三軸循環(huán)加卸載下單結(jié)構(gòu)面煤巖長度效應(yīng)試驗(yàn)研究

劉　超，馬天輝，成小雨

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.大連理工大學(xué) 巖石破裂與失穩(wěn)研究所，遼寧 大連 116024；3.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

三軸循環(huán)加卸載下單結(jié)構(gòu)面煤巖長度效應(yīng)試驗(yàn)研究

劉超1，3，馬天輝2，成小雨1

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.大連理工大學(xué) 巖石破裂與失穩(wěn)研究所，遼寧 大連 116024；3.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

[摘要]針對裂隙煤巖體的結(jié)構(gòu)面效應(yīng)，通過在煤巖試樣表面預(yù)制特定角度和深度、不同長度的單結(jié)構(gòu)面，以三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)為手段，利用CRIMS-DDL600電子萬能試驗(yàn)機(jī)和SAEU2S多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，研究了單結(jié)構(gòu)面煤巖體的強(qiáng)度、變形特性、破壞形式和聲發(fā)射特征受結(jié)構(gòu)面長度變化的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增多，試樣的不可逆變形呈非線性增大的趨勢；結(jié)構(gòu)面角度一定，試樣的抗壓強(qiáng)度隨著結(jié)構(gòu)面長度的增大而減??；結(jié)構(gòu)面長度越大，結(jié)構(gòu)面效應(yīng)對試樣自身的材料破壞影響越明顯，具體體現(xiàn)為試樣沿結(jié)構(gòu)面的滑移破壞和穿切結(jié)構(gòu)面的破壞；隨著循環(huán)加卸載的進(jìn)行，聲發(fā)射信息經(jīng)歷了加載初的少量隨機(jī)期、加卸載時的規(guī)律波動期、破壞前的密集活躍期、主破壞發(fā)生后的峰值和峰后衰減期，聲發(fā)射信息可以較好地反映試樣的破壞過程，破壞前的聲發(fā)射密集活躍期可以作為判定試樣破壞的前兆。

[關(guān)鍵詞]三軸試驗(yàn)；循環(huán)加卸載；裂隙煤巖體；結(jié)構(gòu)面效應(yīng)；破壞形式

在地下礦山工程中，含結(jié)構(gòu)面巖體是一類廣泛存在的復(fù)雜工程介質(zhì)，受礦山開采活動的影響，含結(jié)構(gòu)面巖體處于不斷變化的三向或二向應(yīng)力環(huán)境中，在動壓的作用下，巖體易發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而引發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等動力災(zāi)害[1-5]。結(jié)構(gòu)面對巖體的物理力學(xué)性質(zhì)有重要影響，含結(jié)構(gòu)面巖體的強(qiáng)度一般會受到巖體自身強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度或其組合方式的控制。如果巖體的主破壞是沿結(jié)構(gòu)面的剪切滑移，則巖體的強(qiáng)度完全受結(jié)構(gòu)面的控制，巖體發(fā)生了結(jié)構(gòu)面效應(yīng)引起的破壞；如巖體沿表面發(fā)生破壞，則巖體的強(qiáng)度受自身強(qiáng)度的控制[6-8]；巖體的破壞也可能出現(xiàn)受結(jié)構(gòu)面和巖體自身性質(zhì)共同作用的情況[9-13]。因此，研究含結(jié)構(gòu)面巖體在三向應(yīng)力環(huán)境中，循環(huán)加卸載狀態(tài)下的強(qiáng)度、變形特性及破壞特征，對進(jìn)一步了解礦山動力災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理及災(zāi)害防治具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對三軸條件下巖體破壞的結(jié)構(gòu)面效應(yīng)進(jìn)行了研究，取得了豐富的研究成果，其中典型的有：NASSERI M.H.等[14-15]發(fā)現(xiàn)巖樣的破壞形式可分為3種，結(jié)構(gòu)面傾角和圍壓是影響試樣破壞形式的主要因素；韓建新等[16]認(rèn)為巖體的破壞形式主要是由巖體的最小主應(yīng)力、內(nèi)摩擦角、黏聚力和裂隙的內(nèi)摩擦角、黏聚力、傾角共同決定的；Li J L等[17]通過對節(jié)理巖體進(jìn)行加卸載試驗(yàn)，得出卸荷試驗(yàn)對節(jié)理巖體強(qiáng)度的影響比加載試驗(yàn)更大；李宏哲等[18]通過對含貫通節(jié)理的大理巖試樣三軸試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，試樣主要有穿切節(jié)理面破壞和沿節(jié)理面滑移2種破壞形式，而試樣的破壞形式則取決于節(jié)理面與最大主應(yīng)力夾角的大小。

雖然上述研究成果在一定程度上解釋了巖體的結(jié)構(gòu)面效應(yīng)，但多數(shù)研究并沒有考慮結(jié)構(gòu)面的長度對巖體強(qiáng)度、變形特性及破壞特征的影響。本文以澄合礦業(yè)集團(tuán)董家河煤礦工作面煤巖為試驗(yàn)對象，通過在試樣表面預(yù)制特定傾角、不同長度的單結(jié)構(gòu)面，從巖體的結(jié)構(gòu)面長度效應(yīng)入手，以三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)為手段，研究單結(jié)構(gòu)面煤巖體的強(qiáng)度、變形特性、破壞形式及聲發(fā)射特征。

1試樣特征及試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)試樣均取自澄合礦業(yè)集團(tuán)董家河煤礦，從工作面煤壁及煤層直接頂選取比較完整的大煤塊、巖塊及矸石塊，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沿垂直層理方向，采用密集布孔方式鉆取，加工成直徑為50mm，高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形煤、巖、矸石三類試樣，試樣加工精度按照《巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)執(zhí)行。在試樣側(cè)表面預(yù)制單結(jié)構(gòu)面，本試驗(yàn)僅考慮結(jié)構(gòu)面長度的影響，預(yù)制結(jié)構(gòu)面角度均為30°，結(jié)構(gòu)面深度均為2mm，結(jié)構(gòu)面長度分為30mm，40mm和50mm三級。部分加工完成的試樣如圖1所示，試樣規(guī)格及分組如表1所示。

圖1　部分加工完成的試樣

試驗(yàn)在西安科技大學(xué)礦山工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心CRIMS-DDL600電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)圍壓設(shè)定為7.0MPa，采用軸向位移控制的方式加卸載，加載速度0.001mm/s。試驗(yàn)時，首先增加圍壓至7.0MPa，并使圍壓在試驗(yàn)過程中保持恒定；然后進(jìn)行軸向位移加載，加載至試樣抗壓強(qiáng)度的50%后，再卸載至試樣抗壓強(qiáng)度的10%，之后每次循環(huán)加載量增加10%，卸載量保持不變，直至試樣破壞。試驗(yàn)同時利用SAEU2S多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)采集信號，實(shí)時監(jiān)測聲發(fā)射信息，采樣頻率為1.5MHz，門檻值設(shè)定為45dB。

表1　試樣規(guī)格及分組

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1強(qiáng)度和變形特性

各試樣在循環(huán)加卸載條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出振蕩特征，加載時試樣產(chǎn)生壓縮變形，應(yīng)力和應(yīng)變不斷增大，卸載時試樣產(chǎn)生回彈變形，應(yīng)力和應(yīng)變不斷減小。試樣在循環(huán)加卸載條件下，表現(xiàn)出了明顯的記憶性，循環(huán)加卸載曲線的外包絡(luò)線幾乎與單調(diào)加載的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線相吻合。加載和卸載曲線路徑不重合，形成封閉的回線-加卸載彈性滯后環(huán)，在加卸載的過程中，應(yīng)力和應(yīng)變并不存在一一對應(yīng)關(guān)系，這表明試樣的線性變形并不意味著彈性變形。試樣屈服破壞后仍具有一定的承載能力，這時主要依靠試樣內(nèi)部裂隙間的摩擦滑移來承載，表明在壓應(yīng)力作用下的閉合裂隙，不僅能承載正應(yīng)力，而且也可以通過摩擦承載剪應(yīng)力。隨著循環(huán)加載應(yīng)力水平及循環(huán)次數(shù)的增加，加載量逐漸接近試樣的抗壓強(qiáng)度，每一級加卸載將對試樣造成新的累積損傷，導(dǎo)致循環(huán)加載時應(yīng)力增加變緩，應(yīng)變量增大，試樣彈性恢復(fù)應(yīng)變能力減弱，宏觀上表現(xiàn)為循環(huán)加卸載曲線不斷向前推移，且每次循環(huán)曲線的斜率逐漸減小，曲線逐漸變稀疏，也意味著不可逆變形隨著加卸載次數(shù)的增多而不斷增大，并且呈非線性增大的趨勢，如圖2所示。

如圖3所示，對比試樣在結(jié)構(gòu)面角度一定(30°)、深度一定(2mm)、長度不同條件下的抗壓強(qiáng)度可知，隨著結(jié)構(gòu)面長度的增大，試樣抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。說明試樣的抗壓強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面長度關(guān)系密切，結(jié)構(gòu)面長度是試樣損傷的反映，隨著結(jié)構(gòu)面長度的增加，試樣的強(qiáng)度降低。

圖2　不同試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3　抗壓強(qiáng)度-結(jié)構(gòu)面長度關(guān)系

2.2破壞形式

在結(jié)構(gòu)面角度一定(30°)，長度為30mm的條件下，預(yù)制結(jié)構(gòu)面對巖樣和矸石破壞形式的影響并不明顯，主要體現(xiàn)為試樣自身的材料破壞(沿試樣表面發(fā)生剪切破壞)；而此時預(yù)制結(jié)構(gòu)面對煤樣的破壞形式產(chǎn)生了一定程度的影響，主要體現(xiàn)在形成了穿透結(jié)構(gòu)面兩端邊緣的縱向裂縫，這是由于煤體中的原生裂隙較巖體和矸石相對密集，且煤體強(qiáng)度較低，在外壓的作用下，原生裂隙之間和裂隙與結(jié)構(gòu)面之間易發(fā)生相互貫通，形成次生薄弱結(jié)構(gòu)面，從而發(fā)生了復(fù)合破壞(結(jié)構(gòu)面破壞與試樣自身材料破壞相結(jié)合)。

在結(jié)構(gòu)面長度為50mm的條件下，結(jié)構(gòu)面效應(yīng)引起的破壞起到主導(dǎo)作用，主要體現(xiàn)在試樣沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生了剪切滑移，且出現(xiàn)多條穿透結(jié)構(gòu)面的縱向裂縫，這是由于試樣在軸向壓力的作用下，在結(jié)構(gòu)面邊緣處易形成縱向的剪切和張拉應(yīng)力集中而發(fā)生破壞。部分試樣的破壞形式如圖4所示。

圖4　部分試樣破壞形式

由以上分析可知，結(jié)構(gòu)面長度對試樣的破壞形式有著較大影響，在結(jié)構(gòu)面角度一定的條件下，結(jié)構(gòu)面長度越大，對試樣自身的材料破壞影響越明顯，具體體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面效應(yīng)引起的沿結(jié)構(gòu)面滑移和穿切結(jié)構(gòu)面的破壞。

2.3聲發(fā)射特征

三類試樣的聲發(fā)射特征基本相似，主要分為4個階段：加載初期、加卸載波動期、破壞前密集期和破壞后階段。在加載初期的壓密階段，產(chǎn)生少量聲發(fā)射信息，偶爾出現(xiàn)較大聲發(fā)射信息，且具有很大隨機(jī)性和波動性，聲發(fā)射能量較小，可以理解為試樣在較低應(yīng)力作用下，試樣內(nèi)部原始裂紋發(fā)生閉合及閉合后粗糙面發(fā)生摩擦滑移破壞而產(chǎn)生聲發(fā)射信息；在加卸載波動期，聲發(fā)射信息呈現(xiàn)出一定的波動性，且相比加載初期能量和計數(shù)較大，這是由于在每次加卸載循環(huán)過程中，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了疲勞損傷，且隨著加卸載循環(huán)的推進(jìn)，損傷不斷累積，聲發(fā)射能量和計數(shù)呈非線性增長趨勢；在破壞前密集期，試樣進(jìn)入了屈服階段，此時聲發(fā)射活動異?；钴S，體現(xiàn)出高能量和高頻率特征，直至主破壞發(fā)生后，聲發(fā)射能量瞬間達(dá)到峰值，在應(yīng)力跌落過程中，聲發(fā)射計數(shù)和能量仍然較高，聲發(fā)射信息隨應(yīng)力降低而逐漸減少。部分試樣聲發(fā)射特征見圖5。

圖5　部分試樣聲發(fā)射特征

從上述分析可以看出，聲發(fā)射信息可以較好地反映試樣的破壞過程，破壞前的聲發(fā)射密集期可以作為判定試樣破壞的前兆。

3結(jié)論

(1)各試樣在循環(huán)加卸載條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出振蕩特征，且循環(huán)加卸載曲線的外包絡(luò)線幾乎與單調(diào)加載的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線相吻合；試樣加載和卸載曲線路徑不重合，形成了封閉的回線-加卸載彈性滯后環(huán)；試樣的不可逆變形隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增多而不斷增大，并且呈非線性增大的趨勢；試樣屈服破壞后仍然具有一定的承載能力。

(2)試樣的抗壓強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面長度關(guān)系密切，結(jié)構(gòu)面長度的大小是試樣損傷的反映，結(jié)構(gòu)面角度一定時，隨著結(jié)構(gòu)面長度的增大，試樣抗壓強(qiáng)度大體呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。

(3)結(jié)構(gòu)面長度對試樣的破壞形式有較大影響，在結(jié)構(gòu)面角度一定的條件下，結(jié)構(gòu)面長度越大，對試樣自身的材料破壞影響越明顯，具體體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面效應(yīng)引起的沿結(jié)構(gòu)面滑移和穿切結(jié)構(gòu)面的破壞。

(4)各試樣的聲發(fā)射特征基本相似，隨著加卸載的進(jìn)行，聲發(fā)射信息經(jīng)歷了加載初的少量隨機(jī)期、加卸載時的規(guī)律波動期、破壞前的密集活躍期、主破壞發(fā)生后的峰值和峰后衰減期。聲發(fā)射信息可以較好地反映試樣的破壞過程，破壞前的聲發(fā)射密集活躍期可以作為判定試樣破壞的前兆。

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[責(zé)任編輯：李宏艷]

Experimental Studying on Coal Petrography Length Effect of Single Structural Plane under Triaxial Cyclic Loading and Unloading

LIU Chao1，3，MA Tian-hui2，Cheng Xiao-yu1

(1.Energy Resource School，Xi’an University of Science & Technology，Xi’an 710054，China；2.Instability & Seismicity Research Institute，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；3.Education Ministry’s Key Laboratory of Western Mine Exploration & Disaster Prevention，Xi’an 710054，China)

Abstract：To structural plane effect of fractured coal petrography， single structural plane that include some characters as special angle，depth and different length was prefabricated on the surface of coal petrography sample，on the basis of triaxial cyclic loading and unloading experiment，the following characters such as single structural plane strength，deformation characters，broken type and acoustic emission characters that influenced by different structural plane length were studied by omnipotent testing machine(CRIMS-DDL600)and multi-channel acoustic emission detection system(SAEU2S).The results showed that irreversible deformation of sample was nonlinear trend with cyclic loading and unloading times increased，compression strength of sample decreased with structural plane length increase as structural plane angle unchanged，broken influence of sample material was obviously with structural plane length increase，which included slipping failure along structural plane and cutting failure，with cyclic loading and unloading，acoustic emission include the following periods：same amount and random period at initial loading，regular fluctuation period at loading，densely active period before damage，peak value and attenuation period after main damage，the damage process could be illustrated by acoustic emission information，the sample damage characters could be evaluated by acoustic emission actively period before damage.

Key words：triaxial experiment；cyclic loading and unloading；fractured coal petrography；structural plane effect；damage form

[收稿日期]2015-11-24[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.005

[基金項(xiàng)目]國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項(xiàng)目(2014CB047100)；國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51304154)

[作者簡介]劉超(1981-)，男，河南息縣人，副教授，主要從事煤巖體破裂失穩(wěn)機(jī)理與監(jiān)測預(yù)警方面的工作。

[中圖分類號]TD989；TU45

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0020-04

[引用格式]劉超，馬天輝，成小雨.三軸循環(huán)加卸載下單結(jié)構(gòu)面煤巖長度效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].煤礦開采，2016，21(3)：20-23，35.