不同孔徑?jīng)_擊傾向性煤樣破壞特征能量演化規(guī)律

來(lái)興平，任杰，單鵬飛，崔峰，曹建濤，劉伯偉，楊彥斌

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安，710054；2.西安科技大學(xué)教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710054)

隨著煤炭資源需求量日益增加，煤礦的開(kāi)采深度也在逐步增加，深部采場(chǎng)所受的地應(yīng)力也將急劇增大。在深部開(kāi)采過(guò)程中，沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的頻發(fā)給煤炭資源高效安全開(kāi)采帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1?3]。學(xué)者們對(duì)沖擊地壓作用機(jī)理提出眾多理論，其中，能量釋放理論的作用機(jī)理被認(rèn)為較合理。因此，基于該理論，針對(duì)沖擊地壓防控手段，學(xué)者們提出了以原位改性的方式進(jìn)行注水軟化、卸壓鉆孔和爆破等對(duì)圍巖弱化，最終達(dá)到能量釋放的目的。以卸壓孔為例，人為構(gòu)造巖體內(nèi)部弱面能有效降低巖體強(qiáng)度，達(dá)到引導(dǎo)巖層平穩(wěn)斷裂的目的。國(guó)內(nèi)眾多礦井采用該方式對(duì)能量、應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行能量疏放，該方式已成為預(yù)防和控制沖擊地壓的主要手段。

由于西部地區(qū)常年降水稀少，長(zhǎng)期處于干旱半干旱狀態(tài)，因此，煤體脆性增強(qiáng)，原生裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低，易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象。在加載過(guò)程中，煤體更易發(fā)生損傷和破裂，使用聲發(fā)射可以較準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)破壞所產(chǎn)生的應(yīng)力波，從而根據(jù)監(jiān)測(cè)所得結(jié)果有效地反演損傷破裂過(guò)程中的關(guān)鍵破壞信號(hào)。

巖層在發(fā)生彎曲變形、斷裂的過(guò)程中都伴隨著能量的輸入、存儲(chǔ)和耗散。針對(duì)孔洞巖體在加載過(guò)程中的能量演化機(jī)制和巖體的損傷破裂狀態(tài)，眾多學(xué)者展開(kāi)了大量基礎(chǔ)性研究。謝和平等[4?5]研究發(fā)現(xiàn)：在巖石加載過(guò)程中，隨著能量輸入、能量耗散與釋放，巖石的破裂經(jīng)歷著局部破壞到整體的災(zāi)變的劣化過(guò)程；李地元等[6?8]等利用霍普金森壓桿對(duì)孔洞試塊進(jìn)行沖擊加載和有限元/離散元耦合以及高速攝影，分析試塊破壞過(guò)程的破壞模式和裂紋擴(kuò)展特性；楊圣奇等[9]利用電鏡掃描和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試塊不同應(yīng)力下孔洞周邊裂紋演化和貫通過(guò)程，并再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裂紋擴(kuò)展特征；劉招偉等[10]利用數(shù)字散斑等圖像處理技術(shù)對(duì)單孔洞單軸壓縮過(guò)程中巖表面位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)以及其變形破裂規(guī)律進(jìn)行研究；伍天華等[11?12]將數(shù)字圖像技術(shù)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)與PFC2D相結(jié)合，針對(duì)含孔?隙類巖進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)，得出孔?隙相互作用下試塊力學(xué)特征以及裂紋孕育規(guī)律；宮鳳強(qiáng)等[13?14]將14種不同巖性巖體在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，得出儲(chǔ)能系數(shù)以及線性儲(chǔ)能規(guī)律；左建平等[15]從能量角度出發(fā)分析脆性巖體在不同加載條件下的破裂形態(tài)過(guò)程，并提出在加載過(guò)程中的能量跌落系數(shù)來(lái)表征巖石破壞情況。

煤體從應(yīng)力集中至完全破裂前必然會(huì)有破壞預(yù)兆出現(xiàn)，因此，可以利用聲發(fā)射在煤樣加載過(guò)程中尋找破裂階段破壞特征信號(hào)[16?23]。關(guān)于孔洞煤體損傷破壞，眾多學(xué)者對(duì)巖體的裂紋擴(kuò)展和能量演化規(guī)律展開(kāi)了討論，而關(guān)于煤樣單軸加載峰值強(qiáng)度前的破裂階段破壞特征的能量和破裂關(guān)系研究較少。因此，本文針對(duì)峰前破裂階段，使用聲發(fā)射搜尋關(guān)鍵破壞特征信號(hào)，從而鎖定特征破壞點(diǎn)并對(duì)其能量進(jìn)行分析，以便為深部開(kāi)采過(guò)程動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)警提供科學(xué)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試塊選取與制備

新疆昌吉地區(qū)準(zhǔn)南煤田的寬溝煤礦為沖擊地壓礦井，現(xiàn)開(kāi)采的W1123主要開(kāi)采B2煤層，煤層平均傾角為14°，均厚為9.5 m。B2 煤層具有弱沖擊傾向性，其頂板具有強(qiáng)沖擊傾向性，在該工作面取煤樣制作試件以研究弱沖擊傾向性煤層的破壞特征及能量演化規(guī)律，指導(dǎo)工程實(shí)踐中沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及調(diào)控。

選取超聲波波速相對(duì)誤差小于2%的完整試樣，使用砂線切割鉆孔取樣，盡可能避免在切割過(guò)程中產(chǎn)生裂隙、裂紋等導(dǎo)致的二次損傷影響，減少數(shù)據(jù)的離散性，試塊尺寸及原完整試樣波速見(jiàn)表1。對(duì)切割試塊進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，在加載過(guò)程中，完整試塊的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變分別為34.632～36.251 MPa和0.032 8～0.033 1，小孔徑試塊的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變范圍分別為18.523～21.281 MPa和0.025 3～0.028 2，大孔徑的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變分別為16.238～18.532 MPa和0.074 3～0.093 5。

表1 不同孔徑煤樣尺寸及原巖超聲波探損Table 1 Different pore sizes of coal sample and ultrasonic damage detection

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

使用RMT-150 B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，在垂直于煤樣孔洞軸方向，以加載速率0.2 kN/s對(duì)煤樣進(jìn)行垂交加載。為了監(jiān)測(cè)煤樣在加載過(guò)程中宏觀破裂，使用高速相機(jī)對(duì)試塊受載過(guò)程實(shí)時(shí)拍攝，并用DS5 全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀監(jiān)測(cè)煤樣損傷變化信號(hào)，在試塊的左右兩側(cè)各布置1 個(gè)聲發(fā)射探頭。采樣儀的采樣頻率為1～400 kHz，采樣率為3 MHz，前置放大器提供40 dB 固定增益，檢測(cè)門檻設(shè)為100 dB。試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

2 孔洞煤樣加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤體加載能量演化機(jī)理

在進(jìn)行加載破壞過(guò)程中需要對(duì)巖石進(jìn)行能量輸入，使巖石完成形態(tài)轉(zhuǎn)變[24]。假設(shè)在加載過(guò)程中煤樣與外界不存在熱交換，煤樣為封閉熱力學(xué)系統(tǒng)。因此，在加載過(guò)程中，煤樣存在3種能量交換(如圖2所示)，即總輸入能U、彈性應(yīng)變能Ue、耗散能Ud。由熱力學(xué)第一定律可知：

煤樣在應(yīng)力空間范圍內(nèi)單元能量關(guān)系為[25]：

式中，σ1，σ2和σ3分別為最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；ε1，ε2和ε3分別為對(duì)應(yīng)于σ1，σ2和σ3的應(yīng)變。

根據(jù)胡克定理，在單軸壓縮加載條件下，不考慮側(cè)向應(yīng)力，式(3)可改寫為

式中：E0為煤樣加載過(guò)程初始彈性模量，為線性階段應(yīng)力增量和應(yīng)變?cè)隽康谋戎怠?/p>

在加載過(guò)程中，煤巖體受到應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化2種機(jī)制交叉作用發(fā)生破裂。應(yīng)變硬化機(jī)制積聚的能量越多，巖體在抵抗破壞能力越強(qiáng)，而應(yīng)變軟化機(jī)制則削弱巖體抗壓強(qiáng)度。

2.2 不同加載階段損傷演化規(guī)律

發(fā)生沖擊地壓時(shí)，大量能量輸入煤體，使得煤體內(nèi)部發(fā)生破裂導(dǎo)致煤體整體強(qiáng)度劣化。煤體在發(fā)生強(qiáng)度劣化的過(guò)程中伴隨著能量耗散，因此，這一過(guò)程中會(huì)有能量耗散特征點(diǎn)。而在單軸加載至破裂階段時(shí)，煤樣的能量開(kāi)始大量耗散，與煤體發(fā)生沖擊時(shí)的能量耗散相似。因此，為探究該階段破裂時(shí)破壞能量特征情況，根據(jù)煤樣加載中應(yīng)力?應(yīng)變曲線和聲發(fā)射事件演化規(guī)律，將煤樣垂交受載全過(guò)程劃分為原生裂隙壓密、彈性儲(chǔ)能階段、破裂階段和峰后階段。煤樣加載過(guò)程中應(yīng)力?能量?聲發(fā)射隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同孔徑煤樣應(yīng)力?能量?聲發(fā)射演化曲線Fig.3 Stress?energy?AE evolution curves of coal mass with different pore sizes

在內(nèi)部裂隙壓密階段Ⅰ，煤樣內(nèi)部微裂紋及裂隙壓實(shí)閉合，應(yīng)力?應(yīng)變曲線下凹。聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量呈現(xiàn)隨著鉆孔孔徑的增加而變大的趨勢(shì)。輸入能量和彈性應(yīng)變能在該階段開(kāi)始呈指數(shù)形式上升，同時(shí)，由于巖體內(nèi)部微裂隙的閉合壓實(shí)以及破裂面間的相互摩擦，導(dǎo)致造成一部分能量耗散。

在彈性階段Ⅱ，原有裂紋繼續(xù)壓實(shí)，同時(shí)新裂隙萌發(fā)，煤樣應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系近似為線性正相關(guān)。聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，累計(jì)能量曲線逐步快速上升，隨著孔徑半徑增加，該階段的振鈴計(jì)數(shù)增加和累計(jì)能量呈增大趨勢(shì)，輸入能和彈性應(yīng)變能呈近線性增加，由于此時(shí)煤樣表現(xiàn)為彈性，并未有過(guò)多的損傷形成，沒(méi)有產(chǎn)生能量耗散，因此，耗散能逐漸減小。

在破裂階段Ⅲ，裂紋快速交叉貫通擴(kuò)展形成破裂，整個(gè)試塊宏觀形成破裂破壞，不同孔徑試塊的變形模量均增大，振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量極速增加；隨著鉆孔孔徑的增大，累計(jì)能量表現(xiàn)出變大的趨勢(shì)。該階段內(nèi)，煤樣壓縮屈服能量極速輸入，彈性應(yīng)變能快速升高，使其發(fā)生變形破裂的能量開(kāi)始快速釋放，耗散能快速增加。

在峰后階段Ⅳ，煤樣內(nèi)部形成貫通主裂紋，使得承載能力迅速下降，但仍具有一定的承載力，因此，在該階段，振鈴計(jì)數(shù)快速減少并保持在一個(gè)極低的水平，但累計(jì)能量基本保持不變。隨著加載壓力的逐漸減小，輸入能量緩慢遞增，由于煤樣此時(shí)已經(jīng)完全破碎彈性應(yīng)變能快速降低，因此，耗散能量飛速上升。

完整煤樣在加載破壞過(guò)程中曲線應(yīng)力?應(yīng)變曲線變化相對(duì)平滑，聲發(fā)射在破裂階段的累計(jì)能量平滑上升，振鈴計(jì)數(shù)峰值處激增。煤樣在加載過(guò)程中內(nèi)部單元受力均勻，應(yīng)力不斷積聚，所萌發(fā)擴(kuò)展的裂隙在煤樣內(nèi)均勻分布，達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，巖體強(qiáng)度失效裂紋貫通，巖體破壞表現(xiàn)突發(fā)式破壞。隨著孔徑的逐步增大，耗散能曲線變化開(kāi)始逐漸升高，同時(shí)，破裂階段AE累計(jì)能量表現(xiàn)出直線上升，并在該階段振鈴逐漸頻繁觸發(fā)，表明孔洞煤樣在外部加載破壞過(guò)程中巖體內(nèi)部單元表現(xiàn)受力的不均勻性，在孔洞周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，導(dǎo)致巖體內(nèi)部大范圍不均勻出現(xiàn)裂隙的萌發(fā)擴(kuò)展，最終煤樣斷裂在應(yīng)力峰值處貫通使強(qiáng)度發(fā)生劣化。不同孔徑煤樣耗散能曲線彈性階段在加載過(guò)程中衰減，當(dāng)荷載加載到破裂階段時(shí)耗散能曲線開(kāi)始逐步上升，說(shuō)明在巖體在彈性儲(chǔ)能階段將外部輸入的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，在破裂階段裂隙之間快速貫通進(jìn)行能量釋放。同時(shí)，隨著孔徑的增大，不同孔徑煤樣破裂階段耗散能曲線變化趨于平緩，說(shuō)明在該階段煤樣內(nèi)部裂隙的萌發(fā)貫通受到孔洞增大的影響，導(dǎo)致巖體破裂減少。

3 孔洞煤樣特征破裂分析

3.1 特征信號(hào)的遴選

聲發(fā)射可以監(jiān)測(cè)到煤樣加載過(guò)程中的裂隙壓密、裂紋萌生擴(kuò)展、摩擦滑移等損傷現(xiàn)象產(chǎn)生的大量應(yīng)力波信號(hào)。一些關(guān)鍵裂紋萌生、擴(kuò)展以及斷裂導(dǎo)致試塊失穩(wěn)破壞，因此，通過(guò)分析煤樣關(guān)鍵破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)可以有效分析煤樣在加載過(guò)程中的損傷變化特征規(guī)律。將收集到的信號(hào)si(1≤i≤n)組成集合S，則S=[s1，s2，…，sn?1，sn]，巖石損傷破裂中所監(jiān)測(cè)到信號(hào)si攜帶能量ei，則破壞全過(guò)程監(jiān)測(cè)到的能量集合E=[e1，e2，…，en?1，en]。

利用煤樣在垂交受載過(guò)程中不同能量貢獻(xiàn)率計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的頻數(shù)fi(i=1，2，3，…，n)，再計(jì)算累計(jì)能量貢獻(xiàn)率βi：

將所得信號(hào)篩選能量貢獻(xiàn)率在85%～95%間的平均值作為初步遴選的閾值Q，最終遴選閾值為Qs，計(jì)算公式分別為：

式中：Emax為所監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)中能量最大值；R為能量大于初步遴選閾值后的信號(hào)數(shù)量占比。最終遴選后所得到的破壞前兆特征能量信號(hào)集合SF為：

根據(jù)特征能量信號(hào)遴選方法計(jì)算得到的特征能量閾值Qs、特征能量信號(hào)情況及特征點(diǎn)占比結(jié)果見(jiàn)表2。剔除了大量低能信號(hào)后，分析信號(hào)數(shù)量明顯減少，特征點(diǎn)信號(hào)僅占全部信號(hào)的0.014 26%～0.175 8%；隨著孔徑增加，在加載過(guò)程中特征能量信號(hào)平均數(shù)量由3.33個(gè)增加到9.33個(gè)。

表2 聲發(fā)射特征能量信遴選結(jié)果Table 2 Selection results of AE characteristic energy letter

不同孔徑煤樣破壞特征信號(hào)時(shí)效分布如圖4所示。從圖4可以看出：在加載過(guò)程中，完整煤樣的大能量破壞信號(hào)較少，煤樣一直處于能量不斷輸入的狀態(tài)；隨著孔徑的增大，孔洞煤樣特征能量信號(hào)占比減少了約55.318%；在加載過(guò)程中，隨著煤樣損傷破裂的加劇，完整煤樣破壞特征點(diǎn)集中在破裂階段，而孔徑出現(xiàn)后，破壞特征點(diǎn)分布由集中出現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槊簶蛹虞d破壞散布。因此，加載過(guò)程前期，完整煤樣應(yīng)力不斷積聚，煤樣沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)鍵的損傷破壞并進(jìn)行能量釋放，最終煤樣劣化時(shí)將儲(chǔ)存的能量瞬間釋放造成沖擊破壞?？锥闯霈F(xiàn)后，煤樣在加載過(guò)程中不斷出現(xiàn)關(guān)鍵破壞，應(yīng)力無(wú)法積聚，從而造成煤樣強(qiáng)度降低。隨著孔徑的增加，破壞特征個(gè)數(shù)增加，由此可以看出：孔洞可使煤樣在加載過(guò)程中利用關(guān)鍵位置破裂實(shí)現(xiàn)能量在峰值應(yīng)力前出現(xiàn)能量分級(jí)逐步釋放。同時(shí)，不同孔徑煤樣在峰前破裂階段破壞的特征信號(hào)均為3個(gè)，煤樣破裂最終由破壞特征宏觀起裂點(diǎn)A、破裂過(guò)渡點(diǎn)B以及劣化失穩(wěn)點(diǎn)C共同作用導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展致使其失穩(wěn)。

圖4 不同孔徑煤樣破壞特征信號(hào)時(shí)效分布Fig.4 Aging distribution of disaster-causing characteristic signals of coal mass with different pore sizes

3.2 強(qiáng)度失效能量演化分析

由于孔洞煤樣內(nèi)部存在圓拱結(jié)構(gòu)，對(duì)煤樣進(jìn)行垂交受載時(shí)，孔壁周邊形成一個(gè)應(yīng)力集中的區(qū)域，導(dǎo)致煤樣對(duì)外部施加荷載具有一定抵抗能力。在加載過(guò)程中，受孔洞周邊應(yīng)力集中的影響，通過(guò)關(guān)鍵位置破裂的方式將儲(chǔ)存的彈性能分級(jí)逐步釋放耗散?？锥疵簶拥哪芰亢纳⒎从沉嗣簶釉诩虞d中的裂紋擴(kuò)展、整體破裂的強(qiáng)度變化情況。因此，可基于煤樣能量耗散機(jī)制，通過(guò)耗散能Ud與彈性應(yīng)變能Ue之比K描述孔洞煤樣加載過(guò)程中破壞情況：

不同孔徑煤樣彈性應(yīng)變能耗散比與應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖5可見(jiàn)：在裂隙壓密階段，不同孔徑煤樣均發(fā)生彈性應(yīng)變能耗散比急劇增高，躍過(guò)峰值后快速衰減并且隨著孔徑的增大衰減速率增大。原生裂隙的閉合導(dǎo)致在該階段發(fā)生能量耗散，躍過(guò)峰值后，大部分原生裂隙閉合，彈性應(yīng)變能快速儲(chǔ)存。這是因?yàn)?，雖然選取的超聲波波速相近，鉆孔的原煤試樣初始損傷相近，但對(duì)原煤試樣使用砂線進(jìn)行鉆孔仍會(huì)帶來(lái)二次擾動(dòng)損傷，在初始?jí)好茈A段，煤樣輸入能量無(wú)法大量?jī)?chǔ)存，在原生裂隙閉合過(guò)程中耗散。在裂隙壓密階段，孔徑為0，10和20 mm的煤樣的K平均值分別為2.662，1.600，21.946。

圖5 不同孔徑煤樣彈性應(yīng)變能耗散比的變化曲線Fig.5 Change curves of elastic strain energy dissipation ratio of coal samples with different pore diameters

在彈性階段，不同孔徑煤樣彈性能耗散比K近似表現(xiàn)線性遞減趨勢(shì)，而且孔徑增大使得K遞減速率變化增大。表明在該階段煤樣內(nèi)部裂隙的萌發(fā)和擴(kuò)展仍在持續(xù)進(jìn)行，但是彈性應(yīng)變能的儲(chǔ)存占據(jù)著主導(dǎo)地位，該過(guò)程能量耗散較少?？讖降脑龃笠种屏丝锥粗苓吤后w的損傷破壞，降低了能量的耗散，因此，在彈性階段，彈性能耗散比K快速衰減。在破裂階段，隨著孔徑增加，彈性應(yīng)變能耗散比K漸趨向于平穩(wěn)。這主要是由于內(nèi)置結(jié)構(gòu)的形成使得應(yīng)力在結(jié)構(gòu)周邊形成了應(yīng)力集中區(qū)，由關(guān)鍵破裂影響煤樣破壞。因此，孔洞的存在在一定程度上減少了破裂階段裂紋擴(kuò)展的數(shù)量，使得煤樣破裂維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。煤樣內(nèi)置孔洞孔徑的增大加速了煤樣的失穩(wěn)，導(dǎo)致煤樣加載時(shí)儲(chǔ)存的彈性能在劣化失穩(wěn)前快速大量釋放，因此，造成了大直徑孔洞煤樣整體K在破裂階段呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4 討論

結(jié)合破裂階段破壞特征信號(hào)，關(guān)鍵點(diǎn)彈性應(yīng)變能耗散比變化如圖6所示。從圖6可見(jiàn)：隨孔徑增大，煤樣宏觀起裂點(diǎn)A和劣化失穩(wěn)點(diǎn)C的彈性應(yīng)變能耗散比K表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，而破裂過(guò)渡點(diǎn)B表現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢(shì)。

圖6 關(guān)鍵點(diǎn)彈性應(yīng)變能耗散變化曲線Fig.6 Variation curves of elastic strain energy dissipation at key points

孔洞的存在導(dǎo)致試樣強(qiáng)度劣化。由于小孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)周邊煤巖體單元的損傷起到了抑制作用，煤樣在加載過(guò)程中因破裂耗散的能量減少，致使小孔徑試塊在宏觀起裂點(diǎn)A彈性應(yīng)變能耗散比降低。隨著孔徑增大，大孔徑孔洞周邊所積聚的應(yīng)力增大。大直徑孔洞結(jié)構(gòu)受煤體強(qiáng)度的影響不足以支撐孔洞周邊應(yīng)力不斷積聚的應(yīng)力，導(dǎo)致孔洞結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)和積聚的能量快速耗散，因此，大孔徑煤樣起裂點(diǎn)A彈性能耗散比遠(yuǎn)比其他煤樣的大。過(guò)渡點(diǎn)B的彈性能耗散比K持續(xù)升高則是受到孔洞影響，試樣破裂加速進(jìn)行，能量在這個(gè)階段耗加速耗散。劣化失穩(wěn)點(diǎn)C的彈性能耗散比K先下降后升高，煤樣受小孔洞的影響在達(dá)到峰值應(yīng)力前能量大量耗散，使得小孔徑煤樣在最終斷裂時(shí)K降低。大孔徑煤樣在劣化失穩(wěn)點(diǎn)C處的耗散比K急劇升高，這是因?yàn)榇罂锥粗苓叾诜e的能量無(wú)法在加載時(shí)有效釋放，在最終斷裂的瞬間，囤積的能量急速釋放，造成煤樣快速失穩(wěn)破壞。大孔徑煤樣在起裂點(diǎn)A已經(jīng)劣化無(wú)法儲(chǔ)能，同時(shí)，加載所輸入的能量逐漸耗散，因此，大孔徑煤樣在整個(gè)破裂階段彈性能耗散比K逐漸降低。

未經(jīng)卸壓的煤層在開(kāi)采過(guò)程中極易發(fā)生應(yīng)力和能量積聚。當(dāng)煤層應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，煤體累積的能量快速全部釋放，最終導(dǎo)致沖擊地壓事件發(fā)生。而對(duì)煤層進(jìn)行卸壓處理后，煤體應(yīng)力在達(dá)到峰值前會(huì)由關(guān)鍵特征能量位置逐漸斷裂，此時(shí)，煤層發(fā)生緩慢失穩(wěn)，積聚的能量逐步釋放，最終使煤層在峰值應(yīng)力處突發(fā)破壞所釋放的能量降低。隨著卸壓孔徑增大，煤層中關(guān)鍵特征能量位置也逐漸增多，煤層斷裂破壞過(guò)程所耗散的能量也逐漸增大。

5 結(jié)論

1)完整煤樣在應(yīng)力積聚的作用下，破裂階段內(nèi)部裂隙均勻發(fā)育，最終巖體強(qiáng)度失效。煤樣在破裂階段快速破裂，振鈴計(jì)數(shù)激增，煤樣發(fā)生突發(fā)破壞，耗散能快速釋放?？锥疵簶釉诩虞d過(guò)程中振鈴計(jì)數(shù)驟減，強(qiáng)度劣化將積聚的彈性應(yīng)變能大量釋放。孔洞的存在減緩煤樣強(qiáng)度劣化，在外部加載破壞過(guò)程中，在孔洞周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，導(dǎo)致巖體內(nèi)部大范圍不均勻出現(xiàn)裂隙的萌發(fā)擴(kuò)展，最終巖體峰值處破裂強(qiáng)度發(fā)生劣化。

2)煤樣加載時(shí)，破壞特征能量點(diǎn)的數(shù)量隨著孔徑的增加而增加，使得應(yīng)力受關(guān)鍵破壞的影響無(wú)法積聚，輸入的能量通過(guò)關(guān)鍵破壞位置的影響將分級(jí)逐步釋放。

3)在壓密階段，不同孔徑的煤樣彈性應(yīng)變能耗散比K均表現(xiàn)出先減小后減增大的趨勢(shì)；在彈塑性階段，K曲線呈下降趨勢(shì)，并且隨著孔徑的增大下降趨勢(shì)越大，表明隨著孔徑的增大，彈性能快速儲(chǔ)存速率增大；在破裂階段，隨煤樣孔徑的增加，K曲線變化逐漸減緩，并呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。

4)隨著煤樣孔徑增大，起裂點(diǎn)A和失穩(wěn)點(diǎn)C的耗散比K表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，而過(guò)渡點(diǎn)B表現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢(shì)。受到孔洞影響，煤樣在加載時(shí)能量耗散加劇，在整體劣化失穩(wěn)前，能量已經(jīng)釋放，煤樣峰值強(qiáng)度明顯下降，表明孔洞可以有效地實(shí)現(xiàn)卸壓降能的作用。

5)卸壓孔可以有效誘導(dǎo)煤層在關(guān)鍵位置處斷裂，提前釋放積聚的能量，使煤層失穩(wěn)時(shí)釋放能降低。同時(shí)，增大卸壓孔孔徑可以增大誘導(dǎo)煤層斷裂的位置，實(shí)現(xiàn)煤層破壞失穩(wěn)前能量分級(jí)的釋放，從而降低能量的積聚，避免沖擊地壓事件的發(fā)生。