循環載荷下煤裂隙演化試驗研究*

郭軍杰,程曉陽

(1.河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191；2.河南理工大學 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術國家地方聯合工程實驗室，河南 焦作 454000；3.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；4.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0　引言

由于煤體在工程活動中常受到循環載荷作用，會產生裂隙演化導致失穩，造成大量安全事故。因此,研究循環載荷下煤體的裂隙演化具有重要意義。

在循環載荷下的煤巖體力學特性方面，部分學者研究了頁巖[1]、鹽巖[2]、凍結黃土[3]和型煤[4]等材料的力學特性，劉杰等[5-6]對變形參量進行分析。在聲發射參數特征方面,AMMAR等[7]、SHAHIDAN等[8]分析鋼筋混凝土梁裂紋擴展過程;劉亞運等[9]研究花崗巖的能量演化過程;王明旭等[10-12]研究巖石的損傷特性的影響因素;蘇承東等[13-17]從不同角度對聲發射參數特征進行研究;李東印等[18]研究了大尺寸煤樣聲發射參數特征。上述研究的對象沒有涉及原煤，且試驗方法單一，未能結合2種試驗對煤體裂隙演化進行綜合分析。

鑒于此，筆者擬通過分析循環載荷下煤樣力學和聲發射參數變化特征，研究應力水平和頻率對煤體裂隙演化階段及破壞模式的影響，為冒頂片幫、煤與瓦斯突出、底板突水等礦井災害防治提供理論依據。

1　試驗方法

1.1　煤樣制作與篩選

試驗煤樣選用來自山西晉煤集團寺河礦的3#無煙煤。沿原煤塊垂直層理方向取樣，加工成標準煤樣(Φ50 mm×100 mm)，部分煤樣如圖1所示。

圖1　部分煤樣Fig.1　Part of coal samples

為降低試驗誤差，選擇密度為1.33～1.45 g/cm3，波速范圍在1 659.43～1 847.56 m/s的6個煤樣。把煤樣平均分成2組：應力水平組煤樣編號為S1-1，S1-2，S1-3；加載頻率組煤樣編號為S2-1，S2-2，S2-3。

1.2　試驗設備及內容

試驗系統由RMT-150B型巖石力學試驗機和DS5-8B型全信息聲發射信號分析儀集成，可同步獲得力學和聲發射試驗數據。具體試驗條件如下：

1)應力水平組煤樣：恒定循環頻率0.05 Hz，圍壓2 MPa，下限應力均為20 MPa，煤樣S1-1，S1-2，S1-3的上限應力分別選擇50，45，40 MPa。

2)加載頻率組煤樣：恒定應力水平為20～45 MPa，圍壓2 MPa，煤樣S2-1，S2-2，S2-3的加載頻率分別為0.1，0.05，0.02 Hz。

2　試驗結果及分析

2.1　循環載荷下煤樣變形特征

2組煤樣變形規律都具有一定相似性，如圖2和圖3所示。從第2次循環開始，滯回環個數隨循環次數增

圖2　S1煤樣應力-變形曲線Fig.2　Stress-strain curves of coal samples

圖3　S2煤樣應力-變形曲線Fig.3　Stress-strain curves of coal samples

加而增加，整體呈現疏-密-疏的變化規律，具有明顯的初期減速、中間勻速和后期加速的3階段特征，該特征與巖石類材料的循環疲勞破壞過程相似。2組試驗結果差異性為：煤樣S1-3，S1-2，S1-1分別循環了247，86，14次，可見煤樣循環次數隨上限應力水平的提高而逐漸減少，試驗結果如圖2所示；加載頻率對煤樣疲勞壽命影響較小，煤樣S2-1，S2-2，S2-3分別循環了85，86，82次，試驗結果如圖3所示。

2.2　循環載荷下煤樣聲發射特征

2.2.1峰值振鈴數特征

在試驗過程中，2組煤樣的峰值振鈴數變化趨勢呈U型，隨時間的增長出現了降低、穩定和升高的規律，見圖4和圖5。在應力水平對裂隙影響方面，應力水平越高，每次循環對煤樣損傷程度越大，相應的聲發射活動越劇烈，各階段的振鈴計數也隨之升高，應力水平組煤樣試驗結果如圖4所示；加載頻率越高，循環時間越短，單位時間內產生的振鈴數越多，加載頻率組煤樣試驗結果，如圖5所示。

圖4　S1煤樣振鈴數變化趨勢Fig.4　Ringing count variation tendency of coal samples

圖5　S2煤樣振鈴數變化趨勢Fig.5　Ringing count variation tendency of coal samples

2.2.2累積能量與撞擊次數特征

煤樣的累計能量和撞擊計數變化曲線整體表現為“階梯狀”上升趨勢，呈倒S型，見圖6和圖7。

2.3　變形與聲發射特征對比

分別提取煤樣試驗數據中上限應力點處的應變值及峰值振鈴計數，如圖8和圖9所示。2組煤樣上限應力處的應變發展趨勢均呈倒S型，這與聲發射參數累積能量和撞擊次數曲線趨勢一致；峰值振鈴數的變化趨勢呈U型。從疲勞破壞全過程看，應變發展過程與峰值振鈴數變化趨勢具有良好的對應關系，在應變增加速率的降低階段，峰值振鈴數隨循環次數增加逐漸減小；穩定階段，峰值振鈴數基本穩定；升高階段，峰值振鈴數隨循環次數急劇上升。

2.4　裂隙演化及破壞

2.4.1裂隙演化

圖2～5共同反映出煤樣裂隙發展具有明顯的3個階段：初始階段、中間階段、破壞前階段。圖6～9中的曲線反映：在初始階段，每單次循環應變增量減小，聲發射活動也逐漸減少，說明煤樣裂隙處于逐漸閉合的趨勢，符合原生裂隙演化的特征；中間階段，每單次循環應變增量為常數，聲發射活動穩定，表明煤樣裂隙變化處于平靜期，新生微裂紋的萌生和擴展占主導作用；破壞前階段，單次循環應變增量和聲發射活動急劇增多，反映裂紋在不斷地擴展并相互貫通。因此，可將該3個階段劃分為：原生裂隙閉合階段、新生微裂紋穩定發展階段、裂紋貫通破壞階段。它們的差異性在于：隨應力水平增大，對裂隙的演化有明顯影響，而循環頻率對裂隙演化的影響不明顯。

圖6　S1累積能量和撞擊次數變化趨勢Fig.6　Variation curve of AE cumulate energy and impact count of coal samples

圖7　S2累積能量和撞擊次數變化趨勢Fig.7　Variation curve of AE cumulate energy and impact count of coal samples

圖8　S1煤樣應變、峰值振鈴數與循環次數的關系Fig.8　Relationship curves between strain, ringing count and cycle number

圖9　S2煤樣應變、峰值振鈴數與循環次數的關系Fig.9　Relationship curves between strain, ringing count and cycle number

2.4.2破壞模式

對于應力水平組煤樣，應力水平越高，每單次循環的煤樣損傷越大，聲發射活動也明顯增強，在破壞前的幾個循環應變值較大，且破壞后出現了多個殘余峰值點，破壞形式為韌性破壞，如圖2(a)所示。當應力水平較低時，每單次循環對煤樣的損傷較小，大裂紋擴展速度相對緩慢，小裂紋發育不明顯，聲發射活動較少，煤樣破壞前的幾個循環應變值較小，破壞后未出現殘余峰值，破壞形式為脆性破壞，如圖2(c)所示。可見，應力水平不僅對裂紋發育過程有重要影響，對破壞模式也有影響。

對于加載頻率組煤樣，加載頻率越大，每單次循環的時間越短，小裂紋還未充分萌生和擴展，就進入下一個循環，小裂紋的聲發射活動較少，監測到的聲發射事件主要來自于大裂紋的擴展和貫通，且破壞前的幾個循環應變值也較小，因此，煤樣破壞形式為脆性破壞，如圖3(a)所示；加載頻率越小，每單次循環時間越長，小裂紋得到較為充分的發育，使單次循環能產生更多不可恢復的塑性變形，其在聲發射參量上的表現為單位時間內聲發射活動增多，即聲發射率增加，該特點在裂紋貫通破壞階段的表現比煤樣裂隙演化的前2個階段相比更為明顯，破壞前的幾個循環應變值也較大，煤樣破壞形式為韌性破壞，如圖3(c)所示。

3　結論

1)循環載荷下，煤體應力-應變滯回曲線呈疏- 密-疏的變化規律，聲發射峰值振鈴數柱狀圖呈U型特征，每次循環上限應力處的應變、累計能量和撞擊計數曲線都呈上升趨勢，呈倒S型。

2)在破壞前，煤體裂隙演化經歷了3個階段：原生裂隙閉合階段、新生微裂紋穩定發展階段、裂紋貫通破壞階段。

3)應力水平對煤體疲勞壽命影響較明顯，隨應力水平提高，循環次數不斷減少，而加載頻率對煤體的疲勞壽命無明顯影響。

4)在高應力低頻率條件下，煤體呈韌性破壞，在低應力高頻率條件下，煤體呈脆性破壞。

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