煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理

D0L:10.13374h.issn1001-053x.2011.06.011 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 杨永杰12王德超1,2) 王凯”黄冬梅” 1)山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室，青岛2665102)中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州221008 ☒通信作者，E-mail:yj.6125@163.com 摘要利用MTS815.03电液伺服岩石力学试验系统和S250M3扫描电镜对三种煤岩性能及形貌进行分析观察，采用损伤 力学分析方法对煤岩强度和变形特征的微细观机理进行了研究.结果表明，煤岩微细观损伤变量对其宏观力学参数影响很 大，同为石炭二叠系究州煤田的鲍店矿3煤和许厂矿3煤的原生损伤变量分别比新河矿3煤减少68.5%和50.6%，其单轴抗 压强度分别增加224.8%和109.9%，弹性模量分别增加147.3%和66.9%.同时，随损伤变量减小，煤的单轴压缩破坏逐渐由 塑性向脆性转变.煤岩宏观力学性质与其微细观损伤密切相关. 关键词岩石力学：煤：材料强度：变形：损伤机理 分类号P618.11:TU458 Micro and meso-damage mechanism of coal's strength and deformation charac- teristics YANG Yongjie,WANG De-chao,WANG Kai,HUANG Dong-mei 1)State Key Laboratory of Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China 2)State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China Corresponding author,E-mail:yyj.6125@163.com ABSTRACT The properties and morphological structures of three types of coal rocks were experimentally analyzed with MTS815.03 servo-control rock mechanical test system and S250Mk3 scanning electronic microscope.The micro and meso-damage mechanisms of the coal's strength and deformation characteristics were studied with using the theory of damage mechanics.It is shown that the micro and meso-damage variable has great influence on the coal's macroscopic mechanical parameters.The original damage variables of No. 3 coal seam in Baodian Colliery and No.3 coal seam in Xuchang Colliery,which both belong to carboniferous-permian Yanzhou Coalfield,decrease by 68.5%and 50.6%compared with No.3 coal seam in Xinhe Colliery,the uniaxial compressive strengths in- crease by 224.8%and 109.9%,and the elastic moduli increase by 147.3%and 66.9%,respectively.With decreasing damage vari- able,the uniaxial compression failure gradually changes from plastic to brittle.Macroscopic mechanical properties of the coal rocks are closely related to micro and meso-damage. KEY WORDS rock mechanics:coal:strength of materials:deformation:damage mechanism 煤是远古地表腐植物沉积演化的一种有机岩类 胶结物，无疑是一种含有原始损伤的微观非均质 矿物（煤岩）.属于沉积岩的煤，由于古气候及沉积 体风.同其他岩石相比，煤岩微细观结构更为复杂 环境的差异，煤系地层煤岩在微观上存在差异.大 多样，其力学性质更为复杂.因此，要研究煤岩宏观 量的微观研究表明口，煤成岩后具有不均匀性，由 强度和变形特征及其力学参数离散性的内部原因， 形状不同、大小不同的块状颗粒叠压而成，存在许多 应从煤的微细观结构及组分入手，探讨煤体微细观 微空洞、微裂隙、层理和节理等软弱结构面以及颗粒 损伤对其强度和变形特征的影响机理同. 收稿日期：2010-07-26 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(No.2010CB226805):深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目(No. SKLGDUE08002X):山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助项目

第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 杨永杰1，2) 王德超1，2) 王 凯1) 黄冬梅1) 1) 山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室，青岛 266510 2) 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221008 通信作者，E-mail: yyj． 6125@ 163． com 摘 要 利用 MTS815． 03 电液伺服岩石力学试验系统和 S250 Mk3 扫描电镜对三种煤岩性能及形貌进行分析观察，采用损伤 力学分析方法对煤岩强度和变形特征的微细观机理进行了研究． 结果表明，煤岩微细观损伤变量对其宏观力学参数影响很 大，同为石炭二叠系兖州煤田的鲍店矿 3 煤和许厂矿 3 煤的原生损伤变量分别比新河矿 3 煤减少 68. 5% 和 50. 6% ，其单轴抗 压强度分别增加 224. 8% 和 109. 9% ，弹性模量分别增加 147. 3% 和 66. 9% ． 同时，随损伤变量减小，煤的单轴压缩破坏逐渐由 塑性向脆性转变． 煤岩宏观力学性质与其微细观损伤密切相关． 关键词 岩石力学; 煤; 材料强度; 变形; 损伤机理 分类号 P618. 11; TU458 Micro and meso-damage mechanism of coal’s strength and deformation charac￾teristics YANG Yong-jie 1，2) ，WANG De-chao 1，2) ，WANG Kai 1) ，HUANG Dong-mei 1) 1) State Key Laboratory of Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China 2) State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China Corresponding author，E-mail: yyj． 6125@ 163． com ABSTRACT The properties and morphological structures of three types of coal rocks were experimentally analyzed with MTS815． 03 servo-control rock mechanical test system and S250Mk3 scanning electronic microscope． The micro and meso-damage mechanisms of the coal’s strength and deformation characteristics were studied with using the theory of damage mechanics． It is shown that the micro and meso-damage variable has great influence on the coal’s macroscopic mechanical parameters． The original damage variables of No． 3 coal seam in Baodian Colliery and No． 3 coal seam in Xuchang Colliery，which both belong to carboniferous-permian Yanzhou Coalfield，decrease by 68. 5% and 50. 6% compared with No． 3 coal seam in Xinhe Colliery，the uniaxial compressive strengths in￾crease by 224. 8% and 109. 9% ，and the elastic moduli increase by 147. 3% and 66. 9% ，respectively． With decreasing damage vari￾able，the uniaxial compression failure gradually changes from plastic to brittle． Macroscopic mechanical properties of the coal rocks are closely related to micro and meso-damage． KEY WORDS rock mechanics; coal; strength of materials; deformation; damage mechanism 收稿日期: 2010--07--26 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( No． 2010CB226805) ; 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目( No． SKLGDUE08002X) ; 山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助项目 煤是远古地表腐植物沉积演化的一种有机岩类 矿物( 煤岩) ． 属于沉积岩的煤，由于古气候及沉积 环境的差异，煤系地层煤岩在微观上存在差异． 大 量的微观研究表明［1］，煤成岩后具有不均匀性，由 形状不同、大小不同的块状颗粒叠压而成，存在许多 微空洞、微裂隙、层理和节理等软弱结构面以及颗粒 胶结物，无疑是一种含有原始损伤的微观非均质 体［2］． 同其他岩石相比，煤岩微细观结构更为复杂 多样，其力学性质更为复杂． 因此，要研究煤岩宏观 强度和变形特征及其力学参数离散性的内部原因， 应从煤的微细观结构及组分入手，探讨煤体微细观 损伤对其强度和变形特征的影响机理［3］． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.011

·654· 北京科技大学学报 第33卷 的煤样在MTS815.03电液伺服岩石试验系统上进 1 煤岩条件及煤样制备 行单轴压缩试验.同样，选取肉眼观察无明显孔隙 为了研究煤岩宏观强度及变形特征的微细观力 裂隙的垂直煤层层面的煤样在S250Mk3扫描电镜 学机理，选取同一沉积年代的兖州煤田且强度等力 上进行微细观形貌测试. 学性质差别较大的三种煤（鲍店矿3煤、许厂矿3煤 2煤岩体的微细观结构特征 和新河矿3煤)，分别在MTS815.03电液伺服岩石 试验系统上进行单轴压缩试验和在S250Mk3扫描 煤是由植物遗体转变成的一种极不均质的有机 电镜上进行微细观形貌结构测试，以分析比较煤岩 岩石，植物细胞结构不同程度地得以保存因.植物 宏观力学参数与其原生损伤的内在关系. 原始细胞结构的差异及其保存程度的不同，造成煤 1.1煤岩条件 岩中孔隙类型、孔隙大小和结构的差异.煤变质过 (1)新河矿3煤属二叠系下统山西组，平均厚 程中也会改变原有孔隙，并产生新的孔隙裂隙。煤 度7.13m.煤岩宏观组成以亮煤为主，暗煤次之，夹 岩内部的非均质性不仅表现为各种孔隙的发育，还 镜煤及丝炭条带，煤岩宏观类型为半亮型和半暗型， 表现为微裂隙的普遍发育切 属I~Ⅱ阶段的低变质煤.煤层裂隙较发育，为黑 2.1煤体中微孔隙及分布特征 褐、褐黑色条痕的较低硬度煤层 煤是一种多孔隙的物质，微米及微米级以下的 (2)鲍店矿3煤赋存于二叠系山西组，平均厚 孔隙十分发育.根据成因，微孔隙可以分为以下几 度8.76m.煤层硬度系数f在3.5左右，属半暗~半 种类型图 亮型煤，条带状结构，层状构造，含黄铁矿晶粒.裂 (1)植物细胞残留孔隙.植物细胞残留孔隙是 隙不发育，为褐黑色条痕的硬煤层 植物细胞腔的残留部分，具有明显的继承性.保存 (3许厂矿3煤赋存于二叠统山西组，平均厚度 完好的植物细胞残留孔隙可见清晰的年轮结构和细 3.53m,煤层结构较简单，一般不含夹石.以亮煤为 胞间孔隙，如图1(a)所示.在扫描电镜下大多数植 主，暗煤次之，含有镜煤条带及透镜体，密度为 物细胞残留孔隙的大小为2~30μm. 1.46gcm3,属于中等硬度煤层 (2)基质孔隙.基质孔隙是泥炭沼泽中植物遗 1.2煤样制备 体经肢解和化学分解后重新堆积而成的一种显微组 新河矿3煤、许厂矿3煤和鲍店矿3煤分别取 分颗粒之间的孔隙.在扫描电镜下基质孔隙又可分 自相应矿井3101综放面、3302综放面和5309综放 为三种类型：一是不同组分之间的孔隙，其孔隙直径 面上顺槽.由于煤的微孔隙、裂隙等非常发育，一般 一般为0~1.0m;二是颗粒之间的堆积孔隙 比较软弱破碎，强度低，力学参数离散性大0，在进 (图1(b),其孔隙直径一般为1.0~10m;三是颗 行力学性质试验时，煤的取样制样十分困难，且极易 粒脱落所留下的孔隙，其孔隙大小在几微米 受人为因素扰动影响因.为尽可能保持煤样的原始 (3)次生孔隙.次生孔隙是煤变质过程中所形 状态，减轻人为扰动影响，使加工后煤样的高度、直 成的气孔（图1(c)).大多数高级煤中均发育有次 径、平整度、粗糙度和平行度均能达到岩石力学试验 生气孔.在扫描电镜下次生气孔的孔径大小一般为 规范标准，取样制样采取了以下主要措施： 1.0~10μm. (1)煤样均取自工作面前方100m以外的上顺 2.2煤体中的微裂隙及分布特征 槽，以消除工作面前方支承压力的扰动影响，所取煤 煤体中普遍发育有微裂隙，微裂隙主要产生于 样在垂直方向上均属同一分层煤，在水平方向上均 显微组分为均质镜质体和具零星分布细胞残留孔隙 在同一位置附近； 的结构镜质体组成的显微条带中.扫描电镜下微裂 (2)在矿井井下采用打眼机定向密集打眼以获 隙的长度长短不一，其裂隙缝的宽度一般为1~ 取大块煤，现场封蜡升井后尽快运抵实验室进行 10m,如图1(d)所示，微裂隙大多平行发育，且垂 加工； 直于层面. (3)在实验室内对大块煤样进行钻、切、磨过程 2.3煤体中微孔隙与微裂隙的相互联系 中，尽可能采用干钻、干切和干磨，并尽可能减小机 微裂隙实际上起着连接若干植物细胞残留孔隙 床转速，以减少震动带来的扰动影响. 的作用，微裂隙和若干单独发育的微孔隙进一步连 由于煤均为层状沉积而呈现层状结构，制样时 接成一个更大规模的孔隙—裂隙网络系统，力学 均垂直于煤层层面取芯，选取肉眼观察无明显缺陷 性质表现为典型的不连续性和各向异性特征，并形

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 1 煤岩条件及煤样制备 为了研究煤岩宏观强度及变形特征的微细观力 学机理，选取同一沉积年代的兖州煤田且强度等力 学性质差别较大的三种煤( 鲍店矿 3 煤、许厂矿 3 煤 和新河矿 3 煤) ，分别在 MTS815. 03 电液伺服岩石 试验系统上进行单轴压缩试验和在 S250 Mk3 扫描 电镜上进行微细观形貌结构测试，以分析比较煤岩 宏观力学参数与其原生损伤的内在关系． 1. 1 煤岩条件 ( 1) 新河矿 3 煤属二叠系下统山西组，平均厚 度 7. 13 m． 煤岩宏观组成以亮煤为主，暗煤次之，夹 镜煤及丝炭条带，煤岩宏观类型为半亮型和半暗型， 属Ⅰ ～ Ⅱ阶段的低变质煤． 煤层裂隙较发育，为黑 褐、褐黑色条痕的较低硬度煤层． ( 2) 鲍店矿 3 煤赋存于二叠系山西组，平均厚 度 8. 76 m． 煤层硬度系数 f 在 3. 5 左右，属半暗 ～ 半 亮型煤，条带状结构，层状构造，含黄铁矿晶粒． 裂 隙不发育，为褐黑色条痕的硬煤层． ( 3 许厂矿 3 煤赋存于二叠统山西组，平均厚度 3. 53 m，煤层结构较简单，一般不含夹石． 以亮煤为 主，暗煤 次 之，含有镜煤条带及透镜体，密 度 为 1. 46 g·cm － 3 ，属于中等硬度煤层． 1. 2 煤样制备 新河矿 3 煤、许厂矿 3 煤和鲍店矿 3 煤分别取 自相应矿井 3101 综放面、3302 综放面和 5309 综放 面上顺槽． 由于煤的微孔隙、裂隙等非常发育，一般 比较软弱破碎，强度低，力学参数离散性大［4］． 在进 行力学性质试验时，煤的取样制样十分困难，且极易 受人为因素扰动影响［5］． 为尽可能保持煤样的原始 状态，减轻人为扰动影响，使加工后煤样的高度、直 径、平整度、粗糙度和平行度均能达到岩石力学试验 规范标准，取样制样采取了以下主要措施: ( 1) 煤样均取自工作面前方 100 m 以外的上顺 槽，以消除工作面前方支承压力的扰动影响，所取煤 样在垂直方向上均属同一分层煤，在水平方向上均 在同一位置附近; ( 2) 在矿井井下采用打眼机定向密集打眼以获 取大块煤，现场封蜡升井后尽快运抵实验室进行 加工; ( 3) 在实验室内对大块煤样进行钻、切、磨过程 中，尽可能采用干钻、干切和干磨，并尽可能减小机 床转速，以减少震动带来的扰动影响． 由于煤均为层状沉积而呈现层状结构，制样时 均垂直于煤层层面取芯，选取肉眼观察无明显缺陷 的煤样在 MTS815. 03 电液伺服岩石试验系统上进 行单轴压缩试验． 同样，选取肉眼观察无明显孔隙 裂隙的垂直煤层层面的煤样在 S250 Mk3 扫描电镜 上进行微细观形貌测试． 2 煤岩体的微细观结构特征 煤是由植物遗体转变成的一种极不均质的有机 岩石，植物细胞结构不同程度地得以保存［6］． 植物 原始细胞结构的差异及其保存程度的不同，造成煤 岩中孔隙类型、孔隙大小和结构的差异． 煤变质过 程中也会改变原有孔隙，并产生新的孔隙裂隙． 煤 岩内部的非均质性不仅表现为各种孔隙的发育，还 表现为微裂隙的普遍发育［7］． 2. 1 煤体中微孔隙及分布特征 煤是一种多孔隙的物质，微米及微米级以下的 孔隙十分发育． 根据成因，微孔隙可以分为以下几 种类型［8］． ( 1) 植物细胞残留孔隙． 植物细胞残留孔隙是 植物细胞腔的残留部分，具有明显的继承性． 保存 完好的植物细胞残留孔隙可见清晰的年轮结构和细 胞间孔隙，如图 1( a) 所示． 在扫描电镜下大多数植 物细胞残留孔隙的大小为 2 ～ 30 μm． ( 2) 基质孔隙． 基质孔隙是泥炭沼泽中植物遗 体经肢解和化学分解后重新堆积而成的一种显微组 分颗粒之间的孔隙． 在扫描电镜下基质孔隙又可分 为三种类型: 一是不同组分之间的孔隙，其孔隙直径 一般 为 0 ～ 1. 0 μm; 二是颗粒之间的堆积孔隙 ( 图 1( b) ) ，其孔隙直径一般为 1. 0 ～ 10 μm; 三是颗 粒脱落所留下的孔隙，其孔隙大小在几微米． ( 3) 次生孔隙． 次生孔隙是煤变质过程中所形 成的气孔( 图 1( c) ) ． 大多数高级煤中均发育有次 生气孔． 在扫描电镜下次生气孔的孔径大小一般为 1. 0 ～ 10 μm． 2. 2 煤体中的微裂隙及分布特征 煤体中普遍发育有微裂隙，微裂隙主要产生于 显微组分为均质镜质体和具零星分布细胞残留孔隙 的结构镜质体组成的显微条带中． 扫描电镜下微裂 隙的长度长短不一，其裂隙缝的宽度一般为1 ～ 10 μm ，如图 1( d) 所示，微裂隙大多平行发育，且垂 直于层面． 2. 3 煤体中微孔隙与微裂隙的相互联系 微裂隙实际上起着连接若干植物细胞残留孔隙 的作用，微裂隙和若干单独发育的微孔隙进一步连 接成一个更大规模的孔隙———裂隙网络系统，力学 性质表现为典型的不连续性和各向异性特征，并形 ·654·

第6期 杨永杰等：煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 ·655· 观点，Hult把Kachanov提出的损伤参数p解释为拉 杆断面的实际面积A与表观面积A的比值： 片 (1) 由于实际面积减小，截面上的应力σ增大，称截面 上增大后的应力为“有效应力”，记为σ‘： 0=g (2) Robotov推广了Kachanov等的理论，用2=l-p作 图1煤中的微孔隙及微裂隙风 Fig.I Micro-pores and micro-cracks in coal 为损伤变量，则 (3) 成一个主干通道. 0=1-2 3煤岩强度和变形特征的微细观损伤机理 另外，还有一种按材料弹性模量降低量定义损 伤变量的方法.设材料无损时的弹性模量为E。,损 分析 伤使其降低为E。,则损伤变量定义为 上述分析表明，煤体中的微孔隙直径和裂隙宽 ED 2=1- 度一般为1~30m,裂隙长度一般更大一些.在岩 Eo (4) 石（体）力学界对微、细、宏观空间尺度的一般界定 于是 为：细观尺度范围10~1000m,微观尺度范围 =觉=a5公 6= (5) 小于10m,宏观观尺度范围大于1000m.因此煤 体中的微孔隙裂隙部分属于微观尺度，部分属于细 式(5)说明材料的应变响应和无损材料的差 观范畴，总体上属于微细观范畴.本文对属于微细 别，可以通过有效应力来反映.用无损材料的本构 观尺度的孔隙裂隙等原生损伤对煤体强度和变形特 方程来表示损伤材料，只需用有效应力替代表观应 征的影响进行分析. 力即可，这就是损伤力学的等效应变假设 3.1煤岩体的损伤力学分析方法 3.3煤样微细观损伤变量对其力学参数的影响 煤岩体的不连续特征对力学性质的影响可以用 分别从鲍店矿3煤、许厂矿3煤和新河矿3煤 损伤指标来进行描述 取样，将在扫描电子显微镜下观察到的微孔隙及微 由于煤体内部存在许多微小的孔隙和裂隙，因 裂隙摄成照片，并在Magiscan图像处理仪上求得它 此表现为典型的不连续性.如果这些孔隙和裂隙十 们占视野面积的百分数，并利用式(1)求得损伤变 分微小，而且分布比较均匀，则从宏观意义上可认为 量2.同时，将三个矿的3煤加工成的标准煤样，在 该介质是连续的，实际上煤体中的微孔隙和裂隙并 MTS815.03电液伺服岩石试验系统上进行单轴压缩 不是均匀分布的.损伤力学研究方法的引入，为多 试验，得出其宏观力学参数，以分析煤岩原生损伤变 孔隙和多裂隙岩体力学性质的研究提供了新的途 量2对其力学参数的影响. 径ig 图2为同为兖州煤田不同矿井石炭二叠系沉积 3.2损伤力学的相关概念 的3煤典型煤样的单轴压缩全应力-应变曲线，图3 3.2.1损伤与损伤力学 为其相应的典型煤样微孔隙裂隙扫描电镜照片，其 损伤是指材料在一定应力状态下其力学性能的 微细观损伤面积率即损伤变量2及力学参数测试 劣化，如材料内微裂纹的萌生和扩展、内黏聚力的进 结果的平均值见表1.从扫描电镜测试结果可以看 展性减弱等。损伤并不是一种独立的物理性质，它 出：鲍店矿3煤、许厂矿3煤和新河矿3煤中的孔隙 是作为一种“劣化因素”被结合到弹性、塑性和黏弹 主要为煤变质过程中所形成的气孔，鲍店矿3煤中 性介质中的.材料的损伤是一种客观事实，损伤则 的孔隙很少且直径较小，基本没有尺度较大的裂隙： 作为一种“劣化因素”被提出来. 新河矿3煤孔隙很多且相互连通形成了很多尺度较 3.2.2损伤变量 大的裂隙：许厂矿3煤的孔隙裂隙情况介于两者之 假设材料宏观力学性能劣化的主要原因是微孔 间，煤种虽然发育较多的孔隙，但形成的裂隙较少， 洞和微裂纹导致有效承载面积的减少，根据这一 且尺度不大

第 6 期 杨永杰等: 煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 图 1 煤中的微孔隙及微裂隙［8］ Fig． 1 Micro-pores and micro-cracks in coal ［8］ 成一个主干通道． 3 煤岩强度和变形特征的微细观损伤机理 分析 上述分析表明，煤体中的微孔隙直径和裂隙宽 度一般为 1 ～ 30 μm ，裂隙长度一般更大一些． 在岩 石( 体) 力学界对微、细、宏观空间尺度的一般界定 为［9］: 细观尺度范围 10 ～ 1 000 μm，微观尺度范围 小于10 μm，宏观观尺度范围大于 1000 μm． 因此煤 体中的微孔隙裂隙部分属于微观尺度，部分属于细 观范畴，总体上属于微细观范畴． 本文对属于微细 观尺度的孔隙裂隙等原生损伤对煤体强度和变形特 征的影响进行分析． 3. 1 煤岩体的损伤力学分析方法 煤岩体的不连续特征对力学性质的影响可以用 损伤指标来进行描述［9］． 由于煤体内部存在许多微小的孔隙和裂隙，因 此表现为典型的不连续性． 如果这些孔隙和裂隙十 分微小，而且分布比较均匀，则从宏观意义上可认为 该介质是连续的，实际上煤体中的微孔隙和裂隙并 不是均匀分布的． 损伤力学研究方法的引入，为多 孔隙和多裂隙岩体力学性质的研究提供了新的途 径［10］． 3. 2 损伤力学的相关概念 3. 2. 1 损伤与损伤力学 损伤是指材料在一定应力状态下其力学性能的 劣化，如材料内微裂纹的萌生和扩展、内黏聚力的进 展性减弱等． 损伤并不是一种独立的物理性质，它 是作为一种“劣化因素”被结合到弹性、塑性和黏弹 性介质中的． 材料的损伤是一种客观事实，损伤则 作为一种“劣化因素”被提出来． 3. 2. 2 损伤变量 假设材料宏观力学性能劣化的主要原因是微孔 洞和微裂纹导致有效承载面积的减少［11］，根据这一 观点，Hult 把 Kachanov 提出的损伤参数 φ 解释为拉 杆断面的实际面积 Aef与表观面积 A 的比值: φ = Aef A ( 1) 由于实际面积减小，截面上的应力 σ 增大，称截面 上增大后的应力为“有效应力”，记为 σ·: σ· = σ φ ( 2) Robotov 推广了 Kachanov 等的理论，用 Ω = 1 － φ 作 为损伤变量，则 σ· = σ 1 － Ω ( 3) 另外，还有一种按材料弹性模量降低量定义损 伤变量的方法． 设材料无损时的弹性模量为 E0，损 伤使其降低为 ED，则损伤变量定义为 Ω = 1 － ED E0 ( 4) 于是 ε = σ ED = σ ( 1 － Ω) E0 = σ· E0 ( 5) 式( 5) 说明材料的应变响应和无损材料的差 别，可以通过有效应力来反映． 用无损材料的本构 方程来表示损伤材料，只需用有效应力替代表观应 力即可，这就是损伤力学的等效应变假设． 3. 3 煤样微细观损伤变量对其力学参数的影响 分别从鲍店矿 3 煤、许厂矿 3 煤和新河矿 3 煤 取样，将在扫描电子显微镜下观察到的微孔隙及微 裂隙摄成照片，并在 Magiscan 图像处理仪上求得它 们占视野面积的百分数，并利用式( 1) 求得损伤变 量 Ω． 同时，将三个矿的 3 煤加工成的标准煤样，在 MTS815. 03 电液伺服岩石试验系统上进行单轴压缩 试验，得出其宏观力学参数，以分析煤岩原生损伤变 量 Ω 对其力学参数的影响． 图 2 为同为兖州煤田不同矿井石炭二叠系沉积 的 3 煤典型煤样的单轴压缩全应力－应变曲线，图 3 为其相应的典型煤样微孔隙裂隙扫描电镜照片，其 微细观损伤面积率即损伤变量 Ω 及力学参数测试 结果的平均值见表 1． 从扫描电镜测试结果可以看 出: 鲍店矿 3 煤、许厂矿 3 煤和新河矿 3 煤中的孔隙 主要为煤变质过程中所形成的气孔，鲍店矿 3 煤中 的孔隙很少且直径较小，基本没有尺度较大的裂隙; 新河矿 3 煤孔隙很多且相互连通形成了很多尺度较 大的裂隙; 许厂矿 3 煤的孔隙裂隙情况介于两者之 间，煤种虽然发育较多的孔隙，但形成的裂隙较少， 且尺度不大． ·655·

·656· 北京科技大学学报 第33卷 0 由图2、图3和表1可见，虽然同属于二叠系山 能店矿3煤 西组兖州煤田3煤，但由于其微细观损伤变量相差 30 较大，其强度和弹性模量也相差较大.新河矿3煤 许厂矿3煤 微孔隙、微裂隙非常发育，煤岩松软破碎，测试的10 新河矿3煤 10 个样品的平均损伤变量2高达27.3%；相对来讲， 鲍店矿3煤微孔隙、微裂隙相对较少，煤岩坚硬致 04 0.012 0.016 轴向应变 密，10个样品的平均损伤变量2仅为8.6%；许厂 矿3煤微孔隙、微裂隙中等发育，测试的10个样品 图2典型煤样单轴压缩全应力-应变曲线 的平均损伤变量2为13.5%.计算结果表明，同为 Fig.2 Complete stress-strain curves of typical coal samples under uniaxial compression 石炭二叠系的兖州煤田，鲍店矿3煤和许厂矿3煤 20m b 图3典型煤样微孔隙裂隙扫描电镜照片.()鲍店矿3煤；(b)许厂矿3煤：(c)新河矿3煤 Fig.3 SEM photographs of typical coal samples'micro-pores and micro-eracks:(a)No.3 coal seam in Baodian Colliery:(b)No.3 coal seam in Xuchang Colliery:(c)No.3 coal seam in Xinhe Colliery 表1煤样力学参数与损伤变量测试结果 劈裂破坏.本文在选择三种煤岩试样进行单轴压缩 Table 1 Test results of mechanical parameters and damage variable of 试验时，均选取了肉眼观察表面无明显缺陷的煤样 coal samples 试验结果表明，因原生损伤相差较大，三种煤岩试样 单轴抗压 弹性模 损伤变量， 煤层 的破坏方式不同，但同一种煤岩试样均呈现类似的 强度/MPa 量MPa 2/% 破坏特征.图4为不同矿井典型煤样单轴压缩破坏 鲍店矿3煤 36.80 3652.75 8.6 形态.可以看出：鲍店矿3煤因原生损伤较小，坚硬 许厂矿3煤 23.78 2465.39 13.5 致密，单轴压缩条件下呈现明显的沿轴向的脆性破 新河矿3煤 11.33 1476.85 27.3 坏：而新河矿3煤微孔隙、微裂隙发育，原生损伤较 大，煤岩松软破碎，单轴压缩条件下其破坏呈现明显 的微细观损伤变量分别比新河矿3煤减少68.5% 的塑性破坏：原生损伤介于两者之间的许厂矿3煤 和50.6%，其单轴抗压强度分别增加224.8%和 其破坏方式介于两者之间. 109.9%,弹性模量分别增加147.3%和66.9%.可 煤岩强度和变形特征除与其表面损伤情况密切 见，煤岩的强度和变形与其本身的原生微细观损伤 相关外，还与其内部孔隙裂隙分布状况有关，同时与 发育情况高度相关☒ 其微组分和颗粒胶结物等密切相关，这些都还有待 另外，煤岩微细观损伤变量不但对其宏观强度 进一步深入研究. 及变形有明显影响，同时还对其破坏方式具有明显 影响.岩石的破坏模式不但取决于原生损伤，还取 4结论 决于加载应力条件、加载速度和端面约束等.一般 (1)煤岩内部存在许多微孔隙、裂隙等软弱结 情况下，对于相对较坚硬致密的岩石，在单轴压缩条 构面以及颗粒胶结物，是典型的含有原始损伤的微 件下，岩石一般发生沿明显的主导裂隙方向的脆性 观非均质体.研究岩石的微细观损伤对于深入理解

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 2 典型煤样单轴压缩全应力－应变曲线 Fig． 2 Complete stress-strain curves of typical coal samples under uniaxial compression 由图 2、图 3 和表 1 可见，虽然同属于二叠系山 西组兖州煤田 3 煤，但由于其微细观损伤变量相差 较大，其强度和弹性模量也相差较大． 新河矿 3 煤 微孔隙、微裂隙非常发育，煤岩松软破碎，测试的 10 个样品的平均损伤变量 Ω 高达 27. 3% ; 相对来讲， 鲍店矿 3 煤微孔隙、微裂隙相对较少，煤岩坚硬致 密，10 个样品的平均损伤变量 Ω 仅为 8. 6% ; 许厂 矿 3 煤微孔隙、微裂隙中等发育，测试的 10 个样品 的平均损伤变量 Ω 为 13. 5% ． 计算结果表明，同为 石炭二叠系的兖州煤田，鲍店矿 3 煤和许厂矿 3 煤 图 3 典型煤样微孔隙裂隙扫描电镜照片． ( a) 鲍店矿 3 煤; ( b) 许厂矿 3 煤; ( c) 新河矿 3 煤 Fig． 3 SEM photographs of typical coal samples’micro-pores and micro-cracks: ( a) No． 3 coal seam in Baodian Colliery; ( b) No． 3 coal seam in Xuchang Colliery; ( c) No． 3 coal seam in Xinhe Colliery 表 1 煤样力学参数与损伤变量测试结果 Table 1 Test results of mechanical parameters and damage variable of coal samples 煤层 单轴抗压 强度/MPa 弹性模 量/MPa 损伤变量， Ω/% 鲍店矿 3 煤 36. 80 3 652. 75 8. 6 许厂矿 3 煤 23. 78 2 465. 39 13. 5 新河矿 3 煤 11. 33 1 476. 85 27. 3 的微细观损伤变量分别比新河矿 3 煤减少 68. 5% 和 50. 6% ，其单轴抗压强度分别增加 224. 8% 和 109. 9% ，弹性模量分别增加 147. 3% 和 66. 9% ． 可 见，煤岩的强度和变形与其本身的原生微细观损伤 发育情况高度相关［12］． 另外，煤岩微细观损伤变量不但对其宏观强度 及变形有明显影响，同时还对其破坏方式具有明显 影响． 岩石的破坏模式不但取决于原生损伤，还取 决于加载应力条件、加载速度和端面约束等． 一般 情况下，对于相对较坚硬致密的岩石，在单轴压缩条 件下，岩石一般发生沿明显的主导裂隙方向的脆性 劈裂破坏． 本文在选择三种煤岩试样进行单轴压缩 试验时，均选取了肉眼观察表面无明显缺陷的煤样． 试验结果表明，因原生损伤相差较大，三种煤岩试样 的破坏方式不同，但同一种煤岩试样均呈现类似的 破坏特征． 图 4 为不同矿井典型煤样单轴压缩破坏 形态． 可以看出: 鲍店矿 3 煤因原生损伤较小，坚硬 致密，单轴压缩条件下呈现明显的沿轴向的脆性破 坏; 而新河矿 3 煤微孔隙、微裂隙发育，原生损伤较 大，煤岩松软破碎，单轴压缩条件下其破坏呈现明显 的塑性破坏; 原生损伤介于两者之间的许厂矿 3 煤 其破坏方式介于两者之间． 煤岩强度和变形特征除与其表面损伤情况密切 相关外，还与其内部孔隙裂隙分布状况有关，同时与 其微组分和颗粒胶结物等密切相关，这些都还有待 进一步深入研究． 4 结论 ( 1) 煤岩内部存在许多微孔隙、裂隙等软弱结 构面以及颗粒胶结物，是典型的含有原始损伤的微 观非均质体． 研究岩石的微细观损伤对于深入理解 ·656·

第6期 杨永杰等：煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 ·657· China University of Mining and Technology,1997 (吴立新.煤岩强度机制及矿压红外探测基础实验研究[学位 论文].北京：中国矿业大学，1997) 4]Yang Y J,Song Y,Chen S J,et al.Experimental study on strength discreteness and triaxial compression of coal.Rock Soil Mech,2006,27(10):1763 (杨永杰，宋扬，陈绍杰，等.煤岩强度离散性及三轴压缩试验 研究.岩土力学，2006,27(10)：1763) 图4典型煤样单轴压缩破坏形态.(a)鲍店矿3煤：(b)许厂矿 3煤：(c)新河矿3煤 [5]You M Q.Su C D,Zhou Y.Strength and deformation of specimen for different coal blocks and regression method of strength criteri- Fig.4 Failure modes of typical coal samples under uniaxial compres- on.Chin J Rock Mech Eng,2003,22(12)2081 sion:(a)No.3 coal seam in Baodian Colliery:(b)No.3 coal seam in (尤明庆，苏承东，周英.不同煤块的强度变形特性及强度准 Xuchang Colliery:(c)No.3 coal seam in Xinhe Colliery 则的回归方法.岩石力学与工程学报，2003,22(12)：2081) 和分析其宏观力学特征具有重要意义， 6]Han D X.Coal Petrology of China.Xuzhou:China University of (2)煤体原生微细观孔隙裂隙面积率可以用损 Mining and Technology Press,1995 (韩德馨.中国煤岩学.徐州：中国矿业大学出版社，1995) 伤变量表述.煤的孔隙裂隙发育程度不同，其微细 ]Chen S J,Guo W J.Yang Y J,et al.Research on stability of 观损伤变量差别较大.同属于二叠系山西组兖州煤 strip coal pillar based on laboratory test.Rock Soil Mech,2008, 田，新河矿3煤微孔隙、微裂隙非常发育，其平均损 29(10):2678 伤变量2高达27.3%；鲍店矿3煤坚硬致密，平均 (陈绍杰，郭惟嘉，杨永杰，等.基于室内试验的条带煤柱稳定 损伤变量2仅为8.6%：许厂矿3煤孔隙裂隙中等 性研究.岩土力学，2008,29(10)：2678) 发育，平均原生损伤变量2为13.5%. Zhang S X,Xiao H Y.Study of the pore and micro fracture of the coal reservoirs in the SEM.J Chin Electron Microse Soc,2000,19 (3)煤岩微细观损伤变量对其宏观力学参数影 (4):531 响很大.试验结果表明，鲍店矿3煤和许厂矿3煤 (张素新，肖红艳.煤储层中微孔隙和微裂隙的扫描电镜研究 的原生损伤变量分别比新河矿3煤减少68.5%和 电子显微学报，2000,19(4)：531) 50.6%,其单轴抗压强度分别增加224.8%和 Liu C X,Jiang J Q,Liu FS,et al.Fractal study of scale effect in 109.9%,弹性模量分别增加147.3%和66.9%. microscopic,mesoscopic and macroscopic states for fracture mech- anism of rock materials.Rock Soil Mech,2008,29(10):2619 (4)煤岩原生微细观损伤程度对其破坏方式具 (刘传孝，蒋金泉，刘福胜，等.岩石材料微、细、宏观断裂机理 有明显影响.本次试验结果表明，随着损伤变量减 尺度效应的分形研究，岩土力学，2008,29(10)：2619) 小，煤的单轴压缩变形破坏呈现由塑性向脆性的 [10]Xie H P.Rock and Concrete Damage Mechanics.Xuzhou:China 转变 University of Mining and Technology Press,1990 (谢和平岩石混凝土损伤力学.徐州：中国矿业大学出版 参考文献 社，1990) D1]Liu B X,Huang J L,Wang Z Y,et al.Study on damage evolu- [Cao S G,Xian X F.Damage analysis on coal and rocks and the tion and acoustic emission character of coal-rock under uniaxial method of the checking damage by the deviator stress.J Chongging compression.Chin Rock Mech Eng,2009,28 (Suppl 1):3234 Unir Nat Sci Ed,2001,24(4):74 (刘宝县，黄敬林，王泽云，等.单轴压缩煤岩损伤演化及声 (曹树刚，鲜学福.煤岩损伤分析及偏应力检测法.重庆大学 发射特性研究.岩石力学与工程学报，2009,28（增刊1）： 学报：自然科学版，2001,24(4)：74) 3234) ]Yang YJ,Song Y,Chu J.Experimental study on characteristics of [12]Feng W K,Huang R Q,Xu Q.The enlightenment of microstruc- strength and deformation of coal under cyclic loading.Chin Rock ture characteristic and mechanical behavior of rock.Res Soil Wa- Mech Eng,2007,26(1):201 ter Conserv,2009,16(6):26 (杨永杰，宋扬，楚俊.循环荷载作用下煤岩强度及变形特征试 (冯文凯，黄润秋，许强。岩石的微观结构特征与其力学行为 验研究.岩石力学与工程学报，2007,26(1)：201) 启示.水土保持研究，2009,16(6)：26) B]Wu L X.Infrared Detection Basic Experimental Study on Strength Mechanism and Underground Pressure [Dissertation ]Beijing:

第 6 期 杨永杰等: 煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理 图 4 典型煤样单轴压缩破坏形态． ( a) 鲍店矿 3 煤; ( b) 许厂矿 3 煤; ( c) 新河矿 3 煤 Fig． 4 Failure modes of typical coal samples under uniaxial compres￾sion: ( a) No． 3 coal seam in Baodian Colliery; ( b) No． 3 coal seam in Xuchang Colliery; ( c) No． 3 coal seam in Xinhe Colliery 和分析其宏观力学特征具有重要意义． ( 2) 煤体原生微细观孔隙裂隙面积率可以用损 伤变量表述． 煤的孔隙裂隙发育程度不同，其微细 观损伤变量差别较大． 同属于二叠系山西组兖州煤 田，新河矿 3 煤微孔隙、微裂隙非常发育，其平均损 伤变量 Ω 高达 27. 3% ; 鲍店矿 3 煤坚硬致密，平均 损伤变量 Ω 仅为 8. 6% ; 许厂矿 3 煤孔隙裂隙中等 发育，平均原生损伤变量 Ω 为 13. 5% ． ( 3) 煤岩微细观损伤变量对其宏观力学参数影 响很大． 试验结果表明，鲍店矿 3 煤和许厂矿 3 煤 的原生损伤变量分别比新河矿 3 煤减少 68. 5% 和 50. 6% ，其 单 轴 抗 压 强 度 分 别 增 加 224. 8% 和 109. 9% ，弹性模量分别增加 147. 3% 和 66. 9% ． ( 4) 煤岩原生微细观损伤程度对其破坏方式具 有明显影响． 本次试验结果表明，随着损伤变量减 小，煤的单轴压缩变形破坏呈现由塑性向脆性的 转变． 参 考 文 献 ［1］ Cao S G，Xian X F． Damage analysis on coal and rocks and the method of the checking damage by the deviator stress． J Chongqing Univ Nat Sci Ed，2001，24( 4) : 74 ( 曹树刚，鲜学福． 煤岩损伤分析及偏应力检测法． 重庆大学 学报: 自然科学版，2001，24( 4) : 74) ［2］ Yang Y J，Song Y，Chu J． Experimental study on characteristics of strength and deformation of coal under cyclic loading． Chin J Rock Mech Eng，2007，26( 1) : 201 ( 杨永杰，宋扬，楚俊． 循环荷载作用下煤岩强度及变形特征试 验研究． 岩石力学与工程学报，2007，26( 1) : 201) ［3］ Wu L X． Infrared Detection Basic Experimental Study on Strength Mechanism and Underground Pressure ［Dissertation］． Beijing: China University of Mining and Technology，1997 ( 吴立新． 煤岩强度机制及矿压红外探测基础实验研究［学位 论文］． 北京: 中国矿业大学，1997) ［4］ Yang Y J，Song Y，Chen S J，et al． Experimental study on strength discreteness and triaxial compression of coal． Rock Soil Mech，2006，27( 10) : 1763 ( 杨永杰，宋扬，陈绍杰，等． 煤岩强度离散性及三轴压缩试验 研究． 岩土力学，2006，27( 10) : 1763) ［5］ You M Q，Su C D，Zhou Y． Strength and deformation of specimen for different coal blocks and regression method of strength criteri￾on． Chin J Rock Mech Eng，2003，22( 12) : 2081 ( 尤明庆，苏承东，周英． 不同煤块的强度变形特性及强度准 则的回归方法． 岩石力学与工程学报，2003，22( 12) : 2081) ［6］ Han D X． Coal Petrology of China． Xuzhou: China University of Mining and Technology Press，1995 ( 韩德馨． 中国煤岩学． 徐州: 中国矿业大学出版社，1995) ［7］ Chen S J，Guo W J，Yang Y J，et al． Research on stability of strip coal pillar based on laboratory test． Rock Soil Mech，2008， 29( 10) : 2678 ( 陈绍杰，郭惟嘉，杨永杰，等． 基于室内试验的条带煤柱稳定 性研究． 岩土力学，2008，29( 10) : 2678) ［8］ Zhang S X，Xiao H Y． Study of the pore and micro fracture of the coal reservoirs in the SEM． J Chin Electron Microsc Soc，2000，19 ( 4) : 531 ( 张素新，肖红艳． 煤储层中微孔隙和微裂隙的扫描电镜研究． 电子显微学报，2000，19( 4) : 531) ［9］ Liu C X，Jiang J Q，Liu F S，et al． Fractal study of scale effect in microscopic，mesoscopic and macroscopic states for fracture mech￾anism of rock materials． Rock Soil Mech，2008，29( 10) : 2619 ( 刘传孝，蒋金泉，刘福胜，等． 岩石材料微、细、宏观断裂机理 尺度效应的分形研究，岩土力学，2008，29( 10) : 2619) ［10］ Xie H P． Rock and Concrete Damage Mechanics． Xuzhou: China University of Mining and Technology Press，1990 ( 谢和平． 岩石混凝土损伤力学． 徐州: 中国矿业大学出版 社，1990) ［11］ Liu B X，Huang J L，Wang Z Y，et al． Study on damage evolu￾tion and acoustic emission character of coal-rock under uniaxial compression． Chin J Rock Mech Eng，2009，28( Suppl 1) : 3234 ( 刘宝县，黄敬林，王泽云，等． 单轴压缩煤岩损伤演化及声 发射特性研究． 岩石力学与工程学报，2009，28 ( 增刊 1 ) : 3234) ［12］ Feng W K，Huang R Q，Xu Q． The enlightenment of microstruc￾ture characteristic and mechanical behavior of rock． Res Soil Wa￾ter Conserv，2009，16( 6) : 26 ( 冯文凯，黄润秋，许强． 岩石的微观结构特征与其力学行为 启示． 水土保持研究，2009，16( 6) : 26) ·657·