层理发育型层状岩体承压力学性状演变规律试验研究_张浩.pdf

第 5 卷第 1 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.1 2023 年 2 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Feb.2023 013011-1 张浩，伍永平，解盘石.层理发育型层状岩体承压力学性状演变规律试验研究J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(1)：013011.ZHANG Hao，WU Yongping，XIE Panshi.Experimental study on evolution law of compressive mechanical properties of interbedded roof rockJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(1)：013011.层理发育型层状岩体承压力学性状演变规律试验研究 张 浩1,2，伍永平1,2，解盘石1,2 (1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)摘 要：层理发育型直接顶岩层结构非连续性导致承压力学性状复杂，作为“支架-围岩”系统中关键性中间媒介，其性状会直接影响围岩控制效果。为保证该类工作面安全生产，亟需探究层理发育型层状岩体承压力学性状演变规律。采用不同向加压力学试验及理论分析法，系统研究不同形式加压环境层理发育型层状直接顶原型试样压力传递、形变破坏演变规律及层间效应与其破坏响应机制，结果表明：层理发育型层状岩体轴向承压时纵向裂隙会在层面处间断或偏折，局部迹线呈梯阶状，层面处多会发育出小尺度径向裂隙，点、侧压下层状样体均发生由层间效应主导的片层式破坏，破坏状态与承压角正向相关，承压会沿层面偏转后穿层向下迁移，且会发生重复性压降，扩容形变呈跳跃阶段式变化，依次为缓增长、线性增长及陡向急增，层间效应作用方式与层理发育型层状岩体结构密切相关，多分层灰白色直接顶主要为偏转压力散播路径，而大层间距黑色直接顶为异化传压路径、影响结构稳定及破坏状态。关键词：层理；层状岩体；力学性状；不同向加压；层间效应 中图分类号：TD313 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)01-3011-09 Experimental study on evolution law of compressive mechanical properties of interbedded roof rock ZHANG Hao1,2，WU Yongping1,2，XIE Panshi1,2(1.College of Energy Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xian 710054，China)Abstract：The discontinuity of interbedded immediate roof structure leads to complex bearing mechanical properties.As the key component in the support-surrounding rock system，its properties will directly affect the control effect of surrounding rock.To ensure the safe coal production under this condition，it is urgent to clarify the evolution law of compressive mechanical of bedding-developed layered rock.Compression tests and theoretical analysis were performed to systematically study the pressure transfer，deformation and failure evolution，interlayer effect and failure response mechanism of interbedded immediate roof specimens under different compressive conditions.The results show that when the interbedded roof is axially compressed，the longitudinal cracks will be interrupted or deflected bedding planes，the local trace is stepped，the radial fissures with small development degree are mostly developed at the bedding planes.Under the point and lateral pressure，interlayer effect dominates the layered medium failure，which is manifested as a laminar failure，failure state is 收稿日期：2022-05-25 修回日期：2022-07-06 责任编辑：李 青 基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(52104147)作者简介：张浩(1990)，男，陕西汉中人，助理工程师，博士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制等方面的研究工作。E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.20220923.001 张浩等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.1(2023)：013011 013011-2 positively related to the bearing angle.The pressure migrates through the layer after deflection，and a repetitive pressure drop occurs.The expansion deformation shows leaping stages change，followed by slow growth，linear growth and steep increase.The mode of interlayer effect is closely related to the structure of interbedded rock，the multi-layered gray immediate roof is mainly the deflection pressure spreading path，while the large layer spacing black immediate roof is the dissimilation pressure transmission path，affecting structural stability and failure state.Key words：bedding；layered rock mass；mechanical properties；pressure in different directions；interlayer effect 煤层工作面开采会形成大尺度采空区，围岩由于临空面揭露原始三维力学稳态失衡，进而向空域内破坏灾变，而灾变防控的关键是有效处理“支 架-围岩”关系1，直接顶作为高位岩层与支架间传载媒介，其采动力学性状会影响工作面承压结构的稳定性。工作面主要处于沉积性围岩环境中，围岩以层状形式分布，而层状结构按介态类型可分为同型(岩体内原生层理发育，图1(a)、异型(多类型岩体组合体，图1(b)，对于原生层理发育型直接顶岩体而言，可将其视为同类型岩石构成的层状体(同型层状岩体)，其垂向高度上分布大量层理面，并横向延展，从而加剧样体结构非连续性，岩体外观形态呈薄片层状，增加围岩控制难度，因此，有必要厘清同型层状岩体承压过程中样体内压载传递、形变及破坏失效等力学行为的演变规律。层体层面岩1岩1岩1岩2岩3岩1(a)同型(b)异型 图1 不同形式层状岩体示意 Fig.1 Different forms of layered rock mass 煤层工作面覆岩均以多介质复合层态分布，部分岩体内部又以单介质多分层叠加组成整体性结构，而无论何种层状结构均由层界面分隔，加之层体各向异性影响，层状体采动力学行为复杂，灾变防控难度大。为解决层状岩体灾变控制难题，诸多学者从不同角度展开研究，郝登云2-3等采用实测、数值计算方式研究了巷道层状顶板形变运移特征；孙明贵4等分析了层状岩体失稳诱导煤层工作面突水机理；贾宝新5-6等总结出层状岩体内声波信号传播规律；孟陆波7等建立了高应力环境层状软岩隧道非对称变形分级修正方法；张慧梅8-10等研究了层状岩体边坡破坏机理；杨仁树11等通过冲击压缩试验研究层状“拼接”复合岩体动力学特性；刘 立12等分析了层状岩体损伤与应变动态响应关系；何忠明13-16等对层状岩体破坏特征进行了数值计算分析；黄书岭17等建立了层状岩体多层理本构模型；李深圳18-19等研究了层状岩体破坏与结构面法向密度、倾角及围压等因素间作用关系；尹光志20等建立了三向非等压条件下层状复合岩体破坏准则；王旭一21等基于非均质层面效应研究了层状岩体单轴压缩破坏特性；张晓平22等研究了层状岩体微震定位方法；万宇23等通过建立颗粒离散元数值计算模型，结合矩张量理论，分析了不同层面强度层状岩体劈裂声发射特性；常旭24等采用黏结-滑移模型对等间距层状岩体拉、剪应力及间距进行理论计算，分析了影响层间距的主要因素。上述学者的研究结果表明，层状岩体在各类工程中普遍存在，对此，学者们采用数值计算、现场实测、岩石力学试验、理论分析等手段，对不同工程尺度、不同状态下层状岩体破坏规律、本构方程、损伤演化、破坏机理及声波跨层传递规律等进行了多维度研究，但现有研究主要针对层状复合型岩体，力学测试样体常采用胶结材料对不同类型岩石进行粘接，对于层理发育同型岩体承压力学性状演变规律的研究较少，且多通过构建数值计算模型研究层理倾角与层状岩体的破坏关系，采动应力跨层传递规律及层间效应对于同型层状岩体破坏效能等仍不明晰，而煤层工作面又存在页岩等片层状岩石构成的同型层状顶板，层状结构会深化岩体的不连续性和各向异性，并在一定程度上降低其承载性，煤层工作面开采形成采空区，为岩体运移提供必要空间，顶压作用下低位层理发育型层状顶板极易向空域内破坏发育，诱使顶板岩层整体结构失稳致灾，增加工作面安全生产风险，科学、有效地进行围岩 张浩等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.1(2023)：013011 013011-3 灾变防控是确保工作面高效、正常化开采的关键，而这基于对层理发育型层状岩体承压力学性状变化规律的充分把握。故笔者以北峪矿层理发育型层状直接顶岩体为研究对象，采用异向多类型加压方式，系统研究层理发育型(同型)层状岩体力学性状演变规律，为此类工作面安全生产提供理论依据。1 测试对象及方案 1.1 测试对象 北峪矿11号煤层直接顶岩层原生层理发育，分层特征明显，为典型的同型多界面层状结构体，其按外观色态可分为灰白色和黑色直接顶，主要成分为泥岩，其中，灰白色直接顶层状结构最为明显，分层量多，层理面分布间距小，层面较为平滑，结构致密，密度大，钻