崔 力，張民波,，王金寶，王翠靈，杜金磊

(1.武漢工程大學(xué) 興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000；3.湖北華中電力科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430077)

0 引言

我國(guó)具有豐富的煤炭資源，但煤巖是一種生物高聚合物沉積巖，巖體中分布著大量的孔隙、裂隙、層理等諸多缺陷，具有明顯的非均質(zhì)性和各向異性[1]。煤巖復(fù)雜的賦存條件和力學(xué)性質(zhì)，致使隨著開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加強(qiáng)，給煤礦開(kāi)采帶來(lái)了很大的困難。由于煤礦的開(kāi)采，使圍巖應(yīng)力不斷變化，煤巖體局部應(yīng)力集中，巖石在受到外界應(yīng)力作用下內(nèi)部裂隙萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生彈性波，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于單軸壓縮下巖石聲發(fā)射特征進(jìn)行的試驗(yàn)研究比較成熟，而對(duì)于三軸壓縮條件下煤巖聲發(fā)射特征的研究還少有報(bào)道。例如，SHKURATNIK等[3-4]在單三軸壓縮下對(duì)不同粒徑的熱巖土材料、煤樣等進(jìn)行了研究；曹樹(shù)剛等[5]研究了不同圍壓下煤巖聲發(fā)射特征，并將常規(guī)單軸壓縮與三軸壓縮情況進(jìn)行了對(duì)比分析；吳賢振等[6]在單軸壓縮下，對(duì)不同巖性巖石的力學(xué)特性和聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，并對(duì)聲發(fā)射序列進(jìn)行了分形分析；張浪[7]對(duì)突出煤體變形破壞過(guò)程聲發(fā)射演化特征進(jìn)行了綜合分析；張磊等[8]對(duì)基于聲發(fā)射計(jì)數(shù)的煤樣脆塑性特征的預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究；郭曉敏等[9]對(duì)基于聲發(fā)射能量值的煤樣進(jìn)行了損傷分析；艾婷等[1]對(duì)三軸壓縮煤巖破裂過(guò)程中聲發(fā)射時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行了分析研究；王德超[10]對(duì)巖石三軸壓縮破裂失穩(wěn)的聲發(fā)射突變特征及預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，并構(gòu)建了聲發(fā)射模型。礦井地下巖石絕大多數(shù)情況下均處于三向應(yīng)力狀態(tài)，所以開(kāi)展三軸壓縮條件下聲發(fā)射巖石損傷特征試驗(yàn)研究與工程實(shí)際貼合更緊密。聲發(fā)射作為巖石壓縮破裂失穩(wěn)的重要前兆信息，研究巖石壓縮破裂的聲發(fā)射特征對(duì)于深刻理解巖石破裂機(jī)理，同時(shí)對(duì)采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)預(yù)防沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巖爆等動(dòng)力災(zāi)害事故具有重要理論及實(shí)際意義[11]。

而本文研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于基于三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)詳細(xì)分析了煤巖損傷變形規(guī)律，基于聲發(fā)射計(jì)數(shù)構(gòu)建了損傷模型，用擬合后的理論損傷曲線與試驗(yàn)損傷曲線進(jìn)行對(duì)比，判定構(gòu)建的損傷模型是否合理。本文利用RTX-1000高溫高壓動(dòng)態(tài)巖石三軸儀和Micro-Ⅱ高溫高壓聲發(fā)射成像采集儀煤樣在不同圍壓(5，10，15，20 MPa)下的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，并建立了聲發(fā)射和煤巖損傷之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣

本次三軸試驗(yàn)采用的是RTX-1000高溫高壓動(dòng)態(tài)巖石三軸儀，最大加載能力1 000 kN(見(jiàn)圖1)。在巖石三軸儀上連接應(yīng)變傳感器，煤樣上安裝6個(gè)聲發(fā)射傳感器。采用Micro-Ⅱ高溫高壓聲發(fā)射成像采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此聲發(fā)射儀共有6個(gè)通道，設(shè)置門檻值時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)噪音情況，設(shè)置為45 dB左右，再利用鉛筆芯折斷的聲音測(cè)試，不斷調(diào)整門檻值，最大設(shè)置到70 dB。

圖1 RTX-1000高溫高壓動(dòng)態(tài)巖石三軸儀Fig.1 RTX-1000 high temperature and high pressure dynamic rock triaxial instrument

本次試驗(yàn)所選用的煤樣取自雞西礦業(yè)城山煤礦，礦區(qū)東西長(zhǎng)約8.2 km，南北寬約3.5 km。按照規(guī)程要求，將煤樣加工成直徑為50 mm，高度為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)煤樣。煤樣詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤樣參數(shù)Table 1 Parameters of coal and rock samples

1.2 試驗(yàn)原理與方案

為研究煤樣在不同圍壓下應(yīng)力應(yīng)變與聲發(fā)射的關(guān)系，對(duì)1，2，3，4號(hào)煤樣分別進(jìn)行5，10，15，20 MPa的三軸壓縮試驗(yàn)研究，巖石三軸儀上連接的應(yīng)變傳感器以及煤樣上安裝的聲發(fā)射傳感器可實(shí)時(shí)將煤樣變形參數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，得到煤樣在試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變變化以及聲發(fā)射等特征參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的外參數(shù)將煤樣的應(yīng)力應(yīng)變和聲發(fā)射特征參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，分析在不同圍壓下煤樣應(yīng)力應(yīng)變與聲發(fā)射特征參數(shù)的關(guān)系，以此分析煤樣變形破壞的特征。

在巖石三軸儀上裝上煤樣后，要用吹風(fēng)機(jī)將熱縮管和煤樣緊緊貼合，以防止壓力室里的硅油漏到煤樣上，對(duì)煤樣產(chǎn)生損傷，并在熱縮管表面安裝6個(gè)聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器為NANO30，峰值頻率300 kHz。試驗(yàn)首先手動(dòng)設(shè)置加載至預(yù)定的圍壓值，軸向加載以0.005%/min的應(yīng)變率連續(xù)加載至試樣完全破壞，得到破壞后的煤樣，結(jié)合傳感器探測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)煤樣破壞狀態(tài)和特征進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力應(yīng)變與AE計(jì)數(shù)關(guān)系

通過(guò)聲發(fā)射數(shù)據(jù)中的外參數(shù)，可以將聲發(fā)射計(jì)數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)系起來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到應(yīng)力應(yīng)變計(jì)數(shù)曲線，如圖2所示。根據(jù)圖2的曲線可以得到不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線和聲發(fā)射計(jì)數(shù)存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在彈性階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)較少，在煤樣進(jìn)入彈塑性階段以后，隨著軸向荷載的施加，在煤樣應(yīng)力達(dá)到峰值前，聲發(fā)射計(jì)數(shù)劇烈增加，在煤樣發(fā)生宏觀破壞后，聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到峰值。之后，聲發(fā)射計(jì)數(shù)又急劇減少至某一穩(wěn)定值附近波動(dòng)。從5 MPa增加到20 MPa時(shí)煤樣破壞時(shí)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)從887次增加到2 445次，呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)閲鷫旱纳?，使煤樣破裂所需要的能量增多，在煤樣破裂時(shí)，內(nèi)部能量釋放得更多，聲發(fā)射計(jì)數(shù)增多。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變和聲發(fā)射特征，可以將煤樣三軸聲發(fā)射加載全過(guò)程分為裂隙壓密階段(OA)、彈性變形階段(AB)、彈塑性變形階段(BC，DE)、破壞階段(CD，EF)。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)數(shù)曲線Fig.2 Stress and strain counting curve

1)裂隙壓密階段(OA)：煤樣在進(jìn)入彈性變形階段之前，由于煤樣內(nèi)裂隙被壓密閉合，出現(xiàn)了不可恢復(fù)的殘余變形，因此出現(xiàn)裂隙壓密階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)很少，在此階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)一段上凹形壓縮變形曲線。

2)彈性階段(AB)：煤樣進(jìn)入彈性階段以后，由于裂隙壓密階段煤樣內(nèi)部的原生裂隙發(fā)生了閉合，增加了煤樣的整體性，聲發(fā)射計(jì)數(shù)較少，且隨著圍壓的增高，聲發(fā)射計(jì)數(shù)有相對(duì)減少的趨勢(shì)，在此階段應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，此時(shí)煤樣的損傷較小。

3)彈塑性變形階段(BC，DE)：在進(jìn)入此階段后，煤樣內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)大量新的裂隙，聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨著應(yīng)變的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。隨著軸向荷載的繼續(xù)增大，煤樣內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋逐漸穩(wěn)定并開(kāi)始擴(kuò)展，聲發(fā)射計(jì)數(shù)劇烈增加。在此階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)。

4)破壞階段(CD，EF)：應(yīng)力達(dá)到了煤樣的極限強(qiáng)度，煤樣內(nèi)部的大量裂隙逐漸發(fā)育至失穩(wěn)破裂。在此階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到峰值。由于3號(hào)煤樣本身存在很多原生裂隙，造成2次宏觀破壞。圍壓提高了煤巖的峰后承載能力和剪切破壞強(qiáng)度，故出現(xiàn)煤巖聲發(fā)射計(jì)數(shù)的峰值出現(xiàn)在煤巖宏觀破壞以后的現(xiàn)象。

2.2 煤巖變形與破壞特征

隨著軸向荷載的不斷增加，煤樣最終發(fā)生破壞，產(chǎn)生變形。根據(jù)探頭返測(cè)得的數(shù)據(jù)，繪制出全過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線(見(jiàn)圖3)和不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(見(jiàn)圖4)，并求得不同應(yīng)力應(yīng)變曲線上彈性模量和泊松比，來(lái)表示煤樣的變形。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線Fig.3 Stress-strain whole process curves

根據(jù)圖3的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，5 MPa下煤樣的峰值強(qiáng)度為18.04 MPa，殘余強(qiáng)度為6.90 MPa；10 MPa下煤樣的峰值強(qiáng)度為29.92 MPa，殘余強(qiáng)度為22.99 MPa；15 MPa下煤樣的峰值強(qiáng)度為32.29 MPa，殘余強(qiáng)度為19.77 MPa；20 MPa下煤樣的峰值強(qiáng)度為45.947 MPa，殘余強(qiáng)度為30.58 MPa?？梢缘玫诫S著圍壓的增加，使煤樣發(fā)生變形破壞的軸向壓力也隨之增加，煤樣的峰值強(qiáng)度隨著圍壓的升高而增大，殘余強(qiáng)度隨著圍壓的升高也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

根據(jù)圖4的曲線，煤樣的徑向應(yīng)變率大于軸向應(yīng)變率，煤樣發(fā)生宏觀破壞，且煤樣出現(xiàn)負(fù)的體積應(yīng)變，故煤樣發(fā)生剪脹變形，出現(xiàn)煤巖的擴(kuò)容現(xiàn)象，具體分析見(jiàn)2.3節(jié)。

在如圖4所示的軸向應(yīng)變曲線直線段上任取2點(diǎn)，程序計(jì)算得1號(hào)煤樣彈性模量為5.14 GPa；2號(hào)煤樣彈性模量為5.47 GPa；3號(hào)煤樣彈性模量為6.15 GPa；4號(hào)煤樣彈性模量為4.90 GPa。

在如圖4所示的軸向和徑向應(yīng)變曲線上任取2點(diǎn)，程序計(jì)算得1號(hào)煤樣泊松比為0.31；2號(hào)煤樣泊松比為0.24；3號(hào)煤樣泊松比為0.23；4號(hào)煤樣泊松比為0.18。由此可得，隨著圍壓的增大，煤樣的彈性模量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，泊松比隨著彈性模量的增大而減小，說(shuō)明煤樣原來(lái)具有一定的裂隙，在圍壓作用下，裂隙被壓密閉合，而使煤巖強(qiáng)度和彈性模量加大。

圖4 應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress and strain curves

對(duì)比分析4個(gè)煤樣宏觀破壞后的狀態(tài)，從左往右依次為1，2，3，4號(hào)煤樣(見(jiàn)圖5)。

圖5 煤樣破壞狀態(tài)Fig.5 Damage states of coal and rock samples

在低圍壓如5 MPa和10 MPa下，煤樣內(nèi)部形成了很多的裂隙，宏觀破壞是以內(nèi)部裂隙形成，表現(xiàn)為煤樣表面形成了很多的宏觀裂紋，這些宏觀裂紋和軸向加載方向呈現(xiàn)一定的夾角；隨著圍壓的升高，如15 MPa和20 MPa下，高壓抑制了煤樣內(nèi)部裂隙的形成，煤樣破壞是以單一宏觀破裂面形成，破裂面的交匯處有較大范圍的粉碎巖粉，剪切破裂面上有很多巖粉，且呈現(xiàn)出了側(cè)向膨脹。尤其是3號(hào)煤樣體現(xiàn)得非常明顯，在試驗(yàn)過(guò)程中，由于選取的3號(hào)煤樣其原生裂隙很多，在15 MPa的高壓條件下，煤樣發(fā)生破裂面宏觀破壞，且伴隨有大量的粉碎巖粉。

2.3 煤巖的擴(kuò)容現(xiàn)象

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，打破了煤巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在荷載的作用下，煤巖會(huì)發(fā)生明顯的非彈性體積應(yīng)變，即巖石的擴(kuò)容現(xiàn)象[12]。可將圖4的體積應(yīng)力應(yīng)變曲線，分為3個(gè)階段。

1)變形階段(OA)：在彈性階段，體積應(yīng)變曲線呈現(xiàn)線性減小的趨勢(shì)，即隨著應(yīng)力的增加，體積應(yīng)變減小，煤樣的體積減小。在彈性階段的后期，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的現(xiàn)象，此時(shí)擴(kuò)容現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn)。由于3號(hào)煤樣自身原生裂隙很多，在發(fā)生2次宏觀破壞時(shí)，也出現(xiàn)2次擴(kuò)容階段。

2)不變階段(AB)：進(jìn)入該階段后，體積應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性變化，雖然應(yīng)力在不斷增加，但是煤樣的體積幾乎沒(méi)有發(fā)生改變。在此階段，曲線上出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為臨界應(yīng)力。根據(jù)臨界應(yīng)力，可以對(duì)煤巖的擴(kuò)容破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3)擴(kuò)容階段(BC)：當(dāng)體積應(yīng)變曲線過(guò)了拐點(diǎn)以后，隨著應(yīng)力的增加，體積應(yīng)變大幅增加，煤樣的體積也擴(kuò)大，直至煤樣破壞，破壞后的煤樣兩側(cè)出現(xiàn)明顯的膨脹。

其中，研究煤巖的擴(kuò)容現(xiàn)象不僅可以深入了解煤巖的變形特性，而且在掌握體積應(yīng)變曲線上的臨界點(diǎn)的數(shù)值后，可以對(duì)煤巖的破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)，在對(duì)巖土工程失穩(wěn)破壞等的研究應(yīng)用中具有重要意義。

3 基于聲發(fā)射的煤巖損傷分析

3.1 損傷模型的建立

Kachanov將損傷變量定義為[10]：

(1)

式中：D為煤樣的損傷變量；Ad為承載斷面上微缺陷的所有面積，mm2；A為初始無(wú)損傷時(shí)的斷面積，mm2。

單位面積微元破壞時(shí)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)Cw：

(2)

式中：Cw為單位面積微元破壞時(shí)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)，次；C0為無(wú)損材料整個(gè)截面完全破壞的累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)，次。

當(dāng)斷面損傷面積達(dá)Ad時(shí)，累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)Cd為：

(3)

式中：Cd為斷面損傷面積達(dá)Ad時(shí)累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)，次。

所以有，

(4)

式中：D為煤樣的損傷變量。

將損傷變量修正為

(5)

式中：DU為損傷臨界值。

式中C0的取值為損傷變量達(dá)DU時(shí)的累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，損傷臨界值取為

(6)

式中：σP為峰值強(qiáng)度；σC為殘余強(qiáng)度。

根據(jù)式(6)計(jì)算出4個(gè)煤樣的損傷臨界值分別為0.62,0.23,0.39,0.33。

根據(jù)式(5)和式(6)得到煤樣的損傷應(yīng)變曲線，并選取Logistic函數(shù)擬合出損傷應(yīng)變的理論曲線。選取Logistic函數(shù)進(jìn)行擬合是由于煤巖損傷應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線增長(zhǎng)規(guī)律符合Logistic函數(shù)的增長(zhǎng)規(guī)律，即曲線初始呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，后增長(zhǎng)緩慢變得飽和，最后增長(zhǎng)趨于緩和。理論曲線的方程為

(7)

式中：A，B，C，P均為常量參數(shù)；ε為煤樣的應(yīng)變，%。

該方程即作為煤巖損傷變形的模型。理論曲線中的具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 理論曲線具體參數(shù)Table 2 Specific parameters of the theoretical curves

3.2 損傷演化分析

不同煤巖試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度見(jiàn)表1。根據(jù)式(7)得到損傷應(yīng)變理論曲線，如圖6所示，并對(duì)比分析試驗(yàn)曲線和理論曲線。

根據(jù)曲線圖，可以將三軸壓縮下煤樣的損傷變形劃分為4個(gè)階段，將這4個(gè)階段與聲發(fā)射計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，分析可得：

1)初始損傷階段(OA)：經(jīng)過(guò)壓密階段后的煤樣在彈性變形階段幾乎沒(méi)有新裂隙的產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)也幾乎沒(méi)有或者很少，煤樣的損傷量幾乎趨近于零。

2)損傷穩(wěn)定發(fā)展階段(AB)：隨著軸向載荷的施加，煤樣進(jìn)入彈塑性變形階段，新的裂隙開(kāi)始不斷產(chǎn)生并擴(kuò)展，聲發(fā)射活動(dòng)開(kāi)始活躍，對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)開(kāi)始增加，此時(shí)煤樣的損傷量連續(xù)增加。

圖6 損傷應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線Fig.6 Correspondence curves of damage and strain

3)損傷加速發(fā)展階段(BC)：煤樣產(chǎn)生的裂隙迅速擴(kuò)展、匯合、貫通，造成煤樣宏觀破壞，在此階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)劇烈增加并達(dá)到峰值，此時(shí)煤樣的損傷呈現(xiàn)不穩(wěn)定的變化。

4)損傷破壞階段(CD)：煤樣發(fā)生宏觀破壞后，仍具有一定的承載能力，聲發(fā)射計(jì)數(shù)在達(dá)到峰值后又迅速減少，并在某一穩(wěn)定值附近波動(dòng)，此時(shí)煤樣的損傷量趨于穩(wěn)定。

對(duì)比理論曲線和試驗(yàn)曲線，總體變化趨勢(shì)類似，根據(jù)表2中4個(gè)煤樣在不同圍壓下的擬合度，說(shuō)明基于聲發(fā)射計(jì)數(shù)建立的煤巖損傷模型，較好地模擬了三軸壓縮下煤巖損傷變形的規(guī)律特征，且擬合度較高，4個(gè)煤樣的擬合度都達(dá)到了0.99。文獻(xiàn)[13]中有理論研究巖石的損傷臨界值0.2≤DU≤0.8，而試驗(yàn)結(jié)果證明4個(gè)煤樣的損傷臨界值在該區(qū)間范圍內(nèi)。

圍壓從5 MPa增加到10 MPa時(shí)，AE峰值計(jì)數(shù)從887次增加到1 134次，損傷臨界值從0.62減小到0.23，損傷量從0.70減小到0.31；當(dāng)圍壓從15 MPa增加到20 MPa時(shí)，AE峰值計(jì)數(shù)從1 662次增加到2 445次，損傷臨界值從0.39減小到0.33，損傷量從0.41減小到0.37。隨著圍壓的升高，煤樣的AE峰值計(jì)數(shù)增大，而損傷臨界值和損傷量均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，圍壓的升高抑制了煤巖內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展，這種抑制活動(dòng)導(dǎo)致煤巖損傷減小，但使煤巖破壞需要的能量增多，故破壞時(shí)峰值計(jì)數(shù)增大。理論模型中的P值代表著速率增長(zhǎng)因子，當(dāng)P值較大時(shí)，煤樣內(nèi)部的裂隙來(lái)不及擴(kuò)展、匯合、貫通，煤樣的破壞損傷程度較低；當(dāng)P值較小時(shí)，煤樣內(nèi)部裂隙不斷產(chǎn)生，導(dǎo)致煤樣的破壞損傷程度較高。P值隨著圍壓的升高呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，表明煤樣的破壞損傷程度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。與試驗(yàn)中煤樣損傷規(guī)律一致。

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤巖的損傷是不連續(xù)的，而理論曲線是連續(xù)變化的函數(shù)，沒(méi)有考慮煤巖內(nèi)部的局部變化，因此，理論曲線在描述煤巖損傷變形的過(guò)程中有一定的不足，基于聲發(fā)射計(jì)數(shù)建立的損傷模型有一定的誤差，需要在后續(xù)研究中不斷改善。

4 結(jié)論

1)煤巖三軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)過(guò)程可以分為裂隙壓密階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段和破壞階段。在裂隙壓密階段和彈性階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)基本沒(méi)有或者很少；煤樣變形進(jìn)入彈塑性階段，聲發(fā)射活動(dòng)開(kāi)始活躍，聲發(fā)射計(jì)數(shù)逐漸增多；隨著加載的進(jìn)行，煤樣內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙貫通、擴(kuò)展，逐漸形成宏觀破壞，聲發(fā)射計(jì)數(shù)急劇增加達(dá)到峰值。煤樣的應(yīng)變率增大，徑向應(yīng)變率高于軸向應(yīng)變率，煤樣發(fā)生剪脹變形，最終煤樣破壞。

2)由于彈性階段煤樣內(nèi)部裂隙被壓密，增加了煤樣的整體性，隨著圍壓的升高，聲發(fā)射計(jì)數(shù)減少。試驗(yàn)出現(xiàn)了煤巖聲發(fā)射計(jì)數(shù)的峰值出現(xiàn)在煤巖宏觀破壞以后的現(xiàn)象，這是因?yàn)閲鷫禾岣吡嗣簬r的峰后承載能力和剪切破壞強(qiáng)度。

3)隨著載荷的施加，煤樣的徑向應(yīng)變率大于軸向應(yīng)變率，煤樣出現(xiàn)負(fù)的體積應(yīng)變，破壞時(shí)發(fā)生剪脹擴(kuò)容變形。研究煤巖的擴(kuò)容現(xiàn)象，不僅可以了解巖石的性質(zhì)，還可以對(duì)巖土工程中失穩(wěn)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4)基于AE計(jì)數(shù)，構(gòu)建模型，研究三軸壓縮下煤巖損傷變形的規(guī)律，將損傷分為初始損傷階段、損傷穩(wěn)定發(fā)展階段、損傷加速發(fā)展階段和損傷破壞階段。將損傷曲線進(jìn)行擬合后的理論曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該損傷模型可以較好地模擬出煤巖損傷破壞的特性，并得到損傷量隨圍壓的升高呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。但是該模型無(wú)法考慮試樣中的局部損傷，在未來(lái)的研究中需不斷改善。