高溫預(yù)損傷下煤巖蠕變聲發(fā)射及分形特征

史宏財

高溫預(yù)損傷下煤巖蠕變聲發(fā)射及分形特征

史宏財

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

為了研究高溫條件下煤巖微裂縫發(fā)展及破壞規(guī)律，對煤樣進行不同溫度預(yù)損傷和三軸蠕變聲發(fā)射實驗，探討煤巖在經(jīng)歷高溫預(yù)損傷過后的力學(xué)行為特征。研究結(jié)果表明：隨著溫度升高，煤巖預(yù)損傷呈冪函數(shù)型遞增；較低溫(≤200℃)預(yù)損傷下，煤巖呈脆性破壞特征，加速蠕變特征不明顯；較高溫(＞200℃)預(yù)損傷下，煤巖呈韌–脆性破壞特征，且加速蠕變特征較明顯；穩(wěn)態(tài)蠕變速率s的對數(shù)值與預(yù)損傷之間呈線性相關(guān)關(guān)系；溫度越高，煤巖的聲發(fā)射振鈴計數(shù)率水平越小，呈低頻低幅值變化，且蠕變3階段越趨于“同頻”發(fā)展，累計振鈴計數(shù)m與預(yù)損傷之間呈負(fù)指數(shù)型函數(shù)遞減；分形維數(shù)值呈“減小—動態(tài)穩(wěn)定—再次減小”3階段變化，并與蠕變3階段相對應(yīng)，分形維數(shù)由穩(wěn)態(tài)向減小轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點可作為判斷煤巖失穩(wěn)破壞的依據(jù)；溫度越高(預(yù)損傷值越大)，分形維數(shù)f越大，巖樣破壞越無序。研究成果對于揭示經(jīng)歷不同溫度熱解氣化損傷后煤巖的長期力學(xué)行為具有重要意義。

煤巖；三軸蠕變；高溫預(yù)損傷；聲發(fā)射振鈴計數(shù)；分形維數(shù)

聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡稱AE)是指材料損傷作用過程中局部應(yīng)力集中處能量以彈性波的形式瞬間釋放的現(xiàn)象[1]，分形則可定量描述和反映材料內(nèi)部復(fù)雜無序而又具有某種內(nèi)在聯(lián)系的行為特征[2]。利用聲發(fā)射系統(tǒng)對煤巖失穩(wěn)破壞過程中的聲發(fā)射和分形特征進行研究，可以有助于了解煤巖內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生、擴展直至宏觀破壞的變化規(guī)律，對預(yù)防煤巖瓦斯突出、冒頂、大變形坍塌以及沖擊地壓等災(zāi)害具有重要作用[3]。在煤巖損傷破裂過程中的聲發(fā)射及分形特征等方面，國內(nèi)外專家學(xué)者已開展了一定研究。P. Ganne等[4]針對硬脆巖石材料進行了聲發(fā)射特性分析，根據(jù)試驗結(jié)果建立了煤巖內(nèi)部微破裂和聲發(fā)射參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系；陳春諫等[5]對0%、2%、4%、6%含水率下的煤巖聲發(fā)射特征進行了研究，得到振鈴計數(shù)與含水率之間的關(guān)系；高保彬等[6-8]對單軸、三軸壓縮下煤巖的聲發(fā)射和分形特征進行了分析，提出可根據(jù)聲發(fā)射和分形特征預(yù)測煤巖失穩(wěn)破壞的前兆信息；邵良杉等[9]提出“分形同測”理論，并利用分形理論來預(yù)測煤巖和煤混合體的穩(wěn)定性。

蠕變作為煤巖重要的力學(xué)性質(zhì)，關(guān)系著煤礦巷道的長期安全與穩(wěn)定，受到眾多專家學(xué)者的關(guān)注和研究。趙斌等[10]結(jié)合試驗數(shù)據(jù)建立起不同應(yīng)力水平下煤巖的蠕變本構(gòu)方程，并將煤巖蠕變破壞特征歸納為蠕變脆性破壞和蠕變韌–脆性破壞；秦虎等[11]進行了不同圍壓作用下含瓦斯煤巖卸壓試驗，獲得能量以及聲發(fā)射振鈴計數(shù)與圍壓的相關(guān)關(guān)系；楊永杰等[12]、李鵬[13]對煤巖蠕變過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象進行分析，利用聲發(fā)射揭示蠕變損傷機理。

深部煤礦常常處于不同的地?zé)岘h(huán)境中，在長時間高溫作用下，煤巖會產(chǎn)生不同的損傷，改變煤巖本身的物理力學(xué)性質(zhì)，給煤炭安全開采帶來極大威脅。經(jīng)實驗研究表明：煤巖絕大部分的熱解反應(yīng)發(fā)生溫度為200~700℃，熱解產(chǎn)生CO、CO2、H2O、CH4、C2H4等氣體而損失的質(zhì)量最高可達89%；在較高溫度(350℃、400℃)下的熱解氣體產(chǎn)氣量約為較低溫度(200℃、250℃)下的8倍，分解氣化將造成煤巖力學(xué)性質(zhì)大幅降低[14-15]；鄧軍等[16]開展了常溫至650℃下煤巖熱解后不同氣體濃度的變化特征，認(rèn)為粒徑和風(fēng)化程度是影響煤巖高溫氧化條件下自燃特性的原因；周長冰等[17]對煤巖進行了高溫三軸蠕變試驗，對比分析了200℃和400℃兩個溫度級別下的蠕變力學(xué)行為，并初步判定蠕變特征發(fā)生變化的臨界溫度為300℃，對于高溫煤巖蠕變損傷的進一步研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。目前，受技術(shù)條件限制，借助于聲發(fā)射對高溫環(huán)境作用下煤巖的蠕變損傷進行同步監(jiān)測比較困難，關(guān)于煤巖高溫蠕變聲發(fā)射的研究也比較少見，因此，本文擬開展高溫預(yù)損傷后煤巖的蠕變聲發(fā)射試驗研究，以期為揭示經(jīng)歷不同溫度熱解氣化損傷后煤巖的蠕變力學(xué)行為提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗樣品及設(shè)備

對取自山西某煤礦的煤樣(平均密度1.47 g/cm3，中等堅硬煤層)，按照巖石力學(xué)試驗規(guī)范加工打磨成直徑50 mm×高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件(圖1)。實驗儀器包括： SX2-10-12 箱式電阻爐、RS-ST01C超聲波檢測儀、RMT-150C型巖石力學(xué)伺服試驗系統(tǒng)及配套的CDAE-1型聲發(fā)射檢測儀。

1.2 試驗過程簡介

試驗過程簡述如下：

①對煤樣進行打磨加工，制成標(biāo)準(zhǔn)試件，選取密度、外觀相近的試件，利用RS-ST01C超聲波檢測儀測定其初始波速0；

②將煤樣分為7組，并分別放至SX2-10-12箱式電阻爐進行高溫處理，根據(jù)以往研究成果[18-19]，以20℃/min的速率將試件加熱至預(yù)設(shè)溫度(50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、400℃)，并保持恒溫2 h，然后取出試件；

③對預(yù)損傷后的試件測定波速T；

④利用RMT-150C型巖石力學(xué)伺服試驗系統(tǒng)及配套的CDAE-1型聲發(fā)射檢測儀，對預(yù)損傷過后的煤巖進行三軸蠕變及聲發(fā)射試驗，直至巖樣發(fā)生失穩(wěn)破壞(圖1)，試驗結(jié)束。三軸蠕變試驗圍壓均為5 MPa，根據(jù)5 MPa圍壓下預(yù)損傷煤巖的三軸抗壓強度值情況，確定蠕變試驗恒載應(yīng)力值為30 MPa；聲發(fā)射采用8通道，上下兩端各4個對稱布置，為消除外界噪聲干擾以及保證良好的聲學(xué)耦合性，在探頭和試驗機油缸之間涂抹一層黃油，聲發(fā)射門檻值設(shè)定為45 dB。

圖1 煤巖試樣原件及破壞后試樣

2 高溫預(yù)損傷試驗結(jié)果分析

利用超聲波波速定義的損傷表達式為[20]：

式中：表示高溫預(yù)損傷值。

各煤巖試件高溫預(yù)損傷前后的波速及損傷情況見表1。從表1可知，煤巖受初始孔隙率、密度等不同的影響，損傷前的波速不同，但基本控制在1 200 m/s左右，可忽略煤巖試件本身離散性對力學(xué)性質(zhì)帶來的影響。高溫預(yù)損傷后，煤巖的波速均有不同程度降低，最終計算得到高溫預(yù)損傷隨溫度的變化規(guī)律(圖2)。從圖2可知，隨著溫度的升高，煤巖的預(yù)損傷值呈冪函數(shù)增長，當(dāng)溫度達到200℃后，煤巖的預(yù)損傷呈快速增長趨勢，這是因為在200℃之前，煤巖高溫氣化只有少量的CO和 H2O產(chǎn)生，煤巖因熱解質(zhì)量損失較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)溫度達到200℃后，由于煤分子中弱鍵發(fā)生解聚釋放出氫，氫與芳香橋鍵和脂肪側(cè)鏈斷裂生成的小分子自由基發(fā)生反應(yīng)從而生成CO2、H2O、CH4和C2H4，溫度越高，熱解生成氣體的速度越快，煤巖質(zhì)量損失越嚴(yán)重，損傷發(fā)展也越快[13-14]；400℃下的預(yù)損傷值可達到50℃損傷值的45倍。

表1 波速及損傷測試結(jié)果

圖2 溫度與預(yù)損傷值關(guān)系

3 蠕變試驗結(jié)果分析

3.1 蠕變特征

試驗得到的不同預(yù)損傷條件下煤巖的蠕變歷時曲線如圖3所示。從圖3可知：煤巖的蠕變應(yīng)變曲線均包括初始蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變以及加速蠕變3個階段；低溫預(yù)損傷下，煤巖的加速蠕變特征不明顯，表現(xiàn)為蠕變脆性破壞特征；而在高溫預(yù)損傷后，由于煤巖內(nèi)部顆粒間膠結(jié)物發(fā)生氧化和劣化，礦物顆粒與顆粒間裂紋明顯增多，膠結(jié)力明顯下降；顆粒因為高溫產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，使煤巖的加速蠕變特征較明顯，且表現(xiàn)為韌–脆性破壞特征；溫度越高，預(yù)損傷越大，煤巖經(jīng)歷的蠕變歷時越短，蠕變應(yīng)變越大。

圖3 蠕變歷時曲線

進一步分析高溫預(yù)損傷值與穩(wěn)態(tài)蠕變率之間的關(guān)系，如圖4所示。從圖4可知：高溫預(yù)損傷越大，煤巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率s越大，兩者呈良好的線性關(guān)系，即：lns0.017 4+0.005。高溫作用體現(xiàn)如下：①促進了煤巖內(nèi)部晶界裂紋的擴展，造成煤巖孔隙率增加，膠結(jié)力降低，礦物顆粒間抵抗變形的能力隨之減??；②部分礦物成分在高溫作用下出現(xiàn)劣化、軟化現(xiàn)象，使得煤巖顆粒本身發(fā)生壓縮變形[21-22]；③因為高溫造成煤分子中弱鍵發(fā)生分解，從而產(chǎn)生熱解氣化現(xiàn)象，導(dǎo)致煤巖體密度和質(zhì)量降低，促進損傷的形成，煤巖體抵抗變形的能力也逐漸減小，因此，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與預(yù)損傷呈線性關(guān)系。

圖4 預(yù)損傷與穩(wěn)態(tài)蠕變率關(guān)系

3.2 聲發(fā)射特征

不同溫度預(yù)損傷后煤巖的蠕變聲發(fā)射振鈴計數(shù)率(單位時間內(nèi)越過門檻信號的振蕩次數(shù))變化特征如圖5所示。從圖5可知：聲發(fā)射振鈴計數(shù)率與蠕變曲線相對應(yīng)，也表現(xiàn)為3階段變化特征，并與蠕變速率一樣表現(xiàn)為“U”字型變化。初始蠕變階段，由于煤巖原生微孔隙、微裂隙以及預(yù)損傷的存在，在三向應(yīng)力作用下煤巖逐漸致密，從而產(chǎn)生大量的摩擦信號；穩(wěn)態(tài)蠕變階段，煤巖內(nèi)部處于裂紋產(chǎn)生與閉合的交替變化過程，新的損傷緩慢發(fā)展，因此，聲發(fā)射信號較平靜；當(dāng)進入加速蠕變階段后，煤巖達到蠕變損傷閾值，內(nèi)部微裂隙逐漸貫通并形成宏觀裂紋，聲發(fā)射信號逐漸增強，直至煤巖發(fā)生蠕變失穩(wěn)破壞。

隨著溫度的升高，聲發(fā)射振鈴計數(shù)率趨于“同一頻率”，即初始、穩(wěn)態(tài)和加速3個階段的聲發(fā)射振鈴計數(shù)率基本相等，且在400°C表現(xiàn)得尤為明顯，主要是因為經(jīng)過高溫預(yù)損傷后，煤巖內(nèi)部已經(jīng)形成較多的貫通裂紋，產(chǎn)生了較大的高溫預(yù)損傷，在蠕變試驗加載過程中，產(chǎn)生的損傷裂紋(除少量閉合)會沿著原有的裂紋繼續(xù)擴展，直至破壞，即不再有煤巖內(nèi)部封閉應(yīng)力的自我調(diào)整階段，故而聲發(fā)射計數(shù)率不會產(chǎn)生太大的變化。溫度越高，聲發(fā)射振鈴計數(shù)率越低，溫度小于等于200℃時，穩(wěn)態(tài)蠕變階段的聲發(fā)射振鈴計數(shù)率介于400~600；當(dāng)溫度為250°C時，計數(shù)率處于300~400；當(dāng)溫度為300℃時，計數(shù)率為200~300；當(dāng)溫度為400℃時，計數(shù)率處于150~250。溫度越高，聲發(fā)射越是呈現(xiàn)低頻低幅值現(xiàn)象，這是因為煤巖在經(jīng)歷高溫?zé)峤鈸p傷過程中，煤分子中的部分化學(xué)鍵將發(fā)生解聚，并與其他成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熱解氣體，這些氣體經(jīng)微裂隙溢出，并帶走充填于微裂隙中的物質(zhì)，增加了煤巖內(nèi)部的孔隙率，使得煤巖顆粒之間的膠結(jié)力降低；同時，由于顆粒礦物成分在一定程度上發(fā)生軟化，導(dǎo)致煤巖體微單位破壞需要積累的能量降低，因此，在高溫預(yù)損傷后煤巖的聲發(fā)射會呈現(xiàn)與軟巖聲發(fā)射相似的特征。

統(tǒng)計得到聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)與預(yù)損傷之間的關(guān)系，如圖6所示。聲發(fā)射反應(yīng)了煤巖在蠕變破壞過程中積累釋放能量的多少，當(dāng)前期高溫預(yù)損傷越大時，后期蠕變損傷破壞需要積聚釋放的能量就越少，聲發(fā)射監(jiān)測到的彈性波就越小。從圖6可知：隨著預(yù)損傷值的增加，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)(m)呈負(fù)指數(shù)型減小，有：m=239 848e–3.849D。

3.3 分形特征

所謂分形，指利用某種方法將復(fù)雜無序但又具有一定內(nèi)在聯(lián)系的事物進行定量描述；目前提出的計算分形維數(shù)方法中，尺碼法和覆蓋法最為常用。由于本文煤巖試件均為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，故采用柱形覆蓋分形法[23-24]對煤巖的蠕變分形特征進行探討。根據(jù)柱形覆蓋分形理論的相關(guān)定義，蠕變過程中聲發(fā)射事件點與空間圓柱半徑的關(guān)系可表示為：

圖6 累計振鈴計數(shù)與預(yù)損傷關(guān)系

對式(2)兩邊參數(shù)的數(shù)值同時取對數(shù)可以得到：

式中：(r)表示半徑內(nèi)聲發(fā)射事件點數(shù)；為計算常數(shù)；f表示分形維數(shù)且2≤f≤3；表示空間圓柱半徑。選取蠕變開始至某一時刻的聲發(fā)射作為分析對象，當(dāng)獲得多個(r)和的關(guān)系后，將其繪制到對數(shù)坐標(biāo)中，如若兩者具有良好的線性關(guān)系，則表明煤巖蠕變聲發(fā)射空間分布具有自相似性(即分形特征)。

按照上述柱形覆蓋分形理論，對不同蠕變時間點的聲發(fā)射時空關(guān)系進行分析，得到分形維數(shù)與蠕變應(yīng)變的關(guān)系，如圖7所示。從圖7可知：隨著蠕變試驗的進行，煤巖的分形維數(shù)歷經(jīng)“減小—動態(tài)穩(wěn)定—再次減小”3個階段。由于煤巖存在無規(guī)律的原生微裂隙、微孔隙，加之高溫預(yù)損傷首先在煤巖薄弱處產(chǎn)生，生成的預(yù)損傷也處于隨機無序狀態(tài)，因此，在初始蠕變階段，原生微裂隙和部分微損傷首先被壓實閉合，在周圍產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦聲發(fā)射信號，因而分形維數(shù)較大；隨著蠕變試驗的進行，聲發(fā)射信號逐漸降低并在穩(wěn)態(tài)蠕變階段達到動態(tài)平衡，此時煤巖內(nèi)部處于一個微裂紋不斷產(chǎn)生又閉合的狀態(tài)，這些微裂紋逐漸傾向于煤巖結(jié)構(gòu)最為薄弱處，并在薄弱結(jié)構(gòu)面附近聚集擴展，因而分形維數(shù)處于一個動態(tài)穩(wěn)定值；當(dāng)煤巖進入加速蠕變階段后，積聚在薄弱面附近的裂紋發(fā)展并貫通形成宏觀破裂面，此時的聲發(fā)射信號主要集中于宏觀破裂面附近，故而分形維數(shù)再次降低。因此，分形維數(shù)從動態(tài)平衡階段轉(zhuǎn)向減小發(fā)展的轉(zhuǎn)折點，可作為煤巖進入加速蠕變階段的判斷依據(jù)，在加速蠕變階段，煤巖將發(fā)生破壞。

不同溫度預(yù)損傷后分形維數(shù)隨蠕變應(yīng)變的變化關(guān)系如圖8所示。從圖8可知：煤巖的初始分形維數(shù)值相差不大，但隨著蠕變試驗的進行，分形維數(shù)的差異逐漸加大；溫度越高，預(yù)損傷越大，煤巖的分形維數(shù)下降幅度越小；同等應(yīng)變值下，煤巖的分形維數(shù)值越大，表明其聲發(fā)射事件分布越雜亂、越無序。溫度較低時(低于200℃)，煤巖的f值較小且變化情況相似，由于在此溫度情況下，煤巖內(nèi)部的熱解氣化還不顯著，在蠕變試驗中，損傷將首先從煤巖原生的微裂紋處發(fā)展和擴展，即損傷發(fā)展集中于原生裂隙周圍，故而煤巖會呈現(xiàn)較為有序的聲發(fā)射特征；在較高溫度的預(yù)損傷過程中，煤分子化學(xué)鍵的解聚首先從中、弱鍵開始，化學(xué)鍵在煤巖體中隨機分布，損傷除了在原生裂隙周圍產(chǎn)生，還會在高溫?zé)峤夂箅S機產(chǎn)生的損傷處繼續(xù)擴展，造成煤巖在蠕變過程中聲發(fā)射事件分布比較散亂無序的現(xiàn)象，形成溫度越高，分形維數(shù)越大的結(jié)果。

圖8 不同溫度預(yù)損傷下分形維數(shù)變化特征

4 結(jié)論

a.在相同加熱時間下，煤巖的高溫預(yù)損傷隨著溫度的升高呈冪函數(shù)型增加，400°C下的預(yù)損傷值是50°C的45倍。

b.低溫預(yù)損傷下，煤巖表現(xiàn)為脆性破壞特征，高溫預(yù)損傷下，煤巖表現(xiàn)為韌–脆性破壞特征；加速蠕變越明顯，蠕變應(yīng)變值越大；高溫預(yù)損傷與穩(wěn)態(tài)蠕變速率的對數(shù)值呈良好的線性關(guān)系。

c.聲發(fā)射隨蠕變試驗進行表現(xiàn)為“U”型變化特征，溫度越高，聲發(fā)射振鈴計數(shù)率越小，即表現(xiàn)為低頻低幅特征；聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)與預(yù)損傷呈負(fù)指數(shù)型關(guān)系。

d.分形維數(shù)隨蠕變進行經(jīng)歷“減小—動態(tài)穩(wěn)定—再次減小”3個階段，分形維數(shù)從動態(tài)平衡階段轉(zhuǎn)向減小發(fā)展的轉(zhuǎn)折點可作為煤巖進入加速蠕變階段的判斷依據(jù)；溫度越高，預(yù)損傷越大，煤巖的分形維數(shù)越大，內(nèi)部的損傷發(fā)展越不規(guī)則。

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Creep acoustic emission and fractal characteristics of coal rock under high temperature pre-damage

SHI Hongcai

(College of Civil Engineering and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The thermal damage and triaxial creep acoustic emission experiments of coal samples at different temperatures were carried out to investigate and analyze the mechanical characteristics of coal and rock after high temperature pre-damage. The results show that the thermal damage of coal and rock increases exponentially with the increase of temperature; the brittle-ductile failure characteristics of coal and rock appear at lower temperature(≤200℃) and the accelerated creep characteristics are not obvious; the brittle-brittle failure characteristics of coal and rock appear at higher temperature(＞200℃) and the accelerated creep characteristics are more obvious; the value of steady creep rate is between pre-damageand pre-damage. The higher the temperature is, the smaller the acoustic emission ringing counting rate of coal and rock is, the lower the low frequency and low amplitude changes, and the three creep stages tend to develop in the same frequency. The cumulative ringing counts Nm and pre-damagedecrease in a negative exponential function. The fractal dimension values change in three stages with creep test, namely, decrease-dynamic stability-re-decrease with the three creep stages. Correspondingly, the turning point of fractal dimension from steady state to decrease can be used to judge the failure of coal and rock. The higher the temperature(the greater the pre-damage value), the larger the fractal dimensionf, the more disorderly the failure of rock sample. The research results are of great significance to reveal the long-term mechanical behavior of coal after pyrolysis and gasification at different temperatures.

coal rock; triaxial creep; high temperature pre-damage; acoustic emission ring count; fractal dimension

TD713

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.028

1001-1986(2020)02-0187-08

2019-07-06；

2019-11-27

國家自然科學(xué)基金項目(41772332)

National Natural Science Foundation of China(41772332)

史宏財，1972年生，男，湖北天門人，碩士，講師，從事巖土工程、道路與橋梁工程等工作. E-mail：shixionge1@163.com

史宏財. 高溫預(yù)損傷下煤巖蠕變聲發(fā)射及分形特征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：187–194.

SHI Hongcai. Creep acoustic emission and fractal characteristics of coal rock under high temperature pre-damage[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：187–194.

(責(zé)任編輯 周建軍)