循環(huán)載荷下煤裂隙演化試驗(yàn)研究*

郭軍杰,程曉陽

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.河南理工大學(xué) 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0　引言

由于煤體在工程活動(dòng)中常受到循環(huán)載荷作用，會(huì)產(chǎn)生裂隙演化導(dǎo)致失穩(wěn)，造成大量安全事故。因此,研究循環(huán)載荷下煤體的裂隙演化具有重要意義。

在循環(huán)載荷下的煤巖體力學(xué)特性方面，部分學(xué)者研究了頁巖[1]、鹽巖[2]、凍結(jié)黃土[3]和型煤[4]等材料的力學(xué)特性，劉杰等[5-6]對變形參量進(jìn)行分析。在聲發(fā)射參數(shù)特征方面,AMMAR等[7]、SHAHIDAN等[8]分析鋼筋混凝土梁裂紋擴(kuò)展過程;劉亞運(yùn)等[9]研究花崗巖的能量演化過程;王明旭等[10-12]研究巖石的損傷特性的影響因素;蘇承東等[13-17]從不同角度對聲發(fā)射參數(shù)特征進(jìn)行研究;李東印等[18]研究了大尺寸煤樣聲發(fā)射參數(shù)特征。上述研究的對象沒有涉及原煤，且試驗(yàn)方法單一，未能結(jié)合2種試驗(yàn)對煤體裂隙演化進(jìn)行綜合分析。

鑒于此，筆者擬通過分析循環(huán)載荷下煤樣力學(xué)和聲發(fā)射參數(shù)變化特征，研究應(yīng)力水平和頻率對煤體裂隙演化階段及破壞模式的影響，為冒頂片幫、煤與瓦斯突出、底板突水等礦井災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)方法

1.1　煤樣制作與篩選

試驗(yàn)煤樣選用來自山西晉煤集團(tuán)寺河礦的3#無煙煤。沿原煤塊垂直層理方向取樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)煤樣(Φ50 mm×100 mm)，部分煤樣如圖1所示。

圖1　部分煤樣Fig.1　Part of coal samples

為降低試驗(yàn)誤差，選擇密度為1.33～1.45 g/cm3，波速范圍在1 659.43～1 847.56 m/s的6個(gè)煤樣。把煤樣平均分成2組：應(yīng)力水平組煤樣編號(hào)為S1-1，S1-2，S1-3；加載頻率組煤樣編號(hào)為S2-1，S2-2，S2-3。

1.2　試驗(yàn)設(shè)備及內(nèi)容

試驗(yàn)系統(tǒng)由RMT-150B型巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和DS5-8B型全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀集成，可同步獲得力學(xué)和聲發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)條件如下：

1)應(yīng)力水平組煤樣：恒定循環(huán)頻率0.05 Hz，圍壓2 MPa，下限應(yīng)力均為20 MPa，煤樣S1-1，S1-2，S1-3的上限應(yīng)力分別選擇50，45，40 MPa。

2)加載頻率組煤樣：恒定應(yīng)力水平為20～45 MPa，圍壓2 MPa，煤樣S2-1，S2-2，S2-3的加載頻率分別為0.1，0.05，0.02 Hz。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　循環(huán)載荷下煤樣變形特征

2組煤樣變形規(guī)律都具有一定相似性，如圖2和圖3所示。從第2次循環(huán)開始，滯回環(huán)個(gè)數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增

圖2　S1煤樣應(yīng)力-變形曲線Fig.2　Stress-strain curves of coal samples

圖3　S2煤樣應(yīng)力-變形曲線Fig.3　Stress-strain curves of coal samples

加而增加，整體呈現(xiàn)疏-密-疏的變化規(guī)律，具有明顯的初期減速、中間勻速和后期加速的3階段特征，該特征與巖石類材料的循環(huán)疲勞破壞過程相似。2組試驗(yàn)結(jié)果差異性為：煤樣S1-3，S1-2，S1-1分別循環(huán)了247，86，14次，可見煤樣循環(huán)次數(shù)隨上限應(yīng)力水平的提高而逐漸減少，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示；加載頻率對煤樣疲勞壽命影響較小，煤樣S2-1，S2-2，S2-3分別循環(huán)了85，86，82次，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

2.2　循環(huán)載荷下煤樣聲發(fā)射特征

2.2.1峰值振鈴數(shù)特征

在試驗(yàn)過程中，2組煤樣的峰值振鈴數(shù)變化趨勢呈U型，隨時(shí)間的增長出現(xiàn)了降低、穩(wěn)定和升高的規(guī)律，見圖4和圖5。在應(yīng)力水平對裂隙影響方面，應(yīng)力水平越高，每次循環(huán)對煤樣損傷程度越大，相應(yīng)的聲發(fā)射活動(dòng)越劇烈，各階段的振鈴計(jì)數(shù)也隨之升高，應(yīng)力水平組煤樣試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示；加載頻率越高，循環(huán)時(shí)間越短，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的振鈴數(shù)越多，加載頻率組煤樣試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

圖4　S1煤樣振鈴數(shù)變化趨勢Fig.4　Ringing count variation tendency of coal samples

圖5　S2煤樣振鈴數(shù)變化趨勢Fig.5　Ringing count variation tendency of coal samples

2.2.2累積能量與撞擊次數(shù)特征

煤樣的累計(jì)能量和撞擊計(jì)數(shù)變化曲線整體表現(xiàn)為“階梯狀”上升趨勢，呈倒S型，見圖6和圖7。

2.3　變形與聲發(fā)射特征對比

分別提取煤樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)中上限應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)變值及峰值振鈴計(jì)數(shù)，如圖8和圖9所示。2組煤樣上限應(yīng)力處的應(yīng)變發(fā)展趨勢均呈倒S型，這與聲發(fā)射參數(shù)累積能量和撞擊次數(shù)曲線趨勢一致；峰值振鈴數(shù)的變化趨勢呈U型。從疲勞破壞全過程看，應(yīng)變發(fā)展過程與峰值振鈴數(shù)變化趨勢具有良好的對應(yīng)關(guān)系，在應(yīng)變增加速率的降低階段，峰值振鈴數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小；穩(wěn)定階段，峰值振鈴數(shù)基本穩(wěn)定；升高階段，峰值振鈴數(shù)隨循環(huán)次數(shù)急劇上升。

2.4　裂隙演化及破壞

2.4.1裂隙演化

圖2～5共同反映出煤樣裂隙發(fā)展具有明顯的3個(gè)階段：初始階段、中間階段、破壞前階段。圖6～9中的曲線反映：在初始階段，每單次循環(huán)應(yīng)變增量減小，聲發(fā)射活動(dòng)也逐漸減少，說明煤樣裂隙處于逐漸閉合的趨勢，符合原生裂隙演化的特征；中間階段，每單次循環(huán)應(yīng)變增量為常數(shù)，聲發(fā)射活動(dòng)穩(wěn)定，表明煤樣裂隙變化處于平靜期，新生微裂紋的萌生和擴(kuò)展占主導(dǎo)作用；破壞前階段，單次循環(huán)應(yīng)變增量和聲發(fā)射活動(dòng)急劇增多，反映裂紋在不斷地?cái)U(kuò)展并相互貫通。因此，可將該3個(gè)階段劃分為：原生裂隙閉合階段、新生微裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段、裂紋貫通破壞階段。它們的差異性在于：隨應(yīng)力水平增大，對裂隙的演化有明顯影響，而循環(huán)頻率對裂隙演化的影響不明顯。

圖6　S1累積能量和撞擊次數(shù)變化趨勢Fig.6　Variation curve of AE cumulate energy and impact count of coal samples

圖7　S2累積能量和撞擊次數(shù)變化趨勢Fig.7　Variation curve of AE cumulate energy and impact count of coal samples

圖8　S1煤樣應(yīng)變、峰值振鈴數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.8　Relationship curves between strain, ringing count and cycle number

圖9　S2煤樣應(yīng)變、峰值振鈴數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.9　Relationship curves between strain, ringing count and cycle number

2.4.2破壞模式

對于應(yīng)力水平組煤樣，應(yīng)力水平越高，每單次循環(huán)的煤樣損傷越大，聲發(fā)射活動(dòng)也明顯增強(qiáng)，在破壞前的幾個(gè)循環(huán)應(yīng)變值較大，且破壞后出現(xiàn)了多個(gè)殘余峰值點(diǎn)，破壞形式為韌性破壞，如圖2(a)所示。當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，每單次循環(huán)對煤樣的損傷較小，大裂紋擴(kuò)展速度相對緩慢，小裂紋發(fā)育不明顯，聲發(fā)射活動(dòng)較少，煤樣破壞前的幾個(gè)循環(huán)應(yīng)變值較小，破壞后未出現(xiàn)殘余峰值，破壞形式為脆性破壞，如圖2(c)所示?？梢姡瑧?yīng)力水平不僅對裂紋發(fā)育過程有重要影響，對破壞模式也有影響。

對于加載頻率組煤樣，加載頻率越大，每單次循環(huán)的時(shí)間越短，小裂紋還未充分萌生和擴(kuò)展，就進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，小裂紋的聲發(fā)射活動(dòng)較少，監(jiān)測到的聲發(fā)射事件主要來自于大裂紋的擴(kuò)展和貫通，且破壞前的幾個(gè)循環(huán)應(yīng)變值也較小，因此，煤樣破壞形式為脆性破壞，如圖3(a)所示；加載頻率越小，每單次循環(huán)時(shí)間越長，小裂紋得到較為充分的發(fā)育，使單次循環(huán)能產(chǎn)生更多不可恢復(fù)的塑性變形，其在聲發(fā)射參量上的表現(xiàn)為單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射活動(dòng)增多，即聲發(fā)射率增加，該特點(diǎn)在裂紋貫通破壞階段的表現(xiàn)比煤樣裂隙演化的前2個(gè)階段相比更為明顯，破壞前的幾個(gè)循環(huán)應(yīng)變值也較大，煤樣破壞形式為韌性破壞，如圖3(c)所示。

3　結(jié)論

1)循環(huán)載荷下，煤體應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線呈疏- 密-疏的變化規(guī)律，聲發(fā)射峰值振鈴數(shù)柱狀圖呈U型特征，每次循環(huán)上限應(yīng)力處的應(yīng)變、累計(jì)能量和撞擊計(jì)數(shù)曲線都呈上升趨勢，呈倒S型。

2)在破壞前，煤體裂隙演化經(jīng)歷了3個(gè)階段：原生裂隙閉合階段、新生微裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段、裂紋貫通破壞階段。

3)應(yīng)力水平對煤體疲勞壽命影響較明顯，隨應(yīng)力水平提高，循環(huán)次數(shù)不斷減少，而加載頻率對煤體的疲勞壽命無明顯影響。

4)在高應(yīng)力低頻率條件下，煤體呈韌性破壞，在低應(yīng)力高頻率條件下，煤體呈脆性破壞。

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