肖福坤， 孟 鑫， О.В.Бaшков， 包豐源， 呂 嵐,4， 邢 樂

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 3.Комсомольский-на-Амуре государственный университет Материаловедение и технология новых материалов, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре, Россия 681013； 4.黑龍江科技大學(xué) 國際交流合作處，哈爾濱 150022)

0 引 言

深部礦井井下沖擊地壓發(fā)生較為頻繁，給安全高效開采帶來一系列挑戰(zhàn)。面對這一情況，學(xué)者們通過研究提出了一些重要理論?；谶@些理論，專家提出一些方法如：煤層注水、鉆孔卸壓、爆破，來弱化和減小煤層的沖擊傾向性。其中，鉆孔卸壓因其效果明顯、安全且適應(yīng)性強(qiáng)，受到越來越多的青睞[1]。鉆孔的本質(zhì)是制造人工缺陷，鉆孔卸壓問題可以轉(zhuǎn)化為對孔洞缺陷煤巖的研究。肖福坤等[2]利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)研究了孔洞因素對微裂紋擴(kuò)展延伸路徑的影響。崔嘉慧[3]采用巖石相似材料，分析了雙孔類巖石的力學(xué)特性。來興平等[4-5]進(jìn)行了含孔洞煤樣單軸壓縮實驗，分析了煤樣的能量演化規(guī)律。單鵬飛等[6]通過兩種常用卸壓手段來研究煤樣的損傷演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)注水卸壓和鉆孔卸壓都可以很好地降低整體煤樣的沖擊傾向性。楊磊等[7]運(yùn)用PFC顆粒流數(shù)值模擬軟件，分析了不同沖擊傾向性煤樣單軸壓縮下的能量演化規(guī)律。楊增福等[8]研究了煤樣的聲發(fā)射特征與破壞之間的關(guān)系。曾昭飛等[9]發(fā)現(xiàn)雙孔洞和雙裂隙缺陷顯著弱化了巖石抗壓承載的力學(xué)特性。

以上學(xué)者從多方面探究了孔洞因素對煤巖性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)孔洞直徑大小對煤巖性質(zhì)不容忽視。但是學(xué)者們研究的重點主要停留在宏觀破壞角度上，分析的手段也較為單一。筆者構(gòu)造了完整及單孔10、20、30 mm煤樣，從孔洞煤樣的力學(xué)性質(zhì)、破壞特征、能量轉(zhuǎn)化角度進(jìn)行綜合分析，同時運(yùn)用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，分析了加載過程中的聲發(fā)射特征變化，探究了不同孔洞直徑對煤樣損傷破壞的影響規(guī)律，為鉆孔卸壓參數(shù)的選擇、減少沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生方面提供一定的幫助。

1 實驗方案

將大塊煤樣加工成100 mm×100 mm×100 mm的正方體，分成兩組，一組是完整試樣；一組設(shè)置不同孔洞直徑，孔徑為10、20、30 mm。每種煤樣制作3個，完整及孔洞如圖1所示。

圖1 完整及孔洞煤樣Fig. 1 Complete and perforated coal samples

將制作好的煤樣放置于壓力機(jī)底板上，利用YJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變試驗機(jī)加載系統(tǒng)，在垂直于煤樣孔洞軸方向，以加載位移0.01 mm/s對煤樣進(jìn)行加載實驗。使用SH-II型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測加載過程中的損傷信號，在上下左右4個區(qū)域各安置1個聲發(fā)射監(jiān)測探頭，監(jiān)測門檻設(shè)置為40 dB；使用攝像機(jī)全程記錄。實驗開始時，設(shè)備同時開啟。加載系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 實驗系統(tǒng)Fig. 2 Experimental system

2 結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性質(zhì)

圖3為煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可以看出，所有實驗的煤樣在加載過程中都經(jīng)歷了裂隙壓密、彈性變形、塑性變形和破裂后階段。完整煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線光滑平整，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，應(yīng)力迅速跌落至0，破壞方式為典型的脆性破壞?？锥疵簶釉诩虞d過程中會出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力跌落，彈性加載階段相應(yīng)減少，塑性加載階段相應(yīng)增加。隨著孔洞直徑的增加，現(xiàn)象越來越明顯。

圖3 完整及不同孔洞直徑煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Stress-strain curves of complete coal samples with different hole diameters

將每組加工完成的3個試樣進(jìn)行單軸壓縮實驗，去除偶然因素影響煤樣力學(xué)參數(shù)，取其結(jié)果平均值進(jìn)行統(tǒng)計。由表1可以看出，完整煤體的最大抗壓強(qiáng)度平均值為17.04 MPa，峰值應(yīng)變?yōu)?.04%，彈性模量平均值為3.65 GPa?？讖?0 mm煤樣的抗壓強(qiáng)度為14.60 MPa，相比于完整煤樣強(qiáng)度下降了14.32%；峰值應(yīng)變?yōu)?.78%，相比完整煤樣下降了31.18%；彈性模量為4.02 GPa，相比完整煤樣增加了10.13%。彈性模量大于完整煤樣的原因可能是孔洞的影響范圍有限，在一定程度上增加了彈性階段煤樣抵抗外力的能力?？讖綖?0 mm煤樣的抗壓強(qiáng)度為10.98 MPa，相比于完整煤樣強(qiáng)度下降了35.56%，峰值應(yīng)變?yōu)?.25%，相比完整煤樣下降了19.55%，彈性模量為3.32 GPa，相比于完整煤樣下降了9.04%?？讖綖?0mm煤樣的抗壓強(qiáng)度為8.39 MPa，相比于完整煤樣強(qiáng)度下降了50.76%；峰值應(yīng)變?yōu)?.61%，相比于完整煤樣下降了10.64%，彈性模量為2.57 GPa，相比完整煤樣下降了29.59%。

表1 完整及不同孔洞直徑煤樣的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of complete and coal samples with different hole diameters

孔洞煤樣的強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量普遍小于完整煤樣?？锥吹拇嬖谙魅趿嗣簶拥牧W(xué)性質(zhì)，劣化了煤樣破壞的峰值強(qiáng)度。隨著孔洞直徑的增加，煤樣的峰值強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低，峰值應(yīng)變不斷增加，說明孔洞直徑越大，卸壓效果越好。與完整煤樣相比，單孔10、20、30 mm煤樣降低的幅度為31.18%、19.55%、10.64%，說明隨著孔洞直徑的增加，強(qiáng)度下降的速度逐漸減緩。

2.2 裂紋擴(kuò)展與破壞形態(tài)

煤樣破壞形態(tài)如圖4所示。圖中的字母是為了區(qū)分裂隙擴(kuò)展的順序。

圖4 煤樣的破壞形態(tài)Fig. 4 Failure pattern of complete coal sample

由圖4可知，完整煤樣的破壞形態(tài)為典型的脆性破壞，首先在試樣中間上下方各出現(xiàn)了一條初始張拉裂紋a和b，主要是局部拉應(yīng)力集中超過承載極限所致，它們相向匯合后又繼續(xù)擴(kuò)展；隨后上部c和下部d處表皮出現(xiàn)脫落，隨著載荷加載，表皮脫落區(qū)域越來越多，宏觀剪切裂紋逐漸形成；超過煤樣承載極限時，試樣發(fā)生剪切破壞。

單孔直徑10 mm煤樣的破壞方式為張拉和剪切混合破壞，從破壞形態(tài)看，煤樣表面有4條宏觀裂紋，左側(cè)張拉裂紋b和由孔洞出發(fā)的3條剪切裂紋a、c、d；加載前期，煤樣表面無明顯變化，但內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)已發(fā)生改變，孔洞導(dǎo)致了能量的釋放，致使孔洞周圍應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂隙，微裂隙逐漸擴(kuò)展、貫通，對煤樣內(nèi)部產(chǎn)生影響，由于孔洞直徑較小，影響距離有限，孔洞遠(yuǎn)處的區(qū)域超過其抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)張拉裂紋，最后的破壞是由張拉和剪切力共同作用的,與應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成良好的對應(yīng)，到達(dá)峰值強(qiáng)度后應(yīng)力跌落又再次上升。

直徑20 mm煤樣的破壞形態(tài)為剪切破壞，首先在孔洞上下方各出現(xiàn)了一條張拉裂紋a和b，它們從孔洞出發(fā)向邊界方向逐漸擴(kuò)展，隨著載荷加載，張拉裂紋逐漸閉合，孔洞左右方各出現(xiàn)了一條剪切裂紋c和d，c裂紋向上方擴(kuò)展，d裂紋向下方擴(kuò)展。張拉裂紋閉合的原因是距離孔洞越遠(yuǎn)，受到的張拉應(yīng)力越小，孔洞左右方的剪應(yīng)力集中導(dǎo)致出現(xiàn)剪切裂紋，剪切裂紋的擴(kuò)展又影響了張拉裂紋的擴(kuò)展，接著在孔洞右側(cè)又出現(xiàn)一條新的剪切裂紋e，向下方擴(kuò)展，裂紋旁邊出現(xiàn)了部分表皮脫落。隨著載荷加載裂紋擴(kuò)展越來越多，煤樣發(fā)生剪切破壞，宏觀裂紋為初始剪切裂紋擴(kuò)展的方向。

直徑30 mm煤樣的破壞方式為剪切破壞，首先在孔洞上下方各出現(xiàn)一條張拉裂紋a和b，隨后在加載過程中孔洞右側(cè)上下各出現(xiàn)一條剪切裂紋c和d，張拉裂紋在加載過程中逐漸閉合?？锥瓷戏接蟹勰┞湎?，伴隨著輕煙生成。從右側(cè)邊緣又出現(xiàn)一條橫向裂紋e，向孔洞方向擴(kuò)展，隨后煤樣右側(cè)出現(xiàn)大塊剝離，可以聽到噼啪聲響，大的宏觀裂紋出現(xiàn)，煤樣發(fā)生破壞。宏觀裂紋為初始裂紋c、d擴(kuò)展并貫通形成。

完整煤樣的破壞方式為剪切破壞，煤樣破壞時比較劇烈。孔洞的存在改變了煤樣的性質(zhì)，一定程度上降低了煤樣破壞的劇烈程度。當(dāng)孔洞直徑由10 mm增加到30 mm，煤樣由張拉和剪切混合破壞逐漸向剪切破壞轉(zhuǎn)化?？锥疵簶拥某跏剂鸭y往往從孔洞周圍產(chǎn)生，宏觀裂紋的方向往往由孔洞周圍產(chǎn)生的剪切裂紋擴(kuò)展形成。隨著孔洞直徑的增加，孔洞的作用越來越明顯。

2.3 能量轉(zhuǎn)化

煤樣從加載到最后發(fā)生破壞都有能量的參與，煤樣受載過程是一個能量不斷轉(zhuǎn)化的過程。峰前是煤樣積聚能量的階段，輸入的能量一部分轉(zhuǎn)化為彈性能，一部分轉(zhuǎn)化為耗散能，通過對峰前階段的能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析，可以更好地探究不同孔洞直徑對煤樣損傷破壞的影響。

由表2和圖5可知，完整煤樣加載過程輸入的總能量φt為263.88 kJ/m3，孔洞煤樣加載過程中輸入的總能量普遍小于200 kJ/m3，說明孔洞的存在劣化了煤樣的性質(zhì)。隨著孔洞直徑的增加，煤樣輸入的總能量呈現(xiàn)減小的趨勢，劣化效果越來越好。完整煤樣輸入的總能量中，93.92%的能量轉(zhuǎn)化為彈性變形能φSE儲存在煤樣內(nèi)部，破壞時被釋放出來;6.08%的能量轉(zhuǎn)化為耗散能φD，用于煤樣內(nèi)部的裂紋萌發(fā)、裂隙擴(kuò)展和塑性變形。單孔10 mm煤樣輸入總能量的91.04%轉(zhuǎn)化為彈性變形能，8.96%的能量轉(zhuǎn)化為耗散能。單孔20 mm煤樣輸入總能量的83.03%轉(zhuǎn)化為彈性變形能，16.97%的能量轉(zhuǎn)化為耗散能。單孔30 mm煤樣輸入總能量的76.45%轉(zhuǎn)化為彈性變形能，23.55%的能量轉(zhuǎn)化為耗散能。隨著孔洞直徑的增加，耗散能占比呈增加趨勢。記彈性變形能轉(zhuǎn)化比為k1,耗散能轉(zhuǎn)化比為k2。

表2 完整及不同孔洞直徑煤樣的能量轉(zhuǎn)化Table 2 Energy conversion of coal samples with complete and different hole diameters

圖5 完整及不同孔洞直徑煤樣的能量轉(zhuǎn)化Fig. 5 Energy conversion of complete coal samples with different hole diameters

隨著孔洞直徑的增加，輸入總能量呈下降趨勢?？锥戳踊嗣簶拥男再|(zhì)，使煤樣積聚能量的能力減小。耗散能占比呈增加趨勢，說明更多的能量用于煤樣內(nèi)部裂紋發(fā)育、擴(kuò)展，發(fā)生破壞時突然釋放的能量減小，孔洞達(dá)到了卸壓的效果?？讖皆酱?，卸壓效果越好。

2.4 煤樣聲發(fā)射特征

煤巖加載過程中的聲學(xué)信息蘊(yùn)含著煤樣的破裂信息，通過分析聲發(fā)射特征參數(shù)變化，可以得到不同直徑下孔洞煤樣的損傷演化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 煤樣聲發(fā)射特征信息Fig. 6 Acoustic emission characteristic information of coal sample

完整煤樣初始加載階段內(nèi)部就有聲發(fā)射信號出現(xiàn)，振鈴計數(shù)隨著載荷上升持續(xù)增加，最高達(dá)到2 500，但總體的振鈴計數(shù)處于較低水平。加載中間多次出現(xiàn)聲發(fā)射振鈴計數(shù)激增，主要是由于內(nèi)部應(yīng)力集中所致。當(dāng)載荷加載到峰值載荷的92%左右，振鈴計數(shù)激增，累計振鈴計數(shù)出現(xiàn)一個直線上升，最大振鈴計數(shù)達(dá)到150 000，越過峰值后，載荷迅速降低至0，振鈴計數(shù)維持在一個低水平。

單孔10 mm煤樣在初始壓密階段，振鈴計數(shù)維持在2 000左右，較完整煤樣有所增加，進(jìn)入彈性階段之后，振鈴計數(shù)逐漸增加，累計振鈴計數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性增長。期間出現(xiàn)兩次信號突增，最大振鈴計數(shù)為22 000。當(dāng)載荷加載到峰值載荷的80%，煤樣進(jìn)入塑性階段，聲發(fā)射信號持續(xù)增加后出現(xiàn)一段時間平靜期。臨近峰值時刻，聲發(fā)射信號激增，最大振鈴計數(shù)為51 000，累計振鈴出現(xiàn)了較大的增幅。峰后階段，聲發(fā)射信號先歸于平靜，當(dāng)應(yīng)力又重新增加時，聲發(fā)射信號又歸于活躍，振鈴計數(shù)維持在51 000，累計振鈴曲線呈75°增加，隨后煤樣發(fā)生破壞。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是孔洞影響的范圍有限，煤樣的破壞是由遠(yuǎn)場的張拉裂紋和由孔洞周圍擴(kuò)展的剪切裂紋共同作用的。煤樣左側(cè)發(fā)生張拉破壞，但煤樣整體還有承載能力，所以應(yīng)力在峰值后未快速跌落又出現(xiàn)上行，最后煤樣發(fā)生破壞。

單孔20 mm煤樣初始壓密階段，聲發(fā)射信號逐步增加，50 s出現(xiàn)了多次聲發(fā)射振鈴計數(shù)激增，最大振鈴計數(shù)為18 000，分析原因主要是煤樣孔洞周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中發(fā)生局部破壞所致。彈性變形階段，振鈴計數(shù)基本保持穩(wěn)定，維持在2 200左右。當(dāng)載荷加載到峰值載荷的55%左右，煤樣進(jìn)入塑性變形階段。150～200 s之間，聲發(fā)射振鈴計數(shù)出現(xiàn)多次激增，振鈴計數(shù)在15 000左右，之后經(jīng)過一段平靜期。加載時間到達(dá)240 s時，聲發(fā)射信號重新活躍，保持高振鈴計數(shù)值，累計振鈴計數(shù)曲線呈現(xiàn)75°增加。臨近峰值時，聲發(fā)射振鈴計數(shù)繼續(xù)保持活躍，沒有出現(xiàn)大的激增現(xiàn)象，煤樣內(nèi)部裂紋繼續(xù)發(fā)育、擴(kuò)展，逐漸形成宏觀裂紋。越過峰值時刻，聲發(fā)射信號歸于平靜，累計振鈴計數(shù)基本保持不變。

單孔30 mm煤樣初始壓密階段聲發(fā)射振鈴計數(shù)維持在2 500左右，80 s出現(xiàn)了聲發(fā)射振鈴計數(shù)激增，振鈴計數(shù)為9 500左右，分析原因主要是由于加載過程中孔洞周邊應(yīng)力集中導(dǎo)致局部破損所致。彈性階段，聲發(fā)射信號基本保持穩(wěn)定，煤樣內(nèi)部裂紋逐漸發(fā)育。當(dāng)加載到峰值載荷的70%時，煤樣進(jìn)入塑性階段，聲發(fā)射振鈴計數(shù)維持在25 000左右，累計振鈴計數(shù)曲線呈現(xiàn)80°增加，煤樣內(nèi)部裂紋快速發(fā)育、擴(kuò)展貫通，最后發(fā)生宏觀破壞。

孔洞煤樣的累計振鈴計數(shù)遠(yuǎn)小于完整煤樣。完整煤樣振鈴計數(shù)各個階段較小，峰值時刻振鈴計數(shù)突增，突增的原因是煤樣隨著載荷的加載，內(nèi)部裂隙不斷發(fā)育、擴(kuò)展，當(dāng)超越煤樣承載極限時發(fā)生剪切崩壞，產(chǎn)生大量聲發(fā)射振鈴計數(shù)?？锥疵簶痈鱾€階段聲發(fā)射振鈴計數(shù)大于完整煤樣，峰值時刻振鈴計數(shù)突增小于完整煤樣。由于孔洞的存在，煤樣受壓時孔洞周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生局部破壞，此后裂紋的擴(kuò)展又影響了煤樣內(nèi)部能量的積聚，當(dāng)煤樣內(nèi)部裂紋還未發(fā)育完全時，由孔洞周圍的裂紋經(jīng)過不斷擴(kuò)展、貫通，逐漸形成了宏觀裂紋，所以聲發(fā)射振鈴計數(shù)少于完整煤樣。隨著孔洞直徑的增加，聲發(fā)射活動逐漸減少，峰值時刻的振鈴計數(shù)減小，說明孔洞直徑的增加，相應(yīng)降低了煤樣破壞的劇烈程度，卸壓效果也表現(xiàn)越來越好。

3 結(jié) 論

(1)孔洞煤樣的強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量普遍小于完整煤樣。隨著孔洞直徑的增加，煤樣的峰值強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低。隨著孔徑的增大，抗壓強(qiáng)度下降的速度逐漸減緩。

(2)孔洞煤樣的初始裂紋往往從孔洞周圍產(chǎn)生，宏觀裂紋的方向往往由孔洞周圍產(chǎn)生的剪切裂紋擴(kuò)展形成，當(dāng)孔洞直徑不斷增加時，煤樣由張拉和剪切混合破壞逐漸向剪切破壞轉(zhuǎn)化。

(3)孔洞煤樣輸入的總能量小于完整煤樣。隨著孔洞直徑的增加，煤樣輸入的總能量呈現(xiàn)減小趨勢，耗散能占比呈現(xiàn)增大趨勢。

(4)煤樣加載過程中振鈴計數(shù)的變化關(guān)系體現(xiàn)了煤樣損傷演化的過程。孔洞煤樣聲發(fā)射活動小于完整煤樣?？锥疵簶痈鱾€階段聲發(fā)射振鈴計數(shù)大于完整煤樣，峰值時刻振鈴計數(shù)突增小于完整煤樣。隨著孔洞直徑的增加，煤樣聲發(fā)射活動逐漸減少，峰值時刻的振鈴計數(shù)也減小。