循環載荷下軟硬煤樣的疲勞損傷差異性研究

甘黎嘉，徐 陽，何 淼

(重慶安全技術職業學院安全監督管理系，重慶 404010)

在采礦工程實踐中，煤體經常遭受地應力、采動應力等的反復作用，例如工作面周期來壓、掘進擾動、機械振動等。這些典型場景的煤體易于產生疲勞損傷，進而使得煤體力學性質劣化、孔裂隙結構破壞，誘發煤體動力災害的發生。

關于煤體的疲勞損傷特性，郭軍杰等[1-3]采用實驗和數值模擬方法研究了煤體疲勞失穩全過程的變形及聲發射特征，揭示了煤體疲勞損傷過程中的裂隙演化特征；何俊等[4]研究了三軸循環載荷下煤樣的聲發射特征，結果表明，聲發射參量突變點發生在峰值應力的85%左右；楊永杰等[5]研究了循環載荷下煤體的力學及變形特征；劉玉忠等[6]研究了垂直層理和平行層理煤樣在分級循環載荷下的疲勞變形特性；劉剛等[7]、鄒俊鵬等[8]研究了循環載荷下煤樣的變形特征及損傷演化規律；肖福坤等[9]以聲發射參量為依據，從能量轉化角度分析了循環載荷下煤體的失穩前兆；李楊楊等[10]研究了不同加載速率下，煤樣能量轉化與煤樣碎塊塊度分布規律的內在關系；魏明堯等[11]通過建立煤體損傷增量本構模型，研究了煤體累計損傷演化規律；彭瑞東等[12]分析了不同圍壓條件下煤巖的損傷演化行為，并基于能量分析的損傷變量定義建立了損傷演化模型。

現有研究成果多側重于研究單一煤樣的疲勞損傷過程，而對不同煤樣的疲勞損傷差異性研究少有報道。基于煤體孔裂隙結構的復雜性，有必要開展不同性質煤樣的疲勞損傷差異性分析，進而深入認識煤體的裂隙演化過程及破壞機制，為煤巖動力災害的高效防治提供依據。鑒于此，本文選擇了軟煤煤樣和硬煤煤樣進行周期載荷下力學特性和聲發射特征的對比分析。

1 試驗過程

1.1 煤樣制備

試驗所用軟煤煤樣和硬煤煤樣分別選擇平煤十礦戊9煤和寺河礦3#無煙煤。戊9煤的煤質疏松，強度低，屬典型的軟煤；3#無煙煤的煤質致密、強度高，屬典型的硬煤。采用濕式密集鉆芯法將煤塊加工成Φ50 mm×100 mm的標準試樣，部分煤樣如圖1所示。

從圖1可以看出，軟煤煤樣和硬煤煤樣的外觀裂隙存在明顯差異，硬質煤結構較為完整，宏觀裂隙不明顯，而軟質煤端部存在明顯的原生裂紋，且裂紋分布錯綜復雜。

圖1 部分煤樣Fig.1 Part of the coal samples

1.2 試驗儀器

試驗加載系統采用RMT-150B型巖力學試驗機，該試驗機的軸向最大載荷為1 000 kN，圍壓加載上限為45 MPa，伺服液壓行程最大為50 mm，系統精度小于0.5%，且加載控制方式多樣，試驗數據實時采集。聲發射系統采用DS5-8B型全信息聲發射信號分析儀，該系統有8個監測通道，試驗數據可以多通道同步實時采集(圖2)。

圖2 實驗系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

1.3 試驗方案

首先，采用0.005 mm/s的位移加載控制方式分別對軟煤煤樣和硬煤煤樣進行常規三軸壓縮試驗，圍壓2 MPa，每組進行3個試樣，并以煤樣的三軸壓力測試結果為依據，確定循環載荷試驗的應力水平；其次，采用等幅三角波形加卸載方式進行循環載荷試驗，循環頻率0.02 Hz，單個試件的循環次數為20次。同時，為了保證聲發射信號采集的可靠性，在試件左右兩側對稱布置一組傳感器進行聲發射信號采集，數據采集頻率為1.5 MHz。試驗過程中，保持軸力加載和聲發射監測同步進行。

2 煤樣力學特征分析

2.1 三軸壓縮下煤樣的力學特性分析

圖3為軟煤煤樣和硬煤煤樣三軸載荷下的全應力-應變曲線。對比圖3(a)和3(b)可知，軟煤煤樣和硬煤煤樣變形破壞的主要區別在彈性階段之后，同時，軟煤煤樣的初始壓密階段較硬煤煤樣更為明顯。其主要原因在于，軟煤內部結構疏松，孔裂隙發育，組成煤體的顆粒在受載過程中發生滑移，煤體結構重組，顆粒之間的內摩擦力使得煤體具有一定的延展性；而硬煤在成煤過程中，顆粒的固結性更高，煤體骨架的承載能力更強，在載荷作用下讓壓性能差，故而表現為峰值應力后的突然破裂。2 MPa圍壓下兩種煤樣的基礎力學參數見表1。

圖3 三軸壓縮下軟煤煤樣和硬煤煤樣的全應力-變形曲線Fig.3 Total stress-deformation curves of soft and hard coal samples under triaxial compression

表1 2 MPa圍壓下煤巖力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal rock under 2 MPa confining pressure

2.2 循環載荷下煤樣的力學特性分析

圖4為循環載荷下軟煤煤樣和硬煤煤樣的應力-應變曲線。從圖4(a)可以看出，第1次循環加載階段軟煤煤樣的變形發展速度較快，且在第1次循環卸載階段與第1次循環加載階段的應力-應變曲線形成了滯回環，滯回環的形成主要由原生煤樣塑性變形導致[13]。隨著循環次數的增加，煤樣滯回環不斷增加，變形量也穩定增加，說明循環載荷作用對煤樣產生的損傷量逐漸增大。

從圖4(b)可以看出，硬煤煤樣循環載荷下的變形曲線與軟煤煤樣存在較大差異。雖然在第1次循環卸載和第2次循環加載過程中應力-應變曲線形成了滯回環，但是從第2次循環后，產生的滯回環不再增加，基本與第1個滯回環重合，變形量也不再增加，這一現象與硬煤的性質有關，硬煤屬于脆性材料，煤樣破壞過程中沒有明顯的屈服階段，峰值應力前，煤樣基本處于彈性階段，循環上限應力在峰值應力之下，故而循環載荷對煤樣的損傷較小，應力卸載階段，煤樣的彈性變形得到充分恢復，因此不會產生連續的滯回曲線。

圖4 循環載荷下煤樣的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal samples under cyclic loading

3 循環載荷下煤樣的聲發射特征分析

煤樣加載過程中內部產生微裂隙，應變能以彈性波形式釋放，產生聲發射活動[14]，常用聲發射特征參量表征聲發射活動的強弱。本文選擇了振鈴數、撞擊數和累計能量三個參數對循環載荷下煤樣的聲發射過程進行描述。振鈴數反映了聲發射信號中的幅度，撞擊數反映聲發射活動的總量和頻度，常用于聲發射活動性評價，累計能量能夠反映裂紋擴展特征，三種參量從過程和狀態兩個層面反映煤樣加載過程中的聲發射變化信息。

圖5為軟煤煤樣和硬煤煤樣在循環載荷下的振鈴數變化圖。從圖5可以看出，軟煤煤樣和硬煤煤樣的聲發射振鈴數變化特征均具有良好的循環性，但軟煤煤樣和硬煤煤樣的振鈴數變化圖依然存在顯著的差異性。在單次循環過程中，隨著應力的加卸載，振鈴數隨之增加和減少，在上限應力附近，振鈴數達到最大值。對于硬煤煤樣，在20次循環過程中，單次循環的最大振鈴數相近。對于軟煤煤樣，在20次循環過程中，振鈴數最大值呈現先穩定后依次降低趨勢，即前3次循環的最大振鈴數相當，之后隨循環次數增加，單次循環的最大振鈴數逐漸降低，至第20次循環時最大振鈴數最小。

圖5 循環載荷下煤樣振鈴數變化圖Fig.5 Change diagram of ring number of coal samples under cyclic loading

圖6和圖7為循環載荷下軟煤煤樣和硬煤煤樣的累計能量和撞擊數變化曲線。由圖6和圖7可以看出，循環載荷下軟煤煤樣和硬煤煤樣的累計能量和撞擊數變化規律具有相似性。硬煤煤樣的累計能量和撞擊數均呈現階梯狀直線上升的變化趨勢，很好地反映了煤樣受載的循環特征。軟煤煤樣的累計能量和撞擊數曲線出現了明顯的轉折點，即前3次循環相應的曲線與硬煤變化規律具有較高的一致性，在第3次循環之后，累計能量和撞擊數的上升速率開始下降，變化曲線較硬煤而言更為平緩，上升的階梯狀不再明顯，近似為直線狀。這一現象與振鈴數的變化規律相互印證。

圖6 循環載荷下累計能量變化圖Fig.6 Diagram of cumulative energy variation under cyclic loading

圖7 循環載荷下撞擊數變化圖Fig.7 Diagram of impact number variation under cyclic loading

需要指出的是，由于軟煤結構的離散性較大，循環載荷下聲發射參量的變化會存在一定的差異性，即振鈴數的穩定階段長短不同，撞擊數和累計能量曲線上轉折點出現的時機也會不同。

4 聲發射參量與裂隙演化關系探討

煤樣在應力作用下，歷經微裂紋的萌生、集結及貫通等過程，各階段中均伴隨著能量的集聚或耗散，并以彈性波的形式釋放出來，產生聲發射現象。因此，通過聲發射參量的動態變化，反演煤樣的裂隙演化過程，進而探索煤樣動載下的破裂機理。從軟煤煤樣和硬煤煤樣循環載荷下的聲發射特征變化規律可見，不同性質煤樣的破壞模式不同，相應的裂隙演化過程也不同。

對于硬煤煤樣，單次循環的聲發射振鈴數變化規律相似，且單次循環的振鈴數最大值相當，表明循環載荷下硬煤煤樣的損傷較小，每次循環加載段產生的變形在卸載段都得到了很大程度上的恢復，不可逆變形量較少，煤樣原始結構變化較小，煤樣裂紋擴展處于穩定發展階段，單次循環對煤樣的損傷僅產生局部小裂紋。從累計能量和撞擊數變化曲線可見，聲發射參量直線上升，沒有出現上升過程的轉折點，表明尚未有局部主裂紋形成，即聚集的能量不足以使循環產生的局部小裂紋達到集聚、貫通。

從聲發射參量的動態變化可以看出，對于軟煤煤樣，煤樣裂紋擴展經歷了穩定發展和非穩定發展兩個階段。在裂紋穩定發展階段，煤樣內部能量逐漸積聚，煤樣內部的局部小裂紋開始萌生，同時能量在小裂紋周圍不斷積聚，但積聚的能量值尚未達到裂紋進一步發育的要求。隨著循環過程的進行，聲發射活動出現轉折點，表明能量累計達到了裂紋進一步擴展的門檻值，此時，裂紋進入非穩定發展階段，微裂紋開始集結、擴展，同時原生裂紋也開始匯合、貫通，煤樣內部局部主裂紋開始形成，局部主裂紋的產生減弱了煤樣內部聲發射信號的傳播，聲發射活動減弱。隨著循環次數的增加，煤樣內部損傷加劇，局部化主裂紋逐漸向四周擴散發展，形成主破裂面，聲發射活動依次減弱。按照上述發展趨勢，如果循環次數足夠多，最終將導致煤樣沿主破裂面破壞失穩，聲發射活動也將趨于平靜[15]。

綜上所述，軟煤和硬煤兩種煤樣的疲勞損傷具有顯著的差異性，內在原因是軟煤和硬煤兩種煤樣本身的煤質屬性差異性顯著。從宏觀角度分析，硬煤煤樣具有脆性材料特征，其破壞模式突然斷裂型，而軟煤煤樣具有塑性材料特征，其破壞模式為漸進破壞型。從微觀角度分析，硬煤煤樣在循環載荷前期，裂紋擴展速率較慢，后期裂隙突然貫通破壞，而軟煤煤樣隨循環次數增加，裂紋逐漸累積貫通，直至破壞。

5 結 論

1) 循環載荷下，軟煤煤樣出現連續的滯回環，塑性變形量隨循環次數穩定增加，硬煤煤樣的滯回環基本重合，塑性變形量也不隨循環次數增加而增加。

2) 循環載荷下，硬煤煤樣的單次循環峰值振鈴數波動不大，聲發射累計能量和撞擊數呈現階梯狀直線上升變化趨勢；軟煤煤樣的峰值振鈴數隨循環次數增多呈現先穩定后降低趨勢，聲發射累計能量和撞擊數變化曲線出現明顯轉折點，即上升速率降低，且上升的階梯狀逐漸模糊，近似為直線上升。

3) 通過聲發射參量的動態變化可知，硬煤煤樣在循環載荷下裂隙發育緩慢，僅有局部小裂紋的形成，尚未形成大的貫通裂隙；軟煤煤樣的裂隙發育分為穩定發展階段和非穩定發展兩個階段，穩定發展階段局部小裂紋發育，非穩定發展階段局部小裂紋開始匯合、貫通，進而導致煤樣最終的破壞失穩。