單軸壓縮煤巖裂紋開裂擴(kuò)展演化特性實驗研究

梁　鵬，張艷博，田寶柱，劉祥鑫

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009; 2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北唐山063009)

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單軸壓縮煤巖裂紋開裂擴(kuò)展演化特性實驗研究

梁鵬1，2，張艷博1，2，田寶柱1，2，劉祥鑫1，2

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009; 2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北唐山063009)

［摘要］通過對煤巖進(jìn)行單軸壓縮實驗，借助聲發(fā)射和數(shù)字圖像處理技術(shù)，對單軸壓縮條件下煤巖的裂紋開裂擴(kuò)展特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明:煤巖破裂過程中裂紋擴(kuò)展具有階段性的特征，其演化特征和載荷、聲發(fā)射的階段性變化有良好的同步性;煤巖破裂過程中裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展，峰值應(yīng)力前，內(nèi)部損傷累積到一定程度，巖石內(nèi)部裂紋萌生，并逐步向巖石表面擴(kuò)展;煤巖最終破壞時出現(xiàn)的多條宏觀裂紋在變形過程中開裂擴(kuò)展趨勢基本一致，裂紋形狀相似;煤巖微觀破裂與宏觀斷裂之間存在一定的聯(lián)系，在煤巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，主要產(chǎn)生以剪切破壞為主的裂紋，在煤巖產(chǎn)生小尺度破壞和宏觀可見破裂時，主要產(chǎn)生以張拉破壞為主的裂紋。實驗結(jié)果揭示了煤巖變形破壞規(guī)律，對于煤巖破裂機(jī)制研究具有一定的理論意義。

［關(guān)鍵詞］單軸壓縮;煤巖;裂紋;擴(kuò)展演化

［引用格式］梁鵬，張艷博，田寶柱，等.單軸壓縮煤巖裂紋開裂擴(kuò)展演化特性實驗研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 8－12.

應(yīng)力集中誘發(fā)的裂紋萌生和擴(kuò)展是巖石破裂災(zāi)變的根本原因，裂紋的擴(kuò)展和聚集最終會導(dǎo)致巖石工程的失穩(wěn)。要弄清巖石破壞性質(zhì)轉(zhuǎn)化的內(nèi)在規(guī)律以及破裂失穩(wěn)的本質(zhì)特征，就必須從巖石在不同應(yīng)力水平下微裂紋的開裂、擴(kuò)展全過程入手，系統(tǒng)完整地探討巖石整個破裂過程的裂紋演化規(guī)律［1］。因此，開展巖石受載條件下裂紋擴(kuò)展規(guī)律的實驗研究及探索，對巖石裂紋模型與本構(gòu)關(guān)系的建立和巖石變形斷裂機(jī)制與巖石工程穩(wěn)定性評價都具有重要意義。

學(xué)者們對巖石破裂過程中裂紋的開裂、擴(kuò)展演化規(guī)律進(jìn)行了研究，取得了豐富的成果。許江等［2－3］利用自主研發(fā)的煤巖剪切細(xì)觀開裂演化過程試驗裝置，對砂巖在壓剪應(yīng)力條件下的變形特性、細(xì)觀開裂擴(kuò)展過程和細(xì)觀開裂擴(kuò)展空間分布等進(jìn)行系統(tǒng)研究;趙興東等［4－5］基于聲發(fā)射技術(shù)，從微裂紋的時空演化規(guī)律、b值分形特征和相關(guān)長度等方面，研究巖石的變形破壞過程;任建喜等［6－7］基于CT掃描試驗分析了花崗巖和砂巖等在卸載和三軸壓縮條件下?lián)p傷、裂紋的萌生、發(fā)展和宏觀裂紋的形成特征等;劉冬梅等［8］利用實時全息干涉法研究了巖石單軸壓縮條件下裂紋擴(kuò)展與變形破壞過程，獲得了與巖石裂紋動態(tài)演化過程有關(guān)的若干力學(xué)參量;朱珍德［9］應(yīng)用數(shù)字圖像分析法研究了紅砂巖細(xì)觀損傷破壞特性。上述研究為揭示荷載作用下巖石的裂紋擴(kuò)展規(guī)律提供了新的認(rèn)識和方法。然而，巖石是一種非常復(fù)雜的非均勻材料，在荷載作用下巖石的裂紋擴(kuò)展規(guī)律極其復(fù)雜。聲發(fā)射信息能夠揭示巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展貫通直至發(fā)生宏觀破壞的過程，數(shù)字圖像觀測能夠記錄巖石外部宏觀裂紋的擴(kuò)展過程。因此，通過2種手段綜合研究巖石的變形破壞過程，獲得巖石內(nèi)部微裂紋活動信息和外部宏觀裂紋的擴(kuò)展過程，以及二者之間的關(guān)聯(lián)性，對于深入研究巖石的變形破壞機(jī)制具有重要理論意義。

基于此，本文通過對煤巖進(jìn)行單軸壓縮條件下聲發(fā)射實驗，利用CCD相機(jī)觀測煤巖變形破壞過程。借助聲發(fā)射和數(shù)字圖像處理技術(shù)，對煤巖的變形及聲發(fā)射特性、宏觀開裂擴(kuò)展特征和裂紋的開裂方式等進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討單軸壓縮載荷作用下煤巖的變形破壞過程。

1　試樣制備及實驗方法

實驗所用煤巖取自開灤集團(tuán)趙各莊礦。將煤巖塊制成50mm×50mm×100mm (長×寬×高)的標(biāo)準(zhǔn)長方體巖樣，巖樣兩端面不平整度誤差小于0.05mm，沿巖樣高度兩對邊長度誤差小于0.3mm。本文單軸壓縮實驗采用軸向等位移控制方式加載，其軸向力由型號為TAW－3000伺服巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)提供。為保證試件與加載面完全接觸，避免接觸時所產(chǎn)生的接觸噪聲影響聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果，先預(yù)加載至1.5kN，隨后以0.2mm/min的速率加載至破壞。實驗過程中采用美國物理聲學(xué)公司PAC生產(chǎn)的PCI－2型多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實時同步監(jiān)測試樣的破裂過程，使用CCD高分辨率數(shù)碼攝像機(jī)對試件整個觀測面的開裂、擴(kuò)展過程進(jìn)行攝像。為保證各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在時間上嚴(yán)格對應(yīng)，實驗開始前，對各實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行計時同步。實驗觀測系統(tǒng)如圖1所示。

2　實驗結(jié)果及分析

2.1煤巖變形和聲發(fā)射特性

由于加載過程為等位移速率控制，所以載荷－位移曲線與載荷－時間曲線的形式一致。外載荷作用下巖石變形破壞過程中的聲發(fā)射特征能較好地反映巖石內(nèi)部性態(tài)變化，通過對聲發(fā)射參數(shù)的研究，可以反演巖石內(nèi)部的開裂擴(kuò)展演化乃至失穩(wěn)破裂過程。圖2為不同煤巖試件載荷、AE事件率、AE能率隨時間變化曲線。

圖1　實驗現(xiàn)場

從圖2中載荷－時間曲線可知，煤巖受載后變形破壞過程經(jīng)歷4個階段:微裂隙壓密階段(Ⅰ)，變形曲線向下彎曲，形成早期的非線性變形;彈性變形階段(Ⅱ)，變形曲線呈現(xiàn)線性特征;塑性變形階段(Ⅲ)，變形曲線向上彎曲，表明煤巖內(nèi)部出現(xiàn)大量的微裂隙;峰后破壞階段(Ⅳ)，巖石試件通過峰值應(yīng)力后，裂隙快速發(fā)展形成宏觀斷裂面，其承載能力快速下降。從圖2中AE事件率、AE能率－時間曲線可看出，煤巖變形破壞過程聲發(fā)射特性存在階段性特征。壓密階段(Ⅰ) :由于微裂紋的壓密閉合，煤巖內(nèi)部產(chǎn)生少量能率較小的聲發(fā)射事件;彈性階段(Ⅱ) :事件率和能率均維持在一定水平，這是由于該階段內(nèi)煤巖主要以彈性變形為主，基本無塑性損傷;塑性變形階段(Ⅲ) : AE事件率和AE能率均有多個極值點出現(xiàn)，表明煤巖內(nèi)部的裂紋迅速地發(fā)展、匯集和貫通;峰后破壞階段(Ⅳ) :經(jīng)過峰值應(yīng)力伴隨著宏觀貫通裂紋的產(chǎn)生，AE事件率和AE能率出現(xiàn)高值點。總結(jié)煤巖變形和聲發(fā)射特性可以發(fā)現(xiàn):煤巖破裂過程中的力學(xué)和聲發(fā)射具有階段性的特征，且兩者的階段性變化有良好的同步性，聲發(fā)射特征能較好地描述煤巖變形破壞過程。

2.2裂紋開裂擴(kuò)展過程

通過對所有巖樣的裂紋開裂擴(kuò)展過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，各試樣裂紋開裂擴(kuò)展過程具有一定的相似性。本文以煤巖－3試樣的試驗結(jié)果為例，分析煤巖在不同應(yīng)力水平下的表面裂紋特征及聲發(fā)射特性，以探討煤巖在單軸壓縮條件下破壞過程中表面裂紋開裂擴(kuò)展演化特性。圖3給出了煤巖－3試樣應(yīng)力、AE事件率、AE能率隨時間變化曲線。

根據(jù)煤巖破裂過程中的和聲發(fā)射階段性變化具有良好同步性的特點，結(jié)合兩者隨時間的變化特征，確定試件表面裂紋開裂擴(kuò)展過程中初始、開裂、擴(kuò)展宏觀斷裂破壞等關(guān)鍵點時刻信息，從拍攝的高清視頻中截取關(guān)鍵點的表面裂紋形態(tài)圖，分析裂紋擴(kuò)展過程與應(yīng)力及聲發(fā)射變化的關(guān)系。本文借助會聲會影軟件來提取視頻的靜態(tài)圖像［2］，該軟件以幀為單位對每秒拍攝的視頻進(jìn)行分割，提高分析的精度;同時利用Photoshop軟件對提取的靜態(tài)圖像進(jìn)行裁剪、亮度調(diào)整等處理，以清楚地觀察表面裂紋隨時間的發(fā)展趨勢。

圖2　試件載荷、AE事件率、AE能率變化曲線

圖3　試件煤巖－3應(yīng)力、AE事件率、AE能率－時間曲線

圖4為煤巖－3關(guān)鍵點A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，J和K對應(yīng)的試件表面形態(tài)圖，分析可知裂紋擴(kuò)展演化存在階段性特征。

由圖4可知:

(1)相對穩(wěn)定階段圖4 (a)和圖4 (b)分別為試件處于壓密階段(A點)和彈性階段(B 點)的表面形態(tài)圖。可以看出，煤巖試件在壓密階段和彈性階段，有一些小能量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生，但試樣表面形態(tài)基本無變化。

(2)裂紋擴(kuò)展階段圖4 (c)為試件進(jìn)入塑性階段(C點)第一個AE事件率極值點(0.78σc)對應(yīng)的表面形態(tài)圖?？梢钥闯觯捎趹?yīng)力水平的提高，AE事件率增加，有一些較高能量的聲發(fā)射事件出現(xiàn)，但試樣表面形態(tài)變化不大，說明煤巖內(nèi)部有一定程度的損傷，裂紋尚處在孕育階段，還不足以導(dǎo)致宏觀裂紋的出現(xiàn)。圖4 (d)為試件在0.84σc應(yīng)力水平下的表面形態(tài)圖(D點)。從圖中可以看出，在試件表面中部偏右位置出現(xiàn)了一條與加載方向近似平行的曲折裂紋，同時AE事件率和能率均出現(xiàn)較大極值點，說明煤巖內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋已擴(kuò)展至表面，出現(xiàn)細(xì)小裂紋使試件的承載能力減弱，應(yīng)力曲線上出現(xiàn)短暫的應(yīng)力降。從圖4 (e)可以看出，隨著應(yīng)力水平的增加(E點)，表面裂紋從中部向兩端緩慢擴(kuò)展，在此階段聲發(fā)射活動較劇烈，AE事件率和能率出現(xiàn)多個峰值。在E點出應(yīng)力有短暫的降低，這是由于裂紋的擴(kuò)展使試件出現(xiàn)局部滑移或微小破壞。圖4 (f)和圖4 (g)表明在峰值應(yīng)力前(F點～G點)階段，試件初始擴(kuò)展裂紋的右上角出現(xiàn)一個“倒八字型”新裂紋，隨著應(yīng)力水平的提高“倒八字型”裂紋逐漸向下擴(kuò)展。在此階段AE事件率值較低，這是由于在巖石失穩(wěn)破壞前，小尺度裂紋合并貫通形成大尺度裂紋，致使單位時間內(nèi)的聲發(fā)射數(shù)量下降［10］，出現(xiàn)聲發(fā)射事件率平靜現(xiàn)象。

圖4　不同應(yīng)力水平下試件煤巖－3的開裂擴(kuò)展過程

(3)峰值應(yīng)力后的破壞階段圖4 (h)和圖4 (i)顯示初始擴(kuò)展裂紋在峰后階段繼續(xù)向兩端延伸擴(kuò)展，但向下延伸出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，其方向與荷載的方向大約為45°。“倒八字型”裂紋逐漸發(fā)展成“V字型”裂紋，并向下發(fā)展與之前形成的初始擴(kuò)展裂紋交匯，最終形成一條“L型”貫通裂紋，試樣出現(xiàn)第一次宏觀破壞，應(yīng)力出現(xiàn)大幅度降低，AE事件率和能率均呈現(xiàn)較大程度增加，但試件還具有一定的承載能力。圖4 (j)和圖4 (k)顯示峰后J點到K點，試件中下部出現(xiàn)一條豎向新生裂紋，在極短的時間里快速發(fā)育并擴(kuò)展，形成一條新的“L型”貫通裂紋，這是由于承載力的存在，煤巖試樣產(chǎn)生二次破壞。

圖5給出了其他煤巖試件(煤巖－1、煤巖－2、煤巖－4)單軸壓縮條件下最終宏觀斷裂破壞后的照片。綜合分析可以看出，煤巖試件最終破壞時表面出現(xiàn)多條宏觀裂紋，其在變形破壞過程中開裂擴(kuò)展趨勢基本一致，裂紋形狀相似。同時還可以發(fā)現(xiàn)，主破裂裂紋的方向幾乎都與軸向壓應(yīng)力作用方向平行或呈小角度相交，但由于各試件微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異，使觀測面的破壞程度、主裂紋形狀和裂紋形態(tài)的復(fù)雜程度有所差異。

圖5　煤巖試件宏觀斷裂破壞形態(tài)

2.3聲發(fā)射RA值變化及破壞機(jī)制

根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)可判斷聲發(fā)射源產(chǎn)生機(jī)制［11］，聲發(fā)射RA值(上升時間與幅度的比值，單位為ms/V)常用來判定裂紋的開裂方式。文獻(xiàn)［12］指出當(dāng)采用聲發(fā)射參數(shù)來分析巖石的裂紋開裂方式時往往考慮兩種方式，分別為張開裂紋和剪切裂紋。T.Shiotani等［13］研究發(fā)現(xiàn)低RA值對應(yīng)剪切裂紋，高RA值對應(yīng)張開裂紋。

圖6為煤巖破裂全過程載荷、聲發(fā)射RA值和時間關(guān)系曲線。在加載前期，聲發(fā)射RA值較低，說明在壓密階段和彈性階段應(yīng)力對微裂紋產(chǎn)生細(xì)微的擾動，發(fā)生剪性破壞。在塑性階段，特別在有明顯載荷降產(chǎn)生破壞的地方，聲發(fā)射RA值瞬時突增，表明當(dāng)煤巖出現(xiàn)小尺度宏觀破壞時，產(chǎn)生以張拉破壞為主的張裂紋。總結(jié)上述RA值變化特征發(fā)現(xiàn):煤巖微觀破裂與宏觀斷裂之間存在一定的聯(lián)系，在煤巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，主要產(chǎn)生以剪切破壞為主的裂紋，這直接導(dǎo)致煤巖力學(xué)強(qiáng)度較低，在外力作用下產(chǎn)生剪破裂。在煤巖產(chǎn)生小尺度破壞和宏觀可見破裂時，主要產(chǎn)生以張拉破壞為主的裂紋，這直接導(dǎo)致煤巖的宏觀破壞。

圖6　煤巖試樣破裂全過程載荷、聲發(fā)射RA值和時間變化曲線

3　結(jié)論

(1)煤巖破裂過程中裂紋擴(kuò)展具有階段性的特征，其特征和載荷、聲發(fā)射的階段性變化有良好的同步性。

(2)煤巖破裂過程中裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展，峰值應(yīng)力前，內(nèi)部損傷累積到一定程度，煤巖出現(xiàn)表面裂紋，峰值應(yīng)力后，表面裂紋快速擴(kuò)展出現(xiàn)貫通裂紋，導(dǎo)致煤巖破壞。

(3)煤巖最終破壞時出現(xiàn)的多條宏觀裂紋在變形過程中開裂擴(kuò)展趨勢基本一致，裂紋形狀相似。由于煤巖微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異，其破壞程度、裂紋形狀和裂紋形態(tài)的復(fù)雜程度有所差異。

(4)煤巖微觀破裂與宏觀斷裂之間存在一定的聯(lián)系。在煤巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，主要產(chǎn)生以剪切破壞為主的裂紋;在煤巖產(chǎn)生小尺度破壞和宏觀可見破裂時，主要產(chǎn)生以張拉破壞為主的裂紋。

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［責(zé)任編輯:李宏艷］

Experiment of Coal and Rock fissure Cracking and Developing Characteristic under Uniaxial Compression Condition

LIANG Peng1，2，ZHANG Yan-bo1，2，TIAN Bao-zhu1，2，LIU Xiang-xin1，2

(1.Mining Engineering School，Hebei Union University，Tangshan 063009，China;
2.Hebei Provincial Key Laboratory of Mining Development and Safety Technology，Tangshan 063009，China)

Abstract:Coal and rock fissure cracking and developing characteristic under uniaxial compression condition was researched by acoustic emission and data imagine processing technology.Results showed that fissure development took on stage characteristic during coal and rock failure and good synchronism between fissure evolvement and stage variation of load and acoustic emission.Fissure developed from inside to outside.Before stress summit，inner damage accumulated to some degree and fissures occurred in rock and gradually evolved to rock surface.Cracking and developing tendency of macrocracks which formed at final failure time were basically consistent and crack shapes were similar.There was relationship between micro failure and macro breakage.When coal and rock was in relatively stable state，shear-fissure predominately occurred.When in small-scale failure and macro failure phrase，tension-fissure predominately formed.Experiment result revealed coal and rock deformation and failure rule，which had some theoretical value for coal and rock failure mechanism.

Keywords:uniaxial compression; coal and rock; fissure; development evolvement

［作者簡介］梁鵬(1987－)，男，河南南陽人，碩士研究生，主要從事采礦工程與巖土工程方面的研究工作。

［基金項目］國家自然科學(xué)基金資助項目(51174071，51374088) ;河北省自然科學(xué)基金項目(E2012209047)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.003

［收稿日期］2014－08－28

［中圖分類號］TD315

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0008-05