不同蠕變作用聲發(fā)射特征及對煤巖力學(xué)性能試驗研究

孫佳鑫， 楊華清， 姜封國

（1.黑龍江工商學(xué)院鐵道學(xué)院，哈爾濱 150025；2.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 珠海 519000；3.黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150020）

0 引言

隨著我國煤炭行業(yè)的發(fā)展，煤礦逐漸轉(zhuǎn)向深層開挖，煤礦礦洞的安全問題已經(jīng)成為煤炭行業(yè)不容忽視的問題之一。隨著煤炭開采深度的加大，井下的工作環(huán)境變得更加復(fù)雜惡劣，面臨著高應(yīng)力、高滲透、高地溫及強開采擾動的復(fù)雜開采條件使得煤柱在圍巖壓力的作用下會發(fā)生蠕變現(xiàn)象，進而會使煤巖體內(nèi)部發(fā)生裂紋損傷，導(dǎo)致煤礦事故的發(fā)生。近些年來許多學(xué)者對巖石的蠕變特性以及抗壓強度做了大量的研究，取得了豐富的成果。

在蠕變機制研究這一方面，范雁秋等［1］研究結(jié)果表明泥質(zhì)軟巖的蠕變機制是蠕變過程中損傷效應(yīng)與硬化效應(yīng)共同作用的結(jié)果。宋勇軍等［2］提出了非線性蠕變模型，該模型可以全面反映巖石蠕變過程中的硬化和損傷機制。吳池等［3］對巖鹽三軸蠕變聲發(fā)射特征進行了研究。李彥偉［4］從加載速率的角度研究了煤樣的峰值強度、彈性模量、軸向應(yīng)變與加載速率的關(guān)系。

此外，沈鑫等［5］研究了砂巖在凍結(jié)條件下的力學(xué)特性。張歡等［6］研究了含水砂巖在-10°C和-15°C時的動態(tài)壓縮力學(xué)性能。宋勇軍等［7］研究了紅砂巖在低溫條件下的蠕變特性，并提出了新的蠕變模型。李宏巖［8］研究了砂巖低溫狀態(tài)下的動態(tài)力學(xué)特性。

以上這些成果都從不同的角度探究了巖石的損傷和破壞規(guī)律。借鑒前人的經(jīng)驗文中研究了不同蠕變作用對煤巖力學(xué)性能的影響。

1 試驗設(shè)備和試樣的制備

1.1 試驗設(shè)備

在試驗過程中所使用的設(shè)備是北京生華興業(yè)有限科技公司生產(chǎn)的SAEU3H聲發(fā)射檢測系統(tǒng)和長春科新試驗儀器有限公司研發(fā)生產(chǎn)的SAW-2000型微機控制電液伺服試巖石三軸試驗機。聲發(fā)射檢測是一種對于材料在應(yīng)力作用下的動向變化非常有效的檢測方法。聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播到達材料表面，引起可用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，并將材料的機械動轉(zhuǎn)換為電信號，然后被放大、處理和記錄。SAW-2000型微機控制電液伺服試巖石三軸試驗機能進行穩(wěn)定的恒荷加載和單軸壓縮試驗，可以滿足試驗要求。

1.2 試樣的制備

試驗為了避免試驗的離散性在礦井下同一地點取得大塊煤樣，在井下現(xiàn)場封蠟后運達試驗室。然后試驗室內(nèi)按照《煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》的要求，將煤塊加工成50mm×100mm標準試樣，并用保鮮膜包裹。

2 試驗方案

（1） 將上述制作加工完成的試塊分為A、B、C、D4組。每組兩塊試樣，編號為1、2。首先取A組試樣A-1、A-2做單軸壓縮試驗，并取其單軸抗壓的平均值最為煤樣單軸抗壓強度。

（2） B、C、D分別取煤樣單軸抗壓強度的30%、45%、60%做2h的短時蠕變作用處理，探測并記錄整個過程的聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

（3） 將蠕變作用后的B、C、D3組煤樣做單軸壓縮試驗。

3 結(jié)果分析

3.1 不同應(yīng)力水平蠕變作用下的聲發(fā)射特征

試驗采用SAW-2000型巖石試驗機進行蠕變作用試驗［9］，通過EOOD能實現(xiàn)加載方案的控制，滿足試驗要求，并配備聲發(fā)射系統(tǒng)進行聲發(fā)射特征記錄，通過蠕變作用試驗，得到煤樣在不同應(yīng)力水平蠕變作用下的應(yīng)變-時間圖和聲發(fā)射特征圖，然后進行進一步分析。

從圖1可以直觀的看出，煤樣在不同應(yīng)力水平蠕變作用試驗中，在加載階段都會產(chǎn)生瞬時變形，此時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量會突增，且聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量隨著蠕變作用力的逐級提升而增大［10］。這是因為，在加載初期煤樣內(nèi)部的原始孔洞、裂縫隨著荷載的增加，不斷受到擠壓以致孔隙閉合，發(fā)生摩擦滑移以及相互咬合現(xiàn)象，產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射信號，聲發(fā)射信號比較活躍。煤樣在30%應(yīng)力水平的作用下，在加載到恒載時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量有突增，保持所加荷載不變聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量隨著時間的增大而減小并趨于穩(wěn)定。這表明低應(yīng)力蠕變作用試驗中，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要經(jīng)歷了原始孔洞的、裂縫的擠壓和閉合，該過程對煤樣的穩(wěn)定影響較小，所以只在加載過程中產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射信號，后又降低趨于穩(wěn)定值［11］。

圖1 聲發(fā)射特征

煤樣在45%應(yīng)力水平的作用下，在加載到恒載時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量有突增，當保持所加荷載不變時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和生發(fā)射能量隨著時間的增加相對穩(wěn)定。這表明煤樣在45%應(yīng)力水平的蠕變作用試驗中，首先經(jīng)歷了煤樣內(nèi)部原時孔洞、裂縫閉合的壓密階段，導(dǎo)致聲發(fā)射信號活躍聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量突增［12］。當?shù)搅撕爿d蠕變階段聲發(fā)射振鈴技術(shù)和聲發(fā)射信號并沒有降低而是趨于穩(wěn)定，這表明煤樣內(nèi)部在經(jīng)歷過壓密階段后有萌生了新的裂縫，新的裂縫不斷的產(chǎn)生閉合，導(dǎo)致聲發(fā)射信號恒定且波動較小。

煤樣在60%應(yīng)力水平的作用下，在加載到恒載時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量有突增，當保持所加荷載不變時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量隨著時間的增長先減小到后期聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量突變，聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量與時間整體上呈現(xiàn)“U”型規(guī)律。這表明煤樣在60%應(yīng)力水平的蠕變作用試驗中，首先經(jīng)歷了煤樣內(nèi)部原始孔洞、裂縫閉合的壓密階段，導(dǎo)致聲發(fā)射信號活躍聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量有所突增。當?shù)搅撕爿d蠕變階段也會萌生新的裂縫，但與45%應(yīng)力水平蠕變作用下的煤樣相比，裂縫的數(shù)量不會增加，而是在裂縫的尺寸上緩慢的增長，這導(dǎo)致了在恒載階段聲發(fā)射信號有所降低。隨著蠕變作用時間的增加，裂縫會不斷的發(fā)展，最終出現(xiàn)較大的裂縫，使煤樣的損傷變大，進而使聲發(fā)射信號又有突增，聲發(fā)射信號活躍，使得聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量進一步增加［13］。

3.2 煤樣的峰值強度與不同水平蠕變作用的關(guān)系

峰值強度是指單軸壓縮試驗過程中單位面積上所能承受的極限荷載。煤樣在單軸受壓的條件下，煤樣內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力會隨著外荷載的增大而增大，當煤樣內(nèi)部的承載力小于外部的荷載時，煤樣就會發(fā)生破壞，在煤樣破壞時的極限應(yīng)力值就是抗壓強度。表現(xiàn)為煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線的最高點。由表1可知，不做任何處理的煤樣，單軸抗壓強度分別為26、25.5MPa，平均值為25.75MPa。在經(jīng)過30%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的單軸抗壓強度分別為28.6、25.5MPa，平均值為28.3MPa，強度增加了9.9%。在經(jīng)過45%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的單軸抗壓強度分別為22.5、20MPa，平均值為21.25MPa，強度降低了17.4%。在經(jīng)過60%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的單軸抗壓強度分別為20、18MPa，平均值為19MPa，強度降低了26.2%。

表1 不同應(yīng)力水平蠕變作用煤樣的抗壓強度 MPa

煤樣的峰值強度隨著不同應(yīng)力水平的蠕變作用處理后，峰值強度出現(xiàn)先增加再減小的趨勢，如圖2所示。并且這種趨勢，會隨著應(yīng)力水平的增加而減緩，抗壓強度降低趨勢明顯。

圖2 單軸抗壓強度-蠕變應(yīng)力水平

煤樣與其他巖石還有很大的不同，由于其形成的過程以及所經(jīng)歷的變形，導(dǎo)致了煤是一種包含各種原始孔洞和裂縫的結(jié)構(gòu)性介質(zhì)，不同的應(yīng)力水平蠕變作用對煤樣內(nèi)部產(chǎn)生的影響也不一樣［14］。我們可以把煤樣的應(yīng)力應(yīng)變峰前曲線分為3段，壓密階段、彈性階段、塑性階段。壓密階段以煤樣內(nèi)部孔隙閉合軟弱結(jié)晶閉合以及礦物質(zhì)填充壓實為主。彈性階段主要為壓密煤樣彈性壓實，此時煤樣體積縮小，這一過程可逆。塑性階段萌發(fā)新的裂紋，并不斷的擴展，從一兩條細小裂紋，擴展到又寬、又長、又密的裂紋。不做蠕變處理的煤樣單軸壓縮試驗過程中，在達到峰值強度之前都會經(jīng)歷這3個階段［15］。

煤樣在經(jīng)過30%應(yīng)力水平蠕變作用處理過后，煤樣內(nèi)部的孔隙閉合，內(nèi)部的軟弱礦物質(zhì)進一步填充孔隙。煤樣內(nèi)部的礦物晶粒，在晶界處產(chǎn)生大量的位錯積累，導(dǎo)致位錯效果以及晶粒的軌跡運動受到不同程度的阻礙。這時煤樣內(nèi)部的晶粒閉合程度提高，并在重分布的作用下，煤樣的密實度增大，微裂縫和孔洞會閉合，裂縫和孔隙密度會有所降低。閉合后的煤樣，在外荷載卸載后不會完全回彈，在接下來的煤樣單軸壓縮的試驗過程中，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實度要比未作處理的煤樣內(nèi)部密實度要高，使得其抗壓強度也有所增強。

煤樣在經(jīng)過45%應(yīng)力水平蠕變作用處理過后，煤樣在產(chǎn)生瞬時應(yīng)變的過程中也經(jīng)歷了孔隙閉合階段，但在45%應(yīng)力水平蠕變作用下，煤樣內(nèi)部會產(chǎn)生一些微小的裂紋，這一過程是不可逆的，使得煤樣發(fā)生劣化現(xiàn)象，導(dǎo)致煤樣的單軸抗壓強度比未作處理的煤樣單軸抗壓強度降低。煤樣在經(jīng)歷過60%應(yīng)力水平蠕變作用處理過后，煤樣內(nèi)部的微小裂縫得到進一步的發(fā)展、擴列，這一過程也是不可逆的，煤樣的劣化效果加強，導(dǎo)致煤樣的單軸抗壓強度與未作處理的煤樣單軸抗壓強度有顯著的降低。

此外蠕變作用會出現(xiàn)硬化和損傷兩種現(xiàn)象。衰減蠕變階段，試樣在蠕變作用中以發(fā)生硬化現(xiàn)象為主，促使煤樣的單軸抗壓強度增強。穩(wěn)態(tài)蠕變階段，試樣在蠕變作用中硬化現(xiàn)象和損傷現(xiàn)象共存，損傷現(xiàn)象率大于硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致煤樣的單軸抗壓強度降低。在加速蠕變階段，試樣在蠕變作用中以發(fā)生損傷現(xiàn)象為主，導(dǎo)致煤樣單軸抗壓強度進一步降低。

3.3 煤樣的峰值應(yīng)變與不同應(yīng)力水平蠕變的關(guān)系

峰值應(yīng)變是指煤樣達到峰值應(yīng)力時所對應(yīng)的峰值應(yīng)變值，指的是煤樣在單軸壓縮的過程中，煤樣在峰值狀態(tài)下與之對應(yīng)的應(yīng)變值。表2為不同應(yīng)力水平蠕變作用后煤樣的峰值應(yīng)變。

表2 不同應(yīng)力水平蠕變作用煤樣的峰值應(yīng)變

從圖3可知，煤樣經(jīng)過不同應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的峰值應(yīng)變先降低再增加。不做任何處理的煤樣，峰值應(yīng)變分別為0.74%、0.71%，平均值為0.725%。在經(jīng)過30%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的峰值應(yīng)變分別為0.69%、0.68%，平均值為0.685%，峰值應(yīng)變降低了5.5%。在經(jīng)過45%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的峰值應(yīng)變分別為0.55%、0.55%，平均值為0.55%，峰值應(yīng)變降低了24.1%。在經(jīng)過60%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的峰值應(yīng)變分別為0.69%、0.65%，平均值為0.67%，峰值應(yīng)變降低了7.5%。

圖3 峰值應(yīng)變-蠕變應(yīng)力水平

煤樣是一種不等向、非均質(zhì)的材料。在不同的應(yīng)力水平蠕變作用下，煤樣產(chǎn)生的作用不同。煤樣在經(jīng)過30%應(yīng)力水平蠕變作用后，煤樣內(nèi)部的孔隙壓密，煤樣內(nèi)部礦物質(zhì)晶粒進一步咬合，煤樣體積縮小，有了一定的變形，使得經(jīng)過30%應(yīng)力水平蠕變作用后的煤樣在單軸壓縮過程中，壓密期的非線性階段變短，導(dǎo)致了峰值對應(yīng)的峰值應(yīng)變提前。

煤樣在經(jīng)過45%的應(yīng)力水平蠕變作用后，煤樣內(nèi)部的孔隙進一步壓密，煤樣的體積縮小，這一過程由于煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新分布，變形是不可逆的，并且萌發(fā)了一些新的裂縫，使得經(jīng)過45%應(yīng)力水平蠕變作用后的煤樣在單軸壓縮的過程中，萌發(fā)的新裂縫首先會被壓密，應(yīng)力重新分布，其結(jié)果又引發(fā)了次薄弱部位的破壞，使得煤樣內(nèi)部裂隙擴展變快，導(dǎo)致煤樣峰值應(yīng)變進一步降低。

煤樣在經(jīng)過60%應(yīng)力水平蠕變作用后，煤樣內(nèi)部產(chǎn)生了大量的新生裂縫，使得煤樣在單軸壓縮的過程中，壓密期非線性階段變長，彈性階段變短，塑性階段邊長，最后導(dǎo)致煤樣的峰值應(yīng)變降低，但相比較前一級的應(yīng)力水平的峰值應(yīng)變略有增長。

3.4 煤樣的彈性模量與不同應(yīng)力水平蠕變的關(guān)系

試驗中我們常用的彈性模量為楊氏模量，從宏觀的角度講，是指材料體抗變形的能力，從微觀角度上講，是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。溫度、濕度、損傷、化學(xué)成分等均能影響材料的彈性模量。楊氏模量是指，試樣在單軸壓縮的過程中，煤樣會隨著應(yīng)力的增長不斷的變形，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線中，取應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似直線部分的斜率，即彈性階段的斜率為彈性模量。彈性模量能反映出煤樣的變形特性，是衡量計算材料力學(xué)特性的重要指標。在實際工程中，彈性模量越大，表征在外力的作用下，材料的變形越小，材料的剛度越大。

從表3可知，不做任何處理的煤樣，彈性模量分別為4、5GPa，平均值為4.5GPa。在經(jīng)過30%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的彈性模量分別為7.1、7.1GPa，平均值為7.1GPa，彈性模量增加了57%。在經(jīng)過45%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的彈性模量分別為5.7、5.71GPa平均值為5.71GPa，彈性模量增加了26.8%。在經(jīng)過60%應(yīng)力水平蠕變作用處理后，煤樣的峰值應(yīng)變分別為4、5GPa，平均值為4.5GPa，彈性模量與不做任何處理煤樣相近。

表3 不同應(yīng)力水平蠕變作用后煤樣的彈性模量 GPa

彈性模量-蠕變應(yīng)力水平如圖4所示。經(jīng)過不同應(yīng)力水平蠕變作用處理的煤樣，隨著應(yīng)力水平的增長，彈性模量先增加逐漸降低。經(jīng)過45%應(yīng)力水平蠕變作用處理后的煤樣比經(jīng)過30%蠕變應(yīng)力水平處理后的煤樣彈性模量降低了19.6%，經(jīng)過60%應(yīng)力水平蠕變作用處理后的煤樣比經(jīng)過30%蠕變應(yīng)力水平處理后的煤樣彈性模量降低了36.6%。

圖4 彈性模量-蠕變應(yīng)力水平

以上現(xiàn)象表明，煤樣在經(jīng)過較低水平應(yīng)力蠕變后，煤樣內(nèi)部孔隙閉合，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實，煤樣出現(xiàn)了硬化現(xiàn)象，煤樣單軸抗壓強度增強，煤樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，壓密期非線性階段變短，煤樣抵抗變形的能力增強，促使煤樣的彈性模量變大。煤樣蠕變作用隨著應(yīng)力水平的提高，煤樣內(nèi)部的裂隙不斷的產(chǎn)生、發(fā)育，損傷不斷的積累，使得煤樣強度不斷降低，煤樣抵抗變形的能力降低，導(dǎo)致煤樣的彈性模量隨著應(yīng)力水平的提高而降低。

4 結(jié)語

煤樣低應(yīng)力水平蠕變作用下，聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量隨著時間的增大而減小并趨于穩(wěn)定。煤樣在45%應(yīng)力水平蠕變的作用下，在加載到恒載時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量有突增，當保持所加荷載不變時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和生發(fā)射能量隨著時間的增大相對穩(wěn)定。煤樣在60%應(yīng)力水平蠕變的作用下，在加載到恒載時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量有突增，當保持所加荷載不變時聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量隨著時間的增長先減小趨于穩(wěn)定到后期聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量又有所突變，聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量與時間整體上呈現(xiàn)“U”型規(guī)律。

蠕變作用會出現(xiàn)硬化和損傷兩種現(xiàn)象。煤樣在低應(yīng)力水平蠕變作用下，試樣在蠕變作用中以發(fā)生硬化現(xiàn)象為主，促使煤樣的單軸抗壓強度增強。煤樣在中高應(yīng)力水平蠕變作用下，試樣在蠕變作用中損傷現(xiàn)象大于硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致煤樣的單軸抗壓強度降低。

煤樣隨著不同應(yīng)力水平的蠕變作用處理后，煤樣的峰值應(yīng)變先降低再增加，峰值強度出現(xiàn)逐漸減小的現(xiàn)象，并且這種降低趨勢，會隨著應(yīng)力水平的增加而降低，抗壓強度降低趨勢明顯。煤樣的彈性模量隨著蠕變應(yīng)力水平的增加逐漸降低。