循環(huán)載荷下軟硬煤樣的疲勞損傷差異性研究

甘黎嘉，徐 陽，何 淼

(重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院安全監(jiān)督管理系，重慶 404010)

在采礦工程實踐中，煤體經(jīng)常遭受地應(yīng)力、采動應(yīng)力等的反復(fù)作用，例如工作面周期來壓、掘進擾動、機械振動等。這些典型場景的煤體易于產(chǎn)生疲勞損傷，進而使得煤體力學(xué)性質(zhì)劣化、孔裂隙結(jié)構(gòu)破壞，誘發(fā)煤體動力災(zāi)害的發(fā)生。

關(guān)于煤體的疲勞損傷特性，郭軍杰等[1-3]采用實驗和數(shù)值模擬方法研究了煤體疲勞失穩(wěn)全過程的變形及聲發(fā)射特征，揭示了煤體疲勞損傷過程中的裂隙演化特征；何俊等[4]研究了三軸循環(huán)載荷下煤樣的聲發(fā)射特征，結(jié)果表明，聲發(fā)射參量突變點發(fā)生在峰值應(yīng)力的85%左右；楊永杰等[5]研究了循環(huán)載荷下煤體的力學(xué)及變形特征；劉玉忠等[6]研究了垂直層理和平行層理煤樣在分級循環(huán)載荷下的疲勞變形特性；劉剛等[7]、鄒俊鵬等[8]研究了循環(huán)載荷下煤樣的變形特征及損傷演化規(guī)律；肖福坤等[9]以聲發(fā)射參量為依據(jù)，從能量轉(zhuǎn)化角度分析了循環(huán)載荷下煤體的失穩(wěn)前兆；李楊楊等[10]研究了不同加載速率下，煤樣能量轉(zhuǎn)化與煤樣碎塊塊度分布規(guī)律的內(nèi)在關(guān)系；魏明堯等[11]通過建立煤體損傷增量本構(gòu)模型，研究了煤體累計損傷演化規(guī)律；彭瑞東等[12]分析了不同圍壓條件下煤巖的損傷演化行為，并基于能量分析的損傷變量定義建立了損傷演化模型。

現(xiàn)有研究成果多側(cè)重于研究單一煤樣的疲勞損傷過程，而對不同煤樣的疲勞損傷差異性研究少有報道?；诿后w孔裂隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，有必要開展不同性質(zhì)煤樣的疲勞損傷差異性分析，進而深入認識煤體的裂隙演化過程及破壞機制，為煤巖動力災(zāi)害的高效防治提供依據(jù)。鑒于此，本文選擇了軟煤煤樣和硬煤煤樣進行周期載荷下力學(xué)特性和聲發(fā)射特征的對比分析。

1 試驗過程

1.1 煤樣制備

試驗所用軟煤煤樣和硬煤煤樣分別選擇平煤十礦戊9煤和寺河礦3#無煙煤。戊9煤的煤質(zhì)疏松，強度低，屬典型的軟煤；3#無煙煤的煤質(zhì)致密、強度高，屬典型的硬煤。采用濕式密集鉆芯法將煤塊加工成Φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，部分煤樣如圖1所示。

從圖1可以看出，軟煤煤樣和硬煤煤樣的外觀裂隙存在明顯差異，硬質(zhì)煤結(jié)構(gòu)較為完整，宏觀裂隙不明顯，而軟質(zhì)煤端部存在明顯的原生裂紋，且裂紋分布錯綜復(fù)雜。

圖1 部分煤樣Fig.1 Part of the coal samples

1.2 試驗儀器

試驗加載系統(tǒng)采用RMT-150B型巖力學(xué)試驗機，該試驗機的軸向最大載荷為1 000 kN，圍壓加載上限為45 MPa，伺服液壓行程最大為50 mm，系統(tǒng)精度小于0.5%，且加載控制方式多樣，試驗數(shù)據(jù)實時采集。聲發(fā)射系統(tǒng)采用DS5-8B型全信息聲發(fā)射信號分析儀，該系統(tǒng)有8個監(jiān)測通道，試驗數(shù)據(jù)可以多通道同步實時采集(圖2)。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

1.3 試驗方案

首先，采用0.005 mm/s的位移加載控制方式分別對軟煤煤樣和硬煤煤樣進行常規(guī)三軸壓縮試驗，圍壓2 MPa，每組進行3個試樣，并以煤樣的三軸壓力測試結(jié)果為依據(jù)，確定循環(huán)載荷試驗的應(yīng)力水平；其次，采用等幅三角波形加卸載方式進行循環(huán)載荷試驗，循環(huán)頻率0.02 Hz，單個試件的循環(huán)次數(shù)為20次。同時，為了保證聲發(fā)射信號采集的可靠性，在試件左右兩側(cè)對稱布置一組傳感器進行聲發(fā)射信號采集，數(shù)據(jù)采集頻率為1.5 MHz。試驗過程中，保持軸力加載和聲發(fā)射監(jiān)測同步進行。

2 煤樣力學(xué)特征分析

2.1 三軸壓縮下煤樣的力學(xué)特性分析

圖3為軟煤煤樣和硬煤煤樣三軸載荷下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。對比圖3(a)和3(b)可知，軟煤煤樣和硬煤煤樣變形破壞的主要區(qū)別在彈性階段之后，同時，軟煤煤樣的初始壓密階段較硬煤煤樣更為明顯。其主要原因在于，軟煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，孔裂隙發(fā)育，組成煤體的顆粒在受載過程中發(fā)生滑移，煤體結(jié)構(gòu)重組，顆粒之間的內(nèi)摩擦力使得煤體具有一定的延展性；而硬煤在成煤過程中，顆粒的固結(jié)性更高，煤體骨架的承載能力更強，在載荷作用下讓壓性能差，故而表現(xiàn)為峰值應(yīng)力后的突然破裂。2 MPa圍壓下兩種煤樣的基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 三軸壓縮下軟煤煤樣和硬煤煤樣的全應(yīng)力-變形曲線Fig.3 Total stress-deformation curves of soft and hard coal samples under triaxial compression

表1 2 MPa圍壓下煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal rock under 2 MPa confining pressure

2.2 循環(huán)載荷下煤樣的力學(xué)特性分析

圖4為循環(huán)載荷下軟煤煤樣和硬煤煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4(a)可以看出，第1次循環(huán)加載階段軟煤煤樣的變形發(fā)展速度較快，且在第1次循環(huán)卸載階段與第1次循環(huán)加載階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成了滯回環(huán)，滯回環(huán)的形成主要由原生煤樣塑性變形導(dǎo)致[13]。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣滯回環(huán)不斷增加，變形量也穩(wěn)定增加，說明循環(huán)載荷作用對煤樣產(chǎn)生的損傷量逐漸增大。

從圖4(b)可以看出，硬煤煤樣循環(huán)載荷下的變形曲線與軟煤煤樣存在較大差異。雖然在第1次循環(huán)卸載和第2次循環(huán)加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成了滯回環(huán)，但是從第2次循環(huán)后，產(chǎn)生的滯回環(huán)不再增加，基本與第1個滯回環(huán)重合，變形量也不再增加，這一現(xiàn)象與硬煤的性質(zhì)有關(guān)，硬煤屬于脆性材料，煤樣破壞過程中沒有明顯的屈服階段，峰值應(yīng)力前，煤樣基本處于彈性階段，循環(huán)上限應(yīng)力在峰值應(yīng)力之下，故而循環(huán)載荷對煤樣的損傷較小，應(yīng)力卸載階段，煤樣的彈性變形得到充分恢復(fù)，因此不會產(chǎn)生連續(xù)的滯回曲線。

圖4 循環(huán)載荷下煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal samples under cyclic loading

3 循環(huán)載荷下煤樣的聲發(fā)射特征分析

煤樣加載過程中內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，應(yīng)變能以彈性波形式釋放，產(chǎn)生聲發(fā)射活動[14]，常用聲發(fā)射特征參量表征聲發(fā)射活動的強弱。本文選擇了振鈴數(shù)、撞擊數(shù)和累計能量三個參數(shù)對循環(huán)載荷下煤樣的聲發(fā)射過程進行描述。振鈴數(shù)反映了聲發(fā)射信號中的幅度，撞擊數(shù)反映聲發(fā)射活動的總量和頻度，常用于聲發(fā)射活動性評價，累計能量能夠反映裂紋擴展特征，三種參量從過程和狀態(tài)兩個層面反映煤樣加載過程中的聲發(fā)射變化信息。

圖5為軟煤煤樣和硬煤煤樣在循環(huán)載荷下的振鈴數(shù)變化圖。從圖5可以看出，軟煤煤樣和硬煤煤樣的聲發(fā)射振鈴數(shù)變化特征均具有良好的循環(huán)性，但軟煤煤樣和硬煤煤樣的振鈴數(shù)變化圖依然存在顯著的差異性。在單次循環(huán)過程中，隨著應(yīng)力的加卸載，振鈴數(shù)隨之增加和減少，在上限應(yīng)力附近，振鈴數(shù)達到最大值。對于硬煤煤樣，在20次循環(huán)過程中，單次循環(huán)的最大振鈴數(shù)相近。對于軟煤煤樣，在20次循環(huán)過程中，振鈴數(shù)最大值呈現(xiàn)先穩(wěn)定后依次降低趨勢，即前3次循環(huán)的最大振鈴數(shù)相當(dāng)，之后隨循環(huán)次數(shù)增加，單次循環(huán)的最大振鈴數(shù)逐漸降低，至第20次循環(huán)時最大振鈴數(shù)最小。

圖5 循環(huán)載荷下煤樣振鈴數(shù)變化圖Fig.5 Change diagram of ring number of coal samples under cyclic loading

圖6和圖7為循環(huán)載荷下軟煤煤樣和硬煤煤樣的累計能量和撞擊數(shù)變化曲線。由圖6和圖7可以看出，循環(huán)載荷下軟煤煤樣和硬煤煤樣的累計能量和撞擊數(shù)變化規(guī)律具有相似性。硬煤煤樣的累計能量和撞擊數(shù)均呈現(xiàn)階梯狀直線上升的變化趨勢，很好地反映了煤樣受載的循環(huán)特征。軟煤煤樣的累計能量和撞擊數(shù)曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點，即前3次循環(huán)相應(yīng)的曲線與硬煤變化規(guī)律具有較高的一致性，在第3次循環(huán)之后，累計能量和撞擊數(shù)的上升速率開始下降，變化曲線較硬煤而言更為平緩，上升的階梯狀不再明顯，近似為直線狀。這一現(xiàn)象與振鈴數(shù)的變化規(guī)律相互印證。

圖6 循環(huán)載荷下累計能量變化圖Fig.6 Diagram of cumulative energy variation under cyclic loading

圖7 循環(huán)載荷下撞擊數(shù)變化圖Fig.7 Diagram of impact number variation under cyclic loading

需要指出的是，由于軟煤結(jié)構(gòu)的離散性較大，循環(huán)載荷下聲發(fā)射參量的變化會存在一定的差異性，即振鈴數(shù)的穩(wěn)定階段長短不同，撞擊數(shù)和累計能量曲線上轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)的時機也會不同。

4 聲發(fā)射參量與裂隙演化關(guān)系探討

煤樣在應(yīng)力作用下，歷經(jīng)微裂紋的萌生、集結(jié)及貫通等過程，各階段中均伴隨著能量的集聚或耗散，并以彈性波的形式釋放出來，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。因此，通過聲發(fā)射參量的動態(tài)變化，反演煤樣的裂隙演化過程，進而探索煤樣動載下的破裂機理。從軟煤煤樣和硬煤煤樣循環(huán)載荷下的聲發(fā)射特征變化規(guī)律可見，不同性質(zhì)煤樣的破壞模式不同，相應(yīng)的裂隙演化過程也不同。

對于硬煤煤樣，單次循環(huán)的聲發(fā)射振鈴數(shù)變化規(guī)律相似，且單次循環(huán)的振鈴數(shù)最大值相當(dāng)，表明循環(huán)載荷下硬煤煤樣的損傷較小，每次循環(huán)加載段產(chǎn)生的變形在卸載段都得到了很大程度上的恢復(fù)，不可逆變形量較少，煤樣原始結(jié)構(gòu)變化較小，煤樣裂紋擴展處于穩(wěn)定發(fā)展階段，單次循環(huán)對煤樣的損傷僅產(chǎn)生局部小裂紋。從累計能量和撞擊數(shù)變化曲線可見，聲發(fā)射參量直線上升，沒有出現(xiàn)上升過程的轉(zhuǎn)折點，表明尚未有局部主裂紋形成，即聚集的能量不足以使循環(huán)產(chǎn)生的局部小裂紋達到集聚、貫通。

從聲發(fā)射參量的動態(tài)變化可以看出，對于軟煤煤樣，煤樣裂紋擴展經(jīng)歷了穩(wěn)定發(fā)展和非穩(wěn)定發(fā)展兩個階段。在裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段，煤樣內(nèi)部能量逐漸積聚，煤樣內(nèi)部的局部小裂紋開始萌生，同時能量在小裂紋周圍不斷積聚，但積聚的能量值尚未達到裂紋進一步發(fā)育的要求。隨著循環(huán)過程的進行，聲發(fā)射活動出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，表明能量累計達到了裂紋進一步擴展的門檻值，此時，裂紋進入非穩(wěn)定發(fā)展階段，微裂紋開始集結(jié)、擴展，同時原生裂紋也開始匯合、貫通，煤樣內(nèi)部局部主裂紋開始形成，局部主裂紋的產(chǎn)生減弱了煤樣內(nèi)部聲發(fā)射信號的傳播，聲發(fā)射活動減弱。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣內(nèi)部損傷加劇，局部化主裂紋逐漸向四周擴散發(fā)展，形成主破裂面，聲發(fā)射活動依次減弱。按照上述發(fā)展趨勢，如果循環(huán)次數(shù)足夠多，最終將導(dǎo)致煤樣沿主破裂面破壞失穩(wěn)，聲發(fā)射活動也將趨于平靜[15]。

綜上所述，軟煤和硬煤兩種煤樣的疲勞損傷具有顯著的差異性，內(nèi)在原因是軟煤和硬煤兩種煤樣本身的煤質(zhì)屬性差異性顯著。從宏觀角度分析，硬煤煤樣具有脆性材料特征，其破壞模式突然斷裂型，而軟煤煤樣具有塑性材料特征，其破壞模式為漸進破壞型。從微觀角度分析，硬煤煤樣在循環(huán)載荷前期，裂紋擴展速率較慢，后期裂隙突然貫通破壞，而軟煤煤樣隨循環(huán)次數(shù)增加，裂紋逐漸累積貫通，直至破壞。

5 結(jié) 論

1) 循環(huán)載荷下，軟煤煤樣出現(xiàn)連續(xù)的滯回環(huán)，塑性變形量隨循環(huán)次數(shù)穩(wěn)定增加，硬煤煤樣的滯回環(huán)基本重合，塑性變形量也不隨循環(huán)次數(shù)增加而增加。

2) 循環(huán)載荷下，硬煤煤樣的單次循環(huán)峰值振鈴數(shù)波動不大，聲發(fā)射累計能量和撞擊數(shù)呈現(xiàn)階梯狀直線上升變化趨勢；軟煤煤樣的峰值振鈴數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增多呈現(xiàn)先穩(wěn)定后降低趨勢，聲發(fā)射累計能量和撞擊數(shù)變化曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點，即上升速率降低，且上升的階梯狀逐漸模糊，近似為直線上升。

3) 通過聲發(fā)射參量的動態(tài)變化可知，硬煤煤樣在循環(huán)載荷下裂隙發(fā)育緩慢，僅有局部小裂紋的形成，尚未形成大的貫通裂隙；軟煤煤樣的裂隙發(fā)育分為穩(wěn)定發(fā)展階段和非穩(wěn)定發(fā)展兩個階段，穩(wěn)定發(fā)展階段局部小裂紋發(fā)育，非穩(wěn)定發(fā)展階段局部小裂紋開始匯合、貫通，進而導(dǎo)致煤樣最終的破壞失穩(wěn)。