含水率對煤樣聲發(fā)射特征和碎塊分布特征影響的試驗研究

馮國瑞，文曉澤，郭軍，王朋飛，錢瑞鵬，閆勇敢，郝晨良

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西太原，030024；2.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心，山西太原，030024)

我國東部許多老礦區(qū)的開采深度在10年前就已達到1 km左右，即已經(jīng)進入深部開采[1]。上述礦井在先期開采中形成了邊角煤以及區(qū)段煤柱、保護煤柱等遺留煤柱，遺留煤柱形成的應力集中及其自身穩(wěn)定性對上覆巖層穩(wěn)定性和下伏煤層工作面安全平穩(wěn)推進有重要影響[2?3]。而遺留煤柱穩(wěn)定性通常受到采空區(qū)積水的影響，因此，需開展不同含水率煤樣單軸壓縮試驗，探究水對煤樣力學性能弱化和失穩(wěn)后的破壞形態(tài)的影響，為遺留煤柱穩(wěn)定性的評估提供相關(guān)技術(shù)參考，服務深部煤炭資源的安全高效開采。

自水巖交互作用被提出后，人們開展了大量水對煤樣力學性能弱化的研究[4?5]。隨試驗設備和監(jiān)測手段的發(fā)展，無損監(jiān)測手段——聲發(fā)射被引入巖石力學試驗，用于監(jiān)測加載過程中巖石內(nèi)部微裂紋尖端屈服擴展時以彈性波釋放的應力波信號，反演內(nèi)部不可直接觀測的微破裂狀態(tài)[6]。李天斌等[7]發(fā)現(xiàn)隨砂巖含水率增大，聲發(fā)射能率的集中程度和累計能量逐漸減小；張艷博等[8]研究了飽水花崗巖破裂過程的聲發(fā)射頻譜特征，提出了可以用聲發(fā)射頻譜特征快速識別巖石破壞的前兆信息的觀點。對非均質(zhì)更強、原生裂隙更加發(fā)育的煤樣，YAO等[9]發(fā)現(xiàn)峰值應力、彈性模量等均隨煤樣含水率的增大而減小。秦虎等[10]基于無煙煤的力學試驗研究，指出無煙煤的力學特性和聲發(fā)射特征受含水率的影響顯著。

煤巖破壞形態(tài)作為內(nèi)部微裂紋擴展的最終呈現(xiàn)，人們定性描述了含水率對煤巖破壞形態(tài)的影響。王凱等[11]定性揭示了隨含水率增大，煤樣破壞后產(chǎn)生的裂紋數(shù)目增多，形態(tài)趨于復雜的規(guī)律。來興平等[12]分析了不同含水率煤樣的單軸壓縮破壞模式，指出隨含水率增大，煤樣破壞形態(tài)趨于復雜。分形理論作為定量研究自然界中自相似性的數(shù)學手段，自其創(chuàng)立就在定量描述巖石破碎特征和裂紋擴展等方面得到應用與發(fā)展。謝和平等[13]基于巖石力學試驗和理論研究分析了巖石碎塊分形特征，推導了裂紋分叉的分形模型；張文清等[14]基于煤樣的沖擊試驗，揭示了應變率與分形維數(shù)間的對數(shù)增長關(guān)系；何滿潮等[15]基于巖爆試驗碎屑分形研究，舉例闡述了不同的分形維數(shù)計算方法。而煤樣含水率與破碎塊體分形維數(shù)間的定量關(guān)系尚待進一步研究。

以上研究表明，水對煤巖力學性能有一定的弱化，含水率對加載過程監(jiān)測到的聲發(fā)射特征參數(shù)也有重要影響。但現(xiàn)有研究對定量研究聲發(fā)射特征參數(shù)的階段性變化規(guī)律以及對煤樣含水率與破碎塊體分形特征關(guān)系的研究尚待加強。本文作者從不同含水率煤樣的單軸壓縮試驗入手，輔以聲發(fā)射監(jiān)測和煤樣破碎塊體分形研究，對比分析不同含水率煤樣的AE能率階段性變化規(guī)律和破壞形態(tài)的差異，研究含水率對煤樣力學特性、碎塊分布的影響，以推進含水率對煤樣穩(wěn)定性影響的定量化研究，深化含水率對煤柱穩(wěn)定性的認識，這對分析深部高應力采空區(qū)遺留煤柱破壞及穩(wěn)定性具有一定的工程意義。

1 試驗設備與方法

1.1 試樣制備

采樣和制樣過程嚴格按照GB/T 2356.1—2009“煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法”進行，在現(xiàn)場選取完整性較好的大塊煤樣，經(jīng)鉆芯、切割、端面磨平等過程加工成直徑為50 mm、高為100 mm的標準圓柱體煤樣。試驗之前對所得煤樣進行斷鉛試驗，進行聲速標定的同時剔除其中聲速偏差較大個體，盡可能減少試件離散性對試驗規(guī)律的影響。

將試件放入烘干箱中烘干至完全干燥，為避免烘干溫度過高損傷煤樣，根據(jù)相關(guān)規(guī)范設定烘干溫度為60 ℃，烘干48 h 后，待其質(zhì)量不再變化后置于干燥箱中靜置冷卻，完全冷卻后稱質(zhì)量并記錄，之后將試樣浸泡于去離子水中，抽真空使煤樣飽和含水，稱其質(zhì)量，得到煤樣的飽和含水率為6%～7%。將煤樣依含水率不同劃分為4 組，即0(干燥)，2%，4%和6%(飽和含水)，對每組4個煤樣進行編號并記錄，將與前述相同方法烘干的干燥煤樣浸泡在去離子水中，每隔1 h 稱其質(zhì)量，調(diào)整至由式(1)計算的相應含水率的理論計算質(zhì)量，最后在恒溫恒濕箱中靜置48 h后進行試驗。

式中：ml為不同含水率煤樣的理論計算質(zhì)量；m0為干燥煤樣質(zhì)量；ω為煤樣含水率。

1.2 試驗設備和方案

采用SHT4605 電液伺服萬能試驗機開展不同含水率煤樣的單軸壓縮試驗，該試驗機最大軸向荷載為600 kN。在試驗過程中，選擇力控加載方式，加載速率為1 kN/s，一次加載直至煤樣破壞，得到試驗過程的σ?ε曲線。試驗過程中，采用CM-2B-TCP 型電阻應變儀和DS5-8B 型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測煤樣變形和聲發(fā)射特征，其中應變片布置在煤樣中部，煤樣表面間隔90°上下交叉布置4 個聲發(fā)射傳感器，采樣頻率為2.5 MHz，聲發(fā)射信號采集的門檻值為40 dB。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 煤樣力學性能分析

圖1所示為不同含水率煤樣的σ?ε曲線。由圖1可知：σ?ε曲線呈現(xiàn)典型的4階段變化特征。壓密階段隨含水率增大變緩延長，干燥和2%含水煤樣峰前線彈性階段較長，未見明顯的塑性屈服段；隨煤樣含水率增大，彈性段變短，接近峰值應力的剪切滑移段延長，同時，峰后曲線呈臺階狀下降。可知隨煤樣含水率增大，煤樣軟化，溶蝕孔洞和內(nèi)部損傷增加，塑性增強。

圖1 不同含水率煤樣應力?應變曲線Fig.1 Stress?strain curves of specimens with different moisture contents

每組3個有效煤樣峰值應力如表1所示。由表1可知：隨含水率增大，煤樣峰值應力逐漸降低；與干燥煤樣相比，飽水煤樣強度損傷超過30%，力學性能下降嚴重。圖2所示為煤樣峰值應力、動態(tài)破壞時間與含水率的關(guān)系。由圖2可見：隨含水率增大，煤樣峰值應力近似呈指數(shù)型遞減，擬合關(guān)系為

圖2 煤樣峰值應力、動態(tài)破壞時間與含水率的關(guān)系Fig.2 Relationship among peak stress,dynamic failure time and moisture content of coal specimen

表1 不同含水率煤樣峰值應力Table 1 Peak stress of coal specimens with different moisture contents

式中：σp為煤樣峰值應力。

煤樣峰后的動態(tài)破壞時間隨含水率增大大幅延長，干燥煤樣存儲的彈性應變能在應力水平越過峰值應力的數(shù)十毫秒內(nèi)瞬間釋放，煤樣破碎為2個較大錐形塊體；隨煤樣含水率增大，峰后破壞階段延長，能量釋放逐漸緩和，在歷時數(shù)百毫秒的破壞過程中煤樣被逐漸壓碎，裂紋充分擴展，煤樣破碎程度增加。

2.2 聲發(fā)射特征分析

煤樣破壞是內(nèi)部積聚的彈性應變能達到極限，轉(zhuǎn)化成使煤樣破壞的機械能釋放的結(jié)果。AE能率是監(jiān)測到的聲發(fā)射事件能量和時間的綜合體現(xiàn)，可用于表征煤巖體內(nèi)部微破裂的程度。不同含水率煤樣的σ?ε與AE能率的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知：煤樣單軸壓縮過程可分為孔隙壓密階段、線彈性階段、剪切滑移階段和峰后失穩(wěn)階段4 個階段[16]；加載全過程煤樣的AE 能率也呈明顯的“平靜—激增—衰減”階段性變化，與煤樣σ?ε曲線的階段劃分對應良好[10]。

圖3 煤樣應力?應變曲線與AE能率的關(guān)系Fig.3 Relationship among coal specimen stress?strain curve and AE energy rate

1)AE 能率平靜期主要對應煤樣壓密階段和線彈性變化階段前段。壓密階段煤樣內(nèi)部原生孔隙和溶蝕孔洞等受壓閉合，煤樣骨架調(diào)整壓實，原生與溶蝕裂隙附近顆粒咬合摩擦，加上煤樣初變形積累的應變能釋放，加載初期有低能量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，聲發(fā)射能率總體平靜；隨荷載增大，壓實后的煤樣逐漸進入線彈性變化階段，這一階段煤樣主要發(fā)生彈性變形，這一時期AE能率維持在加載全過程最低水平，依然為聲發(fā)射能率平靜期。隨含水率增大，煤樣線彈性段變短，同時AE能率平靜期在煤樣線彈性段的占比下降，干燥組線彈性段的前90%處于AE能率平靜期，含水率為2%煤樣的線彈性變化段的前80%也處于AE 能率平靜期；隨含水率增大，含水率為4%煤樣的AE能率平靜期在線彈性段的占比進一步縮減，飽水煤樣的AE能率平靜期在線彈性變化階段的占比下降至不足60%?？梢娝g對煤樣弱化顯著，水的溶脹軟化致使煤樣存儲應變能的能力減弱。

2)AE 能率激增期對應煤樣線彈性段后半段和剪切滑移段。綜合考慮不同含水率煤樣的聲發(fā)射能率變化，指定AE 能率激增期的起始閾值為2×108，即定義AE 能率激增期起始點為AE 能率大于2×108時。在此階段，煤樣內(nèi)部不斷有新的裂紋產(chǎn)生、交匯貫通，產(chǎn)生局部破裂面，對應中高能量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生[7]。干燥煤樣的AE 能率激增期極短，僅在峰值應力附近，2%含水煤樣的AE能率激增期從彈性段80%左右開始，激增段的低能量事件中偶有中高能量聲發(fā)射事件發(fā)生；隨煤樣含水率增大，含水率為4%煤樣以及飽水煤樣AE能率激增期起始點前移，在線彈性階段占比明顯增加，其線彈性段后半段和剪切滑移段中高能量聲發(fā)射事件活躍，可見水使煤樣內(nèi)部膠結(jié)弱化，在較低應力水平下煤樣內(nèi)部即有大量微破裂事件發(fā)生，能量積聚的過程中伴隨能量的釋放與轉(zhuǎn)化，煤樣內(nèi)部裂紋充分擴展。

各組AE 能率峰值均伴隨煤樣的應力峰值出現(xiàn)，但在數(shù)值上有較大差異，干燥煤樣的AE能率峰值是飽水煤樣的10 倍以上。含水率增大使煤樣軟化的同時降低其應變能存儲能力，煤樣破壞激烈程度降低。

3)AE 能率衰減期對應煤樣峰后破壞失穩(wěn)階段，彈性階段內(nèi)煤樣累積的能量轉(zhuǎn)化為煤樣破壞的機械能。干燥煤樣和含水率為2%煤樣的脆性顯著，峰后應力近乎垂直跌落，煤樣內(nèi)存儲的大量彈性應變能瞬間釋放，相應的AE能率也在峰值后驟然衰減為極低能率，破壞過程劇烈；隨煤樣含水率遞增，σ?ε曲線可見峰后應力呈臺階狀降低，含水率為4%以及飽水煤樣組AE 能率在峰值后逐步下降，階梯式下降為中高能率之后衰減直至消失，煤樣釋放總能量下降的同時能量釋放過程變得更加緩和。對應深部采空區(qū)的干燥煤柱，雖然其強度高，但破壞后釋放的能量較大，釋放速率大，對周圍煤巖體產(chǎn)生的沖擊擾動較大，可能誘發(fā)周圍煤巖體的連鎖失穩(wěn)反應，產(chǎn)生多米諾骨牌效應[2]。而隨含水率增大，雖然煤柱的強度降低，但其峰后動態(tài)破壞時間延長，釋放的能量減小，能量釋放速率降低，破壞過程緩和[17]，對周圍煤巖體擾動較小，若該煤柱為整個柱式承載體系的非關(guān)鍵區(qū)域，則其失穩(wěn)破壞對整個區(qū)域的穩(wěn)定性影響較小。

2.3 煤樣破壞特征分析

作為內(nèi)部微裂紋演化終態(tài)的呈現(xiàn)形式，煤樣破壞特征蘊含煤樣變形、力鏈演化路徑、裂紋擴展結(jié)果等豐富信息，對其分析研究有重要意義。

圖4所示為不同含水率煤樣破壞形態(tài)。由圖4可見：單斜面剪切破壞的干燥煤樣上半部發(fā)生局部“炸裂”破壞，破壞只局限于一個貫穿整個煤樣的傾斜破裂面上，煤樣整體較為完整，煤樣破壞為2個較大的錐形塊和大量細小煤屑，破碎塊體非均勻性較高；含水率為2%煤樣的最終破壞形態(tài)呈現(xiàn)典型的“X”狀共軛剪切破壞，2 個斜向主破裂面在試樣中部共軛交叉，表面有小塊崩落，試件端部有拉裂紋擴展；隨煤樣含水率繼續(xù)增加，軸向裂紋數(shù)量增加，含水率為4%的煤樣最終呈現(xiàn)片塊狀的拉剪復合破壞形態(tài)；受水的弱化影響，破壞形態(tài)趨于復雜，在拉應力作用下，豎向微裂隙擴展延伸，最終在數(shù)條豎向貫穿主裂隙和大量的非貫通軸向裂隙共同作用下煤樣呈現(xiàn)柱狀拉伸破壞，飽水煤樣表面和內(nèi)部破裂面可見水跡，自由水的潤滑作用對煤樣的破壞有一定促進作用。

圖4 不同含水率煤樣破壞形態(tài)Fig.4 Failure characteristics of coal with different moisture contents

隨煤樣含水率增大，裂紋數(shù)量增加的同時與軸向夾角減小，煤樣裂紋發(fā)展更加豐富，裂紋擴展總長度增加，煤樣破壞形態(tài)趨于復雜，有由剪切破壞向柱狀張拉破壞轉(zhuǎn)化的趨勢[18]。產(chǎn)生上述變化的原因為：煤樣內(nèi)部黏土礦物在水的作用下軟化和泥化，煤樣顆粒間黏結(jié)力逐漸減小，原生孔洞因水的溶蝕變大，此為主導因素[19]。干燥煤樣局部掃描電鏡示意圖如圖5所示。由圖5可見：煤樣原生裂隙發(fā)育，浸水后，在水的溶蝕作用下大量相近非連通原生裂隙擴展貫通，加速了高含水率煤樣破壞過程中裂紋擴展，裂紋數(shù)量增多；煤樣微觀上呈鱗片狀堆積結(jié)構(gòu)，隨含水率增大，內(nèi)部孔隙和堆積結(jié)構(gòu)層間被水充滿，游離的水分子形成水膜包裹各顆粒，層狀結(jié)構(gòu)間的游離水充當滾珠，促進加載過程中的滑移錯動。

圖5 干燥煤樣SEM示意圖Fig.5 SEM diagram of dry coal specimen

2.4 煤樣破碎塊體分形特征

分形理論為定量描述煤巖斷裂面形貌信息、破碎塊體特征提供研究手段[13]?？梢越柚幌盗惺侄危瑢γ簶悠茐暮蟮乃閴K(屑)信息進行統(tǒng)計和分析，用以分析其在尺寸和質(zhì)量上的差異，從破碎塊體的分布特征信息層面量化分析含水率對煤樣破壞特征的影響。以碎塊的等效邊長為劃分特征尺度，小于等效邊長的累計數(shù)量或質(zhì)量作為分析對象，對碎屑分布特征和分形維數(shù)進行計算[20]。本研究選擇累計質(zhì)量作為分形維數(shù)的計量指標。

2.4.1 不同含水率煤樣碎塊分布特征

參照文獻[15，20]中的區(qū)間確定方法，結(jié)合本研究實際，將煤樣碎塊以等效邊長差異劃分為微粒、中粒、粗粒、大塊4組。含水率對煤樣破碎后塊體差異的影響主要體現(xiàn)在中粒和粗粒組，加之微粒組數(shù)目過多，遂將區(qū)間進行再次細劃分。微粒組碎屑尺寸微小且數(shù)目龐大，直接測量尺寸困難，采用相應孔徑的分級篩進行篩分，其余各組碎塊用游標卡尺確定尺寸后分組、稱質(zhì)量，煤樣碎塊分類和分析方法見表2[20]。將煤樣碎塊(碎屑)按表2劃分區(qū)間分類、稱質(zhì)量、統(tǒng)計，依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果繪制不同含水率煤樣破碎塊體各尺寸區(qū)間質(zhì)量占比分布圖，如圖6所示。

表2 破碎塊體分類標準及分析方法Table 2 Classification standard and anaysis method of coal specimen fragments

圖6 不同含水率煤樣碎塊分布特征Fig.6 Distribution characteristics of coal specimens with different moisture contents

由圖6可知：隨煤樣含水率增大，等效邊長大于70 mm 的碎塊質(zhì)量占比下降明顯，由干燥時的89.2%逐步減少為70.8%，23.0%，0；隨含水率增大，等效邊長為5～50 mm 區(qū)間的碎塊占比增加，由干燥時的占比4.7%增加至含水率為6%時的56.4%，在此區(qū)間的碎塊分布也逐漸趨于均勻。可見隨煤樣含水率增大，破碎塊體分布由兩極分化逐漸過渡為向中統(tǒng)一并均勻分布，質(zhì)量占比峰值向小尺寸過渡。含水率的增大致使煤樣內(nèi)部溶蝕孔洞增加，原生裂隙擴展貫通，黏結(jié)作用被削弱，受載后煤樣裂紋擴展變易，峰后能量釋放過程更加緩和，破壞后更加破碎。

2.4.2 含水率對煤樣分形維數(shù)影響

對碎塊分布規(guī)律的分形研究，選擇碎屑的累計質(zhì)量和等效邊長進行計算：

式中：Leq為等效邊長；α為雙對數(shù)坐標下的斜率；mLeq/m為等效邊長小于Leq的碎塊質(zhì)量累計質(zhì)量比；mLeq為等效邊長小于Leq的累計碎塊質(zhì)量；m為碎屑(塊)總質(zhì)量[15]；D為分形維數(shù)。

等效邊長小于Leq的碎塊質(zhì)量累計質(zhì)量比與等效邊長Leq的雙對數(shù)線性相關(guān)性越好，其分形特征越顯著。計算所得分形維數(shù)D=0～3，大尺寸區(qū)間碎塊占比較大時D=0～2；當D=2 時，各尺寸區(qū)間碎塊占比相等；當D=2～3時，小尺寸區(qū)間碎塊占比較大[15]。

鄧濤等[21]基于對單軸加載試驗大理巖破碎塊體的分形研究，指出碎塊分形具有分段性。李楊楊等[20]的試驗結(jié)果表明，巖石碎塊在小于給定尺寸閾值范圍內(nèi)的分形性質(zhì)良好。由圖6可知50 mm以上的大尺寸碎塊數(shù)量很少，但單塊質(zhì)量和累計質(zhì)量占比大，對分形維數(shù)的結(jié)果影響較大。根據(jù)煤樣破碎塊體分布特征和分形維數(shù)計算過程中的相關(guān)性，選擇粗粒組上限50 mm 作為本研究的等效尺寸閾值Leq?max，繪制煤樣碎塊質(zhì)量占比?等效邊長的雙對數(shù)關(guān)系圖，如圖7所示。

由圖7和式(3)可知：各含水率煤樣的雙對數(shù)線性相關(guān)性良好，分形特征顯著，煤樣由干燥至飽水，其分形維數(shù)分別為2.391，2.283，2.136和2.037，均處在區(qū)間[2，3]之間，小尺寸碎塊(小于閾值)占比較大。隨含水率增大，分形維數(shù)遞減，中等尺寸破碎塊體占比(閾值以下的大碎塊)增加。

圖7 不同含水率煤樣碎塊等效邊長?質(zhì)量占比對數(shù)曲線Fig.7 Logarithmic curves of quality ratio?equivalent length with different moisture contents

受水蝕影響，煤樣內(nèi)部有機物和無機物溶解，內(nèi)部膠結(jié)弱化，原生裂隙間溶蝕貫通，原生孔洞擴大，致使煤樣加載過程中裂紋擴展自由度增加，裂紋擴展容易，在較低應力水平下煤樣內(nèi)部即發(fā)生微破裂，最終破壞后中等尺寸煤樣破碎塊體占比增加。含水率增大促使煤樣破碎塊體向各尺寸區(qū)間碎塊占比相等變化，圖8所示為煤樣含水率與分形維數(shù)關(guān)系。由圖8可知：煤樣碎塊分形維數(shù)隨含水率增大線性遞減，其值趨向于2。

圖8 煤樣含水率與分形維數(shù)關(guān)系Fig.8 Relationship between moisture content and fractal dimension

3 結(jié)論

1)煤樣含水率增大，σ?ε曲線壓密段變緩延長，峰后動態(tài)破壞時間變長，破壞過程更加緩和，峰值應力隨含水率增大呈指數(shù)型遞減。

2)煤樣加載過程的AE能率變化呈明顯的“平靜—激增—衰減”階段性變化，與σ?ε曲線的階段劃分對應良好，隨煤樣含水率增大，AE能率激增期起始點前移AE能率平靜期在線彈性段占比由干燥時的90%逐漸下降至飽水時的不足60%。AE 能率峰值均伴隨煤樣破壞瞬間的應力峰值出現(xiàn)，干燥煤樣的AE能率峰值是飽水煤樣10倍以上。

3)煤樣宏觀破壞形態(tài)與含水率密切相關(guān)，隨含水率增大，煤樣破壞形態(tài)趨于復雜，有由剪切破壞向柱狀張拉破壞轉(zhuǎn)化的趨勢，破碎塊體分布由兩極分化逐漸過渡為向中統(tǒng)一并均勻分布，等效邊長為5～50 mm 的碎塊占比由干燥時的4.7%增加至飽水時的56.4%。

4)不同含水率煤樣破碎塊體在尺寸閾值50 mm內(nèi)自相似性良好。煤樣由干燥至飽水，破碎塊體分形維數(shù)分別為2.391，2.283，2.136和2.037，分形維數(shù)與含水率呈良好的線性遞減規(guī)律。含水率增大促使碎塊(屑)向各尺寸區(qū)間碎塊占比相等變化，微粒數(shù)量減少，中等尺寸碎塊(閾值以下的大碎塊)數(shù)量增加。整體上微粒組和大塊組數(shù)量占比降低，煤樣破碎程度增加，破壞過程緩和，動力災害風險降低，對周圍煤巖體產(chǎn)生的沖擊擾動降低，誘發(fā)周圍煤巖體的連鎖失穩(wěn)進而產(chǎn)生多米諾骨牌效應的可能性降低。