煤巖膨脹破裂應(yīng)變及聲發(fā)射特征實(shí)驗(yàn)研究

李杰， 邱黎明， 殷山， 劉洋， 童永軍

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

在煤炭開采過程中，普遍存在張拉破壞現(xiàn)象。抗拉強(qiáng)度是煤巖材料的重要力學(xué)參數(shù)之一，煤巖的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)煤巖整體或者局部受到拉應(yīng)力作用時，往往更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。目前對煤巖材料拉升破壞特征的研究多集中在直接拉伸和劈裂條件下，而在低透氣性煤層增透、堅(jiān)硬頂板預(yù)裂切頂和復(fù)雜環(huán)境隧道的掘進(jìn)開挖等工程中，煤巖的破壞往往都與膨脹拉應(yīng)力有關(guān)[1-3]。因此，研究煤巖膨脹破裂的變形破壞特征及其監(jiān)測預(yù)警，對于保證工程安全具有重要意義[4]。

煤巖材料受載破壞過程伴隨著微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通，同時會引起煤巖表面的形變[5-6]。大量研究表明，應(yīng)變是煤巖失穩(wěn)破壞的重要指標(biāo)。范金洋等[7]建立了巖石變形失穩(wěn)應(yīng)變梯度理論模型，對巖爆等現(xiàn)象的應(yīng)變局部化進(jìn)行了解釋。馬少鵬等[8]分析了受載煤巖表面應(yīng)變場的演化規(guī)律，認(rèn)為煤巖內(nèi)部微裂紋的演化與應(yīng)變場統(tǒng)計(jì)指標(biāo)具有一定的聯(lián)系。趙程等[9]研究了預(yù)制裂紋試樣的變形損壞演化特征，并探討了巖石細(xì)觀破壞及宏觀力學(xué)性質(zhì)的聯(lián)系。

煤巖在受載過程中，除引起煤巖表面形變外，還伴隨著能量的釋放[10]，其中一部分能量以彈性波的形式釋放出來，即聲發(fā)射現(xiàn)象。針對煤巖失穩(wěn)破壞過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象，國內(nèi)學(xué)者取得了大量研究成果。文獻(xiàn)[11-13]研究了煤巖單軸壓縮破壞過程中的聲發(fā)射信號，認(rèn)為其能反映煤巖內(nèi)部的變形和損傷程度，建立了基于聲發(fā)射特性的單軸壓縮煤巖損傷模型。文獻(xiàn)[14-15]研究了巖石在單軸作用下應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程的聲發(fā)射特征，得出聲發(fā)射可用來表征巖石的微觀損傷演化。文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)煤巖破壞前期聲發(fā)射存在相對平靜期現(xiàn)象，認(rèn)為聲發(fā)射平靜期可以作為煤巖失穩(wěn)破壞的前兆信息。文獻(xiàn)[17]研究了不同加載條件下巖石破壞過程中聲發(fā)射的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同加載條件下聲發(fā)射演化特征具有較大區(qū)別。文獻(xiàn)[18]通過研究三軸壓縮狀態(tài)下巖石的聲發(fā)射演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射特征參數(shù)的突變可作為巖石破裂的前兆。以上研究結(jié)果表明，聲發(fā)射信號與煤巖的受力狀態(tài)密切相關(guān)，且不同的加載方式下聲發(fā)射信號有著顯著差異[19-21]。

目前對聲發(fā)射的研究多集中在煤巖單軸、剪切、劈裂等破壞模式，對煤巖膨脹破裂過程中的聲發(fā)射特征研究較少。鑒此，本文開展煤巖膨脹破裂實(shí)驗(yàn)，測試煤巖膨脹破裂過程中的變形及聲發(fā)射演變規(guī)律，分析煤巖膨脹破裂表面形變與聲發(fā)射信號的對應(yīng)關(guān)系，以揭示煤巖膨脹破裂的前兆特征。研究結(jié)果對進(jìn)一步揭示煤巖膨脹破裂的變形破壞特征及靜爆致裂過程具有參考意義。

1 煤巖膨脹破裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

煤巖膨脹破裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括聲發(fā)射采集系統(tǒng)、應(yīng)變采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，如圖1 所示。聲發(fā)射采集系統(tǒng)由8 通道聲發(fā)射采集儀、聲發(fā)射探頭和聲發(fā)射放大器組成。聲發(fā)射采集儀最高采樣頻率為10 MHz，輸入信號電壓范圍為-10～10 V，能夠同步記錄所有通道全波形數(shù)據(jù)，外接20 dB放大器。應(yīng)變采集系統(tǒng)由YSV動態(tài)信號采集儀、應(yīng)變放大器等組成。其中，YSV動態(tài)信號采集儀采用24 位數(shù)據(jù)采集芯片，最高采樣頻率為51.2 kHz，可實(shí)現(xiàn)16 通道同步采集。本次實(shí)驗(yàn)采樣頻率設(shè)置為2 kHz。

1-試樣；2-聲發(fā)射探頭；3-應(yīng)變放大器；4-YSV動態(tài)信號采集儀；5-應(yīng)變數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；6-聲發(fā)射放大器；7-聲發(fā)射采集儀； 8-聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。圖1 煤巖膨脹破裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Coal and rock expansion and fracture experiment system

1.2 試樣制備及膨脹致裂原理

實(shí)驗(yàn)所用試樣為大塊原煤和砂巖，將其加工成尺寸為200 mm×120 mm×150mm(長×寬×高)的長方體。在試樣中部鉆1個直徑為30 mm、深100 mm的中心孔，用以充填無聲破碎劑。在中心孔兩側(cè)設(shè)置2 個直徑為10 mm、深120 mm的引導(dǎo)孔，用以控制裂紋的發(fā)展方向。試樣如圖2所示。

圖2 煤巖試樣Fig.2 Coal or rock sample

無聲破碎劑是一種粉狀高效能安全破碎材料，適用于在不宜采用炸藥爆破的場合進(jìn)行破碎或拆除作業(yè)。考慮實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度約為0～10 ℃，選用適用溫度為-5～15 ℃的HSCA-III型無聲破碎劑。該試劑與水混合后體積快速增長，進(jìn)而對有限空間的邊界產(chǎn)生膨脹壓，使中心孔附近彈性區(qū)域內(nèi)均受到徑向壓應(yīng)力σr和切向拉應(yīng)力σθ。徑向壓應(yīng)力會促使原始裂隙閉合，切向拉應(yīng)力會促使新裂紋產(chǎn)生與發(fā)展。當(dāng)膨脹壓遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度時，中心孔就會產(chǎn)生裂紋，在引導(dǎo)孔的作用下按照預(yù)設(shè)方向擴(kuò)展。試樣受力及裂紋擴(kuò)展如圖3所示。

圖3 試樣受力及裂紋擴(kuò)展Fig.3 Sample stress and fraction propagation

1.3 應(yīng)變片布置及實(shí)驗(yàn)方案

由于中心孔附近主要受徑向壓應(yīng)力及切向拉應(yīng)力，本文主要以觀察試樣表面受拉情況為主，故在中心孔四周布置了如圖4所示的3—6號應(yīng)變片，1號、2號應(yīng)變片用于觀察側(cè)面的受拉情況。

圖4 聲發(fā)射探頭及應(yīng)變片布置Fig.4 Layout of acoustic emission probe and strain gauge

實(shí)驗(yàn)共采用2組試樣。實(shí)驗(yàn)前用砂紙對試樣表面進(jìn)行打磨處理，保證表面平整度小于0.01 mm。將聲發(fā)射探頭和應(yīng)變片粘貼到預(yù)定位置，然后調(diào)試聲發(fā)射采集儀，并提前預(yù)熱0.5 h。待聲發(fā)射采集儀預(yù)熱完成后，將無聲破碎劑與水按質(zhì)量比3∶1調(diào)制成漿液，并迅速倒入中心孔中，開始采集數(shù)據(jù)。膨脹劑水化反應(yīng)時間約為20～60 min，實(shí)驗(yàn)開始后每隔30 min觀察試樣及膨脹劑狀態(tài)，待試樣膨脹破裂后，停止數(shù)據(jù)采集并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤巖膨脹變形破裂形態(tài)

將無聲破碎劑注入中心孔后約2～3 h，試樣發(fā)生破壞。試樣破壞后的裂紋形態(tài)主要分為縱向裂紋和橫向裂紋2類，如圖5所示。由圖5可知，煤樣和砂巖中均出現(xiàn)縱向裂紋，這是由于無聲破碎劑對試樣施以徑向膨脹力，在引導(dǎo)孔的作用下，試樣發(fā)生縱向破壞。與砂巖不同，煤樣表面還存在橫向裂紋，且裂紋走向并不規(guī)則，這是由于煤樣具有豐富且薄弱的層理結(jié)構(gòu)，受到軸向拉應(yīng)力時其材料具有不均勻性。因此，對于具有層理結(jié)構(gòu)的煤巖，在布設(shè)中心孔及引導(dǎo)孔時需考慮層理結(jié)構(gòu)對裂紋走向的影響。

圖5 煤巖試樣膨脹破裂后形態(tài)Fig.5 Morphology of coal and rock samples after expansion and fracture

2.2 煤巖膨脹破裂應(yīng)變演化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)所采用的應(yīng)變片是一種電阻式敏感元件，當(dāng)試樣發(fā)生變形時，應(yīng)變片隨試樣一起變形。這時應(yīng)變片中的電阻絲會出現(xiàn)機(jī)械變形，導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化，從而反映結(jié)構(gòu)的變形情況。

煤巖膨脹破裂過程各測點(diǎn)的應(yīng)變-時間曲線如圖6、圖7所示，圖中應(yīng)變值的正負(fù)代表應(yīng)變片長度的變化，正值表示應(yīng)變片變短(受壓)，負(fù)值則表示應(yīng)變片變長(受拉)。根據(jù)應(yīng)變變化特征，將煤巖膨脹破裂過程分為微破裂階段(Ⅰ)、宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段(Ⅱ)、劈裂階段(Ⅲ)。

(1) 微破裂階段。煤樣的0～4 300 s和砂巖的0～5 180 s為微破裂階段。無聲破碎劑注入中心孔后，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，膨脹應(yīng)力逐漸變大，中心孔附近單元受徑向壓應(yīng)力σr和切向拉應(yīng)力σθ作用，煤巖中心孔周邊的裂隙、孔隙等受壓應(yīng)力作用而逐漸被壓密，同時在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微小裂紋。由于水化反應(yīng)早期的膨脹應(yīng)力較小，煤樣表面應(yīng)變僅有小幅降低，表明煤樣表面有較小的彈性膨脹拉伸變形。砂巖表面各處的應(yīng)變變化趨勢略有不同，應(yīng)變的變化趨勢主要分為2類：1 號、3 號、4 號應(yīng)變片呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，3處均受到切向的拉應(yīng)力作用；2 號、5 號、6 號應(yīng)變片先呈現(xiàn)下降趨勢，從3 400 s開始出現(xiàn)回升現(xiàn)象(應(yīng)變量仍為負(fù))，這主要是由于無聲破碎劑水化反應(yīng)后中心孔周邊出現(xiàn)小的裂隙，使得中心孔附近得到短時間的釋放空間。

(a) 1號、2號、4號應(yīng)變測點(diǎn)

(a) 2號、5號、6號應(yīng)變測點(diǎn)

(2) 宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段。煤樣的4 300～6 100 s和砂巖的5 180～8 500 s為宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段。水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使得水化作用加速進(jìn)行，膨脹應(yīng)力隨即快速升高，由中心孔逐漸向自由面?zhèn)鬟f，促使中心孔附近裂紋產(chǎn)生并加速擴(kuò)展。各應(yīng)變片受到切向拉應(yīng)力的作用，應(yīng)變沿負(fù)值快速降低，且不同測點(diǎn)應(yīng)變的變化速率具有顯著區(qū)別。4 300 s后，除3號應(yīng)變片之外，煤樣表面應(yīng)變量均快速降低，且為負(fù)值，說明除3 號應(yīng)變片外其余應(yīng)變片均位于裂紋走向上，其中6 號應(yīng)變片在此階段已被拉斷。由圖7可知，砂巖表面應(yīng)變在此階段均呈快速下降趨勢，且為負(fù)值，說明砂巖表面各應(yīng)變片均受到拉應(yīng)力作用。

(3) 劈裂階段。煤樣的6 100 s和砂巖的8 500 s為劈裂階段。無聲破碎劑產(chǎn)生的膨脹壓經(jīng)過第Ⅱ階段的傳遞后，逐漸作用于試樣整體。當(dāng)膨脹壓積累到一定值時，試樣發(fā)生大的破壞，宏觀裂紋瞬間貫通，應(yīng)變在瞬間發(fā)生突變，應(yīng)變曲線呈現(xiàn)垂直拐角型趨勢。

2.3 煤巖膨脹破裂聲發(fā)射演化規(guī)律

通過監(jiān)測煤巖膨脹過程中的聲發(fā)射，可得到煤巖的損傷程度和內(nèi)部破裂狀況。砂巖和煤樣膨脹破裂過程中的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、應(yīng)變時序變化如圖8及圖9所示(選取主裂紋上的2個測點(diǎn)：測點(diǎn)1和測點(diǎn)6)。

(a) 測點(diǎn)1

由圖8可知，砂巖聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)臨近劈裂時呈現(xiàn)“突增→平靜”趨勢。在微破裂階段，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)極少，聲發(fā)射信號較弱，這說明砂巖內(nèi)部微小裂隙、孔隙較少，均質(zhì)性較好，在無聲破碎劑水化作用前期其內(nèi)部無明顯變化。在宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段，隨著應(yīng)變速率快速增加，砂巖內(nèi)部開始有裂紋萌生，此時仍然僅有少量聲發(fā)射信號。接近劈裂階段時，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)峰值，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)先突增后經(jīng)歷一段“平靜期”，砂巖中的裂紋開始急劇擴(kuò)展、貫通，并在8 537.3 s發(fā)生劈裂破壞，伴隨著大裂紋的生成，許多微小裂紋也隨著膨脹壓的進(jìn)一步增大而產(chǎn)生。在該階段聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)出現(xiàn)第2次突增，聲發(fā)射信號密集出現(xiàn)。

(a) 測點(diǎn)1

由圖9可知，煤樣聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)臨界劈裂時呈現(xiàn)指數(shù)遞增趨勢。相比砂巖試樣，在微破裂階段及宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段，聲發(fā)射信號十分豐富，且具有陣發(fā)性，表明在這2個階段，煤樣內(nèi)部不斷有微小裂隙、孔隙產(chǎn)生及擴(kuò)展。接近劈裂階段時，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)呈指數(shù)增長趨勢，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在劈裂瞬間(6 128.9 s)達(dá)到峰值，煤樣裂紋發(fā)生大的貫通，劈裂后煤樣與砂巖聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)均密集出現(xiàn)。

煤樣、砂巖膨脹過程聲發(fā)射信號具有鮮明的差異，聲發(fā)射信號反映了煤巖不同膨脹階段的內(nèi)部裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

3 煤巖脹裂應(yīng)變及聲發(fā)射響應(yīng)

3.1 煤巖膨脹破裂非均勻變形演化特征

通過分析煤巖膨脹破裂過程中不同測點(diǎn)的應(yīng)變變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：在微破裂階段，不同區(qū)域的應(yīng)變呈現(xiàn)出速率穩(wěn)定變化現(xiàn)象；在主破裂發(fā)生前，試樣處于宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段時，應(yīng)變速率穩(wěn)定變化的特征逐漸消失，表現(xiàn)為變化幅度顯著增大，且不同測點(diǎn)應(yīng)變的變形速率有明顯區(qū)別。對于煤巖膨脹破裂而言，主裂紋在應(yīng)力集中區(qū)(即中心孔附近)率先破裂，隨后逐漸延伸擴(kuò)展，即存在變形局部化現(xiàn)象。煤巖膨脹破裂不同區(qū)域的變形可反映破裂的過程性：如果不同區(qū)域內(nèi)變形協(xié)調(diào)一致，表明試樣未出現(xiàn)集中破裂區(qū)域；如果其中一個或幾個區(qū)域變形速率快速增加，預(yù)示會出現(xiàn)集中破裂區(qū)域。

利用應(yīng)變的變異系數(shù)Cv定量表征變形局部化演化特征。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，變異系數(shù)Cv用來描述數(shù)據(jù)分布的離散度，應(yīng)變變異系數(shù)越大，代表應(yīng)變分布的離散程度越大，即應(yīng)變局部化越明顯，其定義為

(1)

(2)

(3)

按式(1)—式(3)計(jì)算煤巖膨脹破裂過程中應(yīng)變的變異系數(shù)，并繪制其變化曲線，如圖10、圖11所示。

圖10 煤樣應(yīng)變變異系數(shù)曲線Fig.10 Strain variation coefficient curve of coal

圖11 砂巖應(yīng)變變異系數(shù)曲線Fig.11 Strain variation coefficient curve of rock

由圖10、圖11可知，破碎劑開始時刻的反應(yīng)速率并不穩(wěn)定，因此試樣受力不均，應(yīng)變出現(xiàn)波動變化，應(yīng)變的變異系數(shù)Cv呈現(xiàn)波動變化。在變形局部化前，煤樣變異系數(shù)前期具有明顯的上升趨勢，然后呈現(xiàn)穩(wěn)定波動，且存在多個突變點(diǎn)；而砂巖應(yīng)變變異系數(shù)先穩(wěn)定波動，然后出現(xiàn)顯著上升趨勢，僅存在一個突變點(diǎn)。煤樣應(yīng)變變異系數(shù)較砂巖應(yīng)變變異系數(shù)變化劇烈，即煤樣變形局部化現(xiàn)象更加復(fù)雜。煤樣的2個顯著突變點(diǎn)分別發(fā)生在5 884.3，6 120.8 s，分別比主破裂提前244.6，8.1 s；而砂巖的突變點(diǎn)發(fā)生在8 472.3 s，較主破裂提前65.0 s。因此，煤巖樣應(yīng)變變異系數(shù)的突變可作為破壞前兆。當(dāng)變異系數(shù)突降時，表明不同區(qū)域形變中出現(xiàn)了較大變化，即生成了宏觀大裂紋，并伴隨著能量釋放，產(chǎn)生聲發(fā)射信號。因此，應(yīng)變變異系數(shù)與聲發(fā)射存在一定關(guān)系。

3.2 煤巖膨脹破裂非均勻變形與聲發(fā)射響應(yīng)相關(guān)關(guān)系

煤巖膨脹破裂過程中區(qū)域應(yīng)變的非均勻性與聲發(fā)射存在一定關(guān)系。對于煤巖聲發(fā)射而言，不同破裂尺度產(chǎn)生的聲發(fā)射信號頻率也不同。大尺度裂紋產(chǎn)生的信號低頻成分多，小尺度裂紋產(chǎn)生的信號高頻成分多。峰值頻率作為震源頻譜特征的重要參數(shù)，可近似看作信號的主頻，故本節(jié)通過分析煤巖破裂應(yīng)變變異系數(shù)與聲發(fā)射峰值頻率的響應(yīng)關(guān)系，研究煤巖膨脹破裂內(nèi)部演化特征。

聲發(fā)射峰值頻率與應(yīng)變變異系數(shù)隨時間的變化如圖12所示。

(a) 煤樣

從圖12可發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變變異系數(shù)突變前，煤樣有2個峰值頻率帶，分別為低頻率帶(0～50 kHz)和高頻率帶(150～200 kHz)，而砂巖聲發(fā)射較少；當(dāng)臨近應(yīng)變變異系數(shù)發(fā)生突變時，煤樣和砂巖聲發(fā)射峰值頻率分布均較為分散，頻率帶明顯增多。

根據(jù)上述分析可得出聲發(fā)射事件峰值頻率與煤巖試樣變形演化特征的響應(yīng)關(guān)系：煤巖膨脹變形局部化發(fā)生時，即劈裂前，聲發(fā)射峰值頻率帶明顯增多，可作為脹裂破壞的前兆信息。

4 結(jié)論

(1) 煤樣和砂巖變形破壞過程均包括微破裂階段、宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段和劈裂階段。微破裂階段，煤巖表面應(yīng)變變化幅度較小；在宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段，應(yīng)變隨著膨脹壓的傳遞加快變化；在劈裂瞬間，應(yīng)變達(dá)到極值。

(2) 煤樣和砂巖由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)及均一性存在差異，膨脹破壞過程其聲發(fā)射信號表現(xiàn)出不同的特征：煤樣聲發(fā)射在整個破壞過程較為豐富，在臨近破壞時刻，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長；砂巖在微破裂階段和宏觀裂紋生成及擴(kuò)展階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)較少，在破壞時刻，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)呈現(xiàn)“突增→平靜”趨勢。

(3) 煤巖膨脹破裂存在變形局部化現(xiàn)象，聲發(fā)射信號與之有較好的對應(yīng)關(guān)系。煤巖變形在出現(xiàn)明顯局部化前，聲發(fā)射峰值頻率較均勻分布在高、低頻段或無聲發(fā)射現(xiàn)象。煤巖膨脹出現(xiàn)變形局部化時，聲發(fā)射峰值頻率的分布頻段增多，預(yù)示著宏觀劈裂裂紋的形成。應(yīng)變變異系數(shù)的突變和聲發(fā)射峰值頻率段增多現(xiàn)象可作為煤巖脹破的前兆特征。