徐遵玉

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

井工開采是開發(fā)煤炭資源的主要形式，我國地下煤炭賦存條件復(fù)雜，富含斷層、褶曲等多種構(gòu)造，進(jìn)入深部開采后，開采環(huán)境愈加惡劣，在采掘反復(fù)擾動(dòng)、高采動(dòng)應(yīng)力持續(xù)作用下，煤巖極易損傷破壞，引發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害[1-3]，尤其是松散煤層工作面，圍巖更易失穩(wěn)災(zāi)變，開展松散煤體破壞失穩(wěn)過程的研究對(duì)防控失穩(wěn)災(zāi)害具有重要的實(shí)踐意義。

眾多學(xué)者針對(duì)松散煤體損傷破壞特征開展了全面詳細(xì)的研究。伍永平等[4]針對(duì)新疆松散煤樣，通過單軸、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究煤體強(qiáng)度和變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)荷載施加過程中，煤體側(cè)向應(yīng)變呈現(xiàn)非線性小幅度增加規(guī)律，且內(nèi)部裂隙發(fā)育擴(kuò)展后易發(fā)生局部張拉破壞。張?zhí)燔姷萚5]配置了預(yù)制孔洞類松散煤體試樣，采用數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法開展了單軸壓縮條件下煤體表面形貌觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為孔周徑向、環(huán)向移動(dòng)分別具有上下對(duì)稱，左右相似；孔心對(duì)稱的分布規(guī)律。潘紅宇等[6]采用型煤技術(shù)，基于壓縮狀態(tài)下了含(無)預(yù)制鉆孔煤樣的數(shù)字散斑圖像量化煤體損傷程度，獲得了損傷破壞演化特征。孫長倫等[7]采用納米壓痕技術(shù)測(cè)定了松散煤體的硬度、彈性模量和斷裂韌度，研究表明，煤的納米壓痕硬度、彈性模量和斷裂韌度呈線性關(guān)系，且峰值荷載對(duì)斷裂韌度與彈性模量間的線性關(guān)系具有明顯的影響。侯連浪等[8]以云南老廠地區(qū)礦井內(nèi)松散煤塊為研究對(duì)象，開展了壓入硬度實(shí)驗(yàn)及不同加載速率條件下的斷裂韌性實(shí)驗(yàn)，研究了獲得了不同加載速率及割理角度情況下松散煤體Ⅰ型斷裂破壞過程。聲發(fā)射技術(shù)作為一種有效的探傷手段已被廣泛應(yīng)用于揭示荷載作用下煤巖損傷破壞的過程。來興平等[9]采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究了脆性孔洞煤樣加載過程中的能量階段蓄積釋放規(guī)律，并與完整煤樣進(jìn)行對(duì)比。肖曉春等[10]針對(duì)飽水、自然含水和烘干三種含水條件的煤體，實(shí)驗(yàn)研究了不同含水狀態(tài)煤體的聲發(fā)射時(shí)域及頻域特征。楊磊[11]以不同沖擊傾向性的煤體為研究對(duì)象，開展壓縮過程中的聲發(fā)射試驗(yàn)，獲取了煤體聲發(fā)射能量特征與事件時(shí)空演化規(guī)律。宋紅華等[12]針對(duì)忻州窯14號(hào)煤體，探討了煤體非均質(zhì)性對(duì)破壞特征的影響，發(fā)現(xiàn)與沿平行層理加載的煤樣相比，沿垂直層理加載煤樣抗壓強(qiáng)度、總聲發(fā)射計(jì)數(shù)均較高。牟宏偉等[13]開展了不同加載方向與節(jié)理面夾角(α)對(duì)煤體聲發(fā)射特征的影響研究，認(rèn)為聲發(fā)射信號(hào)以α等于45°為界表現(xiàn)出不同的峰前峰后特征。李德行等[14]對(duì)含不同預(yù)制裂紋傾角煤樣進(jìn)行壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，獲得了裂紋傾角對(duì)聲發(fā)射特征影響規(guī)律。史宏財(cái)[15]進(jìn)行了不同高溫預(yù)先損傷和三軸蠕變聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，分析了煤體高溫作用后聲發(fā)射響應(yīng)特征。另外，肖福坤等[16]采用邊角剪切模具和聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了剪切實(shí)驗(yàn)，分析了聲發(fā)射活動(dòng)隨剪切角度的變化規(guī)律。任松等[17]通過不同加載速率下原煤巴西破裂實(shí)驗(yàn)，研究了煤體拉伸破壞過程中聲發(fā)射能量分布規(guī)律。楊英明等[18]模擬研究了動(dòng)靜組合加載下煤體聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律。鄒俊鵬等[19]針對(duì)吉林省琿春煤田低階原煤，分別開展了常規(guī)加載和循環(huán)荷載條件下煤體聲發(fā)射特征實(shí)驗(yàn)，獲得了循環(huán)荷載下原煤損傷演化規(guī)律。何俊等[20]進(jìn)行了常規(guī)三軸及三軸循環(huán)加卸載下煤體聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，研究了煤樣聲發(fā)射特征。王笑然等[21]以沖擊硬煤為對(duì)象，開展了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，同步監(jiān)測(cè)了煤體破壞過程中的聲發(fā)射信息，獲取了煤樣裂紋擴(kuò)展全過程。賈炳等[22]為研究峰值前后多次加載下煤樣聲發(fā)射變化規(guī)律，采用焦作礦區(qū)煤樣開展了峰值前后多次加載下聲發(fā)射特征監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

以往的研究，針對(duì)不同應(yīng)力路徑(單軸、三軸、循環(huán)荷載)下，含節(jié)理、層理、裂紋等缺陷及預(yù)先損傷煤體，開展了煤體聲發(fā)射特征研究，但由于松散煤體制備標(biāo)準(zhǔn)試樣較為困難，目前借助聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行松散煤體損傷破壞特征的研究還有待深入?；诖耍槍?duì)淮南礦區(qū)松散煤體，采用型煤代替原煤，開展單軸荷載作用下煤體聲發(fā)射特征監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究煤體損傷破壞過程，建立松散煤體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，為防控失穩(wěn)災(zāi)害提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 松散煤體聲發(fā)射特征監(jiān)測(cè)試驗(yàn)概況

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用原煤選自淮南礦區(qū)松散煤層，將煤體在室內(nèi)充分破碎、篩分出0.1～0.25mm粒徑的顆粒煤，稱取330g煤粉、10g純水并充分混合，采用制樣模具將混合的原料經(jīng)高壓壓制出50mm×50mm×100mm左右的方形煤樣共10塊，挑選出表面無明顯裂隙的煤樣5塊用于試驗(yàn)，編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)

試驗(yàn)設(shè)備包括：①應(yīng)力加載及應(yīng)力、應(yīng)變采集單位為WAW-2000D微機(jī)控制電源伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)最大運(yùn)行負(fù)荷為2000kN，具有壓荷載施加及應(yīng)力-應(yīng)變采集功能；②聲發(fā)射信息采集單元為PCI-II聲發(fā)射儀及探頭，能夠采集荷載作用下煤體多通道聲發(fā)射信息；③煤體表面破裂形態(tài)采集單元由具有高清攝錄功能的CCD攝像機(jī)提供。

將上述試驗(yàn)設(shè)備組合成松散煤體聲發(fā)射特征監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，能夠?qū)崿F(xiàn)單軸荷載作用煤體力學(xué)特征及聲發(fā)射信息的同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 松散煤體聲發(fā)射特征監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟：①取出一個(gè)型煤試樣，為便于觀測(cè)煤體表面破裂形態(tài)，在試樣表面均勻噴涂白色噴漆，使得煤體表面形成黑白均勻分布圖像；②在試樣四周均勻布置聲發(fā)射信息采集探頭8個(gè)，聲波探頭布置如圖2所示；③將試樣連同聲發(fā)射探頭小心放置于實(shí)驗(yàn)機(jī)加載臺(tái)上，并依次將各探頭與聲發(fā)射儀相連，設(shè)定采樣率為1MHz，并調(diào)試系統(tǒng)，直至信號(hào)平穩(wěn)。④開啟試驗(yàn)機(jī)，施加單軸荷載，設(shè)定加載速率為0.002mm/min，當(dāng)試樣產(chǎn)生變形后，立即開始采集聲發(fā)射信息，同時(shí)采用CCD攝像機(jī)，同步記錄試樣表面破裂形態(tài)，直至試樣應(yīng)力穩(wěn)定在殘余強(qiáng)度。⑤依次針對(duì)其他試樣，開展試驗(yàn)步驟①～④。

圖2 聲波探頭布置

2 基于聲發(fā)射的松散煤體損傷演化

為基于聲發(fā)射信息定量表征煤體的損傷破壞過程，以累積AE計(jì)數(shù)定義損傷變量D，量化煤體破壞程度，損傷變量D[23]：

D=Cd/C0

(1)

式中，Cd為煤體某一破壞階段的累積AE計(jì)數(shù)；C0為煤體完全破壞后的累積AE計(jì)數(shù)。

選取聲發(fā)射活動(dòng)及表面破裂形態(tài)最為復(fù)雜的1#、3#、4#為代表性試樣進(jìn)行分析，依據(jù)試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)，煤體應(yīng)力/聲發(fā)射計(jì)數(shù)/損傷變量-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 煤體應(yīng)力/聲發(fā)射計(jì)數(shù)/損傷變量-應(yīng)變關(guān)系曲線

1#試樣表面破裂形態(tài)演化過程如圖4所示，以1#試樣為例，結(jié)合圖3(a)綜合分析可知：

A點(diǎn)：軸向應(yīng)變?yōu)?.7×10-3，應(yīng)力為0.019MPa，此時(shí)外部荷載較低，煤體內(nèi)部初始結(jié)構(gòu)僅發(fā)生略微擠壓錯(cuò)動(dòng)，AE計(jì)數(shù)也極低，表面形態(tài)無變化，如圖4(a)所示，試樣基本完好，損傷變量D為0.00288。

B點(diǎn)：軸向應(yīng)變?yōu)?.8×10-3，應(yīng)力為0.242MPa，試樣內(nèi)部萌生的微破裂源隨機(jī)分布，AE信號(hào)活躍，計(jì)數(shù)為525，大量微裂紋擴(kuò)展并在試樣表面匯聚后形成張開度均較小的傾斜宏觀裂紋1，如圖4(b)所示，試樣損傷程度有所增加，D為0.17593，且隨應(yīng)變的增加，具有緩慢增大的趨勢(shì)。

C點(diǎn)：軸向應(yīng)變?yōu)?.5×10-3，應(yīng)力為0.371MPa，試樣內(nèi)部裂紋不斷發(fā)育、聚集，AE計(jì)數(shù)為683，表面宏觀裂紋1在外部荷載的作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，開度及長度均明顯增大，如圖4(c)所示，試樣損傷增加，D為0.31173，破壞特征凸顯。

D點(diǎn)：軸向應(yīng)變?yōu)?.2×10-3，應(yīng)力為0.481MPa，試樣內(nèi)部大量裂紋不斷聚集后在表面2區(qū)域處形成若干條宏觀裂紋，如圖4(d)所示，AE信號(hào)持續(xù)活躍，AE計(jì)數(shù)達(dá)到668，試樣損傷明顯增加，D為0.4844，且隨荷載的增加，具有顯著增大的趨勢(shì)。

圖4 1#試樣表面破裂形態(tài)演化過程

E點(diǎn)：軸向應(yīng)變?yōu)?.6×10-3，應(yīng)力為0.401MPa，此時(shí)AE信號(hào)更加活躍，AE計(jì)數(shù)達(dá)到878，試樣表面2區(qū)域處宏觀裂紋迅速擴(kuò)展，裂紋數(shù)量及擴(kuò)展程度均增加，表面形態(tài)急劇惡化，損傷大幅增加，D為0.75398。

F點(diǎn)：軸向應(yīng)變?yōu)?.2×10-3，應(yīng)力為0.144MPa，此時(shí)外部荷載在達(dá)到極限荷載后開始降低，與E點(diǎn)相比，試樣表面形態(tài)變化較小，裂紋長度和數(shù)量基本不再增加，僅有少量裂紋開度增大，煤體裂紋充分發(fā)育，破壞程度達(dá)到最大，D為0.98192。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)，AE計(jì)數(shù)穩(wěn)定在98～882范圍內(nèi)，D也穩(wěn)定在1附近。

以1#試樣為例，分析基于聲發(fā)射特征的損傷變量變化規(guī)律，在軸向荷載的作用下，煤體應(yīng)變由0增至0.95×10-3過程中，損傷變量D介于0～0.00692范圍內(nèi)，基本平穩(wěn)無變化，隨煤體軸向應(yīng)變?cè)黾?，D由應(yīng)變?yōu)?.95×10-3時(shí)的0.00692增至應(yīng)變?yōu)?.9×10-3時(shí)的0.42339，應(yīng)變變化1×10-3，D增長0.1301，該階段D呈現(xiàn)緩慢增長的變化趨勢(shì)；隨加載的進(jìn)行，在應(yīng)變?cè)鲋?.84×10-3過程中，D增至0.94638，增加了0.52299，應(yīng)變變化 1×10-3，D變化率為0.5856，具有快速增長的基本規(guī)律；隨后，隨試樣軸向變形的增加，損傷變量D在0.94638～1范圍內(nèi)波動(dòng)，處于再次平穩(wěn)狀態(tài)。綜合來看，隨軸向應(yīng)變的增加，3個(gè)試樣的損傷變量均呈現(xiàn)平穩(wěn)，緩慢增長，快速增長再平穩(wěn)的變化規(guī)律，依次對(duì)應(yīng)圖中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段。

3 松散煤體損傷本構(gòu)模型

3.1 基于AE計(jì)數(shù)的損傷本構(gòu)模型

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)能夠很好的反映煤體受載破壞過程中的內(nèi)部三維幾何結(jié)構(gòu)變化，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)的演變，因此，基于累積AE計(jì)數(shù)定義損傷變量D，構(gòu)建煤體本構(gòu)模型。松散煤巖本構(gòu)關(guān)系的表達(dá)式為：

σ=(1-D)Eε

(2)

式中，E為無損傷煤巖的彈性模量，MPa；ε為應(yīng)變。

(3)

從圖3中的煤體應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，煤體完全破壞后(D=1)還可以傳遞部分壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，因此，需引入損傷系數(shù)δ優(yōu)化煤體本構(gòu)模型。式(3)進(jìn)一步修正為：

(4)

采用煤體殘余應(yīng)力σc和峰值應(yīng)力σp定義損傷系數(shù)δ，有：

(5)

聯(lián)立式(4)、式(5)，可得修正后的損傷本構(gòu)模型表達(dá)式：

(6)

式中，Cd為煤巖某一破壞階段的累積AE計(jì)數(shù)，個(gè)；C0為煤巖完全破壞后的累積AE計(jì)數(shù)，個(gè)；σc為煤體殘余應(yīng)力，MPa；σp為煤體峰值應(yīng)力，MPa。

3.2 本構(gòu)模型的驗(yàn)證

依據(jù)松散煤體聲發(fā)射特征監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，獲取1#、3#和4#試樣的彈性模量、峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度，運(yùn)用松散煤體損傷本構(gòu)模型表達(dá)式(6)計(jì)算獲取煤體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并在曲線上各取5個(gè)具有代表性的特征點(diǎn)，對(duì)比分析相同變形時(shí)，理論應(yīng)力與試驗(yàn)應(yīng)力數(shù)值，檢驗(yàn)理論模型合理性。

松散煤體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，由圖5可知：在峰前及峰后軟化階段，理論曲線和試驗(yàn)曲線的分布形態(tài)與變化趨勢(shì)基本相同，但在峰后殘余階段，理論曲線相對(duì)平穩(wěn)，這與文獻(xiàn)[23]的研究結(jié)果相同，可能是該階段聲發(fā)射信號(hào)極弱，損傷變量-應(yīng)變曲線平穩(wěn)，理論應(yīng)力幾乎無變化?？傮w看來，理論應(yīng)力值與試驗(yàn)值差異較小，平均絕對(duì)誤差僅為0.126MPa，平均彈性模量絕對(duì)誤差為0.008GPa，運(yùn)用基于AE計(jì)數(shù)損傷本構(gòu)模型描述松散煤體損傷破壞過程是合理的。

圖5 松散煤體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 結(jié) 論

1)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了單軸壓縮狀態(tài)下松散煤體聲發(fā)射計(jì)數(shù)及表面破裂形態(tài)變化規(guī)律，揭示了基于累積AE計(jì)數(shù)的煤體損傷演化特征。隨軸向應(yīng)變的增加，煤體損傷變量呈現(xiàn)平穩(wěn)，緩慢增長，快速增長再平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。

2)基于累積AE計(jì)數(shù)定義的損傷變量D，建立了松散煤體本構(gòu)模型，結(jié)合煤體力學(xué)特征參數(shù)，得到了全應(yīng)力-應(yīng)變理論曲線。

3)驗(yàn)證了基于AE計(jì)數(shù)損傷本構(gòu)模型的合理性。采用理論本構(gòu)模型求得的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，理論應(yīng)力值與試驗(yàn)值平均絕對(duì)誤差僅為0.126MPa。