循環(huán)荷載作用下煤樣疲勞特性的試驗(yàn)研究

孫 達(dá)

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第一分公司，山西 太原 030022）

1 引言

本文以西山煤電官地礦南翼上組回風(fēng)巷煤樣為研究對(duì)象，對(duì)煤樣在不同幅值擾動(dòng)荷載作用下的疲勞特性進(jìn)行研究。所得結(jié)論為該回風(fēng)巷煤柱的穩(wěn)定性提供了一定的指導(dǎo)作用。從而確保該回風(fēng)巷在服務(wù)工作面開(kāi)采期間的安全有效運(yùn)行。

2 工程背景

西山煤電官地礦的煤巖層整體呈向斜構(gòu)造，軸向傾角約133°，兩翼傾角約3°，工作面2#煤層上覆砂巖弱含水層，施工至局部低洼處及頂板破碎帶時(shí)，會(huì)出現(xiàn)巖層滲水現(xiàn)象。南翼上組煤回風(fēng)巷的地面位置處于黃冶溝的老虎窩溝西側(cè)，蓋山厚度349～500m。該回風(fēng)巷穿越砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、2#煤、炭質(zhì)泥巖等層位。巷道掘進(jìn)過(guò)程中穿越煤層、砂巖、泥質(zhì)砂巖及砂質(zhì)頁(yè)巖等脆性易碎的巖層時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)巷道頂板管理。

3 試驗(yàn)方法

3.1 樣品準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)以西山煤電官地礦南翼上組回風(fēng)巷的煤體作為研究對(duì)象，該煤樣中含有白色條紋狀的雜質(zhì)，平均密度為1.42g/m3，縱波波速為2544m/s，平均孔隙度為7.8%，平均強(qiáng)度為16.2MPa。

為了盡可能地降低煤樣的離散性，挑選了同一個(gè)工作面的幾塊煤樣，打包運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，然后進(jìn)行取芯、切割及磨平等工序，最終加工成直徑50mm，高度100mm的圓柱體試樣。所有煤樣品均嚴(yán)格按照《國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)》的標(biāo)準(zhǔn)，使得試樣的平整度及斷面平行度處于誤差范圍之內(nèi)[4]。

3.2 試驗(yàn)裝置

本文借助MTS 815巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)，煤樣強(qiáng)度測(cè)試采用加載速率為0.05mm/min，循環(huán)荷載加載過(guò)程中采用恒定頻率進(jìn)行不同振幅的加載。

3.3 測(cè)試步驟

首先，對(duì)煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度以及試件的離散性進(jìn)行測(cè)定，單軸壓縮試驗(yàn)的加載速率為0.05mm/min。然后，進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，加載波形為正弦波，頻率為0.2Hz，振幅分別為單軸抗壓強(qiáng)度的20%、40%、60%、80%，每種振幅下循環(huán)20次。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 煤樣物理力學(xué)特性結(jié)果分析

圖1為煤樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果示意圖。

圖1 煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

從圖1可以看出，煤樣在單軸壓縮作用下主要發(fā)生劈裂拉伸破壞。由于煤巖非均質(zhì)性較大的客觀因素，即使在同一塊體上取出的試樣，在相同的試驗(yàn)條件下，得到的結(jié)果也存在一定的離散性。

4.2 不同峰值應(yīng)力振幅煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

煤礦井下煤柱常常受相鄰工作面開(kāi)采、放炮振動(dòng)以及頂板周期來(lái)壓等不同大小荷載的擾動(dòng)作用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的擾動(dòng)荷載后會(huì)使煤柱的服務(wù)年限及壽命降低。因此，對(duì)不同荷載作用下煤樣的疲勞損傷進(jìn)行研究顯得非常必要。通過(guò)對(duì)煤樣施加不同振幅的峰值應(yīng)力，得到不同應(yīng)力振幅作用下煤樣疲勞損傷的演化規(guī)律。不同峰值應(yīng)力振幅作用煤應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著應(yīng)力振幅的增加，煤的軸向應(yīng)變逐漸增大，并且循環(huán)加載過(guò)程中煤樣的滯回環(huán)面積逐漸增加。當(dāng)應(yīng)力振幅從20%增至80%時(shí)對(duì)應(yīng)的最大軸向應(yīng)變依次為0.00143、0.00204、0.00273、0.00319。能夠間接地說(shuō)明隨著應(yīng)力振幅的增加，循環(huán)加載過(guò)程中煤的疲勞損傷程度逐漸變大。另外，從圖中還可得知，應(yīng)力振幅較低時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)滯回環(huán)的形狀呈現(xiàn)“尖葉狀”，能夠進(jìn)一步說(shuō)明循環(huán)加卸載交替處煤的變形響應(yīng)較快。

圖2 不同應(yīng)力幅值煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

4.3 不同峰值應(yīng)力振幅彈性模量的演化規(guī)律

彈性模量是反應(yīng)巖石力學(xué)參數(shù)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，彈性模量的大小也能間接表明煤巖體在受載荷作用下抵抗變形性能的程度。因此，研究煤彈性模量的演化規(guī)律對(duì)煤體的變形破壞起到了重要的作用。不同應(yīng)力振幅彈性模量的演化規(guī)律如圖3所示。圖中a組、b組、c組、d組依次對(duì)應(yīng)20%、40%、60%、80%的應(yīng)力振幅。

圖3 不同振幅煤樣彈性模量演化曲線(xiàn)

從圖3可以看出，隨著應(yīng)力振幅的增加，煤彈性模量也呈現(xiàn)出不同程度的增加。彈性模量均從第二圈開(kāi)始變得平穩(wěn)，由于原始煤樣中存在大量的微孔隙及孔洞，當(dāng)煤樣處于低振幅荷載作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量的孔隙裂隙閉合，煤樣抵抗變形能力的程度較低，因此，煤的彈性模量相對(duì)較小。隨著應(yīng)力振幅的增加，煤在加載過(guò)程中抵抗自身變形的能力逐漸增強(qiáng)，因此，對(duì)應(yīng)的彈性模量增大。但當(dāng)外部荷載超過(guò)煤自身的變形強(qiáng)度極限后，彈性模量突然出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

4.4 不同應(yīng)力振幅煤樣泊松比的演化規(guī)律

泊松比對(duì)于描述煤巖變形特性起到了重要的作用，是反應(yīng)材料本身變形特性的參數(shù)指標(biāo)。隨著材料強(qiáng)度的增加，其泊松比會(huì)相應(yīng)的增加。不同振幅作用下煤樣泊松比的演化規(guī)律如圖4所示。圖中a組、b組、c組、d組依次對(duì)應(yīng)20%、40%、60%、80%的應(yīng)力振幅。

由圖4可知，總體來(lái)說(shuō)，隨著應(yīng)力振幅水平的增加，其煤的泊松比會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的增大現(xiàn)象，并且還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤樣處于低振幅水平加載時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其泊松比變化較平穩(wěn)。但當(dāng)應(yīng)力振幅增至80%時(shí)，泊松比隨著循環(huán)圈數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。從而能夠得知，該煤疲勞損傷門(mén)檻值大約在單軸強(qiáng)度的80%左右。

圖4 不同振幅煤樣泊松比演化曲線(xiàn)

4.5 不同應(yīng)力振幅加卸載響應(yīng)比的演化規(guī)律

文獻(xiàn)[5]利用損傷力學(xué)的原理，通過(guò)對(duì)加卸載響應(yīng)比的參量進(jìn)行賦值，重新定義損傷變量，從而描述巖石的損傷演化過(guò)程。因此，基于提出的加卸載響應(yīng)比理論，結(jié)合線(xiàn)彈性本構(gòu)關(guān)系，得到相應(yīng)關(guān)系式為：

對(duì)應(yīng)的加卸載響應(yīng)比值：

式中：

N-響應(yīng)量，N+和N-分別為加載和卸載時(shí)的響應(yīng)量；

E-彈性模量，E+和E-分別為加載和卸載時(shí)的彈性模量。

圖5 不同振幅煤樣加卸載響應(yīng)比演化曲線(xiàn)

從圖5可以看出，隨著應(yīng)力振幅的增加，煤的加卸載響應(yīng)比總體變化趨勢(shì)在同一應(yīng)力振幅下保持穩(wěn)定變化，個(gè)別循環(huán)加載下產(chǎn)生輕微的波動(dòng)。但隨著應(yīng)力振幅的增加，加卸載響應(yīng)比也出現(xiàn)了階梯型的變化趨勢(shì)。從圖3加載段的彈性模量分析可知，整個(gè)循環(huán)加載過(guò)程中變化較平緩。圖4分析得知，加卸載響應(yīng)比均大于1，間接地說(shuō)明了隨著應(yīng)力振幅的增加，卸載階段的彈性模量均大于加載段。

5 結(jié)論

本文基于MTS815巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)配套AE聲發(fā)射儀對(duì)西山煤電官地礦南翼上組回風(fēng)巷試驗(yàn)，以及核磁共振無(wú)損檢測(cè)分析儀，進(jìn)行不同應(yīng)力振幅損傷演化機(jī)制的研究，得到以下結(jié)論：

（1）隨著應(yīng)力振幅的增加，煤的軸向應(yīng)變逐漸增大，同時(shí)滯回環(huán)的面積逐漸增加，說(shuō)明應(yīng)力振幅與煤損傷程度呈現(xiàn)出一定的正比例關(guān)系。

（2）隨著應(yīng)力振幅的增加，煤的彈性模量呈現(xiàn)出階梯狀的增加趨勢(shì)，隨后彈性模量保持恒定。然而，煤的泊松比在前三個(gè)應(yīng)力振幅下與彈性模量呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，在第四個(gè)應(yīng)力振幅時(shí)，泊松比與循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出緩慢增加的變化趨勢(shì)。也預(yù)示了疲勞損傷的門(mén)檻值大約為單軸強(qiáng)度的80%。

（3）隨著應(yīng)力振幅的增加，煤的加卸載響應(yīng)比總體變化趨勢(shì)在同一應(yīng)力振幅下保持穩(wěn)定變化，個(gè)別循環(huán)加載過(guò)程中產(chǎn)生輕微的波動(dòng)。