動(dòng)靜組合加載下沖擊傾向性煤聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究

張 琨 ，王 蔓 ，任建喜 ，張 森

（西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

深部開采區(qū)域的煤巖在開采前處于高靜應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)開采施工等外界因素對(duì)煤巖進(jìn)行擾動(dòng)時(shí)，煤巖處于動(dòng)載+靜載的組合受力狀態(tài)[1]，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞甚至誘發(fā)沖擊地壓，對(duì)井內(nèi)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(fā)生沖擊地壓的變形破壞機(jī)理已成為分析煤巖巷道穩(wěn)定性的重要依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(yīng)力和動(dòng)態(tài)載荷耦合作用下的破壞過程，結(jié)果表明高靜應(yīng)力與動(dòng)載荷耦合作用下巖石預(yù)制裂隙周圍巖體會(huì)破裂炸出，而低靜應(yīng)力與動(dòng)載荷耦合作用下不易導(dǎo)致巖石破壞；李夕兵等[8]通過不同載荷預(yù)壓的巖石一維動(dòng)靜組合加載沖擊破壞試驗(yàn)，得到了不同條件下巖石的抗沖擊強(qiáng)度、破壞形式及應(yīng)力-應(yīng)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(jì)算方法，結(jié)果表明不同沖擊傾向性煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征存在較大差異；王偉等[10]探討了砂巖在常規(guī)、一維及三維動(dòng)靜組合條件下的沖擊試驗(yàn)，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(yīng)變率正相關(guān)；WANG 等[11]研究了巖石在單軸壓縮試驗(yàn)下的破壞特性，得到了巖石脆性程度對(duì)破壞模式的影響，當(dāng)巖體脆性增強(qiáng)，表現(xiàn)為拉伸斷裂、剪切斷裂等多種復(fù)合斷裂模式；來興平等[12]通過單軸壓縮試驗(yàn)研究了循環(huán)加卸載條件下天然互層巖樣的力學(xué)特征和破壞模式，結(jié)果表明循環(huán)加卸載會(huì)降低天然互層巖樣的強(qiáng)度，且常規(guī)條件下試樣呈貫通劈裂剪切型破壞，循環(huán)載荷下試樣呈拉-剪混合破壞；何濤[13]建立了單軸壓縮試驗(yàn)下的煤巖組合體數(shù)值模型，結(jié)果表明組合體的抗壓強(qiáng)度大于煤?jiǎn)误w的強(qiáng)度，且破裂面由煤體向交界面蔓延直至巖體損傷破裂。

聲發(fā)射技術(shù)可有效捕捉?jīng)_擊地壓發(fā)生時(shí)，煤樣在荷載作用下的破裂信號(hào)，進(jìn)而分析不同階段煤巖內(nèi)部裂縫的拓展過程及損傷狀態(tài)[14-15]。任建喜等[16]分析了沖擊傾向性煤巖的變形破壞機(jī)理及聲發(fā)射能量演化規(guī)律，結(jié)果表明煤巖在動(dòng)載下強(qiáng)度劣化明顯，并由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向拉伸破壞，且煤巖聲發(fā)射事件主要出現(xiàn)在動(dòng)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(yàn)不同加載速率工況下的聲發(fā)射特性，得到了不同加載速率下的聲發(fā)射的變化規(guī)律；劉希靈等[18]分析了巴西劈裂試驗(yàn)下花崗巖和大理巖的微觀破裂特性，結(jié)果表明2 種巖石的破壞強(qiáng)度及裂紋擴(kuò)展模式不同，且2 種巖石的破裂信號(hào)相近但不同破裂階段的峰值頻率不同；楊磊等[19]對(duì)比了不同沖擊傾向性煤樣在單軸壓縮試驗(yàn)下的聲發(fā)射能率變化特征，得到了不同沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)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(fā)射特性，結(jié)果表明與靜載試驗(yàn)相比沖擊荷載作用下巖石的聲發(fā)射b值較小，且聲發(fā)射b值與加載速率呈負(fù)相關(guān)；DU 等[21]分析了循環(huán)加載卸載過程中沖擊傾向性煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變趨勢(shì)及聲發(fā)射演化特征；郭海峰等[22]分析了單軸壓縮試驗(yàn)下沖擊傾向性煤的聲發(fā)射特征，結(jié)果表明沖擊傾向性煤聲發(fā)射活動(dòng)幾乎都發(fā)生在應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程的后期，隨著煤樣損傷程度的增加，聲發(fā)射分形維數(shù)呈傾斜的“M”形趨勢(shì)。

綜上所述，對(duì)于煤巖受載的變形規(guī)律及聲發(fā)射特性已有較多研究，但針對(duì)深埋沖擊傾向性煤巖在動(dòng)靜載組合作用下的聲發(fā)射演化規(guī)律的研究還較為匱乏。為此，基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過不同動(dòng)載擾動(dòng)頻率及靜態(tài)加載的方式進(jìn)行沖擊傾向性煤巖的單軸壓縮試驗(yàn)，分析煤巖破裂及聲發(fā)射演化特征，并依據(jù)煤巖受載釋放的聲發(fā)射能量定義損傷變量，建立損傷演化模型，研究結(jié)果可為研究深埋煤巖體在開采活動(dòng)中沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害的誘發(fā)機(jī)理提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.1 試樣與試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)煤樣取自彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦，所在地層埋深約700 m，采用SCQ-1A 型巖石切割機(jī)和SHM-200 型磨石機(jī)將煤塊加工成φ50 mm×100 mm 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。通過NM-48 超聲波檢測(cè)分析儀對(duì)加工好的煤巖試樣進(jìn)行完整性和均質(zhì)性挑選，以減小試驗(yàn)誤差。

對(duì)煤巖試樣進(jìn)行沖擊傾向性評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定，煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。單項(xiàng)指標(biāo)判定煤巖的沖擊傾向性結(jié)果不一致，采用綜合評(píng)價(jià)法判斷4項(xiàng)沖擊傾向性指標(biāo)，判定該煤巖為沖擊傾向性煤巖。

表2 煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Evaluation index of coal rock impact tendency

試驗(yàn)采用DTAW-8000 型巖石高壓動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)和8 通道聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE）檢測(cè)分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。DTAW-8000 型巖石高壓動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)為：①靜載加載：位移加載速率0.001～7 mm/s，應(yīng)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(dòng)力加載：荷載幅值±200 kN，位移幅值±1 mm，動(dòng)載頻率10 Hz；③主機(jī)剛度：6 GN/m；④動(dòng)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(yīng)變控制。

聲發(fā)射分析系統(tǒng)主要由聲發(fā)射主機(jī)系統(tǒng)Mico-Ⅱ Express 數(shù)字化聲發(fā)射檢測(cè)儀、聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射前置放大器以及聲發(fā)射專用處理軟件組成。聲發(fā)射傳感器采樣頻率為150 kHz，布置時(shí)，采用真空硅膠脂做耦合劑涂抹在聲發(fā)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(fā)射傳感器固定在煤樣表面。

1.2 試驗(yàn)方案

采煤工作面區(qū)段平巷動(dòng)載主要由工作面掘進(jìn)施工、回采所致的礦山壓力及地質(zhì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。據(jù)礦區(qū)微震監(jiān)測(cè)資料顯示，煤巖所承受的動(dòng)載頻率范圍約3～5 Hz，且為正弦波，煤巖受到的動(dòng)載振幅約為0.38～4.35 MPa[23-24]。試驗(yàn)采用單一變量法，選取3、4、5、6 Hz 4 種動(dòng)載頻率與動(dòng)載振幅1.5 MPa 進(jìn)行300 個(gè)周期的正弦應(yīng)力波動(dòng)載試驗(yàn)，采用聲發(fā)射全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為分析沖擊傾向性煤巖聲發(fā)射特征提供參數(shù)依據(jù)。

試驗(yàn)分為3 個(gè)階段進(jìn)行：

1）預(yù)加載階段。對(duì)煤樣進(jìn)行預(yù)加載，使煤樣在試驗(yàn)前處于均勻受力狀態(tài)，加載方式采用位移控制方式進(jìn)行，加載速率為0.001 mm/s。

2）動(dòng)靜組合加載階段。以應(yīng)力控制方式加載至該煤樣單軸抗壓強(qiáng)度的40%并穩(wěn)定后，開始施加300 個(gè)周期的不同動(dòng)載頻率動(dòng)力擾動(dòng)加載。

3）加載直至破壞階段。動(dòng)力擾動(dòng)后采用準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)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(dòng)頻率下煤巖破裂特征

2.1 煤巖強(qiáng)度變化特征

煤巖試樣在動(dòng)載振幅為1.5 MPa，不同擾動(dòng)頻率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1。

圖1 不同動(dòng)載擾動(dòng)頻率下煤巖動(dòng)載試驗(yàn)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(dòng)頻率條件下失穩(wěn)破裂的峰值強(qiáng)度分別為20.18、19.43、16.99、12.44 MPa，極限應(yīng)變分別為0.88%、0.81%、0.61%、0.60%。隨擾動(dòng)頻率的增強(qiáng)，應(yīng)力、應(yīng)變均呈降幅現(xiàn)象，但相比于未施加動(dòng)載的煤巖，應(yīng)力峰值強(qiáng)度分別提高了51.39%、45.76%、27.46%、-6.68%。煤巖內(nèi)部弱結(jié)構(gòu)經(jīng)靜荷載和動(dòng)荷載共同作用被擠壓，從而更加密實(shí)，峰值強(qiáng)度遠(yuǎn)大于靜力加載時(shí)的破壞強(qiáng)度，但隨著擾動(dòng)頻率增大，煤巖內(nèi)部細(xì)小裂紋數(shù)量增多，峰值強(qiáng)度明顯下降，開始顯現(xiàn)強(qiáng)度劣化現(xiàn)象。

2.2 煤巖破壞裂紋擴(kuò)展

不同動(dòng)載頻率作用下煤巖的破壞特征如圖2。

圖2 動(dòng)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(nèi)部應(yīng)力逐漸向剪應(yīng)力過渡，材料內(nèi)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(dòng)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(fù)合破壞模式，動(dòng)載頻率繼續(xù)增大，主破裂角由82°～90°向53°～90°發(fā)展，總體呈先減小后增大的變化趨勢(shì)；隨著動(dòng)載擾動(dòng)頻率的增大，煤巖斷裂裂縫，逐漸沿煤巖受壓端部發(fā)育；5、6 Hz 頻率擾動(dòng)后煤巖表面裂縫寬度明顯增大，5 Hz 頻率擾動(dòng)后煤巖表面呈現(xiàn)橫向斷裂裂縫及多條豎向裂縫，而6 Hz 頻率擾動(dòng)后煤巖頂部被壓碎，受壓端呈現(xiàn)多條豎向裂縫，隨著裂紋擴(kuò)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(dòng)頻率下煤巖發(fā)射特性

聲發(fā)射表征參數(shù)能夠動(dòng)態(tài)描述煤巖內(nèi)部裂隙發(fā)育造成煤巖損傷過程[4]。3、4、5、6 Hz 4 種動(dòng)載頻率下沖擊傾向性煤巖的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)演化特征如圖3。

圖3 動(dòng)靜組合加載下煤樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)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(dòng)載擾動(dòng)頻率煤巖在承受荷載破壞過程的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)演化曲線大致可分為以下階段：

1）第1 階段：穩(wěn)定階段。加載初期，煤巖內(nèi)部原生微裂縫逐漸被壓密，但表面未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。此階段，由于煤巖內(nèi)部原生弱結(jié)構(gòu)的閉合、摩擦、滑移等現(xiàn)象，產(chǎn)生少量聲發(fā)射，但聲發(fā)射計(jì)數(shù)較低。這一階段，煤巖內(nèi)部沒有或產(chǎn)生較少的新生裂紋，故振鈴計(jì)數(shù)和振鈴累計(jì)數(shù)增長(zhǎng)緩慢。

2）第2 階段：突增階段。動(dòng)載擾動(dòng)階段，煤巖表面未出現(xiàn)明顯的裂紋，但根據(jù)聲發(fā)射活躍性迅速增強(qiáng)，振鈴計(jì)數(shù)明顯增多的現(xiàn)象，可知此時(shí)煤巖內(nèi)部已衍生出大量微裂紋。這一階段，在動(dòng)載擾動(dòng)下煤巖內(nèi)部新生裂隙發(fā)育迅速并急劇擴(kuò)展，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和振鈴累計(jì)數(shù)呈現(xiàn)突增現(xiàn)象。

3）第3 階段：緩慢增長(zhǎng)直至破壞階段。動(dòng)載擾動(dòng)后期，煤巖的損傷程度逐漸延緩，聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)增長(zhǎng)率呈先降低后增加的趨勢(shì)，直至試樣破壞。這一階段，應(yīng)力持續(xù)加載，煤巖內(nèi)部微裂紋逐漸匯聚形成宏觀裂紋，臨近應(yīng)力峰值處，煤巖內(nèi)部宏觀裂紋已蔓延至煤巖表面形成貫通裂紋，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)也達(dá)到最大值，煤巖失穩(wěn)破壞后，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)逐漸減少，振鈴累計(jì)數(shù)達(dá)到最大值。

由圖3 可知：聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在動(dòng)載擾動(dòng)期間高幅高值響應(yīng)，不同動(dòng)載擾動(dòng)頻率煤巖振鈴計(jì)數(shù)及振鈴累計(jì)數(shù)演化特征也存在較大差別，動(dòng)載擾動(dòng)頻率不同，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)幅度不同，且動(dòng)載頻率越大聲發(fā)射計(jì)數(shù)越高；煤巖在失穩(wěn)破壞前，聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)也存在差異，具體表現(xiàn)在緩慢增長(zhǎng)直至破壞階段；煤巖經(jīng)過3、4 Hz 動(dòng)載擾動(dòng)后，振鈴累計(jì)數(shù)出現(xiàn)一段較平緩趨勢(shì)后再呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，而5、6 Hz 擾動(dòng)后，振鈴累計(jì)數(shù)增長(zhǎng)率較3、4 Hz 大，這也表明不同頻率動(dòng)載擾動(dòng)條件下煤巖的裂紋發(fā)育程度不同，故在裂隙非穩(wěn)定發(fā)展階段，動(dòng)載擾動(dòng)頻率越高煤巖裂紋發(fā)育越迅速。

4 沖擊傾向性煤損傷模型

煤巖在荷載作用下，內(nèi)部裂紋的形成、拓展，都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射能量，將損傷變量根據(jù)能量指標(biāo)可定義為：某一時(shí)刻的聲發(fā)射能量與整個(gè)受壓破壞過程中聲發(fā)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(shí)刻煤巖斷面損傷面積約等于內(nèi)部所有微缺陷的面積時(shí)的聲發(fā)射累計(jì)能量；W0為整個(gè)受壓破壞過程中聲發(fā)射釋放的總能量。

依據(jù)沖擊傾向性煤巖受載釋放的聲發(fā)射能量，由上式分別計(jì)算出3、4、5 、6 Hz 在不同時(shí)刻下的損傷試驗(yàn)值及損傷模型擬合結(jié)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(gè)階段：①累計(jì)階段：此階段應(yīng)力加載較低時(shí)，不足以產(chǎn)生新裂紋，故煤巖損傷變量處于相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)；②驟增階段：此階段施加不同頻率的動(dòng)載擾動(dòng)，煤巖內(nèi)部新生裂紋急劇擴(kuò)展，故煤巖損傷變量呈驟增趨勢(shì)；③緩增-急速增長(zhǎng)階段：此階段動(dòng)載擾動(dòng)結(jié)束，應(yīng)力持續(xù)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(yīng)力峰值，煤巖損傷變量的增長(zhǎng)速率逐漸增大。

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

對(duì)不同頻率擾動(dòng)下的煤巖試樣的試驗(yàn)損傷值進(jìn)行擬合，得到不同動(dòng)載擾動(dòng)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(shí)間；A1、A2、t0、dt均為擬合參數(shù)。

不同動(dòng)載擾動(dòng)頻率的沖擊傾向性煤巖的擬合參數(shù)A1、A2、t0、dx值見表3。

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

5 結(jié) 語

1）煤巖經(jīng)靜荷載和動(dòng)荷載共同作用后的應(yīng)力峰值強(qiáng)度高于靜力加載時(shí)的破壞強(qiáng)度，但擾動(dòng)頻率增大峰值強(qiáng)度逐漸下降，出現(xiàn)強(qiáng)度劣化現(xiàn)象。

2）依據(jù)煤巖損傷演化模型可將煤巖的損傷變化趨勢(shì)分為累計(jì)階段、突增階段及緩慢增長(zhǎng)直至破壞階段。動(dòng)載擾動(dòng)結(jié)束后煤巖內(nèi)部裂隙迅速發(fā)育，進(jìn)入煤巖損傷的第3 階段，動(dòng)載擾動(dòng)頻率對(duì)煤巖損傷緩慢增長(zhǎng)直至破壞階段影響較大，是加速煤巖失穩(wěn)破壞的主要因素。

3）以動(dòng)載擾動(dòng)頻率為變量，建立沖擊傾向性煤巖損傷演化模型，實(shí)現(xiàn)了以聲發(fā)射特性參數(shù)對(duì)沖擊傾向性煤巖損傷的定量分析，且模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符度較高。