沖擊傾向性煤巖動靜載下破壞機理及聲發(fā)射特性研究

任建喜，景 帥，張 琨

（西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054）

0 引 言

煤炭作為我國目前及未來重要儲備能源，近年開采深度由淺埋逐漸轉變?yōu)樯盥瘛?自然條件下，深埋地層煤巖體處于高應力環(huán)境，節(jié)理裂隙發(fā)育，抗壓強度較低。 具有沖擊傾向性的煤巖受到施工及地震等動載擾動，內部儲存彈性能增加到自身強度極限時會瞬間釋放，其沖擊動能造成圍巖崩落及巷道急劇變形，甚至引發(fā)沖擊地壓。 因此對深埋巷道在動載影響下的具有沖擊傾向性煤巖的破壞機理研究及如何應用于巷道圍巖穩(wěn)定性分析已經(jīng)成為亟待解決的難題。

目前國內對于煤巖變形及破壞規(guī)律的研究已取得較大進展：國內學者通過煤巖單軸［1-2］試驗，研究其層理特性及非均質性破壞特征；通過常規(guī)三軸加載試驗研究其聲發(fā)射特性［3-4］，利用CT 掃描研究其體分形維特征［5］；通過循環(huán)加卸載試驗［6-8］研究煤巖破裂過程中聲發(fā)射機理及損傷過程中能量演化規(guī)律；通過不同物理力學特性下煤巖加載試驗［9-11］研究其聲發(fā)射發(fā)生規(guī)律以及通過不同加載條件［12-13］研究其破壞機制和動力學響應；通過沖擊載荷試驗［14-15］研究其能量耗散機理；通過動載試驗［16-17］研究其聲發(fā)射動力演化機制；通過動靜組合荷載試驗［18-20］研究其應力波傳播并建立突變模型理論。對于煤巖常規(guī)動靜載下變形規(guī)律及聲發(fā)射特性的研究前人已取得較大進展，但針對深埋煤層沖擊傾向性煤巖動靜載的變形規(guī)律及聲發(fā)射演化規(guī)律研究還較為匱乏。 筆者沿襲前人試驗及聲發(fā)射研究成果，以彬長礦區(qū)埋深700 m 的胡家河煤礦巷道為研究對象，將具有沖擊傾向性煤樣在室內進行鉆心取樣，制作標準試件；分別開展三軸靜載試驗、三軸動載誘發(fā)試驗、動載分級加載破壞試驗，并進行聲發(fā)射檢測定位，根據(jù)試驗及測試結果分析研究不同載荷條件下的煤巖破壞機理及能量演化規(guī)律。 研究內容對沖擊地壓下煤巖破壞機理及其發(fā)生條件分析具有參考意義。

1 煤巖動靜載下破壞試驗方案

1.1 試驗設備介紹

采用深部巖土動靜三軸力學特性試驗加載系統(tǒng)（圖1a）進行煤巖動、靜態(tài)三軸加載。 系統(tǒng)由加載裝置、測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及動、靜載油源組成。力加載速率0.01 ～300.00 kN／m；位移加載速率0.001 ～7.000 mm／s。 動載頻率為0.1 ～10.0 Hz（負荷200 kN，動位移1 mm）。 采用美國PAC 數(shù)字化聲發(fā)射檢測系統(tǒng)（圖1b）進行六通道定位檢測，前置放大器增益為40 dB，濾波器頻率下限100 kHz，上限1 MHz。 以非金屬超聲波檢測儀（圖1c）對標準試件（圖1d）進行波形、聲速、密度篩選，去除離散性較大的試件。

圖1 試驗設備及材料Fig.1 Experimental equipment and material

1.2 試驗前準備

所用煤巖來自彬長礦區(qū)埋深約700 m 的巷道煤巖，在室內進行鉆心取樣、篩選，制得?50 mm×100 mm 標準試件。 由礦區(qū)勘察資料得知煤巖所受原巖應力約為12 MPa，煤巖受到的地震動荷載多為類正弦波荷載擾動，頻率為3 ～5 Hz，持續(xù)時間通常幾十秒左右。 煤巖處于高應力狀態(tài)，多數(shù)煤巖先期經(jīng)受過動載擾動但未破壞，部分煤巖在高應力環(huán)境的動載擾動下直接破壞。 根據(jù)上述煤巖受力特征分別開展不同圍壓下的靜載破壞試驗，一定靜載水平下的動載誘發(fā)試驗，及動載分級加載破壞試驗用來模擬煤巖不同工程條件下力學環(huán)境。 因此動載參數(shù)選擇頻率5 Hz、振幅10 kN 的正弦波。 首先對煤巖進行室內基本物理力學參數(shù)測定，結果如下：

通常煤巖埋深超過400 m 易發(fā)生沖擊地壓，因此需要檢測煤巖的沖擊傾向性。 根據(jù)GB／T 25217.2—2010《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》，對煤巖進行沖擊傾向性測定，結果如下：

根據(jù)規(guī)范中沖擊傾向指標判別方法可知：煤巖單軸抗壓強度為強沖擊傾向性，彈性能指數(shù)為無沖擊傾向性，沖擊能指數(shù)為強沖擊傾向性，動態(tài)破壞時間為弱沖擊傾向性。 當各項指標判別不一致時采用模糊綜合評價法，4 個指數(shù)權重分別為0.3、0.2、0.2、0.3，最終判定所用煤巖試件為弱沖擊傾向性，具備發(fā)生沖擊地壓的能力。

1.3 試驗方案步驟

選取波速、密度相近，表面無明顯裂隙節(jié)理的具有沖擊傾向性的標準試件18 個，分為A、B、C 三組。 為防止煤巖動載作用與其加密及塑性階段變形對裂隙發(fā)育的相互干擾影響，采用控制變量法在煤巖彈性初期階段進行動載加載。 由靜載曲線可知煤巖在圍壓12 MPa、軸向應力10 MPa 時處于彈性變形初期階段，且動載最大應力低于塑性階段的應力水平，因此選用軸向10 MPa 的初始應力進行動載加載。

1）靜載試驗。 A 組試件12 個，分別進行圍壓0、4、8、12 MPa 的靜力加載三軸試驗，每種圍壓做3個試件平行試驗，結果差異較大的進行補做（下同）。 加載方式：首先施加圍壓，軸向加載速率通過應變控制為0.001 mm／s，加載至破壞。

2）一定應力水平下動載誘發(fā)試驗。 B 組試件3個，進行圍壓12 MPa 的動載誘發(fā)三軸試驗。 加載方式：靜載加載速率通過應變控制為0.001 mm／s，首先靜載加載到軸向應力10 MPa，然后進行正弦應力波振幅10 kN、頻率5 Hz、持續(xù)時間1 min 的動載加載，動載完成后軸向靜載加載至破壞。

3）考慮時間效應動載分級加載破壞試驗。 C組試件3 個，進行圍壓12 MPa 的動載分級加載三軸試驗。 加載方式：靜載加載速率通過應變控制，為0.001 mm／s，首先靜載加載到軸向應力10 MPa，然后進行正弦應力波振幅10 kN、頻率5 Hz、持續(xù)時間10 min 的動載加載，動載完成后若試件未破壞則軸向應力每提高5 MPa（約10 kN軸向力）進行一次同樣的動載試驗，分級加載直至破壞。

2 煤巖動靜載加載試驗結果及分析

2.1 靜載試驗全應力-應變曲線分析

在靜載試驗中每種圍壓選取1 個試件繪制其全應力-應變曲線，如圖2 所示。

圖2 不同圍壓下煤巖全應力-應變曲線Fig.2 Full stress-strain curves of coal rock under different confining pressures

如圖2 所示，煤巖在圍壓0、4、8、12 MPa 下軸向加載至破壞，其極限強度分別為31.5、46.7、58.4、63.8 MPa，破壞時應變分別為0.007 2、0.008 3、0.009 5、0.015 8。 不同圍壓下，煤巖變形階段基本可劃分為壓密階段、彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、峰后破壞階段5 個階段。 單軸壓縮狀態(tài)下，煤巖有明顯壓密階段，由于煤巖體自身內部缺陷及裂隙較多，導致加載過程中應力局部釋放使其應力-應變曲線有較多突變。 隨著圍壓升高，煤巖內部裂隙被提前壓密，其壓密階段變短、塑性階段變長。 隨著圍壓升高煤巖破壞強度和應變均有顯著增長，整體由脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐?，但和軟巖不同，無過多殘余強度。 說明低圍壓下煤巖內部裂隙發(fā)育狀況為強度主要影響因素，高圍壓下煤巖內部裂隙發(fā)育影響因素降低，其強度更依賴于其巖體自身特性。 對于具有沖擊傾向性的煤巖，其破壞強度越大則應變越大，其峰前應力-應變曲線下包裹面積越大，說明內部儲存彈性能越多，破壞時會瞬間釋放更多能量，更易造成巖體突然破碎、巷道失穩(wěn)。

2.2 一定應力水平下煤巖動載誘發(fā)試驗分析

1）圍壓12 MPa 下靜載與動載誘發(fā)試件的全應力-應變曲線及動載的應力-應變-時程曲線如圖3所示。

如圖3a 所示，靜載下煤巖破壞強度為61.5 MPa，峰值應變?yōu)?.009 7，動載誘發(fā)后煤巖破壞強度34.8 MPa，峰值應變?yōu)?.006 8；強度降低43.4%，峰值應變降低29.9%。 可知動載誘發(fā)后煤巖在動載沖擊作用下強度劣化明顯且提前進入塑性破壞階段。 如圖3b 所示，動載前應力-應變呈線性關系遞增，動載下應力與應變變化同步。 煤巖在靜載10 MPa（彈性階段）時進行動載加載，動載完成后應力恢復但應變增長0.000 71，未完全恢復。 說明動載導致煤巖在彈性階段發(fā)生提前屈服，內部裂隙二次發(fā)育。

圖3 動載誘發(fā)后煤巖破壞曲線Fig.3 Coal rock failure curves induced by dynamic loading

2）對圍壓12 MPa 下靜載與動載分級加載破壞試驗試件進行對比，繪制其全應力-應變曲線及應力-應變-時程曲線，如圖4 所示。

如圖4a 所示：動載分級加載破壞后煤巖峰值強度29.7 MPa，峰值應變?yōu)?.007 6，靜載下煤巖破壞強度為61.5 MPa，峰值應變?yōu)?.009 7；強度與靜載相比降低51.7%，與圖3a 動載誘發(fā)試驗相比降低14.7%。 可知煤巖分級動載加載后強度會進一步劣化但劣化程度較低，說明首次動載強度是煤巖破壞強度極限的主導因素，但動載時間增加會對其產生疲勞損傷，進一步降低其破壞強度。 由圖4b 可知軸向應力10 MPa 時動載加載后應變增量約0.000 74，軸向應力15 MPa 時動載后應變增量約0.000 68，軸向應力20 MPa 時動載下直接發(fā)生破壞，無明顯塑性變形。 與圖3 動載誘發(fā)試驗相比：同樣在靜載應力10 MPa 下，動載加載1 min 與10 min 引起應變增長量相近，說明動載強度較小時煤巖在長時間動載加載下應變不會持續(xù)增加，強度劣化及內部裂隙發(fā)育會逐漸停止。 軸向靜載應力20 MPa 再施加動載，煤巖發(fā)生突然脆性破壞。 綜上說明隨著軸向應力增加煤巖再次受到動載擾動后達到破壞存在靜力荷載狀態(tài)的臨界值（以下簡稱臨界靜載），未達到臨界靜載時煤巖在一定強度動載加載下應變增長會逐漸停止并達到穩(wěn)定狀態(tài)，達到臨界靜載后煤巖應變迅速增加發(fā)生破壞，基本無塑性變形。 本試驗煤巖臨界靜載應力約為20 MPa。

圖4 考慮時間效應動載分級加載破壞后煤巖破壞曲線Fig.4 Coal rock failure curves after time-effect dynamic step loading failure

2.3 煤巖動靜載下破壞聲發(fā)射能量演化分析

當巖石內部裂隙發(fā)育時會有彈性能釋放，可通過檢測傳播到表面的剩余彈性能量來反映巖石內部裂隙的發(fā)育程度，通常由聲發(fā)射能量（AE）表示。 沖擊傾向性煤巖的破壞與能量釋放有關，因此通過聲發(fā)射能量分析煤巖不同應力階段下內部能量的演化特征及規(guī)律差異。

1）對靜載單軸、三軸試驗，動載誘發(fā)、動載分級加載破壞試驗分別進行聲發(fā)射能量事件對比分析如圖5 所示。

由圖5a 圖5b 可得，對于單軸試驗，煤巖內部初始裂隙發(fā)育，在加載過程中應力隨著裂隙閉合不斷釋放，在應力突變階段能量發(fā)生躍遷，峰值破壞階段能量躍遷達到最大，聲發(fā)射能量約5.6 mV·s。 靜載三軸條件下煤巖在圍壓下已基本完成壓密，在峰值前加載階段應力曲線光滑，能量基本無變化；應力峰值及峰后階段隨著應力逐漸釋放，能量事件頻繁發(fā)生，應力達到峰值時能量達到最大，聲發(fā)射能量約7.2 mV·s。 對比可知靜載單軸、三軸條件下，煤巖均在應力峰值附近能量達到最大，且圍壓下峰值破壞能量明顯大于單軸狀態(tài)。 說明靜載條件下煤巖破壞應力與聲發(fā)射能量呈正相關，應力水平越高其破壞時能量釋放量越大。

圖5 動、靜載下煤巖聲發(fā)射特征Fig.5 Characteristic of acoustic emission energy of coal rock under dynamic and static loading

由圖5c 可得，煤巖在動載前靜載階段能量基本無變化，在動載加載階段其沖擊動能導致煤巖內部裂隙再次發(fā)育，造成煤巖內部彈性能釋放，能量發(fā)生躍遷；動載后直到煤巖靜載加載到之前動載應力最大值前能量基本無變化，體現(xiàn)了聲發(fā)射凱澤效應。峰值后能量再次發(fā)生躍遷，且能量遠大于動載加載階段，最大約11 mV·s。 由圖5d 可得，每階段動載加載均有能量事件產生，但能量事件主要發(fā)生在動載初期階段并未持續(xù)整個動載加載過程。 根據(jù)聲發(fā)射能量產生原理可知未達到破壞應力前，動載加載導致煤巖內部裂隙發(fā)育達到了一個穩(wěn)定狀態(tài)，應變及裂隙發(fā)育并未隨著動載加載時間增長而持續(xù)發(fā)展，與2.2 節(jié)中破壞曲線得出結論一致，此特性可作為煤巖在動載中是否達到穩(wěn)定狀態(tài)的判別依據(jù)。 三個動載加載階段能量逐漸增大，且每階段動載加載結束后再靜載加載直到先前動載最大應力水平前無能量事件產生，有明顯聲發(fā)射凱澤效應。 能量最大值發(fā)生在煤巖峰值破壞階段，約11.5 mV·s。 說明越接近煤巖破壞強度，動載導致煤巖內部裂隙發(fā)育越迅速，能量釋放越大，此特性可作為判別煤巖動載下臨近破壞的征兆。

綜上所述：靜載下煤巖破壞時應力越大其能量躍遷越大；動載擾動可導致煤巖破壞前內部儲存更多彈性能，破壞后相比靜載可釋放更多能量；動、靜載下能量最大值均發(fā)生在峰值破壞應力附近。 動載后煤巖聲發(fā)射凱澤效應明顯，可據(jù)此判斷煤巖先期動載最大應力水平。

2）對圍壓12 MPa 的煤巖不同破壞形態(tài)與聲發(fā)射最終破壞區(qū)域進行對比分析（圖6）。

由圖6a、圖6d 可得，靜載下煤巖為單向剪切破壞，形成貫通的剪切破裂面；聲發(fā)射定位點主要分布在煤巖中心，沿破壞面向兩側擴展，與煤巖主破壞方向一致，表明煤巖破壞首先從內部開始逐漸貫通至煤巖表面。 由圖6b、圖6e 可得，動載誘發(fā)下煤巖破壞后表面形成多條豎向裂縫呈橫向拉伸破壞，聲發(fā)射定位點主要分布在煤巖內部及煤巖表面，表明煤巖破壞從內部開始擴展至表面。 由圖6c、圖6f 可得，動載分級加載至破壞后煤巖內部破壞嚴重，呈碎屑狀，聲發(fā)射定位點的密集分布狀況表明煤巖內部破壞嚴重。 可知靜載、動載誘發(fā)、動載分級加載破壞3 種加載方式下，煤巖破壞有明顯差異。 即，破裂面明顯增多，破壞程度愈加嚴重，由剪切破壞轉變?yōu)闄M向拉伸破壞。 由上述試驗可知聲發(fā)射點可有效定位動靜載下煤巖裂隙發(fā)育區(qū)域及主破壞方向。

圖6 動靜載下煤巖聲發(fā)射定位Fig.6 Acoustic emission location of coal rock under dynamic and static loads

3 結 論

1）煤巖靜載試驗結果表明：煤巖變形可分為壓密、彈性、彈塑性、塑性、峰后破壞5 個階段。 隨著圍壓增加其峰值強度及應變顯著提高，儲存彈性能能力增加。 煤巖大多呈單向剪切破壞，有明顯貫通剪切破裂面。

2）煤巖動載誘發(fā)試驗結果表明：在一定應力水平下經(jīng)動載誘發(fā)后煤巖表面出現(xiàn)數(shù)條縱向裂縫，呈橫向拉伸破壞，破壞后強度劣化明顯。 煤巖動載加載時發(fā)生能量躍遷，動載停止后應變未完全恢復，發(fā)生屈服變形，峰值應變降低。 峰后破壞階段能量事件頻繁產生，遠大于動載加載階段。

3）煤巖動載分級加載試驗結果表明：煤巖破壞后內部呈碎屑狀，不同應力階段動載加載初期均有能量事件產生。 煤巖動載破壞臨界靜載約20 MPa，未達到臨界靜載時在較低動載作用下應變增長會逐漸停止，達到臨界靜載后會發(fā)生迅速破壞。

4）煤巖動、靜載下聲發(fā)射能量檢測結果表明：動、靜載下煤巖聲發(fā)射事件主要出現(xiàn)在動載加載初期及峰后變形階段，能量釋放與煤巖應力水平呈正相關。 煤巖動載下儲存彈性能增加，破壞后能量釋放遠大于靜載。 動載后煤巖進行靜態(tài)加載，達到其動載最大應力水平前基本無能量事件產生，動載后聲發(fā)射凱澤效應明顯；聲發(fā)射定位可有效反映其破壞區(qū)域及主破壞方向。 可由煤巖聲發(fā)射能量事件變化規(guī)律判別其所處應力狀態(tài)及先期所受動載強度。