靜動組合三軸加載煤巖強(qiáng)度劣化試驗(yàn)研究

任建喜，云夢晨，張 琨，景 帥

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著我國煤炭資源開采深度的增加，地質(zhì)條件復(fù)雜而導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象愈加頻繁[1]。深埋特厚煤層堅硬頂板及特厚煤柱可儲存大量彈性能，煤巖巷道長期處于高地應(yīng)力環(huán)境[2]。當(dāng)有施工或者地質(zhì)構(gòu)造引起的動荷載擾動巷道煤體時，極易引發(fā)圍巖失穩(wěn)、巷道破壞，嚴(yán)重時可誘發(fā)沖擊地壓[3]，對井下工作人員的人身安全及開采施工問題造成極大安全隱患[4]。研究在深埋條件下煤巖巷道的變形破壞機(jī)理已成為分析巷道穩(wěn)定性的重要參考[5]。國內(nèi)外學(xué)者對于煤巖變形破壞規(guī)律研究采用三軸靜載試驗(yàn)、霍普金森動載試驗(yàn)、CT掃描及聲發(fā)射檢測等試驗(yàn)手段，對沖擊地壓作用下煤巖的強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。楊慧明[6]采用巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，輔以聲發(fā)射檢測手段，得到不同應(yīng)力條件對煤的破壞特征及聲發(fā)射活動特征具有重要影響作用。鄧志剛[7]以強(qiáng)度尺寸效應(yīng)為切入點(diǎn)結(jié)合最弱鏈理論得出沖擊傾向性煤巖的強(qiáng)度具有明顯的尺寸效應(yīng)。薛東杰等[8]對煤巖進(jìn)行不同圍壓、不同加載速率的試驗(yàn)，建立了采動力學(xué)條件下考慮加卸載過程中材料損傷的煤巖黏彈性模型屈服準(zhǔn)則。通過總結(jié)前期CT掃描技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)煤樣為研究對象，進(jìn)行常規(guī)三軸力學(xué)試驗(yàn)，利用三維重構(gòu)的方法，得到煤巖內(nèi)部裂隙分布狀況及煤巖破壞程度與體分形維值的定量關(guān)系[9-10]。劉曉輝等[11]采用霍普金森壓桿加載系統(tǒng)，對煤巖進(jìn)行不同應(yīng)變率的加載試驗(yàn)，得出煤巖破壞過程中能量轉(zhuǎn)變規(guī)律。江紅祥等[12]以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，定量研究了動力特性下煤巖破壞的特征關(guān)系。通過不同加載條件研究動力影響和煤體破壞機(jī)制[13-15]以及通過對不同物理力學(xué)特性的煤巖加載試驗(yàn)研究其聲發(fā)射規(guī)律[16-18]。劉少虹等[19-20]以波動力學(xué)為基礎(chǔ)研究煤巖在動、靜荷載作用下的應(yīng)力波傳播機(jī)制及能量耗散變化影響規(guī)律，提出煤巖動、靜載組合與其結(jié)構(gòu)的相互影響是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素。但由于問題的復(fù)雜性，不同加載頻率下弱沖擊傾向性煤巖強(qiáng)度劣化規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。以彬長礦區(qū)煤巖為對象，進(jìn)行不同頻率下煤巖三軸壓縮狀態(tài)下動載破壞試驗(yàn)，研究動載下煤巖強(qiáng)度劣化規(guī)律，目的是為沖擊地壓工作面煤巖順槽圍巖穩(wěn)定性評價及支護(hù)參數(shù)的確定提供參考依據(jù)。

1 煤巖沖擊傾向性測定及分析

煤巖沖擊傾向性是其發(fā)生沖擊地壓的主要內(nèi)部因素，國家規(guī)范主要采用的沖擊傾向指標(biāo)有單軸抗壓強(qiáng)度、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和動態(tài)破壞時間。當(dāng)煤巖的4個沖擊傾向指標(biāo)測定結(jié)果不一致時，采用模糊綜合評價法，其中4個指標(biāo)的權(quán)重分別為0.3、0.2、0.2、0.3，判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 煤巖沖擊傾向性分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification criteria of coal shock tendency

經(jīng)過對彬長礦區(qū)某礦煤巖初步室內(nèi)試驗(yàn)得到其沖擊傾向性指標(biāo)測定結(jié)果如下：

單軸抗壓強(qiáng)度R/MPa9.29彈性能量指數(shù)WET1.349沖擊能量指數(shù)KES5.16動態(tài)破壞時間TD/ms332

單軸抗壓強(qiáng)度為弱沖擊傾向性，彈性能量指數(shù)為無沖擊傾向性，沖擊能量指數(shù)為強(qiáng)沖擊傾向性，動態(tài)破壞時間為弱沖擊傾向性，4個指標(biāo)判定結(jié)果不一致，因此根據(jù)規(guī)范采用綜合判斷4類沖擊傾向指標(biāo)，整體判別為弱沖擊傾向性，具備發(fā)生沖擊地壓的能力。其中沖擊能指數(shù)明顯較高，說明煤巖破壞前集聚彈性能能力較強(qiáng)，破壞后能量釋放更易達(dá)到煤巖破壞強(qiáng)度的限值。

2 動靜載下煤巖破壞特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)所用儀器DTAW-8000為自主研發(fā)的煤巖力學(xué)伺服三軸壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)，由加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成。加載系統(tǒng)由動載加載系統(tǒng)與靜載加載系統(tǒng)組成，其中靜載加載系統(tǒng)可用位移控制及力控制2種控制方式，位移加載速率為0.001～7.000 mm/s，力加載速率為0.01～300 kN/s，系統(tǒng)最大軸向荷載8 000 kN，最大圍壓50 MPa；動力加載系統(tǒng)荷載幅值±200 kN，位移幅值±1 mm，頻率<10 Hz，動載波形為正弦波、正切波、矩形波、三角波等。采用PAC數(shù)字化聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進(jìn)行6通道定位檢測，前置放大器為40 dB，濾波器下限100 kHz，上限1 MHz。

圖1 動靜三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Dynamic and static triaxial test system

2.2 試樣制備

試驗(yàn)采用國際標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，試樣尺寸為?50 mm×100 mm(圖2)。采用NM-48超聲波檢測分析儀測得各試件的縱波波速，剔除物理參數(shù)異常、表面有肉眼可見的明顯缺陷的試樣。并根據(jù)有關(guān)規(guī)范完成了標(biāo)準(zhǔn)尺寸煤樣的密度、波速、含水率、孔隙率等物理及力學(xué)參數(shù)的測定結(jié)果見表2和表3。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)煤樣Fig.2 Some coal samples

表2 煤巖物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of coal and rock sample

表3 煤巖力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanics parameters of coal and rock sample

2.3 試驗(yàn)工況

根據(jù)震源附近動載擾動監(jiān)測情況可知(圖3)，彬長礦區(qū)某礦采煤工作面區(qū)段平巷動載主要由工作面掘進(jìn)施工及回采所導(dǎo)致得礦山壓力顯現(xiàn)及地質(zhì)運(yùn)動，震源能量級為104～106J(圖3a中紅色震源能量級>106J,黃色震源能量級>105J,藍(lán)色震源能量級<105J)，動載頻率小于10 Hz，主頻段區(qū)間主要處于3～5 Hz，動載持續(xù)時間通常為幾十秒到幾分鐘，由圖3b可知，動載后壓力穩(wěn)定增長5 MPa，煤巖所受原巖應(yīng)力約為12 MPa。研究表明：煤層周期來壓級地震荷載接近于正弦波，煤巖主要變形階段發(fā)生在動載300個周期內(nèi)。由靜載試驗(yàn)可知，煤巖軸向應(yīng)力10 MPa時基本為壓密階段結(jié)束、彈性階段開始時的應(yīng)力狀態(tài)。為防止煤巖塑性變形對動載誘發(fā)導(dǎo)致變形的影響，采用單一變量法控制原則選取此狀態(tài)為煤巖動載加載初始狀態(tài)。因此，本次不同頻率的動載試驗(yàn)共設(shè)置4個頻率，振幅為5 MPa，頻率分別為1、3、5、7 Hz的300個周期的正弦應(yīng)力波動載試驗(yàn)，動載后再次以靜載加載至破壞，并對整個試驗(yàn)過程對聲發(fā)射AE能量數(shù)和定位點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。選取15個波速、密度相差小于5%，表面無明顯節(jié)理的標(biāo)準(zhǔn)煤樣，分為5組，每組3個試件。①靜載對比試驗(yàn)：第1組進(jìn)行圍壓12 MPa的三軸壓縮試驗(yàn)，加載以應(yīng)變控制加載速率v=0.01 mm/s，軸向加載至破壞，整個試驗(yàn)過程采用聲發(fā)射儀器實(shí)時檢測。為動載試驗(yàn)提供參數(shù)依據(jù)及對比數(shù)據(jù)。②不同頻率動載試驗(yàn)：其余各組試樣首先加載圍壓至12 MPa，加載以應(yīng)變控制加載速率v=0.01 mm/s，軸向靜載加載預(yù)加力至10 MPa；每組3個試樣作為平行對比試驗(yàn)，分別施加振幅5 MPa，1、3、5、7 Hz四種頻率的正弦應(yīng)力波動載試驗(yàn)，動載過后再進(jìn)行靜載加載直至試樣破壞，整個試驗(yàn)過程監(jiān)測其聲發(fā)射分布規(guī)律。

圖3 動載擾動監(jiān)測情況Fig.3 Dynamic load disturbance monitoring

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同頻率動載試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

對煤巖進(jìn)行不同頻率動載應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比分析如圖4a所示:在加圍壓至12 MPa，以應(yīng)變控制加載速率v=0.01 mm/s的靜載即頻率f=0作用下軸向加載至試樣破壞，所得煤巖峰值強(qiáng)度為54.3 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.42；在施加振幅5 MPa，動載頻率為1、3、5、7 Hz四種頻率下，煤巖峰值強(qiáng)度分別為45.8、37.7、32.8、30.5 MPa，極限應(yīng)變分別為1.12、1.14、0.69、0.76。可知煤巖在不同頻率的動載加載下，內(nèi)部裂隙二次發(fā)育，導(dǎo)致后期應(yīng)力-應(yīng)變曲線局部缺陷明顯增多，提前進(jìn)入塑性變形階段。如圖4b所示：說明與靜載相比煤巖在動載頻率1、3、5、7 Hz下峰值強(qiáng)度降低明顯分別為15.7%、30.6%、39.6%、43.8%，峰值強(qiáng)度平均值降低約30%左右，強(qiáng)度劣化明顯，且動載頻率越高，強(qiáng)度劣化越明顯，但隨著頻率增加其強(qiáng)度劣化趨勢逐漸降低，最終強(qiáng)度劣化趨于穩(wěn)定值。當(dāng)動載頻率較高時，其強(qiáng)度劣化基本保持在45%左右，說明此時動載振幅為強(qiáng)度劣化的主導(dǎo)因素，頻率影響煤巖強(qiáng)度劣化減弱。

圖4 幅值5 MPa不同頻率煤巖動載試驗(yàn)曲線Fig.4 Dynamic load test curves with amplitude of 5 MPa at different frequencies

3.2 不同頻率下煤巖動載過程中強(qiáng)度劣化時程分析

煤巖不同頻率動載過程中應(yīng)力-應(yīng)變與時程曲線對比分析如圖5所示：煤巖在軸向力10 MPa(彈性階段)時分別進(jìn)行頻率為1、3、5、7 Hz，振幅為5 MPa的正弦應(yīng)力波振動300個周期。動載頻率分別為1、3、5、7 Hz下，動載完成后應(yīng)變增長分別為0.128%、0.149%、0.096%、0.078%，平均增長值為0.113%。說明煤巖在低應(yīng)力階段承受不同頻率的正弦波動荷載后，內(nèi)部裂隙二次發(fā)育，應(yīng)變有所增長，但均未達(dá)到破壞。圖中不同頻率動載下煤巖應(yīng)力、應(yīng)變同步振動，動載過后應(yīng)力恢復(fù)到10 MPa的初始應(yīng)力狀態(tài)時，應(yīng)變未完全恢復(fù)，說明動載導(dǎo)致煤巖在彈性(低應(yīng)力)階段發(fā)生屈服變形。

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變與時程曲線Fig.5 Stress-strain and time history curve of coal

3.3 不同頻率下煤巖動載擾動后發(fā)射特性分析

對不同頻率動載擾動后煤巖進(jìn)行應(yīng)力-聲發(fā)射能量的時程關(guān)系分析如圖6所示。不同頻率動載擾動下，煤巖聲發(fā)射能量事件變化趨勢相同，即：動載前由于應(yīng)力水平較低，煤巖處于彈性階段且先期在圍壓階段裂隙基本壓密導(dǎo)致內(nèi)部裂隙基本不發(fā)育，聲發(fā)射能量事件基本不發(fā)生。動載加載時，隨著煤巖軸向應(yīng)力周期振動變化發(fā)生能量躍遷現(xiàn)象，說明在動載過程中煤巖內(nèi)部裂隙二次發(fā)育。動載過后加載至其動載峰最大應(yīng)力階段前無聲發(fā)射能量事件產(chǎn)生。當(dāng)煤巖強(qiáng)度達(dá)到峰值時能量水平突然達(dá)到最高且能量躍遷頻繁發(fā)生，說明內(nèi)部裂隙進(jìn)一步發(fā)育直至煤巖破壞，峰值后由于煤巖破壞而應(yīng)力釋放導(dǎo)致能量迅速回落到較低值。研究表明，在煤巖應(yīng)力局部釋放、動載加載及煤巖應(yīng)力接近峰值時等階段均會出現(xiàn)能量躍遷現(xiàn)象，但能量值最高點(diǎn)均發(fā)生在煤巖應(yīng)力峰值階段，此后應(yīng)力驟降能量迅速回落，不同頻率動載擾動后聲發(fā)射能量回落均比應(yīng)力變化超前，因此特性可作為提前預(yù)測煤巖破壞的征兆。不同頻率煤巖動載后靜態(tài)加載至其動載最大應(yīng)力水平前均無聲發(fā)射能量事件產(chǎn)生，煤巖動載擾動后發(fā)生聲發(fā)射凱澤效應(yīng)。

圖6 煤巖應(yīng)力-聲發(fā)射能量時程曲線Fig.6 Stress acoustic emission energy time history curve of coal

3.4 靜、動載煤巖破壞對比及聲發(fā)射破壞定位分析

圍壓12 MPa下靜載、振幅為5 MPa動載的煤巖典型破壞模式及聲發(fā)射定位對比分析表明，煤巖在靜、動加載下破壞形式有明顯差異(圖7、圖8)。圖7a表明靜載下煤巖呈剪切破壞，具有明顯貫通的單向剪切破壞面；對比圖7b—圖7e動載擾動后煤巖破壞呈橫向拉伸破壞，表面呈現(xiàn)數(shù)條豎向裂縫，說明動載擾動后煤巖內(nèi)部裂隙二次發(fā)育，煤巖破壞程度逐漸加大，明顯比靜載下嚴(yán)重；如圖7e在動載頻率為7 Hz時，煤巖破壞最為嚴(yán)重，破壞后豎向裂縫明顯增多，頂部開裂成碎屑狀，說明煤巖在同振幅下頻率越高，破壞越嚴(yán)重，強(qiáng)度劣化越明顯。圖8a表明煤巖破壞后聲發(fā)射定位點(diǎn)主要分布破裂面附近，由煤巖中心沿破壞面向兩側(cè)擴(kuò)展形成一條明顯的傾斜破裂面，說明煤巖破壞首先是從內(nèi)部開始逐漸延伸至表面，最終形成貫通的破裂面導(dǎo)致煤巖破壞；對比圖8b—圖8e在動載加載下聲發(fā)射定位點(diǎn)在煤巖內(nèi)部及表面大量產(chǎn)生且動載頻率越高聲發(fā)射定位點(diǎn)越密集，說明煤巖破壞從內(nèi)部開始擴(kuò)展至表面且表面出現(xiàn)多條豎向破壞裂縫，破壞形式由單向剪切破壞變?yōu)闄M向拉伸破壞，與煤巖破壞后表面所呈現(xiàn)的主要破裂面形狀基本吻合。

圖7 不同條件靜、動載下煤巖破壞形式Fig.7 Failure modes of coal-rock under dynamic and static loads under different conditions

圖8 不同條件靜、動載下煤巖破裂面位置確定Fig.8 Location of fracture surface of coal-rock under dynamic and static loading

4 結(jié) 論

1)煤巖經(jīng)過幅值5 MPa不同頻率動載擾動后，強(qiáng)度劣化明顯，其峰值強(qiáng)度與動載頻率呈負(fù)相關(guān)。隨著動載頻率增加，煤巖強(qiáng)度劣化逐漸趨于穩(wěn)定，說明高頻率下動載幅值為強(qiáng)度劣化的主導(dǎo)因素。

2)煤巖動載加載階段，應(yīng)力與應(yīng)變隨時間呈同步振動變化，動載結(jié)束后應(yīng)力恢復(fù)原始水平，但應(yīng)變有增長，動載過后煤巖在彈性階段發(fā)生提前屈服，峰值強(qiáng)度降低，破壞后強(qiáng)度劣化明顯。煤巖在靜、動加載下破壞形式差異明顯，表面呈現(xiàn)多條豎向裂縫，由剪切破壞變?yōu)闄M向拉伸破壞，動載擾動后煤巖破壞程度明顯增大。

3)煤巖聲發(fā)射能量事件在動載加載及峰值階段均有發(fā)生，峰值時能量躍遷現(xiàn)象頻繁發(fā)生并達(dá)到最大值，能量值與煤巖應(yīng)力水平呈正相關(guān)。聲發(fā)射定位點(diǎn)由中心向外部擴(kuò)展，大量分布在煤巖內(nèi)部及表面，與破壞形式保持一致。煤巖動載過后繼續(xù)靜載加載至其動載最大應(yīng)力階段前無聲發(fā)射能量事件產(chǎn)生，臨近峰值破壞階段聲發(fā)射能量迅速回落，此特性可作為預(yù)測煤巖破壞的前兆。