沈銘華，劉晨輝，方士正，李永亮，黃海鵬，劉曉明

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 751400；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

加快工作面推進(jìn)速度不僅可以改變周期來(lái)壓步距，減少來(lái)壓次數(shù)，同時(shí)可以提高采煤效率[1，2]。但隨著步距的增加，將會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)頂板下沉量增加，煤巖體的脆性特征凸顯，致使煤體的承載性能發(fā)生改變[3-7]。煤體作為采場(chǎng)最初始的承載體，其承載性能直接關(guān)乎工作面的生產(chǎn)安全，因此有必要對(duì)煤體單軸壓縮加載速率效應(yīng)下的力學(xué)特性與破裂演化展開研究。

目前，有關(guān)加載速率影響煤巖體力學(xué)特性與聲發(fā)射特征的研究已有大量成果[8-11]。李海濤[12]研究發(fā)現(xiàn)，在低加載速率范圍內(nèi)，煤體強(qiáng)度隨加載速率呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，并將煤體強(qiáng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為臨界加載速率；除此之外，隨著加載速率的增加，巖體的破壞過(guò)程還存在一個(gè)由塑性向脆性轉(zhuǎn)變的臨界速率，因此掌握兩個(gè)臨界速率可以更有效地發(fā)揮煤體的承載性能[13]。曹安業(yè)等[14]研究了加載速率對(duì)單軸壓縮條件下砂質(zhì)泥巖聲發(fā)射特征參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的增大，聲發(fā)射能量大幅提升，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)越來(lái)越少；但不同加載速率下的巖體，其聲發(fā)射特征參數(shù)有著明顯的不同，且加載速率越大，巖石的破壞越劇烈[15]；可見不同巖石每個(gè)變形階段都具有不同的聲發(fā)射特征，因此，可以利用聲發(fā)射表征巖石微觀損傷的演化[16]。姜耀東等通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了加載速率對(duì)巖石內(nèi)能量積聚與耗散的影響，發(fā)現(xiàn)加載速率加快會(huì)使得巖石能量積聚與耗散更早發(fā)生[17]。更有學(xué)者針對(duì)加載速率對(duì)不同巖體的Kaiser效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)加載速率對(duì)脆性巖體的Kaiser效應(yīng)明顯小于塑性巖體[18，19]。

綜上所述，當(dāng)前已有眾多學(xué)者研究了加載速率影響煤巖體單軸壓縮條件下的力學(xué)特性與聲發(fā)射特征，并利用數(shù)值模擬研究了煤巖體能量耗散與裂紋擴(kuò)展的加載速率效應(yīng)，但是對(duì)于煤體內(nèi)部微觀裂隙破壞模式與宏觀裂紋擴(kuò)展之間的聯(lián)系研究較少，本文研究了加載速率效應(yīng)下煤樣單軸壓縮內(nèi)部的微觀裂隙與宏觀破壞模式的聯(lián)系，研究成果可為工作面推進(jìn)速度的選擇以及煤樣破裂預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)煤樣取自于梅花井煤礦23采區(qū)，采用現(xiàn)場(chǎng)取芯的取樣方法。為獲取較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取表觀平整，無(wú)明顯裂紋與層理的煤樣作為試驗(yàn)對(duì)象，依據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦方法[20]，將現(xiàn)場(chǎng)取芯的煤樣加工成高徑比2∶1(直徑50 mm)的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，保證試樣兩端面平行且垂直于軸向。

試驗(yàn)設(shè)備為液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) (YAD-2000)和DISP聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。試驗(yàn)采用0.06 、0.3、3 mm/min三種加載速率對(duì)煤樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，在調(diào)整好液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的加載速率后，同步觸發(fā)加載系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聲發(fā)射信號(hào)門檻值設(shè)定為30 dB，放大器前置放大增益為40 dB，采樣頻率設(shè)置為1 MHz。同步獲取煤樣單軸壓縮過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及聲發(fā)射探頭布置方案

2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)煤樣進(jìn)行三種不同加載速率的單軸壓縮試驗(yàn)，每種加載速率進(jìn)行三次獨(dú)立試驗(yàn)，獲取其應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)歸納，發(fā)現(xiàn)每種加載速率下煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有相似的特征，強(qiáng)度差異較小，選取接近于平均抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力應(yīng)變曲線作為各加載速率下煤樣的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線，進(jìn)行對(duì)比分析。不同加載速率下煤樣的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。煤樣單軸壓縮過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為四個(gè)階段：①壓密階段，該階段應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率逐漸增大，煤體內(nèi)原生孔隙與微裂隙被壓縮閉合，沒有新裂隙的產(chǎn)生，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈下“凹”形；②彈性階段，這一階段應(yīng)力應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈直線，斜率不變，煤樣內(nèi)部原生裂隙被進(jìn)一步壓實(shí)；③塑性階段，這一階段煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線開始波動(dòng)，表現(xiàn)為應(yīng)力的多次跌落，其跌降頻率與幅度和加載速率有關(guān)，此時(shí)煤樣內(nèi)部裂隙非穩(wěn)定擴(kuò)展；④峰后階段，受加載速率影響，加載速率越大，煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線下跌迅速或直接跌至為零，加載速率較慢則為緩慢多次下跌直至為零，此時(shí)煤樣承載結(jié)構(gòu)完全破壞。

圖2 不同加載速率下煤樣的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線與四個(gè)應(yīng)力階段

單軸抗壓強(qiáng)度及峰值應(yīng)變隨加載速率變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，隨著加載速率的增大，煤樣的峰值應(yīng)變與單軸抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì)，單軸抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變由加載速率0.06 mm/min的9.15 MPa與1.03%分別增加至加載速率0.3 mm/min的11.8 MPa與1.2%，當(dāng)加載速率為3 mm/min時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變分別為17 MPa與1.42%。與加載速率0.06 mm/min相比，加載速率為0.3與3 mm/min時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度分別增加了2.65和7.85 MPa，峰值應(yīng)變分別增加了0.17%和0.39%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線都出現(xiàn)應(yīng)力跌落的特征，且隨著加載速率表現(xiàn)出一定的差異。當(dāng)加載速率為0.06 mm/min時(shí)，應(yīng)力跌落首次出現(xiàn)在峰值應(yīng)力90%附近，降低幅度很小，在達(dá)到峰值應(yīng)力后經(jīng)多次跌落直至試件承載失效；當(dāng)加載速率為0.3 mm/min時(shí)，應(yīng)力首次跌落位于峰值應(yīng)力80%附近，且降低幅度較0.06 mm/min時(shí)增大，在達(dá)到峰值應(yīng)力后經(jīng)較少次跌落后即承載失效；當(dāng)加載速率增加到3 mm/min時(shí)，應(yīng)力首次跌落位于峰值應(yīng)力61%附近，跌落幅度與0.3 mm/min時(shí)相差不大，并且在達(dá)到峰值應(yīng)力后直接失效，無(wú)峰后階段。

圖3 單軸抗壓強(qiáng)度及峰值應(yīng)變隨加載速率變化規(guī)律

分析認(rèn)為，煤樣受載過(guò)程中在壓密與彈性階段積聚的能量進(jìn)入塑性階段首次釋放，當(dāng)加載速率較低時(shí)，首次應(yīng)力跌落接近于峰值應(yīng)力，因積聚能量得以緩慢釋放，所以應(yīng)力跌落幅度小，在應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后經(jīng)多次緩慢釋放直到承載結(jié)構(gòu)破壞。隨著加載速率的提高，煤樣內(nèi)積聚的能量首次釋放位置提前，且應(yīng)力跌降幅度增大，這是因?yàn)榧虞d速率增大，煤樣在壓密與彈性階段內(nèi)能量積聚加快且不能有效釋放出來(lái)導(dǎo)致的，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，其峰后能量釋放加劇且應(yīng)力跌落頻率顯著降低，甚至表現(xiàn)為脆性破壞。

3 不同加載速率下煤樣聲發(fā)射特征分析

3.1 振鈴計(jì)數(shù)時(shí)序演化特征

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)可很好地反映裂隙產(chǎn)生的強(qiáng)度，時(shí)空定位事件可在一定程度上反映煤樣內(nèi)部的裂隙演化規(guī)律。為了解不同加載速率下煤樣破裂過(guò)程內(nèi)部裂隙的演化規(guī)律，利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，得到煤樣單軸壓縮過(guò)程中的應(yīng)力-時(shí)間-振鈴計(jì)數(shù)曲線與內(nèi)部空間定位事件時(shí)序演化，如圖4所示。

圖4 不同加載速率煤樣應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射演化過(guò)程

由圖4可知，不同加載速率下煤樣的應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律基本一致，但隨著加載速率的增加，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)越來(lái)越小，由加載速率0.06 mm/min的197萬(wàn)次減少至加載速率0.3 mm/min的123萬(wàn)次與加載速率3 mm/min的17.5萬(wàn)次，比加載速率0.06 mm/min分別減少了74萬(wàn)次與179.5萬(wàn)次。通過(guò)對(duì)比分析可以將應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)演化規(guī)律分為三個(gè)階段，階段1(微弱階段)：對(duì)應(yīng)著應(yīng)力應(yīng)變曲線的壓密階段，振鈴計(jì)數(shù)非常稀疏、微弱，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)幾乎沒有增長(zhǎng)；階段2(穩(wěn)定增強(qiáng)階段)：對(duì)應(yīng)著應(yīng)力應(yīng)變曲線的彈性階段，振鈴計(jì)數(shù)開始密集，但整體依然微弱；累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)呈線性增長(zhǎng)，且隨著加載速率的增加，斜率越來(lái)越大；階段3(顯著增加階段)：對(duì)應(yīng)著應(yīng)力應(yīng)變曲線的塑性階段與峰后階段，振鈴計(jì)數(shù)顯著增大、密集，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)呈臺(tái)階式增長(zhǎng)。

當(dāng)加載速率為0.06 mm/min時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)首次出現(xiàn)小幅度躍增與應(yīng)力首次跌落時(shí)間節(jié)點(diǎn)一致，最大振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)在峰后階段，靠近峰值應(yīng)力，這是因?yàn)榧虞d速率緩慢，煤樣經(jīng)彈性階段壓密后，內(nèi)部裂隙在進(jìn)入塑性階段開始擴(kuò)展，因而振鈴計(jì)數(shù)首次增大與應(yīng)力首次跌落時(shí)間點(diǎn)一致，但此時(shí)煤樣的承載結(jié)構(gòu)并沒有破壞，直至峰值應(yīng)力后煤樣承載結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生最大振鈴計(jì)數(shù)。當(dāng)加載速率提升至0.3 mm/min時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)首次躍增幅度較0.06 mm/min時(shí)增大，且振鈴計(jì)數(shù)首次增大較應(yīng)力首次跌落時(shí)間點(diǎn)提前，最大振鈴計(jì)數(shù)仍位于峰后階段且接近于峰值應(yīng)力時(shí)間點(diǎn)，這是因?yàn)榧虞d速率增大后，在彈性階段煤樣內(nèi)部便有很少的裂隙產(chǎn)生，因而振鈴計(jì)數(shù)首次增大較應(yīng)力首次跌落提前。當(dāng)加載速率提升到3 mm/min時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)首次躍增同時(shí)也是最大振鈴計(jì)數(shù)，滯后于應(yīng)力首次跌落時(shí)間點(diǎn)但位于峰值應(yīng)力之前，此時(shí)煤樣沒有峰后階段；這是因?yàn)榧虞d速率太快，整個(gè)加載時(shí)間只有33 s，煤樣內(nèi)部裂隙迅速貫穿，煤樣承載結(jié)構(gòu)直接破壞造成的。

3.2 空間定位事件時(shí)序演化特征

聲發(fā)射空間定位事件可直觀反映煤樣單軸壓縮過(guò)程內(nèi)部裂隙從萌生到擴(kuò)展的具體演化過(guò)程，為了方便分析，提取不同加載速率下0.15P0、0.35P0、0.55P0、0.75P0、P0(峰值應(yīng)力)五個(gè)應(yīng)力水平下的空間定位事件圖，進(jìn)而對(duì)比分析加載速率對(duì)其內(nèi)部空間定位事件演化的影響。由圖5可知，隨著加載速率的增大，煤樣在峰值應(yīng)力時(shí)的定位事件迅速減少，且在壓密與彈性階段產(chǎn)生的定位事件占峰值應(yīng)力時(shí)總定位事件的比例增加。當(dāng)加載速率為0.06 mm/min時(shí)，煤樣在峰值應(yīng)力15%～75%時(shí)產(chǎn)生的事件緩慢增長(zhǎng)，且占峰值應(yīng)力時(shí)事件的比例很小，說(shuō)明了煤樣在壓密與彈性階段內(nèi)部孔隙被不斷壓縮閉合，并產(chǎn)生了很少的裂隙，在進(jìn)入塑性階段產(chǎn)生大量裂隙，形成大量的聲發(fā)射事件，最終總空間定位事件數(shù)為2892。當(dāng)加載速率增加至0.3 mm/min時(shí)，煤樣在峰值應(yīng)力15%～75%產(chǎn)生的定位事件大幅度增加，幾乎接近峰值應(yīng)力時(shí)的總定位事件，這是由于加載速率加快，在壓密與彈性階段煤樣內(nèi)部原生裂隙不斷被壓縮閉合，同時(shí)形成許多新生微裂隙，產(chǎn)生大量的聲發(fā)射事件，進(jìn)入塑性階段后，裂隙迅速擴(kuò)展并貫穿，只有很少的裂隙產(chǎn)生，因此該階段產(chǎn)生很少的定位事件，最終總空間定位事件數(shù)為1496。當(dāng)加載速率增加至3 mm/min時(shí)，整個(gè)加載過(guò)程的聲發(fā)射定位事件非常少，此時(shí)加載速率過(guò)快，煤樣內(nèi)部孔隙在短時(shí)間內(nèi)壓縮閉合后，內(nèi)部微裂隙迅速擴(kuò)展并貫穿導(dǎo)致煤樣承載結(jié)構(gòu)直接破壞，整個(gè)應(yīng)力發(fā)展階段只有很少的裂隙產(chǎn)生，因此聲發(fā)射定位事件較少，最終總空間定位事件數(shù)為265。

圖5 不同加載速率時(shí)煤樣的RA-AF散點(diǎn)圖與密度

4 煤樣裂隙擴(kuò)展與宏觀破壞模式

4.1 微觀裂隙破壞模式

不同加載速率下煤樣的RA-AF裂隙與密度分布如圖5所示，本文利用Origin軟件將散點(diǎn)圖轉(zhuǎn)化為密度圖，可以直觀地看出最大密度區(qū)域位置，以此判斷裂隙的主要破壞模式。圖5中紫色區(qū)域代表密度為零或接近于零，紅色區(qū)域代表密度值最大，高密度區(qū)域所處的位置決定了裂隙類型的主導(dǎo)地位。

由圖5可知，當(dāng)加載速率為0.06 mm/min時(shí)，高密度區(qū)域主要部分為位于低RA高AF值區(qū)域，少部分位于高RA低AF值區(qū)域，說(shuō)明煤樣內(nèi)部裂隙以拉伸破壞為主，且伴隨有剪切破壞，整體破壞為拉剪混合破壞。當(dāng)加載速率為0.3 mm/min時(shí)，高密度區(qū)域基本全部位于低RA高AF區(qū)域，并有很少一部分位于高RA低AF值區(qū)域，說(shuō)明煤樣內(nèi)部微觀裂隙更多的是拉伸破壞，整體破壞仍然為拉剪混合破壞。當(dāng)加載速率為3 mm/min時(shí)，此時(shí)高密度區(qū)域幾乎全部位于低RA高AF值區(qū)域，說(shuō)明煤樣內(nèi)部裂隙幾乎全部由剪切破壞造成。

4.2 宏觀破壞模式

煤體的非均質(zhì)性使得其在受載過(guò)程中，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致該區(qū)域的載荷超過(guò)材料的峰值應(yīng)力，從而導(dǎo)致煤體失穩(wěn)，并產(chǎn)生裂紋直至破壞。以往的學(xué)者們對(duì)巖體破壞的裂紋做了眾多描述，其中主要的裂紋形態(tài)有拉伸翼裂紋、次生拉伸裂紋、主剪切裂紋等[21，22]。張拉裂紋的主要特征為破裂面明顯分離，在表面間沒有錯(cuò)動(dòng)，多為縱向裂紋；剪切裂紋的主要特征為沿著破裂面的剪切位移和沿著破裂面所在平面擴(kuò)展。本次試驗(yàn)結(jié)果中，煤樣的裂紋形式主要為拉伸翼裂紋、次拉伸裂紋、主剪切裂紋。其中Tw表示拉伸翼裂紋，Ts表示次拉伸裂紋，Sm表示主剪切裂紋，Sp表示塊體脫落。

三種加載速率下煤樣的典型破壞模式如圖6所示?？梢?，當(dāng)加載速率為0.06 mm/min時(shí)，煤樣破壞的宏觀破壞由拉伸裂紋主導(dǎo)，隨著加載速率增加至0.3 mm/min時(shí)，煤樣的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的貫穿拉剪混合裂紋破壞，當(dāng)加載速率為3 mm/min時(shí)，煤樣的宏觀破壞為單一貫穿的剪切裂紋主導(dǎo)。結(jié)合聲發(fā)射空間事件時(shí)序特征及微觀裂隙破壞模式，可以看出，宏觀裂紋的破壞模式與微觀裂隙的破壞形式具有顯著的關(guān)聯(lián)性，說(shuō)明煤樣的宏觀破壞模式是其內(nèi)部微觀結(jié)果演化的結(jié)果。

圖6 不同加載速率下煤樣的宏觀破壞模式

5 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

5.1 數(shù)值模型

基于顆粒流離散元軟件(PFC2D)，對(duì)煤樣加載速率效應(yīng)下的單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析不同加載速率下煤樣力學(xué)特性、微觀裂隙與宏觀裂紋。首先，在PFC2D程序中建立與試驗(yàn)煤樣尺寸相同的二維模型，該模型由基本單元球與墻生成，墻體在四周約束球體，模型生成后刪除兩側(cè)墻體。對(duì)球體賦予參數(shù)，并對(duì)上端墻體賦予軸向運(yùn)動(dòng)速率來(lái)模擬加載，運(yùn)動(dòng)速率與實(shí)驗(yàn)室加載速率一致。數(shù)值模型的接觸模型采用線性平行黏結(jié)模型。

本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)選用的細(xì)觀參數(shù)如下：顆粒密度2500 kg/m3，顆粒半徑0.4～0.8 mm，顆粒變形模量1.00 GPa，顆粒摩擦因數(shù)0.577，顆粒體剛度比1.2，顆粒阻尼0.10，平行黏結(jié)模量0.08 GPa，平行黏結(jié)剛度比1.8，平行黏結(jié)抗拉強(qiáng)度0.003 MPa，平行黏結(jié)黏聚力0.005 MPa。

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.2.1 煤樣單軸壓縮力學(xué)性質(zhì)的加載速率效應(yīng)

不同加載速率下煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7(a)可知，數(shù)值模型計(jì)算獲取的應(yīng)力應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況并非完全相同，這是因?yàn)榻⒛Ｐ偷那蝮w為剛性體，且球體分布均勻，所以模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在很小的偏差。對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果見表1?？梢钥闯觯骷虞d速率下數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果高度吻合，誤差很小，可見模擬試驗(yàn)所選取的細(xì)觀參數(shù)符合試驗(yàn)需求。

表1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與數(shù)值模擬誤差對(duì)比

圖7 不同加載速率下煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

數(shù)值模擬抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變結(jié)果如圖8所示，隨著加載速率的增大，數(shù)值模型的抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變均不斷增大，當(dāng)加載速率低于0.3 mm/min時(shí)，抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變提升速度較快，當(dāng)加載速率大于0.3 mm/min后，抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變提升速度越來(lái)越緩慢，最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)19.15 MPa，比加載速率0.003 mm/min時(shí)增加了10.43 MPa，最大峰值應(yīng)變可達(dá)1.57%，比加載速率0.003 mm/min時(shí)增加了0.65%。

圖8 數(shù)值模擬抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變結(jié)果

5.2.2 煤樣破壞特征的加載速率效應(yīng)

通過(guò)賦予數(shù)值模型上端墻體不同的軸向運(yùn)動(dòng)速率，獲取其加載速率下數(shù)值模型力鏈演化、裂隙擴(kuò)展與宏觀破壞特征，力鏈演化如圖9所示。

圖9 不同加載速率下煤樣力鏈演化

對(duì)比分析同加載速率下各應(yīng)力水平的力鏈分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，在低應(yīng)力水平下，強(qiáng)弱力鏈平均強(qiáng)度較低，分布均勻，且強(qiáng)力鏈主要沿軸向加載方向傳遞，弱力鏈在顆粒間相互交織，傳遞方向復(fù)雜。隨著軸向應(yīng)力的增加，顆粒間相互擠壓，弱力鏈的傳遞方向不斷發(fā)生改變，強(qiáng)弱力鏈的平均強(qiáng)度得到提升，此時(shí)強(qiáng)弱力鏈整體分布仍較均勻。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，力鏈的強(qiáng)度達(dá)到最高，局部力鏈的強(qiáng)弱差距達(dá)到最大，強(qiáng)力鏈的斷裂導(dǎo)致宏觀裂紋將在此產(chǎn)生，弱力鏈表明此處已經(jīng)產(chǎn)生空隙，形成裂紋。峰值應(yīng)力以后，煤樣的宏觀破壞導(dǎo)致力鏈強(qiáng)度迅速降低，顆粒間最大接觸數(shù)也迅速減少。

可以發(fā)現(xiàn)，煤樣承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定由強(qiáng)弱力鏈體系的平衡決定，隨著軸向應(yīng)力的提升，力鏈體系平均強(qiáng)度隨之提升，顆粒間接觸數(shù)目整體呈減小的趨勢(shì)。然而當(dāng)軸向應(yīng)力不斷接近峰值應(yīng)力時(shí)，強(qiáng)弱力鏈的差距不斷增大，分布也不再均勻，此時(shí)力鏈體系失穩(wěn)，強(qiáng)弱力鏈發(fā)生斷裂，形成煤樣的宏觀破壞。

對(duì)比分析不同加載速率下煤樣內(nèi)部的力鏈演化圖，可以發(fā)現(xiàn)，加載速率越大，同應(yīng)力水平下力鏈的強(qiáng)度越大，但顆粒間的總接觸數(shù)目越少；且峰后力鏈強(qiáng)度的卸荷也越大，顆粒間總接觸數(shù)目減少量也越大。這是因?yàn)榧虞d速率的增大提高了煤樣的抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變，因此同應(yīng)力水平下顆粒間的擠壓程度越大，力鏈強(qiáng)度越大，但是加載速率過(guò)大，導(dǎo)致顆粒間的空隙不能有效壓實(shí)，因而顆粒間的總接觸數(shù)目減少。加載速率的增加，使得煤樣內(nèi)部強(qiáng)弱力鏈在軸向應(yīng)力增加過(guò)程中差距越來(lái)越大，強(qiáng)弱力鏈的分布不斷發(fā)生改變，最終在強(qiáng)弱力鏈斷裂后形成不一樣的宏觀破壞。

數(shù)值模型宏觀破壞特征如圖10所示，在低加載速率下(即加載速率小于等于0.06 mm/min)，數(shù)值模型的宏觀破壞模式主要由少量非貫穿的拉伸微裂紋主導(dǎo)；在中加載速率下(加載速率大于等于0.15 mm/min，小于等于0.3 mm/min)，數(shù)值模型的破壞模式主要由許多復(fù)雜的貫穿拉剪混合裂紋主導(dǎo)；在高加載速率下(加載速率大于等于3 mm/min，小于等于6 mm/min)，數(shù)值模型的破壞模式主要由單一貫穿的剪切裂紋主導(dǎo)。

圖10 數(shù)值模型宏觀破壞特征

裂隙擴(kuò)展的破壞模式可以更好地反映宏觀破壞特征，如圖11所示。圖11中綠色裂隙為拉剪混合破壞裂隙、紅色為剪切破壞裂隙、藍(lán)色為拉伸破壞裂隙，由數(shù)值模擬獲取。在低加載速率下，裂隙主要為拉伸破壞裂隙，以及很少的拉剪混合破壞裂隙；中加載速率下，裂隙主要為拉伸破壞裂隙，但出現(xiàn)了很少的剪切破壞裂隙，并隨加載速率增大開始增多；在高加載速率下，微觀裂隙主要為拉伸與剪切破壞裂隙，并隨著加載速率的增大，剪切破壞裂隙越來(lái)越多。因?yàn)閿?shù)值模型的裂隙擴(kuò)展并不能真實(shí)還原煤樣內(nèi)部的裂隙破壞模式，但可以根據(jù)其內(nèi)部裂隙破壞的發(fā)展規(guī)律預(yù)測(cè)煤樣破裂的總體發(fā)展趨勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，隨加載速率的增加，煤樣的裂隙擴(kuò)展與宏觀破壞逐漸由拉伸破壞向剪切破壞過(guò)渡[23]，這與聲發(fā)射RA-AF分析的微觀裂隙發(fā)展趨勢(shì)一致。

圖11 數(shù)值模型微觀裂隙分布

6 結(jié) 論

1)隨著加載速率的增大，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并使得煤樣受載時(shí)應(yīng)力跌落位置提前，峰后應(yīng)力軟化現(xiàn)象減弱。煤樣加載速率增大后，煤樣聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)逐漸減少；振鈴計(jì)數(shù)在彈性與壓密階段比較平靜，進(jìn)入塑性階段開始活躍，峰值應(yīng)力附近最為活躍。

2)隨著加載速率的增大，煤樣內(nèi)部的聲發(fā)射定位事件越來(lái)越少。在彈性與壓密階段產(chǎn)生的定位事件占峰值應(yīng)力定位事件的比例越來(lái)越大。低加載速率下，煤樣在塑性階段裂隙擴(kuò)展完全，直至承載結(jié)構(gòu)破壞，而高加載速率下，由于煤樣內(nèi)積聚的能量不能有效釋放，進(jìn)入塑性階段后裂紋直接貫穿，承載結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的。

3)煤樣加載破壞的實(shí)質(zhì)為力鏈體系的失穩(wěn)，強(qiáng)弱力鏈的斷裂產(chǎn)生煤樣的宏觀破壞。加載速率越大，峰值應(yīng)力時(shí)力鏈強(qiáng)度越大，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變不斷增大；煤樣裂隙擴(kuò)展由拉伸破壞逐漸向剪切破壞過(guò)渡；宏觀裂紋由少量非貫穿拉伸微裂紋向單一貫穿剪切裂紋過(guò)渡。