煤層沖擊傾向性評價的新指標體系

吳學明 王蘇健 張?zhí)燔?/p>

摘 要：基于煤巖微元強度的韋伯分布假設和連續(xù)介質損傷力學理論，建立單軸壓縮下考慮殘余強度的損傷統(tǒng)計本構模型，修正了動態(tài)損傷應變計算式，結合損傷因子、損傷速率和損傷加速度研究了煤樣的損傷演化規(guī)律和煤層沖擊傾向性的評價指標，并利用最小二乘法對實驗數據進行反演得到反映實驗曲線的本構方程，且驗證了其正確性。結果表明：考慮殘余強度的損傷統(tǒng)計本構模型能較好地反映煤巖峰值強度后的應力-應變曲線的變化趨勢和殘余強度特征點，并可得到損傷速率的最大值;修正后的動態(tài)損傷應變在間接表征沖擊傾向性實驗的動態(tài)破壞時間時可不再受加載方式的限制;提出的盈余能指數變化率指標可綜合衡量盈余能、峰后破壞過程損耗的應變能、動態(tài)破壞時間的變化情況，衡量煤層沖擊傾向性;以最大損傷速率、修正后的動態(tài)損傷應變和盈余能指數變化率構成的指標體系可作為評價煤層沖擊傾向性的新方法。

關鍵詞：沖擊傾向性;損傷統(tǒng)計本構模型;動態(tài)損傷應變;盈余能指數變化率;最大損傷速率

中圖分類號：TD 324.1 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2019）05-0782-08

Abstract：Based on the assumption of weibull distribution of coal-rock micro-strength and continuum damage mechanics theory，a damage statistic constitutive model considering residual strength under uniaxial compression is established，and the dynamic damage strain calculation formula is modified.The damage evolution rule and the evaluation index of coal seam impact tendency are studied with damage factor，damage rate and damage acceleration.Further，by using the least squares method，the experimental data are retrieved to reflect the constitutive equation of the experimental curve，and the correctness of the model is verified.The results show that the damage statistic constitutive model considering residual strength can well reflect the change trend of stress-strain curve and the characteristic point of residual strength after the peak strength of coal and rock，and the maximum value of the damage rate can be obtained.The modified dynamic damage strain can no longer be restricted by the loading mode when it indirectly characterizes the dynamic failure time of the impact tendency experiment.The proposed change rate index of surplus energy index can be used to measure the change of surplus energy，the strain energy and the dynamic damage time of post-peak damage process.It can also measure the impact tendency of coal seam.The index system composed of maximal damage rate，modified dynamic damage strain and surplus energy index change rate can be regarded as a new method to evaluate the impact tendency of coal seam.

Key words：impact tendencies;constitutive model of damage statistics;dynamic damage strain;the rate of earnings index changes;the rate of maximum damage

0 引 言

沖擊傾向性是煤層的固有力學屬性，它是關于能量和時間的函數[1]?；趽p傷統(tǒng)計本構模型的沖擊傾向性評價是評價、預測及防治沖擊礦壓的理論基礎[2-4]。針對煤層沖擊傾向性指標包括彈性能指數、沖擊能指數、動態(tài)破壞時間、單軸抗壓強度等[5]，其分別從能量、時間和承載能力的角度對煤層沖擊傾向性進行評價。蘇承東、蔡武根據現場實踐和室內實驗分析了上述指標間的相關性[3，6]，且蔡武等提出了最大損傷速率和反應動態(tài)破壞時間的動態(tài)損傷應變新指標[3]。此外，郭建卿、唐禮忠提出有效沖擊能指數、單軸抗壓強度與單軸抗拉強度之比、峰值前后應變量之比等指標[7-8]，并指出有效沖擊能指標更能反映煤樣在壓縮變形破壞過程吸收和釋放能量的關系[8];潘一山提出用沖擊能量指數除以動態(tài)破壞時間得到沖擊能量速度指標[9]，解決了沖擊傾向性判別結果誤差大、離散性等難題;唐禮忠提出剩余能量的概念及以剩余能與峰后破壞耗散應變能的比值作為剩余能量指數指標[10];姚精明從宏細觀能量耗散的角度出發(fā)提出彈性應變能衰減度和塑性變化率指標[11-12]，基于此的分級指標更貼近工程實際。以上研究極大地豐富了沖擊傾向性指標體系，但均從實驗曲線出發(fā)來直接制定評價指標，并且存在受實驗加載方式的限制，指標計算不便，評價結果誤差較大等問題。而吳政提出的損傷統(tǒng)計本構模型對未考慮殘余強度的應力—應變曲線擬合度較高，且曲線上不同特征點處的損傷規(guī)律簡潔、明了，但該模型未能體現出煤體存在殘余強度的這一事實[13];楊圣奇利用損傷比例系數得到了可反映殘余強度的損傷統(tǒng)計本構模型，為煤巖沖擊傾向性的評價提供了新思路[14];蔡武由此引進動態(tài)損傷應變和最大損傷速率指標來評價沖擊傾向性，但其動態(tài)損傷應變的力學意義不明確，且未得到最大損傷速率理論解，致其應用不便[15]。

基于以上研究中的不足，文中建立考慮殘余強度的損傷統(tǒng)計本構模型，研究了峰值點、損傷速率最大值點、損傷加速度最值點處的損傷規(guī)律，得到損傷速率最大值表達式，并討論了模型中各參數的物理意義。繼而對殘余強度和動態(tài)損傷應變進行修正，提出新的評價煤巖沖擊傾向性指標—盈余能指數變化率，并構建新的沖擊傾向性指標體系，最后利用沖擊傾向性實驗對上述指標體系的合理性進行驗證。

1 損傷統(tǒng)計本構模型及特征點

1.1 損傷統(tǒng)計本構模型

盈余能指數變化率既能表征煤體的剩余能量與破壞耗散能之間的相對大小，又能表征動態(tài)破壞時間。將盈余能、破壞過程損耗變形能和動態(tài)破壞時間綜合起來以衡量煤層沖擊性。

綜上所述，以可描述殘余強度特征的損傷統(tǒng)計本構模型為基礎，利用修正后的動態(tài)損傷應變（εD）來表征動態(tài)破壞時間（DT），確定出損傷速率最大值表達式，提出更具綜合性的盈余能指數變化率指標，從而形成了新的沖擊傾向性評價體系。

4 實驗驗證

4.1 沖擊傾向性指標測定實驗

主要采用DNS200電子萬能實驗系統(tǒng)，參照《煤層沖擊傾向性分類及指數的測定方法》，選取3組煤樣，每組3～4個，將其制成50×100 mm的圓柱形標準試樣。

應變能測定實驗的采用按位移控制的加載方式，加載速率為0.002 mm/s，采樣間隔為200 ms;測定動態(tài)破壞時間實驗采用按應力控制的加載方式，加載速率為0.1 kN/s，采樣間隔為5 ms.

4.2 實驗結果

各組實驗數據利用最小二乘法反演得到模型參數F，m，cn，從而得到能反映實驗曲線的本構方程。進而分別利用公式（18）、（19）、（20）、（21）、（22）求解沖擊能、彈性能、峰值損傷速率、盈余能指數變化率。根據第1組、第2組實驗數據直接獲取動態(tài)破壞應變，進而利用公式（16）來求解動態(tài)破壞應變;根據第三組實驗數據直接獲取動態(tài)破壞時間，也由公式（16）求解動態(tài)損傷應變。各組煤樣的模型擬合參數、傳統(tǒng)評價指標、新增指標體系見表1.

1）利用Matlab軟件提供的最小二乘法函數Lsqcurvefit反演出各組煤樣的模型參數，反演結果表明，理論分析與實驗曲線吻合度較好（圖6），從而驗證了理論模型的合理性。在實驗加載初期，煤樣要經過原生裂隙閉合的過程（即實驗曲線在線彈性階段前會有明顯的上凹階段），但文中所述的本構模型對此并不涉及，從而導致理論和實驗結果存在一定的誤差，如圖6（a）所示;當煤體原生裂隙越少、脆性越強，則誤差越小，如圖6（b）所示。

顯然，理論分析偏向于將沖擊傾向性判定為危險程度更高的方面，只要將上述誤差控制在一定范圍之內，則該模型仍是可接受的。

2）修正后的動態(tài)損傷應變和動態(tài)破壞時間具有明顯的相關性。因此，利用動態(tài)損傷應變表征動態(tài)破壞時間是切實可行的。直接根據實驗曲線來求解沖擊傾向性指標值的傳統(tǒng)方法誤差較大，而文中所述根據實驗數據反演損傷統(tǒng)計本構模型的參數，再據此求解沖擊傾向性指標的思路是可取且準確的。根據動態(tài)損傷應變與動態(tài)破壞時間的關系式（16），二者即可相互轉化，從而避免了傳統(tǒng)沖擊傾向性實驗受加載方式限制的問題，減少實驗工作量。

3）煤體脆性越強，在峰值強度前積累的彈性應變能越多，則峰值強度后盈余能釋放形式越猛烈，動態(tài)損傷應變和動態(tài)破壞時間數值越小，盈余能指數變化率指標越大，煤體在破壞過程中伴隨的碎塊彈射現象越明顯，最終煤體沖擊傾向性越強，這與之前研究結果相吻合。

4）各煤樣的沖擊傾向性危險等級是根據傳統(tǒng)評價指標來確定的，結果顯示：第1組和第3組沖擊傾向性危險等級為“弱”，第2組沖擊傾向性為“無”。新提出的沖擊傾向性指標體系可由模型參數直接求解，其靈敏度較高，與傳統(tǒng)指標體系吻合度較好，作為新的沖擊傾向性指標是切實可行的。

5 結 論

1）考慮殘余強度的損傷統(tǒng)計本構模型能較好的反映煤巖材料峰值強度后的應力-應變曲線的變化趨勢及殘余強度特點，為評價煤層沖擊傾向性奠定了理論基礎。

2）基于損傷速率提出損傷加速度概念，并得到峰值強度點、損傷速率最值點、損傷加速度最值點處的應力、應變及損傷因子的表達式，進而獲得可間接表征動態(tài)破壞時間的修正動態(tài)損傷應變，使沖擊傾向性實驗不再受加載方式的限制。

3）提出一種評價煤巖沖擊傾向性的新指標-盈余能指數變化率指標，且將盈余能指數變化率、損傷速率最大值和修正后動態(tài)損傷應變構成沖擊傾向性評價新的指標體系。利用沖擊傾向性實驗表明，新提出的沖擊傾向性指標評價結果穩(wěn)定可靠，能有效減小評價誤差和降低實驗工作量。

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