中間主應力對煤巖力學與聲發射特征的影響

彭巖巖，鄧浩翔，樊 嘯

（1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興312000；2.紹興文理學院 浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江 紹興312000）

煤礦開采工程中，深部地下工程巖體處于三向受力狀態[1]。邊坡、隧道或礦山等工程的開挖會引起臨近開挖面區域范圍的巖體出現強烈擴容，并伴有張拉與剪切等復雜的力學破壞。因此，研究深部地下工程巖體的力學性質，僅僅依靠單軸壓縮、拉伸試驗或常規三軸壓縮試驗是遠遠不夠的，而需通過真三軸試驗來模擬巖體真實受力情況。近年來，研究人員進行了大量室內真三軸試驗研究。例如，何滿潮等[2]對深部高地應力區花崗巖開展真三軸卸載試驗，得出其巖爆誘發機制與破壞特征。呂穎慧等[3]進行了花崗巖的真三軸卸載試驗，在應變空間中推導了考慮巖石變形參數劣化效應的力學本構方程。王永鑫等[4]利用真三軸試驗機對巖石試樣進行一系列壓縮與剪切作用下的加、卸載試驗，得到了不同卸載階段回彈剪切模量的變化規律。呂有廠等[5]進行了煤巖的真三軸恒定軸壓卸圍壓試驗，發現煤巖的能量耗散與卸載圍壓的速率有關。薛世鵬等[6]通過真三軸試驗機模擬礦井下應力條件，并結合聲發射設備對煤巖體破壞做出預警。郤保平等[7]采用真三軸THMC耦合作用試驗機對花崗巖的熱變形及膨脹系數的變化規律進行研究。李文帥等[8]開展砂巖的真三軸加載試驗，并結合CT掃描技術，系統研究了不同中間主應力條件下，砂巖的強度、變形等特征。高明忠、謝和平、張朝鵬等[9－11]，利用真三軸試驗對深部礦山開采時巖石的力學行為進行研究。然而，目前針對中間主應力影響的真三軸試驗研究相對較少。因此，以煤巖為研究對象，通過真三軸加、卸載試驗模擬地應力作用下巖體的瞬態卸載[12]（鉆爆開挖）破壞，并利用聲發射探測技術，探討中間主應力對巖石強度及破壞的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗設備

真三軸加卸載試驗裝置由DTRB－1000地聲過程模擬裝置及三軸工裝所組成。設備采用3個方向6個剛性獨立加載模塊模擬深部地下工程三向應力狀態。聲發射系統采用美國物理聲學公司生產的PCI設備。設備由6個前置探頭、6個信號放大器、AEwin系統主機以及相應管線所組成，可采集煤巖在破壞過程中的撞擊計數、幅值、能量、空間定位等信息。

1.2 試樣制備

選取煤巖為研究對象，煤巖取自內蒙古自治區鄂爾多斯市某礦回采工作面，為保持試樣原有應力狀態，將從采煤工作面選取大塊煤巖體進行加工，對表面進行研磨，使其水平和豎直不平行度小于0.02 mm，形成100 mm×100 mm×100 mm規格的煤巖試樣，并用保鮮膜進行包裹。煤巖的平均密度為1 578 kg/m3，泊松比υ=0.31，彈性模量E=1.75 GPa,平均峰值抗壓強度σc=14.6 MPa，黏聚力c=0.41，內摩擦角φ=41.3°，煤巖試樣如圖1。

圖1 煤巖試樣Fig.1 Coal rock experimental sam ples

1.3 試驗方法與流程

為研究不同中間主應力影響下煤巖的力學特性，將試驗分為1～4組，分別對應中間主應力3、6、9、12 MPa。取相鄰采樣部位的2塊煤巖試樣為1組，1塊進行真三軸加載試驗，另1塊進行真三軸卸載試驗。

本試驗過程均采用應力控制方式進行加載，各試驗系統均能自動采集相關數據，繪制應力、撞擊計數、能量計數與時間的相關曲線。真三軸加、卸載試驗數據見表1，其中試件編號1－1表示第1組第1塊試樣，以此類推。

表1 真三軸加、卸載試驗數據Table 1 True triaxial loading and unloading test data

1.3.1 真三軸加載試驗

以0.2 MPa/s的速率將煤巖加載至靜水壓力狀態（σ1=σ2=σ3），保持σ3不變，繼續以0.2 MPa/s的速率將σ1、σ2加載至設定值（σ1=σ2＞σ3），保持σ2不變，再繼續以0.2 MPa/s的速率加載σ1，直至煤巖試件發生破壞。

1.3.2 真三軸卸載試驗

應力加載過程同上，當以0.2 MPa/s的速率加載σ1時，將σ1加載至真三軸加載試驗煤巖破壞時所得軸向應力σ1的90%，并保持σ1、σ2恒定，再以0.5 MPa/s卸載速率（瞬態卸載）卸載σ3，觀察煤巖破壞情況。

試驗過程中，應保持加載系統與聲發射系統在時間上同步，聲發射系統對試驗煤巖破壞過程進行全程監測，采集并分析相關數據。

2 中間主應力影響下煤巖力學特性分析

2.1 破壞狀態分析

不同中間主應力下真三軸卸載試驗煤巖破壞斷面形態特征如圖2。

圖2 真三軸卸載試驗煤巖破壞斷面Fig.2 Failure section of coal rock in true triaxial unloading test

從圖2可知：沿著卸載方向，煤巖出現明顯的側向膨脹，卸載面附近出現張拉性碎片。

當中間主應力為3 MPa時，卸載面出現細小裂隙，裂隙的走向與卸載方向存在一定夾角，并沿著卸載面擴展，呈明顯剪切摩擦的跡象，煤巖試件破壞形態表現為剪切破壞，如圖2（a）。

當中間主應力為6 MPa時，煤巖在卸載面附近出現垂直的粗糙張拉裂隙，并且局部伴有剪切裂隙，煤巖試件的破壞形態表現為局部剪切的張拉破壞，如圖2（b）。

當中間主應力為9、12 MPa時，煤巖在卸載面附近不但出現局部剪切的張拉破壞裂隙，還會在煤巖的內部出現貫穿整個煤巖的剪切裂隙，出現屈服破壞，不能繼續承載，如圖2（c）和圖2（d）。

從整個煤巖破壞形態可以發現，隨著中間主應力增大，煤巖試件破裂面、粉碎煤塊數量也逐漸增加，同時煤巖整體逐步向更高的破碎度發展。與圖2（a）相比，圖2（d）的軸向應力與側向應力對煤樣的影響更大，內部微裂隙受橫向膨脹拉伸應力作用，當微裂隙端部應力超過材料抗剪強度時，煤巖外表面的張拉裂隙發育程度更高，其與中間主應力呈現明顯的正相關關系。同時可以發現，煤巖試件外表面裂隙數目逐漸增多，沿卸載方向裂隙將煤巖整體分為若干個獨立塊體，具有與中間主應力方向一致的主破裂面，表明中間主應力增大的情況下，試件破壞以張拉、屈服破壞為主。

2.2 變形分析

不同中間主應力下真三軸卸載試驗的應力-應變關系曲線如圖3，ε1、ε2、ε3、εV分別為軸向應變、σ2和σ3對應的側向應變、體積應變。

圖3 真三軸卸載試驗應力-應變曲線Fig.3 True triaxial unloading test stress-strain curves

1）當中間主應力σ2和σ3的數值較為接近時，在加載階段的應力-應變曲線與常規三軸加載試驗較為類似。煤巖經歷了原始裂隙壓密到新裂隙萌生再到裂隙相互貫通的發展過程。煤巖在加載階段積聚了一定的彈性勢能，卸載后曲線趨于水平，出現張拉、剪切等脆性破壞[13]。

2）隨著中間主應力σ2的增大，ε3曲線在加載階段的變形范圍也不斷變寬，其原因是ε2方向的變形受到約束，柏松效應引起ε3方向側向膨脹，導致變形加劇。

3）隨著中間主應力σ2的增大，ε2曲線出現明顯拐點，表明應變ε2存在先壓縮后擴張的現象；εV曲線有明顯放緩甚至回轉，表明體積應變出現擴容的趨勢。

2.3 強度分析

Mogi[14]在Mises準則的理論基礎上，通過多種巖石的真三軸加、卸載試驗，得出中間主應力對巖石強度有著顯著影響。于是，提出了考慮中間主應力的八面體強度準則，其本質仍為剪切破壞準則。破壞時的八面體剪應力τoct與有效中間主應力σm，2的強度關系如式（1）和式（2）：

Al－Ajmi等[15－16]通過大量真三軸試驗數據的整理發現，將Mogi經驗強度準則與Coulomb強度準則相結合后f（σm，2）的線形擬合較為理想，并稱之為Mogi－Coulomb強度準則，表達式為式（3）～式（6）：

為更好地反應煤巖在高地應力條件下卸載時的強度破壞特征，取真三軸卸載試驗瞬態卸載時應力數據繪制散點圖，通過二次多項式線形擬合得到的τoct與σm，2的關系曲線如圖4。

圖4 真三軸卸載試驗τoct與σm，2的關系曲線Fig.4 τoct-σm，2 relationship of true triaxial unloading test

根據擬合的二次多項式曲線可得α=0.401 3、β=0.787 0、R2=0.968 8，計算得出黏聚力c=0.47 kPa、內摩擦角φ=42.9°、八面體剪應力強度平均偏差τ=0.11。

計算所得c、φ值與常規三軸加載試驗測得的試驗值較為接近，因此，Mogi－coulomb強度準則能較好描述煤巖在卸載時強度破壞特征。

3 中間主應力影響下聲發射損傷演化特征分析

不同中間主應力下真三軸卸載試驗應力差值－聲發射測試結果如圖5。

從圖5可以看出，煤巖中間主應力條件下卸載聲發射特征具有以下規律（由于中間主應力9 MPa、12 MPa破壞較為類似，只列舉9 MPa進行闡述）。

1）加載階段Ⅰ。該階段開始前幾秒內，聲發射能量計數上升，應力差值為0，這是由于煤巖在自然狀態下賦存有一定量原始裂隙，隨著試驗進行，該裂隙被不斷壓密[17]。隨后進入加載，通過擬合Ⅰ階段撞擊計數曲線可知曲線呈線性分布且能量計數并未出現大幅上升，表明隨著荷載的增加，煤巖內部的微裂紋開始萌生、擴展且彈性能不斷積聚，為穩定增長趨勢[18]。然而對于整體而言，內部的裂隙擴展只是在小范圍內產生，為線彈性區段[19]，如圖5（a）、和圖5（b）階段Ⅰ。此外，通過縱向對比發現，隨著中間主應力加大，煤巖內部的裂紋擴展迅速從穩定線形增長發展至指數型非穩定指數型增長，如圖5（c）階段Ⅰ（i）、Ⅰ（ii）。

2）圍壓保持階段Ⅱ。為了模擬煤巖原有的應力狀態，使其更能真實反映地應力作用下的受力情況，設置此階段，保持線性加載后保持100～150 s穩定時間。該階段已停止加載，應力差值與撞擊計數曲線均為水平，能量計數也未有較大的波動。

3）卸載階段Ⅲ。該階段對最小主應力σ3進行卸載，圖中2條應力差值曲線分離，聲發射能量計數激增，撞擊計數曲線經過擬合后顯示指數型增長，表明卸載后煤巖內部所儲存的彈性能突然釋放，內部形成的裂隙相互貫通，形成宏觀裂紋。

4）卸載完成階段Ⅳ。該階段煤巖已經破壞，裂紋已貫穿整個煤巖，但撞擊計數曲線并未增長，能量計數沒有波動，表明巖體破壞后仍具有一定的承載能力[20]，如圖5（a）、圖5（b）階段Ⅳ。此外，值得提出的是：隨著中間主應力的增加，煤巖在進入階段Ⅳ時已呈現屈服破壞，應力差值曲線有明顯下降段，表明中間主應力使煤巖不再具有繼續承載的能力，如圖5（c）階段Ⅳ。

4結論

1）真三軸卸載試驗中，煤巖變形破壞特征隨著中間主應力的增大而變得劇烈，破壞狀態由剪切破壞發展到局部剪切的張拉破壞，最后達到屈服破壞。

2）真三軸卸載試驗中，隨著中間主應力的增大，中間主應力方向的變形由向內壓縮轉為向外擴張；體積應變出現收縮后又向外擴容的趨勢。

3）用Mogi－Coulomb強度準則能較好地擬合煤巖真三軸卸載強度與中間主應力關系且能準確反映煤巖在卸載時強度破壞特征。

4）利用聲發射探測煤巖損傷演化過程中，中間主應力的增大能使煤巖在加載階段就出現裂隙的非穩定指數型增長；卸載階段時的能量計數隨中間主應力增大而大幅上升，表明中間主應力對煤巖內部彈性能的積聚有一定作用；卸載完成階段，當中間主應力較小時，煤巖仍能具有繼續承載的能力，但隨著中間主應力增大，煤巖不再具備繼續承載的能力。