肖福坤， 馬紅濤， 劉 剛

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022)

0 引 言

流變特性是巖石的重要特性之一，已有的研究成果表明，許多巖石都存在流變特性。礦山井下的煤巖在長(zhǎng)期靜載作用下，其變形也會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而加大，表現(xiàn)出流變特性，發(fā)生蠕變破壞，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。

許多學(xué)者研究了不同加載方式下巖石蠕變狀況［1－3］，不同巖石的蠕變狀況［4－6］和巖石自身某些因素［7－9］對(duì)其蠕變的影響。煤是一種具有特殊性質(zhì)的巖石，在其內(nèi)部存在大量的孔隙、節(jié)理和微裂隙。在對(duì)煤體進(jìn)行加載過程中，煤體內(nèi)部的孔隙被壓密，原有微裂紋受壓閉合。新裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)［10］，因此，可以利用聲發(fā)射設(shè)備監(jiān)測(cè)荷載作用下煤體內(nèi)部變化情況。

目前，對(duì)煤體蠕變研究多采用型煤，少有考慮煤體內(nèi)部含有大量孔隙、節(jié)理及微裂隙的特殊性，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在差距。有些文獻(xiàn)的研究［11－16］，主要是單軸壓縮破壞分析和分級(jí)加載蠕變破壞分析，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際也有一定差距，缺少對(duì)原煤恒定加載的分析。

筆者利用原煤試樣，充分考慮其內(nèi)部存在大量的孔隙、節(jié)理和微裂隙，以及長(zhǎng)期承受靜載作用的實(shí)際情況，進(jìn)行煤體恒定加載蠕變損傷研究。通過分析煤體變形情況和聲發(fā)射信息，研究煤體蠕變過程中變形情況以及新微裂隙的生成、擴(kuò)展情況，探究煤體蠕變過程中內(nèi)部的損傷演化狀況。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為TYJ－500KN 電液伺服巖石流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和SH －II 型聲發(fā)射系統(tǒng)。TYJ-500KN 電液伺服巖石流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以施加的最大軸向載荷為500 kN，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可采用荷載、位移、軸向應(yīng)變等多種加載控制方式。為了準(zhǔn)確記錄煤樣軸向、徑向變形情況，實(shí)驗(yàn)時(shí)添加了引伸計(jì)裝置。因此，可以記錄煤樣在實(shí)驗(yàn)過程中煤樣受力－ 時(shí)間曲線、應(yīng)力－應(yīng)變曲線、軸向變形－ 時(shí)間曲線和徑向變形－時(shí)間曲線。SH －II 型聲發(fā)射系統(tǒng)可以采集煤樣在實(shí)驗(yàn)過程中能量、幅值、撞擊等數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，對(duì)聲發(fā)射設(shè)備進(jìn)行采集設(shè)置，只采集所需數(shù)據(jù)。利用聲發(fā)射設(shè)備重放功能，觀察煤體在不同時(shí)間段的聲發(fā)射信息狀況，有利于對(duì)煤體破壞過程進(jìn)行分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

煤樣選用工作面剛采下無(wú)風(fēng)化的、表面無(wú)大裂紋、體積較大的煤塊，用保鮮膜在井下進(jìn)行包裝，升井后立刻進(jìn)行蠟封，然后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，切割成50 mm ×50 mm×100 mm 的試件。

為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選取16 個(gè)試樣分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)之前對(duì)每個(gè)煤體的六個(gè)面進(jìn)行拍照，記錄其主要裂隙情況。將聲發(fā)射探頭置于試樣四個(gè)截面上，三個(gè)在試樣中部，一個(gè)靠近試樣下部。為了使聲發(fā)射設(shè)備在采集信息過程中不受外界環(huán)境的影響，對(duì)聲發(fā)射系統(tǒng)門檻值進(jìn)行多次調(diào)整，最后設(shè)定為40 dB。按照四個(gè)探頭在煤體的具體位置，在聲發(fā)射設(shè)備定位中輸入四個(gè)探頭的坐標(biāo)值。為了得到荷載對(duì)煤體變形的影響，在壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)采用荷載控制加載方式，加載速率為0.2 kN/s，最終荷載設(shè)定為15 kN。同時(shí)，開始監(jiān)測(cè)煤體的軸向變形、徑向變形和應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況，以及能量、幅值、撞擊和聲發(fā)射事件產(chǎn)生等聲發(fā)射信息隨時(shí)間的變化情況。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取

在16 個(gè)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)煤體的蠕變特性實(shí)驗(yàn)曲線和聲發(fā)射信息變化趨勢(shì)大致相同，選取表面具有明顯裂隙并且聲發(fā)射信息明顯的試樣作為分析對(duì)象，在其表面標(biāo)出主要裂隙，如圖1 所示。

圖1 煤體表面照片F(xiàn)ig．1 Coal surface photos

由圖1 可知，煤樣表面含有大小不同的裂隙。煤體屬于非均勻性物質(zhì)，本身內(nèi)部含有大量微裂隙和節(jié)理。相對(duì)于大的比較明顯的裂隙而言，微裂隙可以看作煤體自身的強(qiáng)度材料，忽略它的影響，只考慮大裂隙對(duì)煤體強(qiáng)度的影響。在圖1 中已用線圈和數(shù)字標(biāo)出了煤體大裂隙。從圖1 可見，煤體有八條大裂隙，這些裂隙大多分布在所在面的中間部位，而且均沿垂直方向生成。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 煤體蠕變特性數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出煤體在0～2．653 4 ×105s時(shí)間段的蠕變特性曲線。

由圖2a 可見，在0～75 s 時(shí)間段荷載勻速增加，75 s 時(shí)達(dá)到15 kN，進(jìn)入恒定荷載階段，如圖2b 所示。

圖2 荷載－時(shí)間曲線Fig．2 Load-time curve

由圖3a 和圖4a 可見，在達(dá)到恒定荷載之前，即0～75 s 階段，煤樣縱向變形sz和橫向變形sh均逐漸增大。隨著荷載的逐漸增加，縱向變形速率和橫向變形速率均逐漸減少。由圖3b 和圖4b 可知，75 s以后，荷載達(dá)到15 kN，即進(jìn)入恒定荷載階段，煤樣縱向變形和橫向變形均以恒定速率緩慢增長(zhǎng)。

由圖5a 可見，隨著荷載的逐漸增加，煤樣縱向應(yīng)變的增加速率逐漸變小，75 s 以后，即進(jìn)入恒定荷載階段后，煤樣縱向應(yīng)變開始以較小速率穩(wěn)定增加。同時(shí)，由圖5b 可見，隨著荷載的逐漸增加，煤樣橫向應(yīng)變以穩(wěn)定速率逐漸增加，75 s 以后，即進(jìn)入恒定荷載階段后，煤樣橫向應(yīng)變以較小速率穩(wěn)定增加。

圖3 縱向變形－時(shí)間曲線Fig．3 Longitudinal deformation-time curve

圖4 橫向變形－時(shí)間曲線Fig．4 Lateral deformation-time curve

圖5 應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig．5 Stress-strain curve

2.2 煤體蠕變過程中聲發(fā)射數(shù)據(jù)

在煤體蠕變聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，主要采集了能量E、幅值和撞擊隨加載時(shí)間的變化情況。

由圖6a～8a 可見，在開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，能量E、幅值E 和撞擊次數(shù)n 均隨著時(shí)間的增加逐漸增加，在75 s左右時(shí)達(dá)到峰值后均開始減少，穩(wěn)定在一定數(shù)值后保持不變。由圖6b～8b 可見，進(jìn)入恒定荷載階段以后，隨著時(shí)間的增加，能量、幅值和撞擊均大致保持在恒定值。

圖6 能量－時(shí)間變化Fig．6 Energy-time change

圖7 幅值－時(shí)間變化Fig．7 Amplitude-time change

圖8 撞擊曲線Fig．8 Impact curve

由圖9 可見，隨著開始實(shí)驗(yàn)時(shí)荷載的逐漸增加以及進(jìn)入恒定荷載階段后隨著時(shí)間的增加，煤樣內(nèi)部的大量孔隙、節(jié)理和微裂隙被壓密和擴(kuò)展，以及表面裂隙端部產(chǎn)生新裂隙，導(dǎo)致煤樣內(nèi)部受壓發(fā)生破壞，致使煤樣內(nèi)部產(chǎn)生聲發(fā)射事件。隨著穩(wěn)定荷載作用時(shí)間的增加，煤樣內(nèi)部聲發(fā)射產(chǎn)生數(shù)量也在增加，而且不同時(shí)間階段聲發(fā)射事件產(chǎn)生數(shù)量和產(chǎn)生位置均有所不同。

圖9 不同時(shí)間段聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)Fig．9 Number of AE events generation at different time periods

3 煤體穩(wěn)定蠕變破壞分析

結(jié)合煤體蠕變過程中蠕變特性實(shí)驗(yàn)和聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，煤體變形情況和內(nèi)部破壞情況可以大概分為三個(gè)階段，0～75 s 內(nèi)煤體變形曲線和聲發(fā)射信息強(qiáng)度上升階段、75～150 s 內(nèi)煤體變形曲線和聲發(fā)射信息強(qiáng)度下降階段、150～2．653 4 ×105s 內(nèi)煤樣變形曲線和聲發(fā)射信息強(qiáng)度穩(wěn)定階段。

3.1 上升階段

由荷載－ 時(shí)間曲線(圖2a)、能量－ 時(shí)間(圖6a)、幅值－時(shí)間(圖7a)和撞擊曲線(圖8a)可知，隨著荷載的勻速增大，聲發(fā)射能量、振幅和撞擊均呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì)。煤體內(nèi)部含有大量節(jié)理、孔隙、微裂隙，而且在煤體表面有大裂隙。當(dāng)煤體受到荷載作用時(shí)，煤體內(nèi)部的孔隙、微裂隙會(huì)逐漸被壓密，大裂隙端部在荷載達(dá)到一定時(shí)發(fā)生擴(kuò)展。由于煤體承受荷載的逐漸增大，煤體內(nèi)部的孔隙被進(jìn)一步壓密，原有的微裂隙產(chǎn)生擴(kuò)展，大裂隙端部產(chǎn)生新的微裂隙，導(dǎo)致煤體內(nèi)部破壞程度增大，所以聲發(fā)射設(shè)備測(cè)得的能量、振幅和撞擊均呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì)。在75 s時(shí)，荷載達(dá)到最大值15 kN，此時(shí)煤體內(nèi)部破壞程度也達(dá)到最大，聲發(fā)射能量、振幅和撞擊均應(yīng)達(dá)到最大值。由聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)(圖9a)可知，在此階段，煤樣中部有少量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，大約20 個(gè)，靠近煤體上下兩端也有幾個(gè)聲發(fā)射事件產(chǎn)生，而且產(chǎn)生速率呈逐漸增大趨勢(shì)。由此可知，此時(shí)煤體破壞主要集中在中部，上下兩端破壞較小，而且破壞在加速進(jìn)行。由煤體照片(圖2)可知，煤體前面和后面的中間均有大裂隙，而且向煤體中部延伸?？梢哉J(rèn)為，在軸壓作用下，裂隙端部會(huì)首先發(fā)生破壞，產(chǎn)生小裂隙，此煤體前后面裂隙的端部在煤體中部。通過聲發(fā)射事件產(chǎn)生位置可以推斷裂隙在煤體內(nèi)部的分布情況。

3.2 下降階段

煤體在75～150 s 階段，荷載恒定為15 kN。由荷載－時(shí)間曲線(圖2a)、能量－時(shí)間(圖6a)、幅值－時(shí)間(圖7a)和撞擊曲線(圖8a)可知，聲發(fā)射能量、振幅和撞擊均開始下降，直至降到穩(wěn)定狀態(tài)，而且聲發(fā)射事件產(chǎn)生速率也降低，大約產(chǎn)生15 個(gè)。在此階段，荷載恒定不變，煤體內(nèi)部相鄰孔隙擴(kuò)展貫通速率、微裂隙產(chǎn)生速率和大裂隙破壞速率均降低，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸達(dá)到穩(wěn)定的破壞速率，即將進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段。在此階段，縱向變形速率逐漸降低直至穩(wěn)定速率，聲發(fā)射事件產(chǎn)生速率降低。大多聲發(fā)射事件產(chǎn)生位置仍然集中在煤體中部，產(chǎn)生沿縱向方向。在靠近煤樣上下兩端位置產(chǎn)生新聲發(fā)射事件，與上階段聲發(fā)射事件產(chǎn)生位置比較接近。煤樣中間和上下端聲發(fā)射事件均沿著縱向方向產(chǎn)生。由此可知，當(dāng)軸力穩(wěn)定時(shí)，煤體裂隙端部生成的微裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與其受力方向一致，新裂隙生成速度逐漸降低直至穩(wěn)定速度。

3.3 穩(wěn)定階段

由縱向變形－時(shí)間曲線(圖3)，橫向變形－時(shí)間曲線(圖4)，能量－時(shí)間(圖6)，幅值－時(shí)間(圖7)，撞擊曲線(圖8)可知，150 s 以后，煤體縱向變形速率、橫向變形速率、能量、幅值和撞擊均比較穩(wěn)定，煤體進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段。進(jìn)入穩(wěn)定階段后，聲發(fā)射事件產(chǎn)生速度明顯降低。通過重放聲發(fā)射采集過程，由聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)(圖9c)可知，在1．296 ×105s 時(shí)，聲發(fā)射總數(shù)達(dá)到60 個(gè)左右，由此在150～1．296×105s階段，聲發(fā)射事件大約產(chǎn)生25 個(gè)。由聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)(圖9d)可知，在2．653 4 ×105s時(shí)聲發(fā)射總數(shù)達(dá)到約85 個(gè)，由此，在1．296 ×105～2．653 4 ×105s 階段，聲發(fā)射事件大約產(chǎn)生25 個(gè)?？梢酝茢啵诜€(wěn)定蠕變階段，煤體聲發(fā)射事件產(chǎn)生的速率大約是一個(gè)穩(wěn)定值。由縱向變形－時(shí)間曲線(圖3b)、橫向變形－時(shí)間曲線(圖4b)、應(yīng)力－應(yīng)變曲線(圖5)和撞擊曲線(圖8b)可知，煤體縱向變形、橫向變形、應(yīng)變和撞擊均呈穩(wěn)定速率增長(zhǎng)。此階段煤體內(nèi)部損傷隨時(shí)間穩(wěn)定進(jìn)行，煤體內(nèi)部微裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展。由不同時(shí)間段聲發(fā)射事件產(chǎn)生總數(shù)(圖9)可知，在蠕變穩(wěn)定階段，聲發(fā)射事件主要產(chǎn)生在煤體中部，且沿縱向方向增加。由此可知，煤體破壞發(fā)生在裂隙的端部，且沿著受力方向向煤體中間方向擴(kuò)展。

4 結(jié) 論

(1)在煤體蠕變過程中，聲發(fā)射活動(dòng)隨加載時(shí)間的變化表現(xiàn)出不同的特征。在達(dá)到設(shè)定的恒定荷載15 kN 之前，由于內(nèi)部含有大量節(jié)理、孔隙和微裂隙的的煤體被壓密，聲發(fā)射幅值、撞擊和能量均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，聲發(fā)射事件生成速率也呈增加趨勢(shì)。達(dá)到15 kN 以后，聲發(fā)射事件產(chǎn)生速率逐漸降低，最后達(dá)到穩(wěn)定速率，進(jìn)入穩(wěn)定蠕變狀態(tài)。

(2)聲發(fā)射事件先在煤體內(nèi)部中間部分產(chǎn)生，隨著加載時(shí)間的增長(zhǎng)，聲發(fā)射事件沿著縱向增加，主要集中在煤體內(nèi)部中間部位?？梢哉J(rèn)為煤體表面大裂隙的端部在煤體中間部位。通過聲發(fā)射事件產(chǎn)生位置得出煤體表面裂隙在煤體內(nèi)部分布情況，以及蠕變過程中裂隙擴(kuò)展方向和擴(kuò)展速率。

(3)聲發(fā)射事件產(chǎn)生的位置、速率，可以直觀地反映煤體表面裂隙在煤體內(nèi)部發(fā)育狀況，以及蠕變過程中煤體內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展置位及方向。該研究對(duì)預(yù)測(cè)煤體蠕變破壞位置意義重大。

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