壓縮狀態(tài)下煤體波速特性及損傷破壞演化規(guī)律研究

龐冬冬，侯志強(qiáng)，李傳明，馬海峰，朱傳奇，陳中琪，羅肖龍

(1.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；(2.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.淮北礦業(yè)股份有限公司 朱莊煤礦，安徽 淮北 235000)

近年來，隨淺部煤炭資源的枯竭，全球煤炭資源的開采深度逐漸增加，深部開采過程中，煤巖體處于高應(yīng)力環(huán)境中，采掘擾動(dòng)極易引發(fā)煤巖失穩(wěn)事故，且在煤巖失穩(wěn)事故孕育突發(fā)過程中，以煤巖為載體，具有高危險(xiǎn)性的瓦斯、水、粉塵等物質(zhì)不斷擴(kuò)散、流動(dòng)、聚集，煤巖失穩(wěn)事故的突發(fā)容易并發(fā)其他類型的煤礦安全事故[1-3]。煤巖失穩(wěn)事故的孕育和突發(fā)實(shí)質(zhì)上是煤巖內(nèi)部裂紋演化導(dǎo)致?lián)p傷，最終完全破壞的過程，在這過程中，處于力學(xué)特性突變階段的煤巖體最易發(fā)生損傷破壞，誘發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害。因此，研究荷載作用下煤巖損傷破壞過程中的損傷破壞演化規(guī)律對防控失穩(wěn)災(zāi)害具有重要的工程實(shí)踐意義。

多年來，眾多學(xué)者對煤巖體破壞過程開展了全面詳細(xì)的研究。經(jīng)典的巖石力學(xué)認(rèn)為可將破壞過程劃分壓密、線彈性、屈服、軟化和殘余5個(gè)典型階段[4]。英國學(xué)者Griffith[5]提出了針對脆性巖石的格里菲斯強(qiáng)度理論，該理論認(rèn)為在應(yīng)力作用下，巖石內(nèi)部微裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，脆性材料的破壞主要是由裂紋尖端產(chǎn)生的新裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的。以往的研究，取得了豐富的成果，為防控失穩(wěn)災(zāi)害工程實(shí)踐奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[6-12]。目前，現(xiàn)場技術(shù)人員實(shí)施煤巖失穩(wěn)災(zāi)害防控措施時(shí)，往往認(rèn)為距離工作面不同位置處的煤巖體都具有引發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害突發(fā)高危險(xiǎn)性[13-18]，針對采掘工作面附近煤巖體實(shí)施全局加固措施，相比之下，在煤巖失穩(wěn)災(zāi)害易突發(fā)位置處采取局部加固措施則比較合理、經(jīng)濟(jì)[19，20]，但煤巖失穩(wěn)災(zāi)害防控的局部加固措施還缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)。因此，研究荷載作用下煤巖損傷破壞過程，明確最易誘發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害階段對高效防控技術(shù)措施具有重要的現(xiàn)場指導(dǎo)意義?；诖?，以易突發(fā)煤巖失穩(wěn)災(zāi)害礦區(qū)煤巖體為對象，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測得開展煤巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，測得煤巖破壞失穩(wěn)全過程的強(qiáng)度和變形特征、超聲波傳播信息、表面形態(tài)變化規(guī)律，區(qū)劃煤巖破壞失穩(wěn)階段，分析各階段的損傷演化規(guī)律，確定煤巖穩(wěn)定性突變階段。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用原煤采自中國淮南礦區(qū)，將原煤切割打磨后，加工成50mm×50mm×100mm長方形標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣的斷面平整度在0.02mm以內(nèi)，挑選表面裂隙較少的試樣5塊，試樣尺寸及編號見表1。

表1 煤樣基本物理力學(xué)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

煤巖力學(xué)特征與聲學(xué)特性同步實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備包括：①WAW-1000D微機(jī)控制電源伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、油源、測控系統(tǒng)、試驗(yàn)器具四部分組成，最大試驗(yàn)力1000kN，試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度等級為0.5級，能夠針對煤巖體開展也拉伸、壓縮、彎曲、剪切等類型試驗(yàn)，測定煤巖失穩(wěn)破壞全過程的強(qiáng)度和變形特征；②ZBL-U510非金屬超聲檢測儀，該監(jiān)測儀采樣周期為0.05 ～ 409.6μs，采樣精度為0.05μs，具有單、雙通道連續(xù)快速采集及手動(dòng)采集功能，能夠監(jiān)測煤巖失穩(wěn)破壞全過程的超聲波產(chǎn)傳播特性；③CCD攝像機(jī)，該設(shè)備具有高清攝錄功能，能夠記錄煤巖表面形態(tài)演化全過程。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

煤巖力學(xué)特征與聲學(xué)特性實(shí)驗(yàn)操作：①取出一試樣，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(tái)上，在試樣周圍均勻布置聲波探頭2個(gè)，聲波探頭布置如圖1所示；②將探頭接入ZBL-U510非金屬超聲檢測儀，調(diào)試監(jiān)測系統(tǒng)，直至波形和信號平穩(wěn)；③開展單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，設(shè)定加載速率為0.002mm/min，加載后，每隔20s，運(yùn)用ZBL-U510非金屬超聲檢測儀采集1次聲波特性參數(shù)；同時(shí)開啟CCD攝像機(jī)，實(shí)時(shí)攝錄煤巖表面破壞形態(tài)，直至試樣完全破壞；④依次取出其他試樣，重復(fù)步驟①—③。

圖1 聲波探頭布置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 煤體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

各煤樣應(yīng)力/波速-應(yīng)變曲線如圖3所示，由圖3可知：由于試樣內(nèi)部隨機(jī)分布的大量初始缺陷，單軸壓縮狀態(tài)下煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)有所差異，但曲線的分布形態(tài)基本相同。以1#試樣為例，應(yīng)力應(yīng)變曲線的4個(gè)階段依次對應(yīng)圖中的oa段、ab段、bc段和cd段。在壓密階段，在煤樣受載初期，試樣內(nèi)部初始微裂紋逐漸閉合，應(yīng)力有較小的增加便會(huì)導(dǎo)致軸向應(yīng)變的增量較大。在線彈性階段，煤樣內(nèi)部內(nèi)部的孔裂隙結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，煤巖內(nèi)部缺陷的體積和數(shù)目無明顯變化，煤巖力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在屈服階段，煤樣內(nèi)部微裂紋開始起裂擴(kuò)展，并有大量微裂紋萌生，逐漸形成微裂紋區(qū)，缺陷的體積和數(shù)目總體增加，應(yīng)力隨應(yīng)變非線性增大，應(yīng)力增量逐步減小，直至極限強(qiáng)度。在軟化階段，煤體內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)急劇擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試樣完全損傷破壞。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，表1給出了煤樣的基本力學(xué)參數(shù)。由表1可見：各試樣的峰值應(yīng)力分別為22.89、20.571、19.982、21.286、22.067MPa，平均值為21.359MPa；峰值應(yīng)變在23.851～25.849×10-3范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為24.797×10-3；彈性模量介于1.284～1.602GPa之間，平均值為1.491GPa。

圖2 煤樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 煤體波速-應(yīng)變曲線分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果，各試樣單軸荷載下的波速-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可知：各煤樣的波速-應(yīng)變曲線，先后經(jīng)歷平穩(wěn)、緩慢下降，急劇下降的過程，以1#試樣為例進(jìn)行分析，在煤體應(yīng)變由0增長到21.6×10-3過程中，煤體波速穩(wěn)定在1.218～1.269km/s范圍內(nèi)，隨加載的進(jìn)行，波速由應(yīng)變?yōu)?1.6×10-3時(shí)的1.261km/s下降到應(yīng)變?yōu)?2.8×10-3時(shí)的1.193km/s，應(yīng)變每增加1×10-3，波速降低0.063km/s，隨后，快速降低至應(yīng)變?yōu)?5.2×10-3時(shí)的0.258km/s。

圖3 煤樣的單軸壓縮波速-應(yīng)變曲線

為深入研究煤體波速隨應(yīng)變的變化規(guī)律，將各試樣指標(biāo)-應(yīng)變曲線劃分為3個(gè)階段，依次對應(yīng)圖4中的Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段，表2列出了不同階段波速隨應(yīng)變的變化率(ε單位為10-3)。不同破壞階段煤體波速隨應(yīng)變的變化率如圖4所示，綜合分析可見：在Ⅰ階段，隨荷載的增加，各煤樣介波速基本無變化，平均變化率僅為0.0002；在Ⅱ階段，煤樣波速隨應(yīng)變的變化率在介于-0.0101～-0.0444之間，平均值為-0.0240，波速隨應(yīng)變逐漸降低；在Ⅲ階段，煤樣波速變化率處于-0.2084～-0.4764范圍內(nèi)，應(yīng)變每增加10-3，平均波速降低0.3639km/s，均隨應(yīng)變的增加，波速急劇降低。

表2 煤體波速隨應(yīng)變的變化率

圖4 不同破壞階段煤體波速隨應(yīng)變的變化率

2.3 不同破壞階段煤體表面形態(tài)演化

為進(jìn)一步分析煤體的破壞特征，提取不同破壞階段煤體表面形態(tài)，各試樣表面形態(tài)演化過程如圖5所示，結(jié)合圖3分析可知：

如圖5(a)所示，煤樣受載初期(A點(diǎn))，試樣處于初始狀態(tài)，表面僅僅零星隨機(jī)分布的原始裂紋，隨加載的進(jìn)行，當(dāng)試樣軸向變形達(dá)到6.8×10-3時(shí)(B點(diǎn))，煤體處于壓密階段，內(nèi)部初始微裂隙被壓縮，表面較初始階段(A點(diǎn))無明顯變化，當(dāng)試樣軸向變形達(dá)到14.8×10-3時(shí)(C點(diǎn))，煤體處于線彈性階段，內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，表面較初始階段依然無明顯變化，隨加載的進(jìn)行，煤體內(nèi)部初始裂紋起裂且伴隨著新的微裂紋萌生，并發(fā)育、擴(kuò)展，當(dāng)當(dāng)試樣軸向變形達(dá)到21.6×10-3時(shí)(D點(diǎn))，試樣處于屈服階段，煤體表面從試樣邊緣叢生一條長度約0.8cm，開度極小的宏觀裂紋1，隨加載的進(jìn)行，煤體內(nèi)部裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，試樣表面也出現(xiàn)顯著的變化，當(dāng)試樣軸向變形達(dá)到23.2×10-3時(shí)(E點(diǎn))，裂紋1充分發(fā)育后試樣表面改位置處出現(xiàn)倒三角形的破落，煤體內(nèi)部裂紋處于非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，隨加載的進(jìn)行，當(dāng)試樣軸向變形達(dá)到25.2×10-3時(shí)(F點(diǎn))，煤體內(nèi)部裂紋發(fā)育完全，試樣完全失穩(wěn)破壞，煤體表面大面積散落，剪切破壞特征明顯。

如圖5(b)所示，5#煤樣受載初期，試樣表面與加載前均無明顯變化(A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn))；隨軸向變形的增加，試樣表面開始出現(xiàn)宏觀裂紋，或小面積的破落及劈裂(D點(diǎn))，形態(tài)明顯改變；隨軸向變形的進(jìn)一步增大，表面裂紋的長度和張開度快速擴(kuò)展，出現(xiàn)大面積剝落(E點(diǎn)、F點(diǎn))，形態(tài)急劇變化，最終完全失穩(wěn)破壞，為劈裂破壞。從煤樣破壞的最終形態(tài)來看，1～4#試樣均為剪切破壞，而5#試樣破壞更加劇烈，III階段的波速變化率為-0.4764，明顯大于其他試樣(波速變化率為0.3639)，這種劇烈的破壞形態(tài)與波速的變化相吻合。

圖5 各試樣表面形態(tài)演化過程

綜合看來：在煤體破壞的3個(gè)階段試樣表面形態(tài)具有明顯的差異，在I階段，煤體表面形態(tài)無變化，II階段表面開始出現(xiàn)小范圍的宏觀破壞，形態(tài)明顯改變，III階段，表面宏觀破壞快速擴(kuò)大，形態(tài)急劇變化，最終完全破壞。

2.4 煤體損傷破壞特征定量表征

為定量表征荷載作用下的煤體損傷破壞程度，采用波速定義損傷變量D：

式中，V0為加載初期煤體波速，m/s，V為加載煤體波速，m/s。

基于煤體力學(xué)特征與聲學(xué)特性測定實(shí)驗(yàn)獲得的波速數(shù)據(jù)，運(yùn)用式(1)求得的單軸加載過程中煤體損傷變量-應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖可知：隨煤體軸向變形的增大，損傷變量呈現(xiàn)先平穩(wěn)后緩慢增大再急劇增大的變化趨勢，以1#試樣為例，在軸向變形由0變化到21.6×10-3過程中，損傷變量一直在-0.05～0.036范圍內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)軸向變形由21.6×10-3增至22.8×10-3時(shí)，損傷變量由-0.038增至0.071，應(yīng)變每增加10-3損傷變量的平均增量為0.091；當(dāng)軸向變形達(dá)到22.8×10-3后，隨加載的進(jìn)行，損傷變量快速增至應(yīng)變?yōu)?5.2×10-3時(shí)的0.657，增幅達(dá)621.98%。

圖6 煤體損傷變量-應(yīng)變曲線

綜合5個(gè)試樣的損傷變量-應(yīng)變曲線來看，煤體在3個(gè)破壞階段的損傷變量變化規(guī)律具有顯著的差異性，在Ⅰ階段，煤體損傷變量一直平穩(wěn)在0附近，在Ⅱ階段，損傷變量呈現(xiàn)緩慢增長的變化趨勢，在Ⅲ階段，損傷變量具有急劇增大的變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

煤體是一種具有非均質(zhì)性的脆性材料，在單軸荷載的持續(xù)作用下，一定條件下，煤體積聚能量突然釋放會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的動(dòng)力現(xiàn)象，1#、4#、5#試樣在破壞失穩(wěn)過程中突發(fā)的劇烈破壞現(xiàn)象，如圖7所示，伴隨著巨大的聲響，脫落的煤體迅速蹦出，監(jiān)測設(shè)備被彈出，在開采井下煤炭資源時(shí)，如若發(fā)生此類煤巖體破壞，極易引發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。

圖7 煤體劇烈破壞現(xiàn)象

為預(yù)測防控煤巖動(dòng)力災(zāi)害，將波速快速下降的起始點(diǎn)為破壞的前兆點(diǎn)，即破壞Ⅲ階段的起始點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同階段損傷變量隨應(yīng)變的變化率參數(shù)見表3。

表3 煤體損傷變量隨應(yīng)變的變化率

由表3可知，煤體失穩(wěn)破壞前兆點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變與峰值應(yīng)變的比值在94.5%～96.5%范圍內(nèi)，平均值為95.55%，對應(yīng)的應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值介于93%～98.5%之間，平均值為95.68%，且對應(yīng)的波速與初始波速的比值位于94.5%～98%之間，平均值為96.32%。整體看來，煤體在外部荷載的持續(xù)左右下，其內(nèi)部孔裂隙等細(xì)觀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)育、擴(kuò)展，聲學(xué)特征與力學(xué)性質(zhì)相繼改變，當(dāng)應(yīng)變水平值達(dá)到95.55%，應(yīng)力水平值達(dá)到95.68%時(shí)，煤體波速水平值為96.32%，煤體進(jìn)入裂紋快速擴(kuò)展的Ⅲ階段，失穩(wěn)災(zāi)害的即將發(fā)生，應(yīng)立即采取防控措施。

4 結(jié) 論

1)獲取了單軸壓縮狀態(tài)下煤體波速變化規(guī)律。隨煤體軸向應(yīng)變的增加，波速呈現(xiàn)平穩(wěn)、緩慢降低再急劇降低的趨勢。

2)揭示了荷載作用下煤體表面破壞特征演化過程。在煤樣受載初期，煤體表面形態(tài)無明顯變化；隨軸向變形的增加，試樣表面開始出現(xiàn)小范圍的宏觀破壞，形態(tài)明顯改變；隨軸向變形的增大，表面宏觀破壞快速擴(kuò)大，形態(tài)急劇變化，最終完全破壞。

3)得到了損傷變量演化過程。在煤樣受載初期，煤體損傷變量一直平穩(wěn)在0附近；隨軸向變形的增加，損傷變量呈現(xiàn)緩慢增長的變化趨勢；隨軸向變形的進(jìn)一步增大，損傷變量急劇增大。

4)獲得了煤體失穩(wěn)破壞的前兆信息。當(dāng)應(yīng)變水平值達(dá)到95.55%，應(yīng)力水平值達(dá)到95.68%時(shí)，煤體波速水平值為96.32%，煤體裂紋快速擴(kuò)展，即將發(fā)生失穩(wěn)災(zāi)害。