤层断裂次生裂纹增多和破坏强度增强，研究成果对于了解不同煤层厚度比对煤岩组合体试样的能量演化特征及破坏变形规律具有重要意义。