中間主應(yīng)力對(duì)煤巖力學(xué)與聲發(fā)射特征的影響

彭巖巖，鄧浩翔，樊 嘯

（1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000；2.紹興文理學(xué)院 浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興312000）

煤礦開(kāi)采工程中，深部地下工程巖體處于三向受力狀態(tài)[1]。邊坡、隧道或礦山等工程的開(kāi)挖會(huì)引起臨近開(kāi)挖面區(qū)域范圍的巖體出現(xiàn)強(qiáng)烈擴(kuò)容，并伴有張拉與剪切等復(fù)雜的力學(xué)破壞。因此，研究深部地下工程巖體的力學(xué)性質(zhì)，僅僅依靠單軸壓縮、拉伸試驗(yàn)或常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而需通過(guò)真三軸試驗(yàn)來(lái)模擬巖體真實(shí)受力情況。近年來(lái)，研究人員進(jìn)行了大量室內(nèi)真三軸試驗(yàn)研究。例如，何滿潮等[2]對(duì)深部高地應(yīng)力區(qū)花崗巖開(kāi)展真三軸卸載試驗(yàn)，得出其巖爆誘發(fā)機(jī)制與破壞特征。呂穎慧等[3]進(jìn)行了花崗巖的真三軸卸載試驗(yàn)，在應(yīng)變空間中推導(dǎo)了考慮巖石變形參數(shù)劣化效應(yīng)的力學(xué)本構(gòu)方程。王永鑫等[4]利用真三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試樣進(jìn)行一系列壓縮與剪切作用下的加、卸載試驗(yàn)，得到了不同卸載階段回彈剪切模量的變化規(guī)律。呂有廠等[5]進(jìn)行了煤巖的真三軸恒定軸壓卸圍壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤巖的能量耗散與卸載圍壓的速率有關(guān)。薛世鵬等[6]通過(guò)真三軸試驗(yàn)機(jī)模擬礦井下應(yīng)力條件，并結(jié)合聲發(fā)射設(shè)備對(duì)煤巖體破壞做出預(yù)警。郤保平等[7]采用真三軸THMC耦合作用試驗(yàn)機(jī)對(duì)花崗巖的熱變形及膨脹系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。李文帥等[8]開(kāi)展砂巖的真三軸加載試驗(yàn)，并結(jié)合CT掃描技術(shù)，系統(tǒng)研究了不同中間主應(yīng)力條件下，砂巖的強(qiáng)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(yàn)對(duì)深部礦山開(kāi)采時(shí)巖石的力學(xué)行為進(jìn)行研究。然而，目前針對(duì)中間主應(yīng)力影響的真三軸試驗(yàn)研究相對(duì)較少。因此，以煤巖為研究對(duì)象，通過(guò)真三軸加、卸載試驗(yàn)?zāi)M地應(yīng)力作用下巖體的瞬態(tài)卸載[12]（鉆爆開(kāi)挖）破壞，并利用聲發(fā)射探測(cè)技術(shù)，探討中間主應(yīng)力對(duì)巖石強(qiáng)度及破壞的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

真三軸加卸載試驗(yàn)裝置由DTRB－1000地聲過(guò)程模擬裝置及三軸工裝所組成。設(shè)備采用3個(gè)方向6個(gè)剛性獨(dú)立加載模塊模擬深部地下工程三向應(yīng)力狀態(tài)。聲發(fā)射系統(tǒng)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI設(shè)備。設(shè)備由6個(gè)前置探頭、6個(gè)信號(hào)放大器、AEwin系統(tǒng)主機(jī)以及相應(yīng)管線所組成，可采集煤巖在破壞過(guò)程中的撞擊計(jì)數(shù)、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(duì)象，煤巖取自內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市某礦回采工作面，為保持試樣原有應(yīng)力狀態(tài)，將從采煤工作面選取大塊煤巖體進(jìn)行加工，對(duì)表面進(jìn)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(guī)格的煤巖試樣，并用保鮮膜進(jìn)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(qiáng)度σc=14.6 MPa，黏聚力c=0.41，內(nèi)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(yàn)方法與流程

為研究不同中間主應(yīng)力影響下煤巖的力學(xué)特性，將試驗(yàn)分為1～4組，分別對(duì)應(yīng)中間主應(yīng)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(jìn)行真三軸加載試驗(yàn)，另1塊進(jìn)行真三軸卸載試驗(yàn)。

本試驗(yàn)過(guò)程均采用應(yīng)力控制方式進(jìn)行加載，各試驗(yàn)系統(tǒng)均能自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)力、撞擊計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù)與時(shí)間的相關(guān)曲線。真三軸加、卸載試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中試件編號(hào)1－1表示第1組第1塊試樣，以此類(lèi)推。

表1 真三軸加、卸載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 True triaxial loading and unloading test data

1.3.1 真三軸加載試驗(yàn)

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

1.3.2 真三軸卸載試驗(yàn)

應(yīng)力加載過(guò)程同上，當(dāng)以0.2 MPa/s的速率加載σ1時(shí)，將σ1加載至真三軸加載試驗(yàn)煤巖破壞時(shí)所得軸向應(yīng)力σ1的90%，并保持σ1、σ2恒定，再以0.5 MPa/s卸載速率（瞬態(tài)卸載）卸載σ3，觀察煤巖破壞情況。

試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)保持加載系統(tǒng)與聲發(fā)射系統(tǒng)在時(shí)間上同步，聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)煤巖破壞過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，采集并分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 中間主應(yīng)力影響下煤巖力學(xué)特性分析

2.1 破壞狀態(tài)分析

不同中間主應(yīng)力下真三軸卸載試驗(yàn)煤巖破壞斷面形態(tài)特征如圖2。

圖2 真三軸卸載試驗(yàn)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(xiàn)明顯的側(cè)向膨脹，卸載面附近出現(xiàn)張拉性碎片。

當(dāng)中間主應(yīng)力為3 MPa時(shí)，卸載面出現(xiàn)細(xì)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(kuò)展，呈明顯剪切摩擦的跡象，煤巖試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為剪切破壞，如圖2（a）。

當(dāng)中間主應(yīng)力為6 MPa時(shí)，煤巖在卸載面附近出現(xiàn)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(tài)表現(xiàn)為局部剪切的張拉破壞，如圖2（b）。

當(dāng)中間主應(yīng)力為9、12 MPa時(shí)，煤巖在卸載面附近不但出現(xiàn)局部剪切的張拉破壞裂隙，還會(huì)在煤巖的內(nèi)部出現(xiàn)貫穿整個(gè)煤巖的剪切裂隙，出現(xiàn)屈服破壞，不能繼續(xù)承載，如圖2（c）和圖2（d）。

從整個(gè)煤巖破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，隨著中間主應(yīng)力增大，煤巖試件破裂面、粉碎煤塊數(shù)量也逐漸增加，同時(shí)煤巖整體逐步向更高的破碎度發(fā)展。與圖2（a）相比，圖2（d）的軸向應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力對(duì)煤樣的影響更大，內(nèi)部微裂隙受橫向膨脹拉伸應(yīng)力作用，當(dāng)微裂隙端部應(yīng)力超過(guò)材料抗剪強(qiáng)度時(shí)，煤巖外表面的張拉裂隙發(fā)育程度更高，其與中間主應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，煤巖試件外表面裂隙數(shù)目逐漸增多，沿卸載方向裂隙將煤巖整體分為若干個(gè)獨(dú)立塊體，具有與中間主應(yīng)力方向一致的主破裂面，表明中間主應(yīng)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(yīng)力下真三軸卸載試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3，ε1、ε2、ε3、εV分別為軸向應(yīng)變、σ2和σ3對(duì)應(yīng)的側(cè)向應(yīng)變、體積應(yīng)變。

圖3 真三軸卸載試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 True triaxial unloading test stress-strain curves

1）當(dāng)中間主應(yīng)力σ2和σ3的數(shù)值較為接近時(shí)，在加載階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與常規(guī)三軸加載試驗(yàn)較為類(lèi)似。煤巖經(jīng)歷了原始裂隙壓密到新裂隙萌生再到裂隙相互貫通的發(fā)展過(guò)程。煤巖在加載階段積聚了一定的彈性勢(shì)能，卸載后曲線趨于水平，出現(xiàn)張拉、剪切等脆性破壞[13]。

2）隨著中間主應(yīng)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(yīng)引起ε3方向側(cè)向膨脹，導(dǎo)致變形加劇。

3）隨著中間主應(yīng)力σ2的增大，ε2曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，表明應(yīng)變?chǔ)?存在先壓縮后擴(kuò)張的現(xiàn)象；εV曲線有明顯放緩甚至回轉(zhuǎn)，表明體積應(yīng)變出現(xiàn)擴(kuò)容的趨勢(shì)。

2.3 強(qiáng)度分析

Mogi[14]在Mises準(zhǔn)則的理論基礎(chǔ)上，通過(guò)多種巖石的真三軸加、卸載試驗(yàn)，得出中間主應(yīng)力對(duì)巖石強(qiáng)度有著顯著影響。于是，提出了考慮中間主應(yīng)力的八面體強(qiáng)度準(zhǔn)則，其本質(zhì)仍為剪切破壞準(zhǔn)則。破壞時(shí)的八面體剪應(yīng)力τoct與有效中間主應(yīng)力σm，2的強(qiáng)度關(guān)系如式（1）和式（2）：

Al－Ajmi等[15－16]通過(guò)大量真三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理發(fā)現(xiàn)，將Mogi經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則與Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則相結(jié)合后f（σm，2）的線形擬合較為理想，并稱(chēng)之為Mogi－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，表達(dá)式為式（3）～式（6）：

為更好地反應(yīng)煤巖在高地應(yīng)力條件下卸載時(shí)的強(qiáng)度破壞特征，取真三軸卸載試驗(yàn)瞬態(tài)卸載時(shí)應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，通過(guò)二次多項(xiàng)式線形擬合得到的τoct與σm，2的關(guān)系曲線如圖4。

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

根據(jù)擬合的二次多項(xiàng)式曲線可得α=0.401 3、β=0.787 0、R2=0.968 8，計(jì)算得出黏聚力c=0.47 kPa、內(nèi)摩擦角φ=42.9°、八面體剪應(yīng)力強(qiáng)度平均偏差τ=0.11。

計(jì)算所得c、φ值與常規(guī)三軸加載試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)值較為接近，因此，Mogi－coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則能較好描述煤巖在卸載時(shí)強(qiáng)度破壞特征。

3 中間主應(yīng)力影響下聲發(fā)射損傷演化特征分析

不同中間主應(yīng)力下真三軸卸載試驗(yàn)應(yīng)力差值－聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果如圖5。

從圖5可以看出，煤巖中間主應(yīng)力條件下卸載聲發(fā)射特征具有以下規(guī)律（由于中間主應(yīng)力9 MPa、12 MPa破壞較為類(lèi)似，只列舉9 MPa進(jìn)行闡述）。

1）加載階段Ⅰ。該階段開(kāi)始前幾秒內(nèi)，聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)上升，應(yīng)力差值為0，這是由于煤巖在自然狀態(tài)下賦存有一定量原始裂隙，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，該裂隙被不斷壓密[17]。隨后進(jìn)入加載，通過(guò)擬合Ⅰ階段撞擊計(jì)數(shù)曲線可知曲線呈線性分布且能量計(jì)數(shù)并未出現(xiàn)大幅上升，表明隨著荷載的增加，煤巖內(nèi)部的微裂紋開(kāi)始萌生、擴(kuò)展且彈性能不斷積聚，為穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)[18]。然而對(duì)于整體而言，內(nèi)部的裂隙擴(kuò)展只是在小范圍內(nèi)產(chǎn)生，為線彈性區(qū)段[19]，如圖5（a）、和圖5（b）階段Ⅰ。此外，通過(guò)縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，隨著中間主應(yīng)力加大，煤巖內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展迅速?gòu)姆€(wěn)定線形增長(zhǎng)發(fā)展至指數(shù)型非穩(wěn)定指數(shù)型增長(zhǎng)，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(yīng)力狀態(tài)，使其更能真實(shí)反映地應(yīng)力作用下的受力情況，設(shè)置此階段，保持線性加載后保持100～150 s穩(wěn)定時(shí)間。該階段已停止加載，應(yīng)力差值與撞擊計(jì)數(shù)曲線均為水平，能量計(jì)數(shù)也未有較大的波動(dòng)。

3）卸載階段Ⅲ。該階段對(duì)最小主應(yīng)力σ3進(jìn)行卸載，圖中2條應(yīng)力差值曲線分離，聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)激增，撞擊計(jì)數(shù)曲線經(jīng)過(guò)擬合后顯示指數(shù)型增長(zhǎng)，表明卸載后煤巖內(nèi)部所儲(chǔ)存的彈性能突然釋放，內(nèi)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(jīng)破壞，裂紋已貫穿整個(gè)煤巖，但撞擊計(jì)數(shù)曲線并未增長(zhǎng)，能量計(jì)數(shù)沒(méi)有波動(dòng)，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(yīng)力的增加，煤巖在進(jìn)入階段Ⅳ時(shí)已呈現(xiàn)屈服破壞，應(yīng)力差值曲線有明顯下降段，表明中間主應(yīng)力使煤巖不再具有繼續(xù)承載的能力，如圖5（c）階段Ⅳ。

4結(jié)論

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

2）真三軸卸載試驗(yàn)中，隨著中間主應(yīng)力的增大，中間主應(yīng)力方向的變形由向內(nèi)壓縮轉(zhuǎn)為向外擴(kuò)張；體積應(yīng)變出現(xiàn)收縮后又向外擴(kuò)容的趨勢(shì)。

3）用Mogi－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則能較好地?cái)M合煤巖真三軸卸載強(qiáng)度與中間主應(yīng)力關(guān)系且能準(zhǔn)確反映煤巖在卸載時(shí)強(qiáng)度破壞特征。

4）利用聲發(fā)射探測(cè)煤巖損傷演化過(guò)程中，中間主應(yīng)力的增大能使煤巖在加載階段就出現(xiàn)裂隙的非穩(wěn)定指數(shù)型增長(zhǎng)；卸載階段時(shí)的能量計(jì)數(shù)隨中間主應(yīng)力增大而大幅上升，表明中間主應(yīng)力對(duì)煤巖內(nèi)部彈性能的積聚有一定作用；卸載完成階段，當(dāng)中間主應(yīng)力較小時(shí)，煤巖仍能具有繼續(xù)承載的能力，但隨著中間主應(yīng)力增大，煤巖不再具備繼續(xù)承載的能力。