松軟煤體波速演化規(guī)律與破壞程度量化指標(biāo)

朱傳奇，謝廣祥，王 磊

(安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

我國煤炭資源賦存條件十分復(fù)雜，松軟煤層廣泛分布，工作面回采過程中，片幫、冒頂?shù)仁Х€(wěn)事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響開采效率，造成經(jīng)濟(jì)損失，威脅人員安全，已成為制約安全開采的主要災(zāi)害之一。松軟煤層工作面圍巖失穩(wěn)災(zāi)害的孕育和突發(fā)與其損傷劣化密切相關(guān)，合理評價煤巖破壞狀態(tài)對掌握圍巖受載力學(xué)響應(yīng)特征、揭示失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)理具有重要的理論意義。

超聲波無損監(jiān)測是一種簡便、快速、全面的監(jiān)測手段，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場工程測試，中國DL/T 5389—2007《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了運(yùn)用聲波觀測法判斷巖體的破壞狀態(tài)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)時監(jiān)測了荷載作用下煤巖聲波傳播特性。在單軸荷載條件下煤巖波速監(jiān)測方面，DEEPANSHU等研究了砂巖失穩(wěn)破壞過程中的聲波變化規(guī)律，并依據(jù)波速確定了起裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力；姜德義等針對鹽巖，開展了單軸壓縮、循環(huán)加載及卸載條件下波速測定試驗(yàn)，認(rèn)為軸向、側(cè)向波速變化能夠分別反映鹽巖強(qiáng)度變化過程和側(cè)面損傷膨脹過程；張?zhí)燔姷柔槍Σ煌薁顟B(tài)下的含孔試樣，分析了波速變化特征，發(fā)現(xiàn)波速變化呈現(xiàn)穩(wěn)定—輕微降低—迅速降低3個變化階段；宋戰(zhàn)平等通過飽水裂隙片巖超聲試驗(yàn)，建立了聲波傳播特性與巖石損傷和失穩(wěn)、破壞的關(guān)系；張國凱等認(rèn)為花崗巖側(cè)向波速在閉合應(yīng)力附近基本達(dá)到峰值，隨聲波傳播方向與徑向夾角的增大，波速增加幅度及波速下降點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力逐漸增大；胡明明等、程愛平等分別獲得了砂巖、膠結(jié)充填體波速變化曲線。在雙軸荷載條件下煤巖波速監(jiān)測方面，趙明階通過雙軸加卸荷條件下預(yù)制節(jié)理的石膏試樣波速測定試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣接近破壞時，波速明顯下降。在三軸荷載條件下煤巖波速監(jiān)測方面，F(xiàn)RANCIS通過大量試驗(yàn)系統(tǒng)研究了圍壓作用下巖石波速變化規(guī)律，得到了靜水壓力下波速與圍壓的正相關(guān)關(guān)系；KAMALI-ASLA等測定了三軸多級與循環(huán)加載條件下頁巖波速，探討了橫縱波速度對應(yīng)力引起巖石微觀結(jié)構(gòu)變化的高敏感性；羅津輝等分別針對花崗巖和大理巖開展橫縱波波速測試，證實(shí)了運(yùn)用超聲波信息能夠確定巖石所處的破壞階段；李新平等分析了裂隙巖體在三軸壓縮、三軸拉壓條件下的波速變化特征；張盛等研究了一定圍壓、持續(xù)受載下花崗巖波速變化規(guī)律，建立了花崗巖縱、橫波波速與圍壓的二次函數(shù)關(guān)系；張培森等依據(jù)紅砂巖在三軸加載過程中波速變化規(guī)律，劃分了縱波波速變化的3個階段，認(rèn)為橫波波速曲線近似線型；李浩然等獲得了三軸多級荷載下鹽巖波速隨破壞程度的變化規(guī)律；朱洪林等研究了白云巖在三軸加載過程中的波速變化。另外，SCHWARTZ等監(jiān)測了氣固耦合循環(huán)荷載作用下頁巖波速，探討了波速與滲透率的關(guān)系。嚴(yán)鵬等測定了單軸循環(huán)加-卸載作用后花崗巖波速。一些學(xué)者們還基于波速，研究煤巖破壞狀態(tài)及其評價指標(biāo)，PANAGHI等獲得了花崗巖真三軸加載條件下，不同破壞階段的波速成像，并采用波速評估了巖樣的破壞狀態(tài)；竇林名等運(yùn)用震動波CT成像技術(shù)，構(gòu)建了以縱波波速異常與波速梯度異常為主的沖擊危險預(yù)警指標(biāo)，形成了“應(yīng)力場-震動波場”監(jiān)測預(yù)警技術(shù)；張艷博等通過巖石破裂過程的聲發(fā)射探傷成像試驗(yàn)，構(gòu)建了基于波速場的損傷評價體系，將巖石劃分為無損傷、損傷弱化、中等損傷與嚴(yán)重?fù)p傷4種狀態(tài)；趙明階等提出損傷變量，建立了巖石損傷演化方程；樊秀峰等定義了疲勞損傷變量，給出了砂巖疲勞累積損傷演化方程；王金安等提出了識別破壞階段的物理量—聲速破裂度，并將綜放開采頂煤的破壞劃分為既有破壞、局部再破壞、貫穿性破壞、碎裂性破壞和運(yùn)動性破壞5個狀態(tài)；ZHU等監(jiān)測了煤巖特定區(qū)域波速，定義了介質(zhì)狀態(tài)指標(biāo)，初步評價了單軸壓縮條件下，不同破壞階段煤巖的破壞程度。上述文獻(xiàn)以波速為核心，對煤巖破壞失穩(wěn)過程進(jìn)行了大量研究，為反演煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)、評價破壞狀態(tài)提供了重要依據(jù)，但在定量分析破壞程度上還主要憑借單一傳播路徑上的波速。另一方面，由于松軟煤體制樣困難，超聲波監(jiān)測技術(shù)在松軟煤體聲學(xué)特性研究方面的應(yīng)用還少有涉及。

基于此，筆者以淮南礦區(qū)潘一礦11518工作面松軟煤體為研究對象，開展單軸壓縮下煤體多路徑波速實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)，分析煤體波速變化特征，探究破壞狀態(tài)評價聲學(xué)指標(biāo)，以期定量表征煤體破壞過程。

1 松軟煤體多路徑波速實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)

1.1 試樣制備

原煤選自淮南礦區(qū)潘一礦11518松軟煤層工作面，采樣后密封運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室備用，點(diǎn)荷載試驗(yàn)測定的原煤應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，單軸抗壓強(qiáng)度為1.61 MPa。圖2為原煤偏光鏡下顯微圖像，原煤主要成分為煤屑、黏土礦物顆粒及方解石等礦物，其中煤屑占87%左右，黏土礦物占7%左右，方解石等礦物占6%左右。

圖1 原煤應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Relationship curve between stress and strain curve of coal samples

圖2 原煤偏光鏡下顯微圖像Fig.2 Microscopic image of coal samples under polarizing microscope

松軟煤體松散、破碎，難以獲取用于試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)原煤試樣，煤層中僅有少量能夠制備樣品的堅(jiān)硬塊樣，但不具備代表性。選用型煤代替原煤，是進(jìn)行松軟煤體室內(nèi)試驗(yàn)的重要途徑，雖然原煤和型煤成型存在差異，但兩者物理力學(xué)特性具有很強(qiáng)的相似性，因此，筆者通過制備型煤試樣研究松軟煤體聲學(xué)特性。綜合考慮原煤成分、力學(xué)性質(zhì)、便于安裝聲波探頭等因素，以粒徑為0.10～0.25 mm的干燥煤粉(280 g)為骨料，水(15 g)、煤焦油(50 g)為添加劑，將充分混合后的型煤制備材料放入制樣模具空腔內(nèi)，運(yùn)用壓力機(jī)對原料緩慢施壓，待空腔內(nèi)的煤樣高度在100 mm左右時，停止壓縮，并穩(wěn)壓30 min，如圖3所示，壓制出尺寸為50 mm×50 mm×100 mm左右的方形煤樣，測定試樣初始波速，選取7塊波速差異性較低的煤樣置于恒溫箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)備用(圖4)，試樣尺寸及編號見表1。

圖3 試樣制樣過程Fig.3 Sample preparation process

圖4 型煤試樣Fig.4 Briquettes

圖5為型煤偏光鏡下顯微圖像，煤屑粒徑在100～200 μm，多呈次棱角狀，少許次圓狀，煤屑間以點(diǎn)-點(diǎn)方式接觸為主，且發(fā)育大量孔隙，孔隙連通性較好，無明顯裂縫；黏土礦物呈橢圓狀、圓狀，隱晶為主，零星分布；方解石以亮晶為主，主要填充在煤屑間。煤體內(nèi)部微孔隙密度較高，無明顯裂隙。型煤組份主要為煤屑、方解石顆粒、黏土礦物顆粒，其中煤屑占95%左右，方解石占3%左右，黏土礦物占2%左右。由于原煤與型煤成因不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異較大，但均由煤屑、黏土礦物及方解石等礦物組成，且各組分的比例較為相近。

表1 型煤基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical and mechanical parameters of briquettes

圖5 型樣偏光鏡下顯微圖像Fig.5 Microscopic image of briquettes under polarizing microscope

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

單軸壓縮下煤體多路徑波速實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，該系統(tǒng)包括應(yīng)力加載單元、應(yīng)力-應(yīng)變采集單元、波速采集單元、表面圖形采集單元4個部分。其中，應(yīng)力加載單元和應(yīng)力-應(yīng)變采集單元由MTS-816巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)、應(yīng)變片、CM-1L-32型數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀提供；波速采集單元設(shè)備為PCI-II聲發(fā)射儀，該設(shè)備具有多通道聲學(xué)信息采集功能；表面圖形采集單元由CCD攝像機(jī)和LED燈源提供。煤體多路徑波速實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)系統(tǒng)，將力學(xué)特征測定模塊及聲學(xué)信息采集模塊組合一起，能夠同步實(shí)時監(jiān)測煤體破壞失穩(wěn)過程中的力學(xué)特征與聲學(xué)特性。

1.3 試驗(yàn)步驟

① 取出一型煤試樣，使用白色和黑色噴漆交互噴涂，將煤樣表面噴涂成黑白均勻相間的圖像，隨后將試樣放置于實(shí)驗(yàn)機(jī)加載臺上，在試樣周圍布置聲波探頭8個，探頭位置如圖7所示，每個探頭同為聲波發(fā)射和接收傳感器，同時在試樣表面粘貼應(yīng)變片2組；② 將探頭接入PCI-II聲發(fā)射儀，設(shè)定聲發(fā)射門檻值為45 dB，前置放大倍數(shù)為40 dB，采樣率為2 MHz，隨后調(diào)試監(jiān)測系統(tǒng)，直至信號平穩(wěn)；③ 開展單軸壓縮試驗(yàn)，設(shè)定加載速率為0.002 mm/s，加載開始后，每隔20 s，參考文獻(xiàn)[35]采用聲發(fā)射儀AST透射模式進(jìn)行縱波透射試驗(yàn)，采集多路徑聲波射線波速，直至煤樣完全破壞，整個試驗(yàn)過程實(shí)時記錄煤體強(qiáng)度變形特征、系統(tǒng)自主處理后的多路徑平均波速及表面形態(tài)；④ 依次取出其余試樣，重復(fù)步驟①～③。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)測得的型煤試樣基本物理力學(xué)特征參數(shù)見表1，7個試樣峰值應(yīng)力介于0.331～0.540 MPa，平均值為0.406 MPa，彈性模量分別為0.169，0.186，0.157，0.186，0.211，0.146，0.114 GPa，平均值為0.167 GPa，峰值應(yīng)變處于2.881×10～4.153×10，平均值為3.309×10。初始波速在1.228～1.399 km/s，平均值為1.273 km/s，各試樣物理力學(xué)性質(zhì)差異較小，能夠滿足試驗(yàn)要求。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，圖8給出了型煤應(yīng)力/波速-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖8可見：型煤應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型同原煤一致，均可劃分為壓密、彈性、屈服、軟化和殘余5個階段，依次對應(yīng)圖8(a)中的,,,和段。

圖6 單軸壓縮下煤體多路徑波速實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Multi-path real-time monitoring test system for wave velocity of coal under uniaxial compression

圖7 聲波探頭布置示意Fig.7 Sketch map of acoustic probe

以1號試樣為例分析型煤波速變化特征，可知：試樣應(yīng)變由0增至1.8×10過程中，波速由1.258 km/s 變化到1.256 km/s，基本無變化；隨應(yīng)變的進(jìn)一步增加，應(yīng)力繼續(xù)增大，波速具有降低的趨勢，由應(yīng)變?yōu)?.8×10時的1.256 km/s緩慢降至應(yīng)變?yōu)?.1×10時的1.194 km/s，降低了0.062 km/s；隨后，隨加載的進(jìn)行，應(yīng)力先逐漸達(dá)到峰值后明顯降低，波速急劇減小，在應(yīng)變由3.1×10增加至4.0×10過程中，波速降至0.665 km/s，應(yīng)變每變化10，波速降低0.588 km/s；最后，隨軸向變形的增加，應(yīng)力一直處于較低值，波速在0.585～0.676 km/s小幅波動。受載前期，花崗巖、砂巖、鹽巖等巖石材料的波速升高，而型煤波速處于平穩(wěn)階段，這與文獻(xiàn)[38]的研究結(jié)果一致。可能是因?yàn)閹r石原樣與型煤的成因相異，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，巖樣含有原始裂隙，外部荷載促使原始裂隙閉合，對超聲波傳播具有積極作用，而在型煤變形曲線的壓密和彈性階段，內(nèi)部幾乎不存在影響波速的微裂紋等缺陷，波速基本無變化。

綜合看來，隨軸向應(yīng)變的增加，各型煤試驗(yàn)樣波速均呈現(xiàn)平穩(wěn)、緩慢降低、急劇降低再平穩(wěn)的基本規(guī)律。波速的變化可解釋為： ① 型煤變形曲線的壓密階段。波速基本無變化，處于初始平穩(wěn)階段，這是由于型煤是以顆粒煤為骨料，經(jīng)高壓壓制而成，加載前試樣內(nèi)部無明顯孔裂隙等缺陷，壓密階段外部荷載較小，僅能稍微擠壓煤顆粒，不足以產(chǎn)生微裂紋等缺陷。② 彈性階段。波速仍平穩(wěn)，此階段型煤應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似直線，試樣以彈性變形為主，力學(xué)性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，無微裂紋等缺陷產(chǎn)生，超聲波傳播速度沒有明顯變化。③ 屈服階段。持續(xù)增加的外部荷載促使型煤內(nèi)部微裂紋萌生，微裂紋抑制了超聲波在試樣中傳播，波速緩慢降低，隨荷載的增加，裂紋快速增長逐漸貫通，波速由緩慢降低演化為急劇降低。④ 軟化階段。該階段外部荷載雖降低，但仍促使試樣內(nèi)部裂紋進(jìn)一步快速擴(kuò)展，破壞程度持續(xù)增大，波速急劇降低。⑤ 殘余階段。型煤內(nèi)部裂紋充分發(fā)育，破壞程度達(dá)到最大，超聲波波速穩(wěn)定在最低值。

2 松軟煤體破壞程度量化指標(biāo)

波速雖然能夠有效反映煤體破壞狀態(tài)，但波速絕對值還不能直接定量表征某一階段煤體趨于完全破壞的程度，需基于波速，通過無量綱化處理建立量化破壞程度的評價指標(biāo)。內(nèi)部裂紋演化是煤體宏觀力學(xué)特征劣化的最直接因素，以裂紋處聲波傳播特性為切入點(diǎn)，定義破壞程度量化指標(biāo)，對合理評價煤體破壞狀態(tài)具有重要意義。

圖8 型煤應(yīng)力/波速-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves between stress/wave velocity and strain of briquettes

基于聲發(fā)射AST功能透射法探傷原理，不考慮結(jié)構(gòu)異常體對聲波傳播路徑的影響，忽略煤體基質(zhì)變形對波速的影響。假設(shè)超聲波縱波在煤體內(nèi)部的傳播路徑恒為直線；初始階段煤體均質(zhì)，完全不含裂紋；某一破壞階段，縱波傳播三維模型如圖9(a)所示，由于縱波傳播經(jīng)過的裂紋總數(shù)及傳播路徑總長度不變，縱波傳播路徑相當(dāng)于一條長度及裂紋數(shù)量恒定的路線，傳播路徑簡化模型如圖9(b)所示。

圖9 某一破壞階段縱波傳播模型示意Fig.9 Schematic diagram of P-wave propagation model in a failure stage

聲波在含有裂紋的煤體內(nèi)部傳播時，不僅要經(jīng)過煤體基質(zhì)，還要經(jīng)過裂紋，某一破壞階段縱波傳播時間為

(1)

式中，為縱波經(jīng)過煤體基質(zhì)的時間，恒等于初始階段縱波傳播時間；為縱波經(jīng)過第條裂紋的時間；為某一破壞階段縱波傳播經(jīng)過的裂紋總數(shù)。

完全破壞后縱波傳播時間為

(2)

式中，為煤體完全破壞后縱波傳播經(jīng)過的裂紋總數(shù)。

為基于波速定量評價煤體破壞狀態(tài)，定義破壞程度量化指標(biāo)為煤體某一破壞階段縱波經(jīng)過裂紋時間與完全破壞后縱波經(jīng)過裂紋時間的比值，即

(3)

結(jié)合式(1)～(3)可得

(4)

用波速表示有

(5)

式中，，，分別為煤體初始、某一破壞階段及完全破壞后的縱波波速。

采用多傳播路徑波速平均值代替聲波在簡化模型路徑上的傳播速度，有

(6)

3 煤體破壞程度量化指標(biāo)的驗(yàn)證與對比

3.1 破壞程度量化指標(biāo)合理性驗(yàn)證

為驗(yàn)證指標(biāo)表征煤體破壞程度的合理性，基于試驗(yàn)結(jié)果，選取7個試樣中表面形態(tài)演化最為復(fù)雜的4號、7號試樣，提取不同破壞階段煤體表面形態(tài)并運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行灰度二值化處理，以表面形態(tài)反映破壞程度，研究煤體受壓破壞過程中指標(biāo)與破壞程度變化規(guī)律的一致性，檢驗(yàn)指標(biāo)的合理性。圖10為4號試樣破壞特征演化過程，可以看出：

圖10 試樣破壞特征演化過程(4號試樣)Fig.10 Evolution process of failure characteristics of specimens (No. 4 specimen)

受載之初(點(diǎn)，軸向應(yīng)變?yōu)?.3×10)，試樣內(nèi)部初始缺陷被壓縮，表面無變化，如圖10(b)所示，煤樣處于完好狀態(tài)，破壞程度量化指標(biāo)為0.001 6。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1.2×10時(點(diǎn))，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面依然無明顯變化，如圖10(c)所示，為0.003 2。此后，隨荷載的增大，煤體內(nèi)部微裂紋萌生并擴(kuò)展，破壞程度有所增大，具有增大的趨勢。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.4×10時(點(diǎn))，試樣內(nèi)部彌散性的微破裂擴(kuò)展后匯聚并在表面形成若干條長度和開度都很小的宏觀裂紋，如圖10(d)所示，煤樣破壞特征明顯，此時為0.051 7。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.9×10時(點(diǎn))，試樣表面宏觀裂紋數(shù)量增多，長度增加，如圖10(e)所示，煤樣破壞特征進(jìn)一步凸顯，為0.102 7。隨后，隨加載的進(jìn)行，宏觀裂紋進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展，煤樣破壞特征顯著，也急劇增大。當(dāng)變形為3.1×10時(點(diǎn))，試樣表面出現(xiàn)2條相互交錯，且張開度均較小的傾斜宏觀裂紋1和2，如圖10(f)所示，煤樣破壞程度快速增大，此時為0.236 4。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.601×10時(點(diǎn))，試樣表面宏觀裂紋長度達(dá)到最大，貫通整個試樣，裂紋1張開度較小，裂紋2最大張開度約為1 mm，同時，區(qū)域3位置處出現(xiàn)脫落，如圖10(g)所示，煤樣破壞程度大幅增加，為0.728 2。當(dāng)變形為4.105×10時(點(diǎn))，試樣表面裂紋1最大張開度約為1 mm，裂紋2最大張開度約為1.5 mm，區(qū)域3位置處完全脫落，如圖10(h)所示，煤樣破壞程度達(dá)到最大，此時為0.959 6。此后，隨加載的進(jìn)行，煤巖塊體沿貫通面滑移，完全破壞失穩(wěn)，穩(wěn)定在1附近。

圖11為7號試樣破壞特征演化過程，分析可知：受載初期，試樣表面完好，基本無變化(圖11(b),(c))。隨加載的進(jìn)行，煤樣表面形態(tài)的演化過程：出現(xiàn)若干條小裂紋(圖11(d))；裂紋數(shù)量增多并擴(kuò)展(圖11(e))；裂紋匯聚形成一條貫穿試樣的主裂紋1(圖11(f))；又萌生大量的小裂紋并向外延伸(圖11(g))；大量的小裂紋擴(kuò)展后匯聚形成旁生裂紋2，3，4(圖11(h))。

圖11 試樣破壞特征演化過程(7號試樣)Fig.11 Evolution process of failure characteristics of specimens (No. 7 specimen)

綜合看來，在-曲線的初始階段，試樣表面完好；隨煤體變形的增加，試樣表面萌生若干條小裂紋，裂紋數(shù)量增多并擴(kuò)展；隨后，試樣表面變化顯著，大量的小裂紋匯聚形成若干條貫穿試樣的大裂紋；最后，煤樣裂紋充分?jǐn)U展發(fā)育，破壞程度達(dá)到最大。煤體破壞失穩(wěn)過程中，隨軸向應(yīng)變的增加，指標(biāo)與表面形態(tài)所反映出的破壞程度變化規(guī)律具有高吻合性，驗(yàn)證了指標(biāo)表征煤體破壞程度的合理性。

3.2 破壞狀態(tài)評價聲學(xué)指標(biāo)對比

以波速定義損傷變量，并與進(jìn)行對比分析以體現(xiàn)新指標(biāo)的優(yōu)越性。損傷變量：

=1-()

(7)

基于煤體多路徑平均波速實(shí)測數(shù)據(jù)，分別運(yùn)用公式(6)，(7)計算獲得，，圖12給出了煤體破壞程度量化指標(biāo)/損傷變量-應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖12 煤體破壞程度量化指標(biāo)/損傷變量-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.12 Relationship curves between damage index/damage variable and strain of coal

為深入對比分析聲學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律，綜合，變化規(guī)律，將各試樣聲學(xué)指標(biāo)-應(yīng)變曲線劃分為4個變化階段，依次對應(yīng)圖12中的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ階段，表2列出了聲學(xué)指標(biāo)隨應(yīng)變的變化率。圖13給出了不同變化階段煤體聲學(xué)指標(biāo)隨應(yīng)變的變化率，分析可見：

表2 聲學(xué)指標(biāo)隨應(yīng)變的變化率 Table 2 Change rate of acoustic index with strain

圖13 不同變化階段煤體聲學(xué)指標(biāo)隨應(yīng)變的變化率Fig.13 Change rate of acoustic index with strain of coal in different stages

① 在Ⅰ階段，隨應(yīng)變的增加，各煤樣指標(biāo)，均略有增大或減小，無明顯規(guī)律，平均變化率分別僅為0.000 6×10，-0.001 8×10，認(rèn)為該階段-曲線、-曲線都較平穩(wěn)，，變化規(guī)律相同。② 在Ⅱ階段，，平均變化率分別為0.083 5×10，0.166 8×10，僅相差0.083 3×10，無明顯區(qū)別，該階段，變化規(guī)律一致，皆隨應(yīng)變緩慢增大，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性。③ 在Ⅲ階段，變化率處于0.652 1×10～0.839 6×10，應(yīng)變每增加10，的平均增量為0.747 9，該階段7個試樣變化規(guī)律具有很強(qiáng)的一致性，均隨應(yīng)變的增加，急劇增大；該階段平均變化率為0.432 8×10，隨變形的增加，明顯增大。④ 在Ⅳ階段，平均變化率為0.005 2×10，隨應(yīng)變增加，總體上略有增加，但對每個試樣分析后發(fā)現(xiàn)，變化率有正有負(fù)，無明顯規(guī)律；該階段平均變化率為0.000 9×10，認(rèn)為階段，變化規(guī)律基本一致，均處于急劇變化后的穩(wěn)定階段。

整體看來，隨軸向應(yīng)變的增加，先后經(jīng)歷平穩(wěn)在0附近、緩慢增大、急劇增大再平穩(wěn)在1左右4個變化階段；具有平穩(wěn)、緩慢增大、明顯增大、再平穩(wěn)的變化特點(diǎn)。結(jié)合圖12中煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析可知，聲學(xué)指標(biāo)變化的Ⅲ階段，各試樣均由峰前屈服過渡到峰后軟化階段，煤體力學(xué)性質(zhì)突變，，平均變化率分別為0.747 9×10和0.432 8×10，增速更加顯著。

文獻(xiàn)[38]針對尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的型煤試樣，采用壓力機(jī)和超聲波監(jiān)測設(shè)備，測定了單軸壓縮條件下試樣不同破壞階段的波速，試驗(yàn)方案、試驗(yàn)內(nèi)容均與本文相似，為進(jìn)一步檢驗(yàn)表征煤體破壞程度的優(yōu)越性，運(yùn)用式(6)，(7)計算獲得了煤樣(養(yǎng)護(hù)7 d)破壞程度量化指標(biāo)/損傷變量-應(yīng)變關(guān)系曲線(圖14)。

圖14 煤體破壞程度量化指標(biāo)/損傷變量-應(yīng)變關(guān)系曲線[38]Fig.14 Relationship curves between damage index/damage variable and strain of coal[38]

由圖14可知：隨變形的增加，4個階段變化率依次為-0.023 7×10，0.082 4×10，0.394 8×10，0.081 3×10，變化率分別為-0.037 2×10，0.110 7×10，0.245 3×10，0.025 9×10，聲學(xué)指標(biāo)變化的Ⅰ，Ⅱ階段，-曲線和-曲線基本重合，Ⅳ階段，變化率相差僅0.055 4×10，但在Ⅲ階段，較增幅更加明顯。以上研究結(jié)果均表明，與相比對煤體破壞的敏感性更強(qiáng)，-曲線更能準(zhǔn)確反映松軟煤體破壞狀態(tài)。

4 破壞程度量化指標(biāo)工程意義及應(yīng)用

4.1 煤體介質(zhì)狀態(tài)識別探究

未受開采擾動的煤體可看作天然連續(xù)體，在高采動應(yīng)力的持續(xù)作用下，內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通，最終完全破壞，簇團(tuán)解體(A，B兩部分)，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兴缮Ⅲw特性的散體介質(zhì)(圖15)，伴隨著裂紋的發(fā)育擴(kuò)展，煤體介質(zhì)狀態(tài)由連續(xù)→似連續(xù)→非連續(xù)→散體逐漸轉(zhuǎn)變。采掘圍巖失穩(wěn)事故的孕育和突發(fā)實(shí)質(zhì)上是在高采動應(yīng)力持續(xù)作用下，內(nèi)部裂紋演化導(dǎo)致破壞程度不斷加劇，介質(zhì)狀態(tài)由連續(xù)向散體逐漸轉(zhuǎn)變的過程。采掘空間附近煤巖完全破壞(呈散體)后，若不及時采取有效的防護(hù)措施，極易引發(fā)失穩(wěn)事故，在此方面已經(jīng)得到了一些學(xué)者的關(guān)注，先后將煤巖視作散體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，文獻(xiàn)[42]將突出煤體看作煤與瓦斯承壓散體，對煤與瓦斯的突出過程及機(jī)理進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[43]認(rèn)為隧道附近煤巖為散體介質(zhì)，開展了圍巖力學(xué)參數(shù)位移反演優(yōu)化，獲得了高可信度的力學(xué)參數(shù)。識別不同介質(zhì)狀態(tài)煤巖分布區(qū)域，對探索采掘工作面圍巖失穩(wěn)災(zāi)害防控技術(shù)具有重要的工程意義。

圖15 煤體介質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程示意Fig.15 Diagram of transition process of coal medium state

破壞程度量化指標(biāo)著重考慮裂紋對波速的影響，可嘗試用于識別煤體介質(zhì)狀態(tài)。對圖12中煤體強(qiáng)度和變形特征進(jìn)一步分析認(rèn)為，在Ⅰ階段，煤體內(nèi)部顆粒連續(xù)排列，且無相對滑移，基本完好無破壞，該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線由壓密階段向彈性階段過渡，可視作連續(xù)介質(zhì)。在Ⅱ階段，煤體開始破壞，內(nèi)部顆粒間發(fā)生錯動滑移，微裂紋萌生并逐漸擴(kuò)展，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由彈性階段過渡到屈服階段，煤體處于似連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)。在Ⅲ階段，煤體內(nèi)部大量微裂紋相互交融、貫通，形成宏觀局部裂隙，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由屈服階段過渡到峰后軟化階段，煤體處于非連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)。在Ⅳ階段，煤體內(nèi)部充分發(fā)育的宏觀裂紋將其割裂成若干部分，可視作散體介質(zhì)。依據(jù)破壞程度量化指標(biāo)變化規(guī)律，對煤體介質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行識別，當(dāng)在0左右平穩(wěn)時，煤體為連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)；當(dāng)位于緩慢增大階段時，煤體處于似連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)；當(dāng)處于急劇增大階段時，煤體處于非連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)；當(dāng)在1左右平穩(wěn)時，煤體為散體介質(zhì)狀態(tài)。

4.2 破壞程度量化指標(biāo)工程應(yīng)用

選取淮南礦區(qū)潘一礦11518回采工作面開展破壞程度量化指標(biāo)工程應(yīng)用，該工作面平均傾斜長度為202 m，煤層厚度為0.7～3.8 m，平均煤厚為2.2 m，煤層平均傾角為7°。為獲得工作面煤體波速及破壞程度量化指標(biāo)分布特征，參考文獻(xiàn)[30]采用JY-80A型巖石超聲波檢測分析儀，現(xiàn)場實(shí)測了工作面回采過程中煤體波速。實(shí)測方案如下：在距工作面煤壁200，250，300 m處的回風(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷內(nèi)各布置1個測站，每個測站內(nèi)均布置順層波速觀測孔，孔深為20 m，如圖16所示，在鉆孔內(nèi)安裝聲波監(jiān)測分析儀，用于測定煤體波速。隨工作面的推進(jìn)，便可監(jiān)測距工作面煤壁不同位置處的煤體波速。

圖16 工作面聲波監(jiān)測分析儀布置示意Fig.16 Sketch map of working face acoustic monitoring analyzer

依據(jù)現(xiàn)場測得距工作面煤壁相同距離處的煤體波速平均值，運(yùn)用式(6)計算出距工作面不同距離下的，圖17為沿煤層走向煤體波速、破壞程度量化指標(biāo)隨的變化規(guī)律，由圖17可見：

圖17 煤體波速、破壞程度量化指標(biāo)隨l的變化規(guī)律Fig.17 Change rule of coal wave velocity and quantitative index of damage degree with l

隨工作面煤壁的臨近(減小)，回風(fēng)平巷側(cè)煤體波速先穩(wěn)定后下降再穩(wěn)定，在距煤壁約30 m以遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)，一直穩(wěn)定在245 m/s左右；在距煤壁30～5.5 m，波速明顯下降，先從距煤壁30 m處的247 m/s逐漸下降到距煤壁5.5 m處的47 m/s；隨后一直穩(wěn)定在47 m/s左右。運(yùn)輸平巷側(cè)煤體波速分布特征與回風(fēng)平巷側(cè)相同，波速下降區(qū)域在距煤壁30～6 m。

回風(fēng)平巷側(cè)煤體破壞程度量化指標(biāo)隨煤壁的臨近表現(xiàn)出平穩(wěn)、緩慢增大、急劇增大、平穩(wěn)的變化規(guī)律。當(dāng)>26 m時，平穩(wěn)在0附近，隨后由=26 m處的0.002 01，緩慢增至=14 m處的0.164 03，再急劇增大到=5.5 m處的1，最后穩(wěn)定在1左右。運(yùn)輸平巷側(cè)煤體指標(biāo)分布特征與回風(fēng)巷側(cè)相同，臨界點(diǎn)分別距煤壁27，13，6 m。

綜合來看，隨工作面煤壁的臨近，煤體破壞程度逐漸增大，在距煤壁足夠遠(yuǎn)處(≥26.5 m)，煤體受開采擾動影響最小，穩(wěn)定在0附近，處于連續(xù)介質(zhì)區(qū)；在13.5 m≤≤26.5 m內(nèi)，煤體受開采擾動影響較小，緩慢增大，處于似連續(xù)介質(zhì)區(qū)；在5.75 m≤≤13.5 m內(nèi)，煤體受開采擾動影響較大，急劇增大，處于非連續(xù)介質(zhì)區(qū)；在煤壁附近(≤5.75 m)，煤體受開采擾動影響達(dá)到最大，完全破壞失穩(wěn)，在1左右，處于散體介質(zhì)區(qū)，具有引發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害的高危險性。能夠量化回采工作面煤體介質(zhì)狀態(tài)由連續(xù)體向散體轉(zhuǎn)變程度，可為采場圍巖失穩(wěn)災(zāi)害預(yù)測防控提供一種新指標(biāo)。

5 結(jié) 論

(1)獲得了單軸壓縮狀態(tài)下松軟煤體波速變化特征。隨煤體軸向應(yīng)變的增加，波速呈現(xiàn)平穩(wěn)、緩慢降低、急劇降低再平穩(wěn)的基本規(guī)律，受載初期，型煤與巖石材料呈現(xiàn)出的聲學(xué)特性有所差異。

(2)定義了煤體破壞程度量化指標(biāo)。破壞程度量化指標(biāo)為煤體某一破壞階段縱波經(jīng)過裂紋時間與完全破壞后縱波經(jīng)過裂紋時間的比值。物理意義明確，計算簡單，完全破壞后煤體理論值恒為1，便于統(tǒng)計分析。

(3)驗(yàn)證了指標(biāo)表征煤體破壞程度的合理性和準(zhǔn)確性。隨軸向應(yīng)變的增加，指標(biāo)與煤體表面形態(tài)所反映出的破壞程度變化規(guī)律具有高吻合性。與傳統(tǒng)損傷變量相比，新指標(biāo)突出煤體裂紋對波速的影響，對破壞的敏感性更強(qiáng)，更能準(zhǔn)確反映松軟煤體破壞狀態(tài)。

(4)基于指標(biāo)變化規(guī)律探究了煤體介質(zhì)狀態(tài)，開展了指標(biāo)的工程應(yīng)用。獲得了距工作面煤壁不同距離處煤體介質(zhì)狀態(tài)分布特征，在距煤壁26.5 m以遠(yuǎn)的煤體處于連續(xù)介質(zhì)區(qū)；在距煤壁13.5～26.5 m的煤體處于似連續(xù)介質(zhì)區(qū)；在距煤壁5.75～13.50 m的煤體處于非連續(xù)介質(zhì)區(qū)；在距煤壁距離小于5.75 m的煤體處于散體介質(zhì)區(qū)。

由于無法獲取用于試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)松軟煤體原樣，本文研究獲得了型煤試樣波速變化特征，旨在提出一種表征破壞程度的聲學(xué)指標(biāo)，并進(jìn)行合理性和準(zhǔn)確性驗(yàn)證。后續(xù)工作中需針對含裂紋等缺陷煤體力學(xué)特征及聲學(xué)特性開展深入研究，進(jìn)一步修正和完善破壞程度量化指標(biāo)。