煤體恒定加載蠕變損傷實驗的研究

肖福坤， 馬紅濤， 劉 剛

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，哈爾濱150022)

0 引 言

流變特性是巖石的重要特性之一，已有的研究成果表明，許多巖石都存在流變特性。礦山井下的煤巖在長期靜載作用下，其變形也會隨著時間的增長而加大，表現(xiàn)出流變特性，發(fā)生蠕變破壞，嚴重影響煤礦的安全生產(chǎn)。

許多學(xué)者研究了不同加載方式下巖石蠕變狀況［1－3］，不同巖石的蠕變狀況［4－6］和巖石自身某些因素［7－9］對其蠕變的影響。煤是一種具有特殊性質(zhì)的巖石，在其內(nèi)部存在大量的孔隙、節(jié)理和微裂隙。在對煤體進行加載過程中，煤體內(nèi)部的孔隙被壓密，原有微裂紋受壓閉合。新裂紋的產(chǎn)生及擴展都會產(chǎn)生聲發(fā)射信號［10］，因此，可以利用聲發(fā)射設(shè)備監(jiān)測荷載作用下煤體內(nèi)部變化情況。

目前，對煤體蠕變研究多采用型煤，少有考慮煤體內(nèi)部含有大量孔隙、節(jié)理及微裂隙的特殊性，與現(xiàn)場實際存在差距。有些文獻的研究［11－16］，主要是單軸壓縮破壞分析和分級加載蠕變破壞分析，與現(xiàn)場實際也有一定差距，缺少對原煤恒定加載的分析。

筆者利用原煤試樣，充分考慮其內(nèi)部存在大量的孔隙、節(jié)理和微裂隙，以及長期承受靜載作用的實際情況，進行煤體恒定加載蠕變損傷研究。通過分析煤體變形情況和聲發(fā)射信息，研究煤體蠕變過程中變形情況以及新微裂隙的生成、擴展情況，探究煤體蠕變過程中內(nèi)部的損傷演化狀況。

1 實驗裝置及方案

1.1 實驗裝置

實驗設(shè)備為TYJ－500KN 電液伺服巖石流變實驗系統(tǒng)和SH －II 型聲發(fā)射系統(tǒng)。TYJ-500KN 電液伺服巖石流變實驗系統(tǒng)可以施加的最大軸向載荷為500 kN，根據(jù)實驗需要可采用荷載、位移、軸向應(yīng)變等多種加載控制方式。為了準確記錄煤樣軸向、徑向變形情況，實驗時添加了引伸計裝置。因此，可以記錄煤樣在實驗過程中煤樣受力－ 時間曲線、應(yīng)力－應(yīng)變曲線、軸向變形－ 時間曲線和徑向變形－時間曲線。SH －II 型聲發(fā)射系統(tǒng)可以采集煤樣在實驗過程中能量、幅值、撞擊等數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗需要，對聲發(fā)射設(shè)備進行采集設(shè)置，只采集所需數(shù)據(jù)。利用聲發(fā)射設(shè)備重放功能，觀察煤體在不同時間段的聲發(fā)射信息狀況，有利于對煤體破壞過程進行分析。

1.2 實驗方案

煤樣選用工作面剛采下無風(fēng)化的、表面無大裂紋、體積較大的煤塊，用保鮮膜在井下進行包裝，升井后立刻進行蠟封，然后運回實驗室，切割成50 mm ×50 mm×100 mm 的試件。

為了確保實驗的準確性，選取16 個試樣分別進行實驗。實驗之前對每個煤體的六個面進行拍照，記錄其主要裂隙情況。將聲發(fā)射探頭置于試樣四個截面上，三個在試樣中部，一個靠近試樣下部。為了使聲發(fā)射設(shè)備在采集信息過程中不受外界環(huán)境的影響，對聲發(fā)射系統(tǒng)門檻值進行多次調(diào)整，最后設(shè)定為40 dB。按照四個探頭在煤體的具體位置，在聲發(fā)射設(shè)備定位中輸入四個探頭的坐標值。為了得到荷載對煤體變形的影響，在壓縮實驗時采用荷載控制加載方式，加載速率為0.2 kN/s，最終荷載設(shè)定為15 kN。同時，開始監(jiān)測煤體的軸向變形、徑向變形和應(yīng)變隨時間的變化情況，以及能量、幅值、撞擊和聲發(fā)射事件產(chǎn)生等聲發(fā)射信息隨時間的變化情況。

1.3 實驗數(shù)據(jù)選取

在16 個實驗中，每個煤體的蠕變特性實驗曲線和聲發(fā)射信息變化趨勢大致相同，選取表面具有明顯裂隙并且聲發(fā)射信息明顯的試樣作為分析對象，在其表面標出主要裂隙，如圖1 所示。

圖1 煤體表面照片F(xiàn)ig．1 Coal surface photos

由圖1 可知，煤樣表面含有大小不同的裂隙。煤體屬于非均勻性物質(zhì)，本身內(nèi)部含有大量微裂隙和節(jié)理。相對于大的比較明顯的裂隙而言，微裂隙可以看作煤體自身的強度材料，忽略它的影響，只考慮大裂隙對煤體強度的影響。在圖1 中已用線圈和數(shù)字標出了煤體大裂隙。從圖1 可見，煤體有八條大裂隙，這些裂隙大多分布在所在面的中間部位，而且均沿垂直方向生成。

2 實驗數(shù)據(jù)

2.1 煤體蠕變特性數(shù)據(jù)

根據(jù)實驗結(jié)果，得出煤體在0～2．653 4 ×105s時間段的蠕變特性曲線。

由圖2a 可見，在0～75 s 時間段荷載勻速增加，75 s 時達到15 kN，進入恒定荷載階段，如圖2b 所示。

圖2 荷載－時間曲線Fig．2 Load-time curve

由圖3a 和圖4a 可見，在達到恒定荷載之前，即0～75 s 階段，煤樣縱向變形sz和橫向變形sh均逐漸增大。隨著荷載的逐漸增加，縱向變形速率和橫向變形速率均逐漸減少。由圖3b 和圖4b 可知，75 s以后，荷載達到15 kN，即進入恒定荷載階段，煤樣縱向變形和橫向變形均以恒定速率緩慢增長。

由圖5a 可見，隨著荷載的逐漸增加，煤樣縱向應(yīng)變的增加速率逐漸變小，75 s 以后，即進入恒定荷載階段后，煤樣縱向應(yīng)變開始以較小速率穩(wěn)定增加。同時，由圖5b 可見，隨著荷載的逐漸增加，煤樣橫向應(yīng)變以穩(wěn)定速率逐漸增加，75 s 以后，即進入恒定荷載階段后，煤樣橫向應(yīng)變以較小速率穩(wěn)定增加。

圖3 縱向變形－時間曲線Fig．3 Longitudinal deformation-time curve

圖4 橫向變形－時間曲線Fig．4 Lateral deformation-time curve

圖5 應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig．5 Stress-strain curve

2.2 煤體蠕變過程中聲發(fā)射數(shù)據(jù)

在煤體蠕變聲發(fā)射實驗中，主要采集了能量E、幅值和撞擊隨加載時間的變化情況。

由圖6a～8a 可見，在開始實驗時，能量E、幅值E 和撞擊次數(shù)n 均隨著時間的增加逐漸增加，在75 s左右時達到峰值后均開始減少，穩(wěn)定在一定數(shù)值后保持不變。由圖6b～8b 可見，進入恒定荷載階段以后，隨著時間的增加，能量、幅值和撞擊均大致保持在恒定值。

圖6 能量－時間變化Fig．6 Energy-time change

圖7 幅值－時間變化Fig．7 Amplitude-time change

圖8 撞擊曲線Fig．8 Impact curve

由圖9 可見，隨著開始實驗時荷載的逐漸增加以及進入恒定荷載階段后隨著時間的增加，煤樣內(nèi)部的大量孔隙、節(jié)理和微裂隙被壓密和擴展，以及表面裂隙端部產(chǎn)生新裂隙，導(dǎo)致煤樣內(nèi)部受壓發(fā)生破壞，致使煤樣內(nèi)部產(chǎn)生聲發(fā)射事件。隨著穩(wěn)定荷載作用時間的增加，煤樣內(nèi)部聲發(fā)射產(chǎn)生數(shù)量也在增加，而且不同時間階段聲發(fā)射事件產(chǎn)生數(shù)量和產(chǎn)生位置均有所不同。

圖9 不同時間段聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)Fig．9 Number of AE events generation at different time periods

3 煤體穩(wěn)定蠕變破壞分析

結(jié)合煤體蠕變過程中蠕變特性實驗和聲發(fā)射特性實驗所得數(shù)據(jù)可知，煤體變形情況和內(nèi)部破壞情況可以大概分為三個階段，0～75 s 內(nèi)煤體變形曲線和聲發(fā)射信息強度上升階段、75～150 s 內(nèi)煤體變形曲線和聲發(fā)射信息強度下降階段、150～2．653 4 ×105s 內(nèi)煤樣變形曲線和聲發(fā)射信息強度穩(wěn)定階段。

3.1 上升階段

由荷載－ 時間曲線(圖2a)、能量－ 時間(圖6a)、幅值－時間(圖7a)和撞擊曲線(圖8a)可知，隨著荷載的勻速增大，聲發(fā)射能量、振幅和撞擊均呈現(xiàn)出增強的趨勢。煤體內(nèi)部含有大量節(jié)理、孔隙、微裂隙，而且在煤體表面有大裂隙。當煤體受到荷載作用時，煤體內(nèi)部的孔隙、微裂隙會逐漸被壓密，大裂隙端部在荷載達到一定時發(fā)生擴展。由于煤體承受荷載的逐漸增大，煤體內(nèi)部的孔隙被進一步壓密，原有的微裂隙產(chǎn)生擴展，大裂隙端部產(chǎn)生新的微裂隙，導(dǎo)致煤體內(nèi)部破壞程度增大，所以聲發(fā)射設(shè)備測得的能量、振幅和撞擊均呈現(xiàn)出增強的趨勢。在75 s時，荷載達到最大值15 kN，此時煤體內(nèi)部破壞程度也達到最大，聲發(fā)射能量、振幅和撞擊均應(yīng)達到最大值。由聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)(圖9a)可知，在此階段，煤樣中部有少量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，大約20 個，靠近煤體上下兩端也有幾個聲發(fā)射事件產(chǎn)生，而且產(chǎn)生速率呈逐漸增大趨勢。由此可知，此時煤體破壞主要集中在中部，上下兩端破壞較小，而且破壞在加速進行。由煤體照片(圖2)可知，煤體前面和后面的中間均有大裂隙，而且向煤體中部延伸。可以認為，在軸壓作用下，裂隙端部會首先發(fā)生破壞，產(chǎn)生小裂隙，此煤體前后面裂隙的端部在煤體中部。通過聲發(fā)射事件產(chǎn)生位置可以推斷裂隙在煤體內(nèi)部的分布情況。

3.2 下降階段

煤體在75～150 s 階段，荷載恒定為15 kN。由荷載－時間曲線(圖2a)、能量－時間(圖6a)、幅值－時間(圖7a)和撞擊曲線(圖8a)可知，聲發(fā)射能量、振幅和撞擊均開始下降，直至降到穩(wěn)定狀態(tài)，而且聲發(fā)射事件產(chǎn)生速率也降低，大約產(chǎn)生15 個。在此階段，荷載恒定不變，煤體內(nèi)部相鄰孔隙擴展貫通速率、微裂隙產(chǎn)生速率和大裂隙破壞速率均降低，隨著時間的增長逐漸達到穩(wěn)定的破壞速率，即將進入穩(wěn)定蠕變階段。在此階段，縱向變形速率逐漸降低直至穩(wěn)定速率，聲發(fā)射事件產(chǎn)生速率降低。大多聲發(fā)射事件產(chǎn)生位置仍然集中在煤體中部，產(chǎn)生沿縱向方向。在靠近煤樣上下兩端位置產(chǎn)生新聲發(fā)射事件，與上階段聲發(fā)射事件產(chǎn)生位置比較接近。煤樣中間和上下端聲發(fā)射事件均沿著縱向方向產(chǎn)生。由此可知，當軸力穩(wěn)定時，煤體裂隙端部生成的微裂隙繼續(xù)擴展，擴展方向與其受力方向一致，新裂隙生成速度逐漸降低直至穩(wěn)定速度。

3.3 穩(wěn)定階段

由縱向變形－時間曲線(圖3)，橫向變形－時間曲線(圖4)，能量－時間(圖6)，幅值－時間(圖7)，撞擊曲線(圖8)可知，150 s 以后，煤體縱向變形速率、橫向變形速率、能量、幅值和撞擊均比較穩(wěn)定，煤體進入穩(wěn)定蠕變階段。進入穩(wěn)定階段后，聲發(fā)射事件產(chǎn)生速度明顯降低。通過重放聲發(fā)射采集過程，由聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)(圖9c)可知，在1．296 ×105s 時，聲發(fā)射總數(shù)達到60 個左右，由此在150～1．296×105s階段，聲發(fā)射事件大約產(chǎn)生25 個。由聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)(圖9d)可知，在2．653 4 ×105s時聲發(fā)射總數(shù)達到約85 個，由此，在1．296 ×105～2．653 4 ×105s 階段，聲發(fā)射事件大約產(chǎn)生25 個?？梢酝茢啵诜€(wěn)定蠕變階段，煤體聲發(fā)射事件產(chǎn)生的速率大約是一個穩(wěn)定值。由縱向變形－時間曲線(圖3b)、橫向變形－時間曲線(圖4b)、應(yīng)力－應(yīng)變曲線(圖5)和撞擊曲線(圖8b)可知，煤體縱向變形、橫向變形、應(yīng)變和撞擊均呈穩(wěn)定速率增長。此階段煤體內(nèi)部損傷隨時間穩(wěn)定進行，煤體內(nèi)部微裂隙穩(wěn)定擴展。由不同時間段聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)(圖9)可知，在蠕變穩(wěn)定階段，聲發(fā)射事件主要產(chǎn)生在煤體中部，且沿縱向方向增加。由此可知，煤體破壞發(fā)生在裂隙的端部，且沿著受力方向向煤體中間方向擴展。

4 結(jié) 論

(1)在煤體蠕變過程中，聲發(fā)射活動隨加載時間的變化表現(xiàn)出不同的特征。在達到設(shè)定的恒定荷載15 kN 之前，由于內(nèi)部含有大量節(jié)理、孔隙和微裂隙的的煤體被壓密，聲發(fā)射幅值、撞擊和能量均呈增長趨勢，聲發(fā)射事件生成速率也呈增加趨勢。達到15 kN 以后，聲發(fā)射事件產(chǎn)生速率逐漸降低，最后達到穩(wěn)定速率，進入穩(wěn)定蠕變狀態(tài)。

(2)聲發(fā)射事件先在煤體內(nèi)部中間部分產(chǎn)生，隨著加載時間的增長，聲發(fā)射事件沿著縱向增加，主要集中在煤體內(nèi)部中間部位?？梢哉J為煤體表面大裂隙的端部在煤體中間部位。通過聲發(fā)射事件產(chǎn)生位置得出煤體表面裂隙在煤體內(nèi)部分布情況，以及蠕變過程中裂隙擴展方向和擴展速率。

(3)聲發(fā)射事件產(chǎn)生的位置、速率，可以直觀地反映煤體表面裂隙在煤體內(nèi)部發(fā)育狀況，以及蠕變過程中煤體內(nèi)部裂隙的擴展置位及方向。該研究對預(yù)測煤體蠕變破壞位置意義重大。

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