余 潔，劉曉輝,2，郝齊鈞

不同圍壓下煤巖聲發(fā)射基本特性及損傷演化

余 潔1，劉曉輝1,2，郝齊鈞1

(1. 西華大學(xué) 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；2. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

利用PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)四川芙蓉白皎煤礦煤巖展開不同圍壓(0、8、16、25 MPa)的聲發(fā)射試驗(yàn)研究，旨在揭示不同圍壓下煤巖破壞過程的振鈴計(jì)數(shù)率、聲發(fā)射時(shí)空分布、聲發(fā)射值及破壞煤巖的損傷特性變化規(guī)律，為有效預(yù)測(cè)煤巖破壞提供有利的理論依據(jù)。研究表明：聲發(fā)射現(xiàn)象能夠較好地反映煤巖內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展情況，圍壓對(duì)煤巖破壞具有一定的抑制作用。隨圍壓增大，振鈴計(jì)數(shù)率平靜期越長；單軸、三軸狀態(tài)下振鈴計(jì)數(shù)率高頻段發(fā)生時(shí)段不同。單軸狀態(tài)下聲發(fā)射定位點(diǎn)均勻分布于煤巖內(nèi)部，三軸狀態(tài)下則集中分布于破壞截面。隨圍壓增大，峰前聲發(fā)射值波動(dòng)現(xiàn)象增強(qiáng)，可利用值變化預(yù)測(cè)煤巖破壞?；诶塾?jì)振鈴計(jì)數(shù)、結(jié)合煤巖破壞應(yīng)力建立煤巖損傷破壞模型，結(jié)合聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率、時(shí)空分布、值及損傷變量可對(duì)煤巖有效破壞的前兆應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究成果將為煤巖破壞的微震監(jiān)測(cè)分析奠定基礎(chǔ)。

巖石力學(xué)；煤巖；聲發(fā)射特性；圍壓；聲發(fā)射值；損傷演化；四川白皎煤礦

隨著煤礦開采強(qiáng)度和深度的日益加大，煤與瓦斯突出成為嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的災(zāi)害之一[1]。在災(zāi)害發(fā)生過程中，煤巖失穩(wěn)破壞常伴隨聲發(fā)射現(xiàn)象，即煤巖中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[2]；利用聲發(fā)射現(xiàn)象能夠有效研究煤巖變形斷裂機(jī)制，更好地為預(yù)測(cè)、防治煤巖破壞提供有利的理論依據(jù)，因此，聲發(fā)射技術(shù)在煤巖破裂變形分析中得到廣泛應(yīng)用[3]。

聲發(fā)射現(xiàn)象反映了巖石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展全過程，隨著煤礦開采深度的日趨增大，眾多學(xué)者對(duì)巖石不同圍壓條件下的聲發(fā)射特征展開研究[4-9]，發(fā)現(xiàn)不同圍壓下巖石聲發(fā)射活動(dòng)與應(yīng)力–應(yīng)變過程具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圍壓對(duì)巖石微破裂活動(dòng)具有一定的抑制作用；蘇承東等[10-11]通過煤巖和砂巖單軸、三軸狀態(tài)下的聲發(fā)射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤巖和砂巖破壞過程聲發(fā)射特征均具有明顯的圍壓效應(yīng)；左建平等[12]對(duì)煤巖、巖體和煤巖組合進(jìn)行單軸聲發(fā)射現(xiàn)象研究，發(fā)現(xiàn)不同巖樣間的聲發(fā)射具有顯著差異，可利用時(shí)段聲發(fā)射特征對(duì)其破壞進(jìn)行判斷；高保彬等[13]對(duì)含水煤巖展開單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，煤巖變形過程聲發(fā)射現(xiàn)象存在平靜期、活躍期和峰后平靜期3個(gè)階段，利用聲發(fā)射計(jì)數(shù)分維值可對(duì)煤巖災(zāi)害前兆進(jìn)行預(yù)測(cè)。

聲發(fā)射值[14]作為描述巖石失穩(wěn)過程中裂紋萌生、擴(kuò)展的重要參數(shù)，具有重要的工程指導(dǎo)意義。張黎明等[15]對(duì)巖石展開不同圍壓下的聲發(fā)射特征研究發(fā)現(xiàn)，利用值的變化規(guī)律在一定程度上能對(duì)巖石的破壞前兆進(jìn)行預(yù)測(cè)；趙小平等[16]、姚旭龍等[17]發(fā)現(xiàn)煤巖單軸狀態(tài)下聲發(fā)射值能夠較好地反映內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展情況，值下降可作為煤巖破裂的前兆；張朝鵬等[18]發(fā)現(xiàn)煤巖單軸下聲發(fā)射值具有明顯的層理效應(yīng)；劉倩穎等[19]提出三軸卸荷下煤的聲發(fā)射值峰值點(diǎn)可作為煤的破壞前兆。

進(jìn)一步開展巖石損傷變形研究能夠探討其破裂的內(nèi)在機(jī)理，為預(yù)防巖石失穩(wěn)破壞提供重要的參考。鄧飛等[20]建立基于振鈴計(jì)數(shù)的巖石損傷方程，探討巖石在單軸壓縮下的損傷演化過程；劉?？h等[21]提出基于“歸一化”累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的損傷變量及損傷演化方程，損傷演化過程與巖石實(shí)際破壞具有一致性。施工過程中，巖石往往處于三向應(yīng)力狀態(tài)，探究三軸狀態(tài)下巖石的損傷特性更具有工程意義。孫雪等[22]建立了大理巖三軸壓縮損傷模型，該模型能夠合理地反映巖石在不同圍壓下的破裂特征；趙洪寶等[23]建立了基于聲發(fā)射事件數(shù)的損傷演化方程，該方程能夠較好地描述含瓦斯煤三軸壓縮損傷特性。

綜上所述，煤巖單軸壓縮下的聲發(fā)射特征研究已難以滿足工程實(shí)際，迫切需要開展三軸壓縮聲發(fā)射值及損傷演化特性研究。因此，本文通過對(duì)煤巖展開不同圍壓下的聲發(fā)射試驗(yàn)，分析在不同圍壓狀態(tài)下的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率、空間分布、值及損傷演化特性，以期能夠更好地為礦井微震監(jiān)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用煤巖選自四川宜賓芙蓉白皎煤礦，屬高硫煤礦[24-25]。按照制樣標(biāo)準(zhǔn)，將煤巖加工成?50 mm100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣[26]。為減少人為擾動(dòng)對(duì)其原始狀態(tài)的影響，在制備過程中采用干鉆、干切、干磨的方法。煤巖試樣如圖1所示。

圖1 煤巖試樣

本試驗(yàn)采用MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，配備PCI-2聲發(fā)射定位測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)煤巖進(jìn)行不同圍壓下的聲發(fā)射特征研究，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。試驗(yàn)設(shè)置聲發(fā)射傳感器8個(gè)，分別安裝在試樣上下兩端垂直于直徑方向。聲發(fā)射(AE)傳感器頻率范圍為1×103~3×106Hz帶寬，考慮到煤巖強(qiáng)度低、聲波衰減快，為盡可能減少非加載過程中噪聲等對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響，本次聲發(fā)射信號(hào)采集過程門檻值設(shè)定為40 dB。

1—聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)；2—MTS數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)；3—超聲波收集、處理系統(tǒng)；4—MTS加載系統(tǒng)；5—聲發(fā)射探頭；6—軸向引伸計(jì)；7—橫向引伸計(jì)

1.2 試驗(yàn)方案

為探究不同圍壓下煤巖變形破壞過程的聲發(fā)射特性，進(jìn)行單軸及圍壓為8、16、25 MPa的常規(guī)三軸試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣。

2 聲發(fā)射基本特性分析

2.1 基本參數(shù)特征

試驗(yàn)得到聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)率、振鈴計(jì)數(shù)率、能量率等參數(shù)，均可反映煤巖聲發(fā)射現(xiàn)象，且規(guī)律基本一致，考慮篇幅問題，現(xiàn)就不同圍壓下煤巖破壞過程聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率與時(shí)間、應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行分析，如圖3所示。

由圖3a可得，單軸狀態(tài)下，煤巖振鈴計(jì)數(shù)率可分為3個(gè)階段：平靜期(Ⅰ)、峰前活躍期(Ⅱ)及破壞期(Ⅲ)。平靜期對(duì)應(yīng)應(yīng)力–時(shí)間曲線的壓密及彈性階段，處于裂隙壓密及裂紋萌生階段，僅產(chǎn)生少量裂紋，AE事件較少，振鈴計(jì)數(shù)率較?。环迩盎钴S期對(duì)應(yīng)應(yīng)力–時(shí)間曲線的屈服階段，處于裂紋快速擴(kuò)展階段，隨應(yīng)力增加，內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)展、貫通，聲發(fā)射事件增多、水平活躍，振鈴計(jì)數(shù)率增大，且出現(xiàn)最大值；破壞期對(duì)應(yīng)應(yīng)力–時(shí)間曲線的破壞階段，煤巖在達(dá)到極限承載力后立即發(fā)生脆性破壞，AE事件較少、水平低，振鈴計(jì)數(shù)率較小。

圖3 不同圍壓下煤巖破壞過程聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率、應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系

與單軸狀態(tài)不同的是，在三軸狀態(tài)下煤巖聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率高頻段發(fā)生在應(yīng)力峰后階段，且數(shù)值顯著增大。三軸狀態(tài)下振鈴計(jì)數(shù)率可分為4個(gè)階段：平靜期(a)、峰前活躍期(b)、峰后破壞期(c)及殘余期(d)。三軸平靜期與單軸平靜期規(guī)律相同，振鈴計(jì)數(shù)率數(shù)值較?。环迩盎钴S期處于屈服階段，試樣開始發(fā)生不可恢復(fù)的變形，裂紋開始產(chǎn)生，AE水平開始活躍，振鈴計(jì)數(shù)率與平靜期相比大幅增加；峰后破壞期處于峰后應(yīng)力快速減小的較短時(shí)間，由于圍壓的存在，試樣沒有立即發(fā)生破碎，大量裂紋開始擴(kuò)展、貫通，AE水平較高、數(shù)值較大，且出現(xiàn)最大值；殘余期為應(yīng)力殘余階段，該階段主要由次生裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展作用產(chǎn)生AE事件，水平活躍，振鈴計(jì)數(shù)率有所降低，但仍保持著一定的數(shù)值。

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率能夠較好地反映煤巖內(nèi)部裂紋的發(fā)展情況，當(dāng)數(shù)值較大時(shí)，AE水平高，煤巖內(nèi)裂紋擴(kuò)展速度快；數(shù)值較小時(shí)，AE水平低，裂紋產(chǎn)生較少，擴(kuò)展速度慢。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，單軸下，煤巖快速擴(kuò)展產(chǎn)生破碎基本出現(xiàn)在峰前；三軸下，峰后聲發(fā)射現(xiàn)象明顯高于峰前，裂紋不斷擴(kuò)展并造成破碎發(fā)生在峰后。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，三軸狀態(tài)下煤巖最大振鈴計(jì)數(shù)率發(fā)生在應(yīng)力峰值之后，主要是由于圍壓的存在促進(jìn)了原生孔隙的閉合作用，阻礙了新生裂紋的形成。煤巖峰值應(yīng)力點(diǎn)的AE水平較小，且未發(fā)生在AE水平高頻期。隨應(yīng)力增加，AE水平逐漸提高，相應(yīng)振鈴計(jì)數(shù)率不斷升高，在臨近破壞時(shí)，AE活動(dòng)反而有所減少，相應(yīng)振鈴計(jì)數(shù)率整體上呈減小趨勢(shì)，在預(yù)測(cè)巖石破壞時(shí)，可以將這一變化作為破壞前兆，但需要注意的是巖石并不一定會(huì)發(fā)生破壞。

最大振鈴計(jì)數(shù)率及其發(fā)生時(shí)間隨圍壓變化具有一定的規(guī)律(圖4)。煤巖破壞過程中，最大振鈴計(jì)數(shù)率隨圍壓升高而增大；最大振鈴計(jì)數(shù)率發(fā)生的時(shí)間隨圍壓的升高而延后，這是由于圍壓越高，對(duì)煤巖的約束作用就越強(qiáng)，抑制作用也就越明顯，最大值出現(xiàn)的時(shí)間則越滯后。

圖4 最大振鈴計(jì)數(shù)率及其發(fā)生時(shí)間與圍壓的關(guān)系

不同圍壓下煤巖聲發(fā)射事件與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。圍壓對(duì)煤巖聲發(fā)射的產(chǎn)生具有一定影響。結(jié)合圖3可知，圍壓越大，對(duì)煤巖裂紋產(chǎn)生的抑制作用越大，因此，聲發(fā)射事件平靜期越長，分別為316、895、1 193、1 912 s；在不同圍壓下煤巖聲發(fā)射事件的發(fā)生具有相似性，依次呈現(xiàn)為平靜期、快速增加、緩慢增加現(xiàn)象。三軸狀態(tài)同一時(shí)間下，試樣發(fā)生的AE事件累計(jì)計(jì)數(shù)隨圍壓升高減少，進(jìn)一步驗(yàn)證了圍壓對(duì)煤巖的破壞具有抑制作用。

圖5 不同圍壓下煤巖AE事件計(jì)數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

2.2 空間分布特征

從聲發(fā)射定位點(diǎn)時(shí)空分布情況可以了解煤巖在不同圍壓下的微觀破裂演化過程，不同應(yīng)力水平下的聲發(fā)射時(shí)空分布如圖6所示，圖中30%代表該處應(yīng)力水平占峰值應(yīng)力的30%，其他類同。

圖6 不同應(yīng)力水平下聲發(fā)射空間定位點(diǎn)演化特征

a. 三軸狀態(tài)下，圍壓增強(qiáng)了煤巖內(nèi)部裂紋的閉合作用，抑制裂紋萌生，因此，在峰前僅產(chǎn)生少量AE事件，AE定位點(diǎn)較少，且隨圍壓增大，對(duì)裂紋產(chǎn)生的抑制作用越明顯，相同應(yīng)力水平下的AE定位點(diǎn)越少，與振鈴計(jì)數(shù)率相吻合；在峰后階段，裂紋不斷擴(kuò)展、貫通，產(chǎn)生大量AE事件，AE定位點(diǎn)顯著增多。三軸狀態(tài)峰前90%~100%應(yīng)力水平段均發(fā)生AE定位點(diǎn)突增現(xiàn)象，因此，監(jiān)測(cè)時(shí)若發(fā)現(xiàn)AE定位點(diǎn)開始突增，預(yù)示著試樣即將發(fā)生破壞。

b. 從分布情況來看，隨著時(shí)間的推移，單軸狀態(tài)下AE定位點(diǎn)均勻地分布于試樣內(nèi)部，試樣發(fā)生脆性破壞；三軸狀態(tài)下則是沿某一截面分布，存在集中分布區(qū)，發(fā)生沿這一截面的剪切破壞，并且隨圍壓增大，AE定位點(diǎn)更集中于破壞平面附近，剪切破壞現(xiàn)象越明顯。

c. AE定位點(diǎn)的演化過程與AE振鈴計(jì)數(shù)率具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在振鈴計(jì)數(shù)率平靜期，AE事件較少，相應(yīng)地AE定位點(diǎn)較少，對(duì)應(yīng)各圍壓下應(yīng)力水平分別為峰值的50%、70%、70%、90%。在振鈴計(jì)數(shù)率峰前活躍期，AE定位點(diǎn)逐漸增多。單軸狀態(tài)振鈴計(jì)數(shù)率破壞期水平較低，對(duì)應(yīng)AE定位點(diǎn)少量增加；三軸狀態(tài)振鈴計(jì)數(shù)率破壞期和殘余期對(duì)應(yīng)的AE定位點(diǎn)大量增多。

3 聲發(fā)射b值特征

3.1 b值的物理意義及確定方法

值最早由古登堡和里克特提出，用以表征地震震級(jí)與頻度的比例關(guān)系；在某一地震序列中，若強(qiáng)震愈多，則值愈小，反之值愈大[27]。在巖石聲發(fā)射現(xiàn)象中，值用來描述巖石裂紋的萌生、擴(kuò)展演化過程。

研究表明[28]，若值增加，說明試樣中以小尺度破裂為主，AE小事件所占的比例增加；反之，試樣以大尺度破裂為主，AE大事件所占比例增加；若值恒定不變，說明大、小尺度破裂分布均衡，AE大、小事件比例不變。

值計(jì)算方法很多，最常用的方法為極大似然估計(jì)法和最小二乘法[29]?；诒疚闹饕獙?duì)煤巖峰前值變化展開分析，極大似然估計(jì)法本質(zhì)上受小事件控制，試驗(yàn)得到煤巖峰前能量較小，因此，采用極大似然估計(jì)法計(jì)算值，計(jì)算公式如下：

3.2 不同圍壓下b值變化特征

煤巖峰前AE事件較少，因此，值計(jì)算采用等次數(shù)方法，單、三軸分別以40、50個(gè)聲發(fā)射事件作為一個(gè)滑動(dòng)窗口，將取樣時(shí)間段的中間時(shí)刻作為值標(biāo)度時(shí)間。本文僅對(duì)峰前值變化進(jìn)行分析。不同圍壓下煤巖峰前值變化如圖7所示。

在能量突增處，值減小，此時(shí)試樣內(nèi)高能量聲發(fā)射事件增加，主要以大尺度裂紋擴(kuò)展為主；在值增大的地方，低能量聲發(fā)射事件增加，試樣內(nèi)主要以小尺度裂紋擴(kuò)展為主。巖石破壞是一個(gè)復(fù)雜的過程，試樣內(nèi)大、小尺度裂紋發(fā)展變化不可預(yù)測(cè)，在加載過程呈現(xiàn)上下波動(dòng)現(xiàn)象。

與單軸狀態(tài)相比，三軸狀態(tài)下煤巖聲發(fā)射值較大。在峰前階段，值呈上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)，并且隨圍壓增大，波動(dòng)幅度增大。煤巖內(nèi)部裂紋分布隨圍壓增大越集中，因此，在聲發(fā)射現(xiàn)象頻發(fā)段，值上下波動(dòng)現(xiàn)象尤為明顯。同時(shí)，值并未在加載開始時(shí)就出現(xiàn)，上文提到在加載初期聲發(fā)射現(xiàn)象存在平靜期，因此，值在加載一段時(shí)間后開始出現(xiàn)，并且初始值保持著一定數(shù)值大小。

在應(yīng)力水平90%前，值變化較小，說明試樣內(nèi)聲發(fā)射大小事件比例變化較小，尺度不一的裂紋發(fā)展較為穩(wěn)定。在應(yīng)力水平90%~100%期間，值出現(xiàn)驟降，說明試樣內(nèi)裂紋擴(kuò)展情況發(fā)生改變，屬于裂紋突發(fā)式改變，試樣內(nèi)產(chǎn)生高能量事件。煤巖不同圍壓下破壞前兆點(diǎn)如圖7所示。單軸狀態(tài)下，峰后值出現(xiàn)突降，且聲發(fā)射事件較少，此時(shí)試樣屬于脆性破壞。三軸狀態(tài)下，煤巖破壞逐漸向延性轉(zhuǎn)變，峰后聲發(fā)射活躍，裂紋擴(kuò)展不斷產(chǎn)生，值呈上下波動(dòng)現(xiàn)象，且隨圍壓升高，峰后值下降幅度越大，原因是隨圍壓升高，大尺度裂紋產(chǎn)生的速率越快，越容易形成貫通的破壞平面，從而發(fā)生剪切破壞。

利用聲發(fā)射值對(duì)煤巖破壞前兆預(yù)測(cè)分析如下：?jiǎn)屋S狀態(tài)下，由于應(yīng)力水平由峰值90%升到100%時(shí)間較短，因此，將出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象作為破壞前兆；三軸狀態(tài)下，應(yīng)力呈緩慢增加、值減小的現(xiàn)象作為煤巖的破壞前兆?？紤]到圍壓為25 MPa時(shí)，應(yīng)力水平90%~100%內(nèi)出現(xiàn)多次值下降的現(xiàn)象，巖石破裂不可預(yù)測(cè)，因此，本文將應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢增加時(shí)，值第一次出現(xiàn)減小的時(shí)刻作為破壞前兆點(diǎn)，當(dāng)值出現(xiàn)減小變化時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巖石受力過程的監(jiān)測(cè)。

圖7 不同圍壓下聲發(fā)射b值變化規(guī)律

4 聲發(fā)射損傷特性分析

巖石材料在變形破壞過程中，經(jīng)歷了裂紋的萌生、發(fā)展、貫通、破壞等過程，通過聲發(fā)射損傷演化分析可反映巖石的破裂過程，有利于理解巖石的破裂機(jī)制。

4.1 損傷演化特性

建立損傷演化方程的方法多種多樣，在文獻(xiàn)[30]中提到，可采用Weibull分布函數(shù)來近似反映微元強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的不同，即有：

若試樣損傷變量為，那么損傷變量與微元損傷率存在以下關(guān)系：

通過式(2)和式(3)可得損傷變量的表達(dá)式：

結(jié)合式(4)和式(5)可得損傷變量與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的關(guān)系有：

根據(jù)式(7)得到不同圍壓下煤巖損傷演化過程，如圖8所示。

利用累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)得到煤巖的損傷過程與聲發(fā)射現(xiàn)象具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合圖3，將單軸狀態(tài)下煤巖損傷演化分為3個(gè)階段，即損傷平靜階段(Ⅰ)、損傷快速增長階段(Ⅱ)、損傷殘余階段(Ⅲ)。而三軸狀態(tài)下，分為4個(gè)階段，即損傷平靜階段(a)、損傷緩慢增長階段(b)、損傷快速增長階段(c)、損傷殘余階段(d)。

圖8 不同圍壓下煤巖損傷演化過程

在損傷平靜階段，損傷值趨近于零，此時(shí)內(nèi)部微裂紋等的幾何尺寸相對(duì)于其余階段變化很小，產(chǎn)生的聲發(fā)射超過閾值較少。隨著圍壓增大，損傷平靜階段越長，接近屈服階段，可見圍壓越高，對(duì)煤巖微裂紋的產(chǎn)生具有抑制作用。

在損傷增長階段，煤巖開始產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，裂紋增多，損傷快速產(chǎn)生。在單軸狀態(tài)下，煤巖損傷基本發(fā)生在峰前；而在三軸狀態(tài)下，煤巖損傷大部分發(fā)生在峰后。由此可見，圍壓的存在對(duì)煤巖側(cè)向變形具有抑制作用，損傷變形不斷延后。因此，圍壓作用下，損傷在經(jīng)歷平靜期后開始突增的現(xiàn)象可作為煤巖破壞前兆。

在損傷殘余階段，單軸狀態(tài)下煤巖發(fā)生脆性破壞，該階段較短；三軸狀態(tài)下，試樣在達(dá)到極限承載能力時(shí)未完全破壞，在該階段產(chǎn)生次生裂隙，損傷不斷增加，直到完全破壞。

總體來說，煤巖的變形破壞過程主要經(jīng)歷了變形、損傷的萌生和快速發(fā)展、出現(xiàn)宏觀破裂面、裂縫繼續(xù)貫通直到破壞這樣一個(gè)過程。通過累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)得到的損傷變量與煤巖的微觀破裂變化具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以較好地描述煤巖在變形破壞過程中裂隙的壓密、裂紋的形成、擴(kuò)展和貫通過程，通過損傷演化過程分析，可為工程監(jiān)測(cè)及預(yù)警提供一定的理論參考。

4.2 聲發(fā)射特征參數(shù)峰前破壞前兆綜合分析

前文已對(duì)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行了不同圍壓下的特征分析，為探究煤巖在圍壓作用下的破壞前兆，現(xiàn)對(duì)峰前各參數(shù)進(jìn)行綜合比較(表1)。本文將值突增、突降點(diǎn)定義為時(shí)間滑動(dòng)窗口中間時(shí)刻對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平。

表1 聲發(fā)射特征參數(shù)峰前破壞前兆綜合分析

上表中得到煤巖在各圍壓下破壞前兆特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平，可以發(fā)現(xiàn)：①單軸狀態(tài)下，損傷變量為基于振鈴計(jì)數(shù)的損傷值，可以反映損傷演化過程，此處用作破壞前兆還不夠充分。從其余參數(shù)特征應(yīng)力水平可知，應(yīng)力水平達(dá)到95%左右可作為煤巖在單軸壓縮下的破壞前兆，可結(jié)合AE定位點(diǎn)的變化特征判斷試樣的破裂形式及破裂面；②綜合考慮，計(jì)算振鈴計(jì)數(shù)率、值及損傷變量特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平平均值，將其取整作為煤巖破壞前兆應(yīng)力水平，則8、16、25 MPa下的煤巖破壞前兆應(yīng)力水平分別約為97%、95%、98%，試驗(yàn)過程中可參照AE定位點(diǎn)變化現(xiàn)象及應(yīng)力–應(yīng)變曲線等進(jìn)行判斷。通過上述分析，利用聲發(fā)射技術(shù)，結(jié)合多特征參數(shù)對(duì)巖石的破壞前兆進(jìn)行預(yù)測(cè)具有一定的工程意義。

5 結(jié)論

a. 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率變化規(guī)律具有階段性特征，單軸狀態(tài)下分為平靜期、峰前活躍期及破壞期，三軸狀態(tài)下分為平靜期、峰前活躍期、峰后破壞期及殘余期。隨著圍壓升高，聲發(fā)射平靜期延長。振鈴計(jì)數(shù)率高頻期及其最大值在單軸狀態(tài)下發(fā)生于峰值應(yīng)力之前，三軸狀態(tài)下發(fā)生于峰值應(yīng)力之后，且最大值出現(xiàn)的時(shí)間隨圍壓增大延后。在破壞前夕，振鈴計(jì)數(shù)率在數(shù)值上出現(xiàn)突增現(xiàn)象。

b. 圍壓抑制了煤巖內(nèi)部裂紋的萌生和擴(kuò)展，三軸狀態(tài)下煤巖AE定位點(diǎn)在峰后大量產(chǎn)生。隨著應(yīng)力水平的提高，單軸狀態(tài)AE定位點(diǎn)均勻分布于試樣內(nèi)部，而三軸狀態(tài)下AE定位點(diǎn)則較集中地分布于破裂面附近。AE定位點(diǎn)突增均出現(xiàn)在破壞前夕，預(yù)示著試樣破壞。

c. 圍壓對(duì)聲發(fā)射值特征具有較大的影響。隨圍壓升高，煤巖聲發(fā)射事件增多，值上下波動(dòng)現(xiàn)象越明顯。在應(yīng)力水平90%前，聲發(fā)射大小事件比例變化小，值變化較小。煤巖在單、三軸狀態(tài)下，峰前值分別發(fā)生先減小后增大趨勢(shì)、減小趨勢(shì)可作為破壞前兆信息。

d. 基于累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)建立的損傷演化模型能夠較好地反映煤巖在變形破壞過程中破裂的發(fā)展。損傷平靜期與聲發(fā)射基本參數(shù)平靜期吻合。在三軸狀態(tài)下，損傷在破裂前夕出現(xiàn)突增現(xiàn)象，可同時(shí)結(jié)合振鈴計(jì)數(shù)率、值及AE定位點(diǎn)對(duì)巖石的破裂前兆進(jìn)行預(yù)測(cè)。

請(qǐng)聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

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Acoustic emission characteristics and damage evolution of coal-rock under different confining pressures

YU Jie1, LIU Xiaohui1,2, HAO Qijun1

(1. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery, Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Using PCI-2 acoustic emission(AE) system, the AE experiments of different confining pressures (0, 8, 16, 5 MPa) were carried out in Baijiao coal mine in Furong, Sichuan Province, in order to reveal the change rule of ringing count rate, the temporal and spatial distribution of AE,value of AE and damage characteristics of damaged coal-rock under different confining pressures, and to provide a theoretical basis for prediction of coal-rock damage. The results show that the AE phenomenon can reflect the crack propagation of coal-rock and the confining pressure can restrain the damage of coal-rock. With the increase of confining pressure, the calmer period of ringing count rate was longer. The frequency range of ringing count rate is different under single and triaxial condition. In the uniaxial state, the AE registration points are uniformly distributed in the coal-rock, while in the triaxial state, they are centrally distributed in the failure section. With the increase of confining pressure, the fluctuation of pre-peak AE valueincreases, and the change of valuecan be used to predict the failure of coal-rock. Based on the cumulative ringing count and the failure stress of coal-rock, the damage failure model of coal-rock was established, and the precursor stress point of effective failure of coal-rock could be predicted by combining the AE ringing count rate, spatial and temporal distribution, valueand damage variables. The results will lay a foundation for the monitoring and analysis of coal-rock damage.

rock mechanics; coal-rock; acoustic emission characteristics; confining pressure; valueof AE; damage evolution; Baijiao coal mine in Sichuan

TD315

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.019

1001-1986(2020)03-0128-09

2019-11-07；

2020-04-09

西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(Z17113)；四川省教育廳重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(18ZA0457)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ycjj2019100)

Key Scientific Research Fund of Xihua University(Z17113)；Key Scientific Research Fund of Education Department of Sichuan Province(18ZA0457)；Innovation Fund of Postgraduate, Xihua University(ycjj2019100)

余潔，1995年生，女，四川資陽人，碩士研究生，從事水利水電工程、巖土工程研究. E-mail：yj18482157172@163.com

劉曉輝，1977年生，女，四川成都人，博士，副教授，從事水利水電工程、巖土工程教學(xué)及管理工作. E-mail：liuxh@mail.xhu.edu.cn

余潔，劉曉輝，郝齊鈞. 不同圍壓下煤巖聲發(fā)射基本特性及損傷演化[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：128–136.

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(責(zé)任編輯 周建軍)