煤岩体结构面是沉积岩中最常见的不连续面，在分析煤岩体变形时必须考虑结构面的强度和变形特性，因为结构面的存在影响了煤岩体的初始破坏及破坏面的扩展，结构面的剪切刚度和法向刚度也会对煤岩体内的应力分布和位移产生显著的影响。同时在煤矿地层中进行开挖和支护的数值模拟需得知煤体结构面的剪切强度、刚度、黏聚力等参数，参数的设定对正确分析开挖和支护设计至关重要[1-3]。结构面力学特性一直是岩石力学领域研究的热点与难点，BANDIS等[4]通过对大量不同风化程度和不同表面粗糙程度的非充填结构面进行试验研究，提出了法向应力与法向变形δ的双曲线型关系式，PATTON等[5]基于齿状结构面直剪试验，将基本摩擦角和剪胀角引入库伦公式中来反映起伏结构面的力学行为，该模型是最简洁的结构面线性剪切强度模型，也是后续若干抗剪强度模型发展的起点。BARTON等[6]在大量观察和试验的基础上，引入结构面粗糙度系数JRC，并提出了JRC-JCS结构面剪切强度模型，此模型是目前应用最广泛的结构面强度模型。国际岩石力学学会ISRM为了便于统一进行结构面粗糙度分级，推荐了由BARTON提出的10条长度为10 cm的标准剖面及其JRC值作为标准。目前已有的关于岩石结构面的抗剪强度模型主要是二维的，对于结构面三维形貌的合理表征方法及结构面三维抗剪强度模型的研究刚起步不久。BELEM和HOMAND[7]通过定义形貌参数来反映三维粗糙度，并建立了含三维形貌参数的峰值强度公式。GRASSELLI等[8]通过大量岩石结构面的直剪实验，研究了结构面有效剪切倾角与其对应接触面积的统计数学模型，提出了结构面三维粗糙度的拟合算法，建立了结构面三维抗剪强度模型。由于结构面表面粗糙度对其摩擦角、剪胀性及峰值抗剪强度等力学特性的重要影响，如何合理有效地定量表征表面形貌是联系结构面物理特性与其力学特性的关键。目前为止，结构面表面形貌室内测量方法主要分为机械方法和光学方法两种。机械式形貌仪一般只能对点或线进行测量，再通过点线组合得到结构面形貌，其中针梳式和触针式机械式形貌仪是其代表，机械式形貌仪由于触针易卡易磨损，精度也不易保证，目前已基本被淘汰[9-10]。随着光学测量技术的不断成熟，光学摄影轮廓测量法开始应用于岩石结构面形貌测量，该方法结合立体视觉、结构光栅和双目成像等原理，可获得被测表面上的三维坐标[11-12]，具有测量速度快，测量范围较大、精度较高等优点，特别适合于结构面形貌测量。

综上所述，前人对岩体结构面直剪试验、本构模型的建立及形貌特征描述已做了大量工作，但对煤体内结构面的研究报导极少，而我国煤矿地层方面的有效数据也依然缺乏。基于此，笔者以煤体结构面为研究对象，通过进行结构面直剪试验，研究煤体结构面的力学特征，确定结构面力学参数的取值范围，为数值模拟工作中参数的选取提供参考。

1 含结构面试样制备及三维形貌测量

1.1 煤样选取

所有煤样都选自山西晋城寺河煤矿的3号煤层，属无烟煤，煤体质地坚硬，沿层理方向原生结构面发育明显。经实验室内煤体物理力学试验测定，干燥状态下标准煤块试样的平均单轴抗压强度34 MPa，平均弹性模量3.0 GPa，平均泊松比0.29，煤块试样表面的基本摩擦角约为30°。

1.2 含结构面试样制备

将取自寺河煤矿3号煤层的大尺寸煤块沿其层理方向切割成100 mm×100 mm×100 mm的规则形状试样，并进行筛选，筛选原则是试样中间位置存在明显的原生闭合结构面，共筛选试样20个，将试样分为4组，每组5个，之后将加工好的试样放入尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的钢制模具中，在试样四周浇筑高强混凝土，浇筑到中间剪切面位置时铺设10 mm的无强度锯末，并在试样上下表面安置金属网加强固定。待试样制备好后进行标准养护，试样制备过程如图1所示。

1.3 直剪试验过程

试验在RMT-150C型刚性伺服试验机上完成，设备垂直最大输出载荷1 MN，水平最大输出载荷0.5 MN，可采用位移或载荷方式控制加载。为了解煤体结构面在不同法向应力下的剪切特性，依据《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)及《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)[13-14]，对1，2组试样施加0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 MPa共5级较低法向应力，对3，4组试样施加1,2,3,4,5 MPa共5级中等法向应力。

试验基本步骤为:① 将养护好的试样固定在剪切盒中，施加水平剪切载荷，将试样沿闭合结构面位置剪开，使得闭合结构面完全张开，并拍照记录结构面形貌;② 将剪切盒复位，按1 kN/s的速率施加法向载荷直至目标值;③ 保持法向载荷的恒定，以位移控制模式施加剪切载荷，速率为0.05 mm/s;④ 随着剪切位移的增加，待剪切位移达到10 mm时终止试验。

1.4 煤体结构面三维形貌测量

结构面表面形貌的测量是研究其三维形貌特征、变形机制及建立力学本构模型的基础。采用三维不接触摄影测量系统ShapeMetriX 3D，不仅可以快速获得结构面表面信息(产状、间距、迹长等)，还可以通过三维坐标反映结构面的真三维情况。该方法具有测量速度快、测量范围大、容易掌握操作等优点。

ShapeMetriX 3D系统由一个经过校准的高分辨率相机、进行三维图像生成的模型重建软件和对三维图像进行交互式空间可视化分析的分析软件包组成，首先利用相机对煤体结构面从左右两个角度进行拍摄，然后使用系统提供的SMX模型重建软件对不同角度的图像进行一系列的技术处理(基准标定、像素点匹配、图像变形偏差纠正)，便可重构得到结构面三维模型及其空间坐标[15-16]。

将三维模型空间坐标的数据文件导入第三方图像生成软件，可生成结构面形貌的三维网格图，对结构面的三维网格图沿其剪切方向进行切片处理，便可得到结构面的表面轮廓线，对每个结构面做8条平行、等间距的轮廓线，整个过程如图2所示。

将所有结构面的表面轮廓线与BARTON提出的标准JRC曲线进行比对，得到本次试验所用煤体结构面的粗糙度系数平均值约为16，可见相对于普通砂岩结构面，煤体结构面的粗糙程度更高。

2 载荷-位移曲线特性及剪切参数确定

2.1 载荷-位移曲线特性

根据直剪试验得到的法向载荷、法向位移、剪切载荷、剪切位移数据绘制出如图3,4所示的法向载荷-法向位移，剪切载荷-剪切位移曲线。

分析4组煤体结构面在不同法向载荷作用下的法向载荷-法向位移关系曲线，可以看出在施加法向载荷的初期阶段，法向位移显著增大，这是由于结构面间存在较大孔隙且在试件其它部位也存在大小不一的结构面。随着法向载荷的不断增大，结构面逐渐被压密，此时法向载荷与法向位移之间基本呈线性关系，这种力学行为可归结于结构面的接触点数和接触面积随载荷增大而增大，同时伴随着接触微凸体的弹性变形、压碎和间接拉裂缝的产生。而剪切载荷-剪切位移关系曲线的形态与其它岩石结构面的应力-位移曲线基本一致[17]，可比较明显地分为以下几个阶段:

(1)在剪切变形的初期，剪切载荷-剪切位移关系曲线形状基本呈下凹型，在这个阶段内，剪切变形主要来自结构面间空隙的减少，此时的剪应力小于结构面的抗剪强度。

(2)随着剪切变形的继续增加，剪切载荷-剪切位移关系曲线呈近似直线型，进入平缓发展阶段，剪切力逐渐达到恒定值，但没有出现明显的峰值。这个阶段除结构面的压密外，已有局部的剪应力达到或超过了结构面的抗剪强度，并逐渐发生剪切破坏。这个阶段试样虽然产生了较大的剪切变形，但依然具有承载能力。

(3)剪切变形量达到一定数值后，剪切力趋于平稳或出现下降趋势。在该阶段，剪切面范围内各点的剪切力达到或超过煤体结构面的抗剪强度，凸起体发生剪切错动、翻转、破碎，剪切强度主要来源于剪切破坏面的滑动摩擦力。

2.2 剪切参数确定

由法向刚度Kn及剪切刚度Ks的定义，可取法向载荷-法向位移和剪切载荷-剪切位移曲线中达到峰值前近似直线段的斜率作为Kn值和Ks值[18]，各组试样的试验结果及刚度计算值见表1。

通过分析各组数据可以得出，煤体结构面法向刚度最大值为62 GPa/cm，最小值为13 GPa/cm，施加较低法向应力组的法向刚度为13～39.2 GPa/cm，中等法向应力组的法向刚度为13.8～62.0 GPa/cm。煤体结构面剪切刚度最大值为26.6 GPa/cm，最小值为3.1 GPa/cm，施加较低法向应力组的剪切刚度为3.1～26.6 GPa/cm，中等法向应力组的剪切刚度为4.3～18.2 GPa/cm。由此可知法向应力水平对结构面刚度值有重要影响，法向刚度、剪切刚度及峰值剪应力都随法向应力的增大而增大。

大量结构面剪切试验的结果表明，结构面抗剪强度一般可以用库伦准则表示。对本次试验的正应力及其对应的峰值剪应力值用最小二乘法进行线性回归，得到如图5所示的关系曲线。

1，2，3，4组的线性回归方程分别为

表1 煤体结构面力学参数
Table 1 Mechanical parameters of mine structural plane

(1)

式中，τ为剪应力;σ为正应力。

由回归方程可知，各组结构面的黏聚力c分别为0.59,0.38,0.49,1.2 MPa，平均0.67 MPa，峰值摩擦角分别为41°，41°，37°，30°，平均37°。

3 煤体结构面剪切强度估算

依据对大量岩石结构面的表面形貌测量及剪切试验结果,BARTON提出了包含结构面粗糙度系数(JRC)的JRC-JCS模型，此模型仍是应用最广泛的结构面强度模型，其表达式如下:

(2)

式中,τp为峰值剪应力;σn为法向应力;φb为试样表面的基本摩擦角;JRC为结构面粗糙度系数;JCS为结构面壁面强度。

据文献[6]记载，结构面在未风化情况下，其JCS值可取煤体单轴抗压强度值。将相关参数JRC，JCS，φb及直剪试验对应的各级法向应力σn带入到JRC-JCS模型中，可得到估算的峰值剪切强度τp，与试验得到的峰值剪切强度进行对比，计算出相对误差值，结果见表2。

分析表2中数据可知:施加较低法向应力的1,2组试样中，有8个试样的抗剪强度经验估算值小于直剪试验值，相对误差为负值，施加中等法向应力的3,4组试样中有8个试样的抗剪强度经验估算值大于直剪试验值，相对误差为正值，说明在一定法向应力范围内，用JRC-JCS模型计算得到的估算值取值区间大于试验值，这可能是由于煤体结构面的粗糙程度比法向应力水平对试验结果影响更大造成的。统计所有20个试样中只有3个试样的相对误差值大于20%，说明在1～5 MPa的法向应力，运用JRC-JCS模型能较好的预测煤体结构面的剪切强度。

4 结 论

(1)以晋城矿区寺河煤矿无烟煤为研究对象，对煤体结构面试样进行了实验室直剪试验，试验结果表明:在低法向应力水平下，煤体结构面的法向刚度取值为13～39.2 GPa/cm，剪切刚度取值为3.1～26.6 GPa/cm，中等法向应力水平下，煤体结构面的法向刚度取值为13.8～62.0 GPa/cm，剪切刚度取值为4.3～18.2 GPa/cm，煤体结构面黏聚力平均值为0.67 MPa，峰值摩擦角平均值为37°，可为数值模拟的参数选取提供一定的参考。

表2 JRC-JCS模型估算值
Table 2 Estimated value of JRC-JCS model

(2)由试验结果可知:煤体结构面的法向刚度及剪切强度都随法向应力的增大而增大，随着剪切变形的增加，煤体结构面的剪切强度逐渐升高并最终达到恒定值。

(3)运用摄影测量方法对煤体结构面粗糙程度进行了定量描述，得出试样的粗糙度系数平均约为16。在1～5 MPa的法向应力，用JRC-JCS模型能较好估算煤体结构面的剪切强度。

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