動靜組合加載下沖擊傾向性煤聲發射特性試驗研究

張 琨 ，王 蔓 ，任建喜 ，張 森

（西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054）

深部開采區域的煤巖在開采前處于高靜應力狀態，當開采施工等外界因素對煤巖進行擾動時，煤巖處于動載+靜載的組合受力狀態[1]，極易發生失穩破壞甚至誘發沖擊地壓，對井內工作人員的人身安全及開采工作造成重大的安全隱患[2-6]，因此研究深埋煤巖發生沖擊地壓的變形破壞機理已成為分析煤巖巷道穩定性的重要依據。

國內外學者對煤巖的破裂特征開展了大量研究。TAO 等[7]分析了巖石試樣在不同初始靜應力和動態載荷耦合作用下的破壞過程，結果表明高靜應力與動載荷耦合作用下巖石預制裂隙周圍巖體會破裂炸出，而低靜應力與動載荷耦合作用下不易導致巖石破壞；李夕兵等[8]通過不同載荷預壓的巖石一維動靜組合加載沖擊破壞試驗，得到了不同條件下巖石的抗沖擊強度、破壞形式及應力-應變曲線特征；武成家等[9]提出了不同沖擊傾向性煤樣的彈性能釋放速率及計算方法，結果表明不同沖擊傾向性煤樣的應力-應變曲線的特征存在較大差異；王偉等[10]探討了砂巖在常規、一維及三維動靜組合條件下的沖擊試驗，破壞特征分別為拉伸劈裂破壞和破裂面不同的壓剪破壞，且裂紋密度與應變率正相關；WANG 等[11]研究了巖石在單軸壓縮試驗下的破壞特性，得到了巖石脆性程度對破壞模式的影響，當巖體脆性增強，表現為拉伸斷裂、剪切斷裂等多種復合斷裂模式；來興平等[12]通過單軸壓縮試驗研究了循環加卸載條件下天然互層巖樣的力學特征和破壞模式，結果表明循環加卸載會降低天然互層巖樣的強度，且常規條件下試樣呈貫通劈裂剪切型破壞，循環載荷下試樣呈拉-剪混合破壞；何濤[13]建立了單軸壓縮試驗下的煤巖組合體數值模型，結果表明組合體的抗壓強度大于煤單體的強度，且破裂面由煤體向交界面蔓延直至巖體損傷破裂。

聲發射技術可有效捕捉沖擊地壓發生時，煤樣在荷載作用下的破裂信號，進而分析不同階段煤巖內部裂縫的拓展過程及損傷狀態[14-15]。任建喜等[16]分析了沖擊傾向性煤巖的變形破壞機理及聲發射能量演化規律，結果表明煤巖在動載下強度劣化明顯，并由剪切破壞轉變為橫向拉伸破壞，且煤巖聲發射事件主要出現在動載加載初期及峰后變形階段；JIANG 等[17]研究了煤巖在單軸壓縮試驗不同加載速率工況下的聲發射特性，得到了不同加載速率下的聲發射的變化規律；劉希靈等[18]分析了巴西劈裂試驗下花崗巖和大理巖的微觀破裂特性，結果表明2 種巖石的破壞強度及裂紋擴展模式不同，且2 種巖石的破裂信號相近但不同破裂階段的峰值頻率不同；楊磊等[19]對比了不同沖擊傾向性煤樣在單軸壓縮試驗下的聲發射能率變化特征，得到了不同沖擊傾向性煤樣的聲發射能率活躍階段特征；LIU 等[20]分析了巖石受載全過程的聲發射特性，結果表明與靜載試驗相比沖擊荷載作用下巖石的聲發射b值較小，且聲發射b值與加載速率呈負相關；DU 等[21]分析了循環加載卸載過程中沖擊傾向性煤樣的應力-應變趨勢及聲發射演化特征；郭海峰等[22]分析了單軸壓縮試驗下沖擊傾向性煤的聲發射特征，結果表明沖擊傾向性煤聲發射活動幾乎都發生在應力應變全過程的后期，隨著煤樣損傷程度的增加，聲發射分形維數呈傾斜的“M”形趨勢。

綜上所述，對于煤巖受載的變形規律及聲發射特性已有較多研究，但針對深埋沖擊傾向性煤巖在動靜載組合作用下的聲發射演化規律的研究還較為匱乏。為此，基于聲發射監測技術，通過不同動載擾動頻率及靜態加載的方式進行沖擊傾向性煤巖的單軸壓縮試驗，分析煤巖破裂及聲發射演化特征，并依據煤巖受載釋放的聲發射能量定義損傷變量，建立損傷演化模型，研究結果可為研究深埋煤巖體在開采活動中沖擊地壓動力災害的誘發機理提供參考。

1 試驗設計及方法

1.1 試樣與試驗系統

試驗煤樣取自彬長礦區某礦，所在地層埋深約700 m，采用SCQ-1A 型巖石切割機和SHM-200 型磨石機將煤塊加工成φ50 mm×100 mm 的國際標準圓柱試樣，煤巖物理力學參數見表1。通過NM-48 超聲波檢測分析儀對加工好的煤巖試樣進行完整性和均質性挑選，以減小試驗誤差。

對煤巖試樣進行沖擊傾向性評價指標的測定，煤巖沖擊傾向性評價指標見表2。單項指標判定煤巖的沖擊傾向性結果不一致，采用綜合評價法判斷4項沖擊傾向性指標，判定該煤巖為沖擊傾向性煤巖。

表2 煤巖沖擊傾向性評價指標Table 2 Evaluation index of coal rock impact tendency

試驗采用DTAW-8000 型巖石高壓動力試驗系統和8 通道聲發射（Acoustic Emission，簡稱AE）檢測分析系統進行測試。DTAW-8000 型巖石高壓動力試驗系統技術指標為：①靜載加載：位移加載速率0.001～7 mm/s，應力加載速率0.01～300 kN/s，最大荷載8 000 kN，最大圍壓50 MPa；②動力加載：荷載幅值±200 kN，位移幅值±1 mm，動載頻率10 Hz；③主機剛度：6 GN/m；④動載波形：正弦波、余弦波、方形波、三角波等；⑤控制方式：載荷控制、軸向位移控制、軸向應變控制。

聲發射分析系統主要由聲發射主機系統Mico-Ⅱ Express 數字化聲發射檢測儀、聲發射傳感器、聲發射前置放大器以及聲發射專用處理軟件組成。聲發射傳感器采樣頻率為150 kHz，布置時，采用真空硅膠脂做耦合劑涂抹在聲發射探頭上，以減少接觸面間摩擦及能量反射損失，再將RFAT-30微型聲發射傳感器固定在煤樣表面。

1.2 試驗方案

采煤工作面區段平巷動載主要由工作面掘進施工、回采所致的礦山壓力及地質運動構成。據礦區微震監測資料顯示，煤巖所承受的動載頻率范圍約3～5 Hz，且為正弦波，煤巖受到的動載振幅約為0.38～4.35 MPa[23-24]。試驗采用單一變量法，選取3、4、5、6 Hz 4 種動載頻率與動載振幅1.5 MPa 進行300 個周期的正弦應力波動載試驗，采用聲發射全過程實時監測，為分析沖擊傾向性煤巖聲發射特征提供參數依據。

試驗分為3 個階段進行：

1）預加載階段。對煤樣進行預加載，使煤樣在試驗前處于均勻受力狀態，加載方式采用位移控制方式進行，加載速率為0.001 mm/s。

2）動靜組合加載階段。以應力控制方式加載至該煤樣單軸抗壓強度的40%并穩定后，開始施加300 個周期的不同動載頻率動力擾動加載。

3）加載直至破壞階段。動力擾動后采用準靜態應變控制方式加載至煤巖試樣破壞，加載速率為10-5mm/s。

2 不同擾動頻率下煤巖破裂特征

2.1 煤巖強度變化特征

煤巖試樣在動載振幅為1.5 MPa，不同擾動頻率條件下的應力-應變曲線如圖1。

圖1 不同動載擾動頻率下煤巖動載試驗曲線Fig.1 Dynamic load test curves of coal rock under different dynamic load disturbance frequencies

由圖1 可知：煤巖試樣在3 、4、5、6 Hz 擾動頻率條件下失穩破裂的峰值強度分別為20.18、19.43、16.99、12.44 MPa，極限應變分別為0.88%、0.81%、0.61%、0.60%。隨擾動頻率的增強，應力、應變均呈降幅現象，但相比于未施加動載的煤巖，應力峰值強度分別提高了51.39%、45.76%、27.46%、-6.68%。煤巖內部弱結構經靜荷載和動荷載共同作用被擠壓，從而更加密實，峰值強度遠大于靜力加載時的破壞強度，但隨著擾動頻率增大，煤巖內部細小裂紋數量增多，峰值強度明顯下降，開始顯現強度劣化現象。

2.2 煤巖破壞裂紋擴展

不同動載頻率作用下煤巖的破壞特征如圖2。

圖2 動靜組合加載下煤巖破壞特征圖Fig.2 Failure characteristics of coal and rock under dynamic and static combined loading

由圖2 可以看出：在荷載施加過程中，煤巖內部應力逐漸向剪應力過渡，材料內部晶體顆粒間高度摩擦和滑移，形成典型的壓剪破壞；隨著動載頻率的增大，煤巖主破裂角由70°～90°向31°～77°變化，形成拉剪復合破壞模式，動載頻率繼續增大，主破裂角由82°～90°向53°～90°發展，總體呈先減小后增大的變化趨勢；隨著動載擾動頻率的增大，煤巖斷裂裂縫，逐漸沿煤巖受壓端部發育；5、6 Hz 頻率擾動后煤巖表面裂縫寬度明顯增大，5 Hz 頻率擾動后煤巖表面呈現橫向斷裂裂縫及多條豎向裂縫，而6 Hz 頻率擾動后煤巖頂部被壓碎，受壓端呈現多條豎向裂縫，隨著裂紋擴展、延伸，其主裂縫延伸角度逐漸沿試樣軸向90°形成貫通破裂。

3 不同擾動頻率下煤巖發射特性

聲發射表征參數能夠動態描述煤巖內部裂隙發育造成煤巖損傷過程[4]。3、4、5、6 Hz 4 種動載頻率下沖擊傾向性煤巖的聲發射振鈴計數演化特征如圖3。

圖3 動靜組合加載下煤樣聲發射振鈴計數率演化特征Fig.3 Evolution characteristics of acoustic emission ringing count rate of coal samples under dynamic and static combined loading

不同動載擾動頻率煤巖在承受荷載破壞過程的聲發射振鈴累計數演化曲線大致可分為以下階段：

1）第1 階段：穩定階段。加載初期，煤巖內部原生微裂縫逐漸被壓密，但表面未出現破裂現象。此階段，由于煤巖內部原生弱結構的閉合、摩擦、滑移等現象，產生少量聲發射，但聲發射計數較低。這一階段，煤巖內部沒有或產生較少的新生裂紋，故振鈴計數和振鈴累計數增長緩慢。

2）第2 階段：突增階段。動載擾動階段，煤巖表面未出現明顯的裂紋，但根據聲發射活躍性迅速增強，振鈴計數明顯增多的現象，可知此時煤巖內部已衍生出大量微裂紋。這一階段，在動載擾動下煤巖內部新生裂隙發育迅速并急劇擴展，聲發射振鈴計數和振鈴累計數呈現突增現象。

3）第3 階段：緩慢增長直至破壞階段。動載擾動后期，煤巖的損傷程度逐漸延緩，聲發射振鈴累計數增長率呈先降低后增加的趨勢，直至試樣破壞。這一階段，應力持續加載，煤巖內部微裂紋逐漸匯聚形成宏觀裂紋，臨近應力峰值處，煤巖內部宏觀裂紋已蔓延至煤巖表面形成貫通裂紋，聲發射振鈴計數也達到最大值，煤巖失穩破壞后，聲發射振鈴計數逐漸減少，振鈴累計數達到最大值。

由圖3 可知：聲發射振鈴計數在動載擾動期間高幅高值響應，不同動載擾動頻率煤巖振鈴計數及振鈴累計數演化特征也存在較大差別，動載擾動頻率不同，聲發射振鈴計數幅度不同，且動載頻率越大聲發射計數越高；煤巖在失穩破壞前，聲發射振鈴累計數也存在差異，具體表現在緩慢增長直至破壞階段；煤巖經過3、4 Hz 動載擾動后，振鈴累計數出現一段較平緩趨勢后再呈快速增長趨勢，而5、6 Hz 擾動后，振鈴累計數增長率較3、4 Hz 大，這也表明不同頻率動載擾動條件下煤巖的裂紋發育程度不同，故在裂隙非穩定發展階段，動載擾動頻率越高煤巖裂紋發育越迅速。

4 沖擊傾向性煤損傷模型

煤巖在荷載作用下，內部裂紋的形成、拓展，都會產生聲發射能量，將損傷變量根據能量指標可定義為：某一時刻的聲發射能量與整個受壓破壞過程中聲發射釋放的總能量之比[25-26]，即：

式中：D為損傷變量；Wt為某一時刻煤巖斷面損傷面積約等于內部所有微缺陷的面積時的聲發射累計能量；W0為整個受壓破壞過程中聲發射釋放的總能量。

依據沖擊傾向性煤巖受載釋放的聲發射能量，由上式分別計算出3、4、5 、6 Hz 在不同時刻下的損傷試驗值及損傷模型擬合結果，沖擊傾向性煤受載損傷值如圖4。

圖4 沖擊傾向性煤受載損傷值Fig.4 Load damage values of impact tendency coal

煤巖受壓全過程的損傷變化可分為3 個階段：①累計階段：此階段應力加載較低時，不足以產生新裂紋，故煤巖損傷變量處于相對穩定趨勢；②驟增階段：此階段施加不同頻率的動載擾動，煤巖內部新生裂紋急劇擴展，故煤巖損傷變量呈驟增趨勢；③緩增-急速增長階段：此階段動載擾動結束，應力持續加載，微裂紋逐漸形成宏觀裂紋，煤巖的損傷值逐漸加劇，臨近應力峰值，煤巖損傷變量的增長速率逐漸增大。

由圖4 可知：煤巖在3、4 、5、6 Hz 動載擾動前，受壓損傷程度差距不大，動載擾動后，隨著荷載的增加，煤巖的損傷程度先呈現一段較為平穩的趨勢，而后其損傷變量增長速率逐漸變大，直至試樣破壞。隨著擾動頻率的提升，煤巖損傷程度越高，損傷增長速率越大，表明動載頻率是煤巖加速破裂的主要因素。

對不同頻率擾動下的煤巖試樣的試驗損傷值進行擬合，得到不同動載擾動頻率下的沖擊傾向性煤巖的損傷模型為:

式中：t為沖擊傾向性煤巖的受載時間；A1、A2、t0、dt均為擬合參數。

不同動載擾動頻率的沖擊傾向性煤巖的擬合參數A1、A2、t0、dx值見表3。

表3 沖擊傾向性煤巖擬合參數值Table 3 Fitting parameter values of coal and rock with impact tendency

5 結 語

1）煤巖經靜荷載和動荷載共同作用后的應力峰值強度高于靜力加載時的破壞強度，但擾動頻率增大峰值強度逐漸下降，出現強度劣化現象。

2）依據煤巖損傷演化模型可將煤巖的損傷變化趨勢分為累計階段、突增階段及緩慢增長直至破壞階段。動載擾動結束后煤巖內部裂隙迅速發育，進入煤巖損傷的第3 階段，動載擾動頻率對煤巖損傷緩慢增長直至破壞階段影響較大，是加速煤巖失穩破壞的主要因素。

3）以動載擾動頻率為變量，建立沖擊傾向性煤巖損傷演化模型，實現了以聲發射特性參數對沖擊傾向性煤巖損傷的定量分析，且模型與試驗數據相符度較高。