深部煤巖三軸破斷行為與能量釋放的加載率效應(yīng)試驗(yàn)研究

謝晶，高明忠,2，張盛，付成行，彭高友，劉軍軍

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水利水電學(xué)院，四川成都，610065；2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東深圳，518060；3.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作，454003；4.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣東廣州，510000)

煤炭開(kāi)采問(wèn)題是典型的采動(dòng)巖石力學(xué)問(wèn)題，在人為開(kāi)采擾動(dòng)影響下，煤巖經(jīng)歷了由原巖應(yīng)力至靜態(tài)擾動(dòng)應(yīng)力或動(dòng)態(tài)擾動(dòng)應(yīng)力的復(fù)雜作用過(guò)程[1?2]。受煤層賦存條件、開(kāi)采方式、開(kāi)采深度等客觀因素影響，煤巖體往往處于不同的荷載速率水平下，進(jìn)而出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于荷載速率水平的擾動(dòng)力學(xué)行為特征，即擾動(dòng)巖體力學(xué)行為特征[3?7]。

針對(duì)巖石爆破、掘進(jìn)等過(guò)程中的擾動(dòng)力學(xué)相應(yīng)特征及規(guī)律，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開(kāi)展了諸多有意義的研究工作。李海濤等[8]對(duì)同一批次的煤樣進(jìn)行大跨度單軸加載試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明煤巖存在“臨界加載速率”。馬振乾等[9]指出，在單軸壓縮試驗(yàn)條件下，彈性應(yīng)變能與耗散應(yīng)變能隨加載速率的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，且耗散應(yīng)變能轉(zhuǎn)換速率對(duì)圍壓十分敏感。張澤天等[10]利用聲發(fā)射技術(shù)研究了卸荷條件下不同加載速率煤巖力學(xué)性質(zhì)以及聲發(fā)射時(shí)空演化機(jī)制，研究結(jié)果揭示了煤巖加載速率越大，聲發(fā)射事件、主裂隙的產(chǎn)生越早，而且隨著加載速率變大，煤巖由剪切破壞向張拉破壞轉(zhuǎn)變。HUANG等[11]對(duì)煤巖組合體進(jìn)行不同加載速率下的煤巖單軸壓縮試驗(yàn)，分析了加載速率和卸荷路徑對(duì)組合煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響。尹小濤等[12]采用Fish語(yǔ)言對(duì)顆粒流巖石數(shù)值模型進(jìn)行了不同加載速率下的單軸壓縮模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的提高，巖樣的剪切帶隨之逐漸擴(kuò)展，煤樣破壞形式呈現(xiàn)錐形。宋義敏等[13]通過(guò)對(duì)紅砂巖進(jìn)行不同加載速率下的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)字散斑分析方法，對(duì)加載速率與紅砂巖變形演化特征、能量積累和釋放特征和泊松比變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析。周陽(yáng)等[14]以千枚巖為研究對(duì)象，開(kāi)展了不同加載速率下千枚巖峰值強(qiáng)度分析，結(jié)果表明其峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的加載速率依賴(lài)性，隨加載速率的增加而逐漸增大。宮鳳強(qiáng)等[15?16]通過(guò)一系列單次加卸載實(shí)驗(yàn)，研究了多種巖石張拉和壓縮破壞過(guò)程中總輸入能、彈性能和耗散能隨卸載水平增大的規(guī)律及三者之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了巖石破壞過(guò)程中的線(xiàn)性?xún)?chǔ)能和耗能規(guī)律，并基于巖石壓縮過(guò)程中的線(xiàn)性?xún)?chǔ)能規(guī)律提出了剩余彈性能指數(shù)這一新的巖爆傾向性判據(jù)。GAO 等[17]等用高速攝像與數(shù)字散斑法相結(jié)合的方法記錄煤樣不同加載率沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程，并采用盒分形維數(shù)定量描述煤樣裂隙，得到了煤樣動(dòng)態(tài)裂隙的分形維數(shù)變化特性。

可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段研究了煤巖、鹽巖、砂巖等巖石在不同加載速率下的力學(xué)行為特征，普遍的研究結(jié)論是巖石抗壓強(qiáng)度隨著加載速率的增大而增大，其余力學(xué)參數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的加載速率敏感性。研究成果為巖體工程施工、礦山安全生產(chǎn)、地下能源與資源開(kāi)發(fā)等方面提供了必要的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)判據(jù)。

然而，現(xiàn)有研究結(jié)果多使用常規(guī)單軸試驗(yàn)方法開(kāi)展不同加載速率巖石破壞力學(xué)試驗(yàn)，引入圍壓作用的不同加載速率巖石力學(xué)行為特征研究還有待進(jìn)一步深入探索，同時(shí)，現(xiàn)有基于不同加載速率的巖石力學(xué)研究成果大多基于巖石特征參數(shù)如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等研究得到的，未探明不同加載速率下的巖石破壞過(guò)程中的能量釋放特征及裂紋演化規(guī)律?；诖?，本文通過(guò)開(kāi)展不同加載速率下的煤巖三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，從煤巖力學(xué)特性、破壞過(guò)程宏細(xì)觀特征、能量演化規(guī)律等方面探究加載速率對(duì)煤巖力學(xué)響應(yīng)特征的影響，以期為現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)速率的科學(xué)設(shè)置提供參考。

1 不同加載率下煤巖三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.1 取樣與試樣制備

同忻礦隸屬于大同煤礦有限責(zé)任公司，具有典型的“三硬(頂板硬、煤層硬、底板硬)+特厚”開(kāi)采條件，開(kāi)采速率(擾動(dòng)速率)是工作面周期性礦壓顯現(xiàn)、煤巖體破斷響應(yīng)、能量釋放程度的重要影響因素。所選試驗(yàn)樣品取自同忻礦北三盤(pán)區(qū)8309 工作面，該工作面位于同忻井田西部、北三盤(pán)區(qū)的西南部，工作面垂直埋深約為550 m。該工作面所采3～5號(hào)煤層屬于石炭二疊紀(jì)煤系，該煤層走向長(zhǎng)2 843 m，傾向長(zhǎng)200 m，面積568 600 m2；煤層厚度10.8～18.0 m，大部分區(qū)域平均厚度為14.88 m 左右，煤層傾角為0°～3°，平均傾角為1.5°。煤質(zhì)為黑色，半亮型，玻璃光澤，內(nèi)生裂隙發(fā)育，條帶狀結(jié)構(gòu)。制樣標(biāo)準(zhǔn)參照“煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法”[18]的規(guī)定進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)試件宜采用直徑為50 mm的圓柱體，高徑比為2±0.2。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用四川大學(xué)深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS815 Flex Test GT 巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(圖1)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同加載速率條件下的三軸壓縮測(cè)試，同時(shí)配備了美國(guó)PAC公司PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤巖單軸、三軸壓縮試驗(yàn)全過(guò)程聲發(fā)射事件、撞擊、振鈴、能量等信息。力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的主要參數(shù)包括：軸向荷載4 600 kN(壓縮)、軸向位移0～100 mm(±50 mm)；圍壓0～140 MPa；孔隙壓力0～140 MPa；孔隙壓差0～30 MPa。聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：A/D18位，帶寬頻率范圍0.001～3 MHz，最大信號(hào)幅度為100 dB，動(dòng)態(tài)范圍大于85 dB。試驗(yàn)中，可進(jìn)行試樣裂紋擴(kuò)展過(guò)程(即聲發(fā)射源的遷移軌跡)的實(shí)時(shí)線(xiàn)定位、面定位、體定位的圖形圖像顯示和儲(chǔ)存。

圖1 MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 MTS815 Flex Test GT rock mechanics testing system and acoustic emission monitoring system

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

考慮工作面埋深約550 m，垂直應(yīng)力梯度γ為25 kPa/m(采用經(jīng)驗(yàn)值)，假定8309 工作面煤樣處于靜水壓力狀態(tài)，則根據(jù)巖層厚度H和垂直應(yīng)力梯度γ估算煤巖垂直應(yīng)力σH和水平應(yīng)力σv均為13.75 MPa。為探究不同加載速率下煤巖基本力學(xué)參數(shù)及行為差異性特征，在5 種不同加載速率(0.018，0.054，0.108，0.162和0.243 mm/min)下進(jìn)行室內(nèi)假三軸加載試驗(yàn)，所有試驗(yàn)重復(fù)3次，共計(jì)15 個(gè)煤樣。煤巖三軸壓縮試驗(yàn)加載前先預(yù)加載2 kN軸力穩(wěn)定試樣，隨后以3 MPa/min的加載速率施加圍壓(σ2，σ3)和軸壓σ1至13.75 MPa，模擬工作面前方煤巖體應(yīng)力賦存環(huán)境；最后保持圍壓不變，分別以0.018，0.054，0.10，0.162和0.243 mm/min的速率施加軸壓至試樣破壞(加載速率通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)和加載經(jīng)驗(yàn)確定)。在試驗(yàn)過(guò)程中，以聲發(fā)射手段獲取煤巖失穩(wěn)破壞過(guò)程AE參數(shù)信息。

2 不同加載速率下煤巖三軸力學(xué)行為與響應(yīng)特征

2.1 不同加載速率下煤巖全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程

不同加載速率下常規(guī)三軸試驗(yàn)試樣典型應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)以及應(yīng)力?加載時(shí)間曲線(xiàn)如圖2所示。從圖2可見(jiàn)：應(yīng)力?加載時(shí)間曲線(xiàn)存在峰前轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分為圍壓加載階段和不同加載速率階段；在不同加載速率下，煤巖應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程以及峰后力學(xué)行為的時(shí)效響應(yīng)呈現(xiàn)顯著差異；隨著加載速率增加，煤巖試樣峰后應(yīng)力調(diào)整階段逐漸縮短；當(dāng)加載速率為0.018 mm/min 時(shí)，煤巖試樣破壞過(guò)程歷經(jīng)時(shí)長(zhǎng)均顯著高于其余加載速率工況的時(shí)長(zhǎng)；在低加載速率下，煤巖試樣表現(xiàn)出接近理想彈塑性，試樣進(jìn)入破壞階段后維持了較為穩(wěn)定的強(qiáng)度。

圖2 不同加載速率下煤巖試樣應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)和應(yīng)力?加載時(shí)間曲線(xiàn)Fig.2 Stress?strain curves Stress?loading time curves and of coal and rock samples under different loading rates

在不同加載速率下，煤巖軸向偏應(yīng)力峰值處于42～65 MPa范圍內(nèi)，煤巖試樣受壓過(guò)程無(wú)明顯壓密階段，峰前曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)彈性特征，接近破壞時(shí)仍具有較好線(xiàn)性變形特征，各煤巖試樣脆性特征顯著，煤巖強(qiáng)度降低至殘余應(yīng)力狀態(tài)后軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、體積應(yīng)變分別處于1.3%～1.85%，?1.4%～0.35%和?1.4%～?0.35%范圍內(nèi)，煤巖試樣力學(xué)特性受加載速率影響顯著。在加載速率由0.018 mm/min 逐漸增加至最大加載速率0.243 mm/min 過(guò)程中，煤巖試樣峰值應(yīng)力總先降低而后逐漸升高。將不同加載速率下煤巖三軸實(shí)驗(yàn)抗壓強(qiáng)度先降低而后升高的拐點(diǎn)視為臨界加載速率，本文煤巖試樣臨界加載速率為0.108 mm/min，當(dāng)加載速率為0.108 mm/min 時(shí)，煤巖試樣抗壓強(qiáng)度取得極小值。

試樣三軸抗壓強(qiáng)度與加載速率關(guān)系如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)加載速率由臨界加載速率增加至下一速度梯度時(shí)，煤巖試樣抗壓強(qiáng)度由極小值迅速躍變至某一較高水平抗壓強(qiáng)度，隨著加載速率的進(jìn)一步增大，應(yīng)力增加速率放緩，抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，表明當(dāng)加載速率處于0.108～0.162 mm/min時(shí)，試樣力學(xué)響應(yīng)行為對(duì)加載速率較為敏感。造成這一現(xiàn)象的原因在于：當(dāng)加載速率處于較低水平時(shí)，煤巖試樣外部圍壓效應(yīng)明顯，煤巖試樣破壞前歷經(jīng)了長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力調(diào)整過(guò)程，有效承載面積較大，對(duì)外表現(xiàn)出較高的抵抗外部荷載能力；隨著加載速率逐步提升，試樣外部圍壓效應(yīng)逐漸削弱，試樣內(nèi)微結(jié)構(gòu)未充分調(diào)整，試樣內(nèi)有效實(shí)體承載結(jié)構(gòu)并未充分發(fā)育，破斷主要沿著初始孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生，試樣抗壓強(qiáng)度隨加載速率提升逐漸降低；隨著加載速率進(jìn)一步提升，煤巖試樣加載速率效應(yīng)逐漸凸顯，試樣微結(jié)構(gòu)調(diào)整極度減弱，試樣內(nèi)巖石骨架迅速直接作為有效承壓結(jié)構(gòu)，巖石基質(zhì)破斷試樣抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

圖3 試樣三軸抗壓強(qiáng)度與加載速率關(guān)系Fig.3 Relationship between compression strength and different loading rates

2.2 不同加載速率下煤巖宏觀破壞特征

不同加載速率下煤巖試樣內(nèi)外部裂紋擴(kuò)展、連通特征及破壞形貌可較準(zhǔn)確地表征試樣受載過(guò)程失穩(wěn)破壞規(guī)律，從煤巖試樣內(nèi)外部裂紋發(fā)育規(guī)律入手，探究不同加載速率下煤巖試樣破壞形態(tài)差異性，可準(zhǔn)確把握不同加載速率下煤巖試樣力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。常規(guī)三軸煤巖試樣加載過(guò)程結(jié)束后，拍照記錄試樣失穩(wěn)破壞形態(tài)特征，選取試樣主要破壞面，借助AutoCAD 軟件描繪試樣表面裂紋擴(kuò)展發(fā)育情況。不同加載速率試樣宏觀破斷特征如圖4所示。從圖4可見(jiàn)：不同加載速率下常規(guī)三軸煤巖試樣破壞形式以壓剪破壞為主，伴生少量的劈裂豎向裂紋，試樣破壞主裂縫周?chē)樯欢〝?shù)量的細(xì)小裂紋，部分試樣加載速率效應(yīng)顯著，試樣下半部分產(chǎn)生2條以上貫通匯聚且寬度較大的主裂縫，試樣破壞后整體性較好。進(jìn)一步地，在不同加載速率下，常規(guī)三軸煤巖試樣表面裂紋復(fù)雜程度隨加載速率增加歷經(jīng)了先降低而后升高的演化過(guò)程，對(duì)比破壞形態(tài)，裂紋累計(jì)長(zhǎng)度最小值對(duì)應(yīng)加載速率主要集中在0.108 mm/min，在該加載速率下，煤巖試樣表面除產(chǎn)生貫通主裂縫外，僅萌生極少數(shù)量的伴生裂紋，試樣裂紋發(fā)育程度最低。由于裂紋擴(kuò)展是能量釋放過(guò)程的外在表現(xiàn)形式，表明該加載速率下煤巖試樣能量釋放量級(jí)低。該現(xiàn)象也初步印證了造成不同加載速率下煤巖強(qiáng)度變化的原因。

圖4 不同加載速率試樣宏觀破斷特征Fig.4 Macroscopic fracture characteristics of samples with different loading rates

3 不同加載速率下煤巖損傷破裂演化過(guò)程

3.1 煤巖微裂紋空間分布差異性特征

巖石材料在承受荷載或環(huán)境溫度變化時(shí)，由于其內(nèi)部大量微損傷的產(chǎn)生(即微裂紋或孔洞的萌生、擴(kuò)展與連接)導(dǎo)致材料力學(xué)性能劣化，在這個(gè)過(guò)程中伴隨著彈性應(yīng)變能的釋放，即聲發(fā)射(acoustic emission，AE)現(xiàn)象[19]。為進(jìn)一步探究不同加載速率下煤巖損傷破裂演化過(guò)程的差異性特征，基于三軸壓縮過(guò)程中AE實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，捕捉不同加載速率下AE事件的空間展布特征。

利用MATLAB 對(duì)不同加載速率煤巖單軸壓縮受載過(guò)程中的AE數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，獲得不同加載速率煤巖AE能量時(shí)空演化分布特征，詮釋不同加載速率煤巖單軸內(nèi)部微裂隙、微空洞發(fā)育拓展規(guī)律。以AE 事件點(diǎn)位置為坐標(biāo)，以能量為半徑，繪制球體，1 個(gè)“圓球”代表1次聲發(fā)射事件，不同顏色代表球的直徑，“圓球”越大、顏色越深，1次微破裂的能量越大。通過(guò)定義聲發(fā)射事件能量釋放級(jí)別表征微破裂(損傷)尺度，按照式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中：Mn代表AE能量釋放級(jí)別，為非負(fù)整數(shù)；En為單次AE事件釋放的能量，J。

在不同加載速率下，20%，40%，60%，80%，100%和120%峰值應(yīng)力σm水平處AE事件空間展布特征如圖5所示。從圖5可見(jiàn)：整體而言，多數(shù)試樣直到軸向應(yīng)力增加至峰值應(yīng)力的80%左右，才逐漸釋放出AE信號(hào)，側(cè)面表明試樣峰前損傷演化不顯著，脆性特征較為明顯；隨著加載速率的提高，試樣內(nèi)AE 事件數(shù)及AE 事件能量量級(jí)均隨著加載速率的增加經(jīng)歷了先降低而后增大的演化過(guò)程，拐點(diǎn)處于0.054～0.108 mm/min 加載速率區(qū)間；表明當(dāng)加載速率處于該加載速率區(qū)間時(shí)，試樣內(nèi)裂紋發(fā)育數(shù)量及發(fā)育程度均處于較低的水平，試樣內(nèi)隨應(yīng)力增加結(jié)構(gòu)調(diào)整較少；另外，在低加載速率下，煤巖試樣相較高加載速率煤巖試樣，試樣內(nèi)高水平AE 事件更多，但AE 事件數(shù)較少，該種現(xiàn)象表明較低加載速率下煤巖試樣裂紋發(fā)育不均勻，但裂紋發(fā)育程度高；相反，高加載速率下煤巖試樣內(nèi)部裂紋發(fā)育較為均勻，而發(fā)育程度低，該種裂紋發(fā)育情況的差異化特征決定了不同加載速率煤巖試樣力學(xué)響應(yīng)規(guī)律差異性。

圖5 不同加載速率煤巖三軸AE能量時(shí)空分布Fig.5 AE energy space-time distribution of coal with different loading rates

3.2 不同加載速率下煤巖微裂紋損傷特征

煤樣內(nèi)部微破裂時(shí)空演化的本質(zhì)是損傷的積累。為了進(jìn)一步定量探討不同加載速率下煤樣內(nèi)部微破裂時(shí)空演化特征，基于受載過(guò)程煤樣AE事件信息，開(kāi)展煤基質(zhì)損傷程度演化過(guò)程研究。由于各試樣峰后應(yīng)力調(diào)整階段不盡統(tǒng)一，此處僅研究試樣破壞峰前段AE損傷變量隨軸向應(yīng)變演化規(guī)律，因此，文中的損傷為峰值應(yīng)力損傷變量?？紤]到無(wú)損材料潛在破裂面(面積為S)完全喪失承載力時(shí)的累計(jì)AE振鈴計(jì)數(shù)為Fc，則計(jì)算煤巖試樣單位面積的累計(jì)AE 振鈴計(jì)數(shù)為Ft=Fc/S。當(dāng)損傷潛在破裂面面積達(dá)到Sd時(shí)，累計(jì)AE 振鈴計(jì)數(shù)為Fd=Ft·Sd=Fc·Sd/S，因此，可以得到[20]：

基于式(2)，獲取不同加載速率下常規(guī)煤巖三軸峰前段AE 損傷演化曲線(xiàn)。煤樣峰前段AE 損傷演化與加載速率關(guān)系如圖6所示。從圖6可見(jiàn)：不同加載速率下常規(guī)三軸煤樣試樣損傷變量隨著試樣軸向應(yīng)變的增大而增大，當(dāng)軸向應(yīng)變小于0.5%時(shí)，損傷變量隨軸向應(yīng)變?cè)黾臃葮O小，而當(dāng)軸向應(yīng)變超過(guò)0.5%，損傷變量急劇上升，損傷變量表征了試樣內(nèi)部裂紋、微結(jié)構(gòu)發(fā)展程度。演化過(guò)程表明：常規(guī)三軸試樣裂紋發(fā)展存在分界點(diǎn)，對(duì)于本文所選煤樣，該分界點(diǎn)分布在0.4%～0.8%區(qū)間內(nèi)。此外，當(dāng)加載速率為0.243 mm/min 時(shí)，煤樣損傷變量均明顯高于其他加載速率下的試樣的損傷變量，此時(shí)，試樣損傷變量為0.35～0.50，表明當(dāng)加載速率不斷提升至某一較高加載速率時(shí)，煤巖試樣峰前損傷變形激增。

圖6 煤樣峰前段AE損傷演化與加載速率關(guān)系Fig.6 Relationship between AE damage evolution and loading rate of coal sample before the peak stress

常規(guī)三軸不同加載速率下煤樣損傷變量與加載速率關(guān)系如圖7所示。從圖7可見(jiàn)：隨著加載速率的提高，煤巖試樣損傷變量隨加載速率總體符合二次函數(shù)關(guān)系；隨著加載速率的增加，損傷變化率先降低而后增加，在臨界加載速率點(diǎn)取得極小值，且較低加載速率下?lián)p傷變化率顯著低于較高加載速率下?lián)p傷變化率，表明煤加載速率超過(guò)臨界加載速率后試樣損傷過(guò)程加快，試樣峰值應(yīng)力點(diǎn)損傷程度高。該現(xiàn)象與不同加載速率下煤樣宏觀破裂形態(tài)差異性能夠較好呼應(yīng)?？梢?jiàn)，在不同加載速率下?lián)p傷程度以及損傷演化速率均存在臨界區(qū)間。

圖7 煤樣峰值應(yīng)力損傷變量與加載速率關(guān)系Fig.7 Relationship between damage variable at the peak stress and loading rate

4 不同加載速率下煤巖三軸應(yīng)變能演化差異性特征

煤巖破裂損傷過(guò)程的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)為巖石能量積聚、耗散和釋放。為進(jìn)一步研究不同加載速率下煤巖三軸損傷破裂的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制，引入可釋放彈性能和耗散能，探討不同加載速率下煤巖三軸應(yīng)變能演化差異性特征。

4.1 定量分析原理

受載巖石能量演化大致分為能量輸入、積聚、耗散和釋放4個(gè)過(guò)程，考慮到耗散能的不可逆性和彈性能的可逆性以及各自對(duì)巖石破碎塊度和破碎劇烈程度的制約作用[21-22]，這里只考察可釋放彈性能和耗散能，其中，耗散能包括斷裂面表面能和塑性能，產(chǎn)生損傷并導(dǎo)致強(qiáng)度喪失。巖石中積聚的彈性能釋放是引發(fā)巖石突然破壞的內(nèi)在原因[23]。由能量守恒定律可知：

式中：U為外界輸入的能量，即外力對(duì)巖石所做的功；Ue為巖石內(nèi)積聚的彈性能；Ud為巖石變形破壞過(guò)程中所耗散的能量，其關(guān)系如圖8所示，面積表示單元發(fā)生損傷和塑性變形時(shí)所消耗的能量，陰影面積表示單元中儲(chǔ)存的可釋放應(yīng)變能，該部分能量為巖體單元卸載后釋放的彈性應(yīng)變能，Ei為卸載彈性模量。

圖8 巖體單元能量耗散Uid和可釋放應(yīng)變能Uie關(guān)系Fig.8 Relationship between energy dissipation of rock element and releasable strain energy value

一般利用巖石加卸載應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)計(jì)算彈性能，即認(rèn)為卸載后所釋放的能量為卸載時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平下所積聚的彈性能，而相對(duì)于加載總能量所減少的能量為此應(yīng)力水平下的耗散能。本文為方便計(jì)算，對(duì)彈性能Ue進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，卸載彈模取初始彈性模量。主應(yīng)力空間中巖體單元各部分能量可表示為[24]：

式中：E0為初始彈性模量；v為泊松比。

在常規(guī)單軸壓縮條件下，σ2=σ3，故式(4)和式(5)可分別簡(jiǎn)化為：

基于不同加載速率煤巖應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，利用式(6)和式(7)計(jì)算不同加載速率條件下煤巖變形破壞過(guò)程中的累計(jì)輸入能、彈性能和耗散能。

4.2 基于能量分析的煤巖加載率效應(yīng)研究

在不同加載速率下，煤巖試樣偏應(yīng)力、總能量、彈性應(yīng)變能及耗散能與軸向應(yīng)變相關(guān)關(guān)系如圖9所示。從圖9可見(jiàn)：在不同加載速率下，煤巖總能量均隨著試樣軸向應(yīng)變的增大而不斷增加，試樣前期總能量增加速率較低，而后急劇上升；峰前，彈性能增長(zhǎng)過(guò)程與總能量增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)保持一致；峰后，伴隨著試樣能量釋放逐步降低。由于三軸試樣在前期歷經(jīng)原位應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程，試樣應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)無(wú)明顯壓密階段，彈性能在前期便呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)特征；另外，試樣耗散能前期增長(zhǎng)緩慢，后期由于偏應(yīng)力抵達(dá)試樣抗壓極限，試樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展貫通，耗散能急劇上升。

圖9 不同加載速率下煤巖三軸能量隨軸向應(yīng)變演化過(guò)程Fig.9 Evolution process of coal rock triaxial energy with axial strain under different loading rates

為了揭示不同加載速率下三軸煤巖破壞機(jī)理，統(tǒng)計(jì)可得不同加載速率下煤巖試樣峰值點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)彈性能、耗散能及耗散能，不同加載速率下煤巖三軸能量隨軸向應(yīng)變演化過(guò)程如圖10所示。從圖10可見(jiàn)：隨著加載速率增大，試樣內(nèi)總能量、彈性應(yīng)變能及耗散能均隨著加載速率的增大呈現(xiàn)先減小后上升，最后趨于穩(wěn)定的演化過(guò)程，臨界加載速率為0.108 mm/min左右。該演化過(guò)程表明：常規(guī)三軸加載條件下煤巖試樣受加載速率轉(zhuǎn)變影響，試樣內(nèi)微結(jié)構(gòu)調(diào)整使得試樣完整性改變，試樣內(nèi)有效承載面積隨之變化，試樣呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)于加載速率的特有力學(xué)特性。

圖10 煤巖試樣峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)總能量、彈性應(yīng)變能及耗散能與加載速率的關(guān)系Fig.10 Correlation between total energy,elastic strain energy and dissipation energy corresponding to the peak point of coal rock sample and loading rate

具體地，當(dāng)加載速率為0.018 mm/min 時(shí)，試樣耗散能積聚能力強(qiáng)，試樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)調(diào)整較為完善，試樣較為均勻，有效承載面積較大，對(duì)外表現(xiàn)為可儲(chǔ)藏彈性應(yīng)變能較大；隨著加載速率由0.018 mm/min 提升至0.108 mm/min，試樣耗散能積聚能力變差，試樣完整性有所降低，造成有效承載面積減小，試樣可儲(chǔ)藏應(yīng)變能減少；當(dāng)加載速率由0.108 mm/min繼續(xù)增加至0.243 mm/min時(shí)，試樣內(nèi)耗散能積聚能力先逐漸恢復(fù)而后趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致試樣完整性逐步復(fù)原后趨于穩(wěn)定，試樣內(nèi)實(shí)體承載面積隨之增大最后趨于穩(wěn)定，試樣內(nèi)實(shí)體承載結(jié)構(gòu)貯藏可釋放應(yīng)變能逐步增大而后趨于穩(wěn)定。而試樣內(nèi)微結(jié)構(gòu)隨加載速率呈現(xiàn)該種演變過(guò)程的原因可能是加載速率與煤巖試樣外部圍壓博弈過(guò)程導(dǎo)致，即當(dāng)加載速率較低時(shí)，圍壓處于優(yōu)勢(shì)地位，試樣峰前段孔裂隙結(jié)構(gòu)調(diào)整完善；隨著加載速率的提高，圍壓優(yōu)勢(shì)地位逐漸削弱，試樣內(nèi)微結(jié)構(gòu)調(diào)整減弱直至極小值；隨著加載速率的進(jìn)一步提高，加載速率效應(yīng)顯現(xiàn)，試樣微結(jié)構(gòu)相對(duì)滯后。由于試樣內(nèi)有效承載面積極限值固定，試樣實(shí)體承載結(jié)構(gòu)可釋放彈性應(yīng)變能趨于穩(wěn)定。

4.3 不同加載速率下煤巖三軸擾動(dòng)效應(yīng)綜合分析

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在不同加載速率下，煤巖力學(xué)參數(shù)、破斷行為、能量演化均將呈現(xiàn)顯著差異；煤巖三軸試樣抗壓強(qiáng)度隨加載速率呈現(xiàn)出先降低而后又逐漸升高的過(guò)程，臨界加載速率為0.108 mm/min。根據(jù)常規(guī)煤巖三軸試樣宏觀破壞形貌、加載過(guò)程能量演化規(guī)律及AE 演化特征可知，煤巖試樣力學(xué)響應(yīng)行為隨加載速率提升演變特征的內(nèi)在機(jī)理為：當(dāng)加載速率處于較低水平時(shí)，煤巖試樣圍壓效應(yīng)更為顯著，同時(shí)，煤巖試樣破壞前歷經(jīng)了長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力調(diào)整過(guò)程，導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育調(diào)整充分，有效承載面積較大，對(duì)外表現(xiàn)出較強(qiáng)的抵抗外部荷載能力，抗壓強(qiáng)度高；隨著加載速率逐步提升，加載速率作用逐漸凸顯，試樣內(nèi)孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育產(chǎn)生微破裂速率增加，試樣內(nèi)實(shí)體承載結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，微破裂匯集貫通后即可產(chǎn)生宏觀破斷，在該條件下往往破斷結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，總能量、彈性應(yīng)變能、耗散能均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，試樣抗壓強(qiáng)度逐漸降低；隨著加載速率進(jìn)一步提升，煤巖試樣加載速率效應(yīng)凸顯，試樣孔裂隙結(jié)構(gòu)調(diào)整過(guò)程相對(duì)滯后，試樣內(nèi)基質(zhì)部分將直接承擔(dān)有效承壓面積，其承載能力有一定提升，總能量、彈性應(yīng)變能、耗散能在一定程度上增加。

對(duì)應(yīng)于實(shí)際煤層開(kāi)采，實(shí)驗(yàn)室尺度的加載速率在一定程度上可以對(duì)應(yīng)開(kāi)采速率。在開(kāi)采效應(yīng)下，既需要較大的開(kāi)采速率以保證資源獲取效率，又需要較高的煤巖承載強(qiáng)度以防止支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，同時(shí)需要較低的能量耗散以降低動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)前面研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同加載速率下，煤樣力學(xué)行為參數(shù)呈現(xiàn)非線(xiàn)性演化特征，即存在一個(gè)臨界加載速率。因此，綜合考慮以上三者因素，實(shí)際煤層開(kāi)采速率可以適當(dāng)提升并超過(guò)臨界開(kāi)采速率(臨界加載速率)。如何建立實(shí)驗(yàn)室尺度的臨界加載速率與實(shí)際煤層開(kāi)采速率的理論聯(lián)還需要進(jìn)一步探討。

此外，需要指出的是，本文實(shí)驗(yàn)樣本需要進(jìn)一步初期篩選以降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性；本實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果只適用于特定工作面的煤樣，不同類(lèi)型煤樣力學(xué)加載率效應(yīng)分析還需系統(tǒng)研究；實(shí)驗(yàn)所采用的加載速率類(lèi)型有限，未來(lái)還需進(jìn)一步擴(kuò)大加載速率的設(shè)定范圍。

5 結(jié)論

1)在不同加載速下，率煤巖常規(guī)三軸軸向偏應(yīng)力峰值處于42～65 MPa范圍，峰前曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)彈性特征，各煤巖試樣脆性特征顯著；煤巖試樣峰值應(yīng)力隨加載速率增大歷經(jīng)了先降低而后又逐漸升高的過(guò)程，臨界加載速率為0.108 mm/min。

2)在不同加載速率下，常規(guī)三軸煤巖試樣破壞形式以壓剪破壞為主，試樣破壞主裂縫周?chē)樯欢〝?shù)量的細(xì)小裂紋，破壞試樣表面裂紋復(fù)雜程度隨加載速率增加，經(jīng)歷了先降低而后升高的演化過(guò)程，裂紋累計(jì)長(zhǎng)度最小值對(duì)應(yīng)加載速率為0.018 mm/min。

3)常規(guī)三軸煤巖試樣內(nèi)部AE 事件數(shù)及AE 事件能量量級(jí)隨加載速率增加先降低而后增大，拐點(diǎn)位于0.054～0.108 mm/min加載速率區(qū)間，加載速率超過(guò)臨界加載速率時(shí)試樣損傷過(guò)程加快，煤巖試樣損傷變量隨加載速率總體符合二次函數(shù)關(guān)系。

4)不同加載速率下煤巖試樣內(nèi)部總能量、彈性應(yīng)變能及耗散能均隨著加載速率的增大呈現(xiàn)先減小而后上升最后趨于穩(wěn)定的演化過(guò)程，當(dāng)加載速率為0.108 mm/min 時(shí)，三者取得最小值，加載速率與煤巖試樣外部圍壓博弈過(guò)程導(dǎo)致試樣內(nèi)部有效承壓面積發(fā)生改變。