張?zhí)燔姡愔窃?，潘紅宇

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.西安科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引 言

松軟煤層抽采鉆孔的蠕變性質(zhì)是引起鉆孔失穩(wěn)變形的主要原因之一。 眾多工程實(shí)踐表明，鉆孔成孔后，孔周煤體會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生持續(xù)變形，造成鉆孔有效抽采面減少，影響瓦斯抽采效果。 并且含孔煤體與完整煤體的蠕變性質(zhì)有所差異，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鉆孔孔周煤體蠕變的研究較少。 因此研究鉆孔孔周煤體蠕變性質(zhì)對(duì)于瓦斯抽采工程應(yīng)用尤為重要。

鉆孔周圍煤體所處的環(huán)境也會(huì)造成其蠕變性質(zhì)的差異。 水是煤礦井下工程中普遍存在的環(huán)境因素，鉆孔施工時(shí)為了降塵所需的帶壓水以及煤層地下滲流水均會(huì)對(duì)鉆孔周圍煤體產(chǎn)生各種物理化學(xué)作用，造成煤體顆粒間的內(nèi)摩擦系數(shù)及彈性模量降低，產(chǎn)生軟化、泥化作用，導(dǎo)致鉆孔發(fā)生體積膨脹、蠕變變形等明顯變化，對(duì)鉆孔周圍煤體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響［1］。 王萍等［2］對(duì)不同含水狀態(tài)下的試樣進(jìn)行蠕變特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了隨著含水率的增加，蠕變進(jìn)入勻速階段所需的時(shí)間越久。 劉秀敏等［3］研究了天然和飽水狀態(tài)下試樣的蠕變特性，發(fā)現(xiàn)飽水試樣的蠕變特征比天然試樣更加明顯，且飽水試樣蠕變的破壞強(qiáng)度是天然試樣的0.54 倍。 于永江等［4］開展了不同含水狀態(tài)下試樣的蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明隨著含水率的增加，試樣蠕變彈性模量和黏滯系數(shù)均減小，蠕變速率有著先增大再減小的趨勢(shì)。 楊秀榮、唐建新等［5－6］研究含水率對(duì)初始蠕變和穩(wěn)定蠕變的影響。 上述研究大部分僅針對(duì)環(huán)境、力學(xué)狀態(tài)等對(duì)煤巖長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)的研究，關(guān)于蠕變過程中含孔煤體的變形機(jī)理及變形內(nèi)在原因的研究較少。

隨著對(duì)煤巖體的研究日趨深入，許多學(xué)者在宏觀研究的基礎(chǔ)上，采用更為精密的儀器開展研究。聲發(fā)射技術(shù)是一種探測(cè)煤巖微裂隙延伸與擴(kuò)展的有效工具，通過該技術(shù)得到的聲發(fā)射參數(shù)變化能夠很好地反映孔周煤巖體在蠕變變形中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。 許江等［7］開展不同含水狀態(tài)試樣的聲發(fā)射剪切試驗(yàn)，得到了不同含水狀態(tài)對(duì)聲發(fā)射事件率的影響規(guī)律。 楊永杰等［8］研究了試樣蠕變過程中聲發(fā)射特征參數(shù)的變化規(guī)律。 文圣勇等［9］開展了不同含水率試樣的聲發(fā)射單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明水對(duì)試樣的聲發(fā)射特征和力學(xué)性質(zhì)均有影響，含水率越高振鈴計(jì)數(shù)越少，且不同含水試樣的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線在形狀上近似。 李高陽［10］開展不同浸水時(shí)間試樣的單軸蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射參數(shù)能夠很好地描述試樣在蠕變中各個(gè)階段的力學(xué)特征。鄧朝福等［11］對(duì)2 種不同含水狀態(tài)試樣進(jìn)行聲發(fā)射三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)飽水試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率遠(yuǎn)小于干燥試樣。 李鵬［12］對(duì)3 種含水率試樣進(jìn)行長(zhǎng)期力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明相同應(yīng)力水平下的蠕變速率隨含水率的增加而增大，振鈴計(jì)數(shù)率曲線與蠕變曲線變化趨勢(shì)相同。 蔣景東等［13］研究了不同含水狀態(tài)對(duì)聲發(fā)射能量的影響。 曾寅等［14］開展了長(zhǎng)期單軸蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣蠕變中的聲發(fā)射參數(shù)規(guī)律呈活躍－平靜－活躍趨勢(shì)。 上述研究?jī)H對(duì)聲發(fā)射的某些現(xiàn)象進(jìn)行了研究，鮮有關(guān)于物理環(huán)境對(duì)鉆孔孔周煤體蠕變聲發(fā)射特性的影響研究。 而研究含水率、蠕變應(yīng)變及聲發(fā)射特征參數(shù)三者間的關(guān)系，能夠?yàn)殂@孔、支護(hù)等方面提供更為全面的資料。

筆者通過對(duì)不同含水率下的含孔試樣分別進(jìn)行分級(jí)加載蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，分析含水率對(duì)煤樣蠕變力學(xué)性能及聲發(fā)射特征參數(shù)的影響，揭示了鉆孔孔周煤體蠕變變形的時(shí)序性規(guī)律，研究能為瓦斯抽采、鉆孔、支護(hù)以及聲發(fā)射檢測(cè)方面提供重要指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

松軟煤層中瓦斯抽采率普遍較低，鉆孔穩(wěn)定性差，因此研究松軟煤樣對(duì)瓦斯抽采工程影響至關(guān)重要。 但由于松軟煤層取樣困難且不易加工，而采用相似材料配比得到試樣的力學(xué)性質(zhì)能夠滿足所需要求，故采用相似配比試樣模擬松軟煤巖。

瓦斯抽采鉆孔周圍的煤巖體受到水、應(yīng)力耦合的影響，通常會(huì)比完整煤巖體更容易產(chǎn)生破壞。 這是由于鉆孔會(huì)打破完整煤巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，迫使鉆孔周圍的應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生新的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并更容易產(chǎn)生破壞。 根據(jù)經(jīng)典彈性理論，可以得到鉆孔力應(yīng)力分布，如圖1 所示［15］。 圓形鉆孔應(yīng)力分布圖中，p為圍壓；σθ和σr分別為切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；a為研究點(diǎn)至孔心的距離。

圖1 圓形鉆孔應(yīng)力分布Fig.1 Circular drilling stress distribution map

由于井下鉆孔深度遠(yuǎn)大于鉆孔直徑，可近似認(rèn)為孔周應(yīng)力不隨鉆孔長(zhǎng)度發(fā)生變化，而鉆孔有效應(yīng)力邊界是鉆孔半徑的3 倍［16］， 因此制作鉆孔半徑5 mm，棱長(zhǎng)70 mm×70 mm×70 mm 的正方體試樣。

1.1 試驗(yàn)過程

1）試驗(yàn)試樣煤粉、石膏、水泥質(zhì)量比為1 ∶0.5 ∶1混合制漿，灌注于70 mm×70 mm×70 mm 正方體模具盒中，于盒中中心置入預(yù)制鉆孔裝置，之后將試樣置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干30 d，共制成了24 個(gè)方形試樣，模具和制成的試樣如圖2 所示。

圖2 模具及試樣Fig.2 Mold and sample

2）將自然風(fēng)干試樣分為A、B、C、D 共4 組，每組6 個(gè)樣，其中A 組為干燥組（含水率0），B、C 組為控制含水組（含水率分別為4%、8%），D 組為自然飽和含水組（含水率43.4%）。 控制含水組試樣進(jìn)行抽真空處理，并將試樣置于恒溫恒濕箱內(nèi)保存。自然飽和含水組要求將試樣置于密閉水容器中，控制容器內(nèi)液面離試樣頂面30 ～40 mm，在陰涼處靜置超過24 h 后稱重，此后每24 h 稱重一次，直到試樣質(zhì)量不再變化，并記錄試樣質(zhì)量。

3）由于分級(jí)加載可以觀測(cè)不同應(yīng)力水平下試樣的變形、位移情況，因此試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式，進(jìn)行4 個(gè)等級(jí)的加載，根據(jù)每組試樣的抗壓試驗(yàn)得到的峰值載荷，取各組試樣峰值載荷的50%，60%，70%，80%四個(gè)應(yīng)力作為分級(jí)加載過程中的載荷水平等級(jí)，并根據(jù)文獻(xiàn)［17］確定載荷達(dá)到水平等級(jí)時(shí)持續(xù)加壓1 h 后再進(jìn)行下一水平等級(jí)的加載，依次加載四級(jí)后結(jié)束試驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4）在進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)通過聲發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，為了得到完整的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，將聲發(fā)射系統(tǒng)中聲發(fā)射信號(hào)采集頻率設(shè)置為10 000 kHz，參數(shù)間隔2 000 μs，采樣長(zhǎng)度設(shè)置為2 048 點(diǎn)數(shù)，波形門限設(shè)置為40，參數(shù)門限為40。 并在傳感器探頭上涂抹耦合劑，貼于試樣兩端并固定，待試驗(yàn)結(jié)束后記錄數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)際情況，井下工作面鉆孔注水時(shí)，煤層通常處于完全浸水環(huán)境，此時(shí)鉆孔孔周煤體含水率為自然飽水狀態(tài)，而離鉆孔越遠(yuǎn)的煤體，其含水率越低，最終使孔周煤體處于自然含水狀態(tài)。 因此本文設(shè)定含水率0、4%、8%，及自然飽水4 組試樣，每組6 個(gè)樣，能夠滿足煤層自然含水及外界注水對(duì)其影響。 試驗(yàn)基本情況見表1。

表1 軟煤?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)基本情況Table 1 Basic situation of soft coal uniaxial compression test

由文獻(xiàn)［18－19］可知2 種典型松軟煤樣各參數(shù)的范圍，所制試樣的參數(shù)介于松軟煤層范圍內(nèi)，故采用的相似材料配比適用于研究松軟煤樣。

從表1 可知，試樣的峰值軸向應(yīng)變均在0.01 ～0.02，4 組試樣的平均峰值強(qiáng)度2.7 ～4.4 MPa，最大相差1.585 MPa。 平均彈性模量185 ～416 MPa，最大相差231 MPa。 平均峰值載荷13.5 ～21.3 kN，最大相差7.78 kN。

2 蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

2.1 單孔試樣蠕變規(guī)律

由于試樣在制備過程中難免出現(xiàn)離散性情況，會(huì)對(duì)試樣造成影響，因此對(duì)每組試樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理后，得到不同狀態(tài)下分級(jí)加載蠕變曲線，如圖3 所示，從圖3 中可知，隨著含水率的增大，試樣軸向應(yīng)變?cè)龃?，含水率? 試樣最大軸向應(yīng)變?yōu)?.36%，含水率為4%試樣最大軸向應(yīng)變?yōu)?.41×10－2，含水率為8%試樣最大軸向應(yīng)變?yōu)?.47×10－2，飽和含水試樣最大軸向應(yīng)變?yōu)?.75×10－2。 其飽和含水率最大軸向應(yīng)變較含水率為0 的增加了28.67%。

圖3 不同含水率的蠕變曲線Fig.3 Creep curve with different water content

從不同含水率蠕變曲線中可以發(fā)現(xiàn)，四組試樣在其應(yīng)力峰值的50%～80%，均未發(fā)生變形破壞，蠕變曲線只出現(xiàn)了衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變2 個(gè)階段。 并且干燥試樣蠕變曲線在所有曲線下方，隨著含水率的增加，蠕變曲線呈上升趨勢(shì)，此現(xiàn)象與文獻(xiàn)［20］蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果相似。

由于水能夠濕潤(rùn)煤體自由面上的顆粒，降低顆粒間的黏聚力，改變煤體的力學(xué)性質(zhì)，使得孔周煤體受力更容易發(fā)生變形，所以水對(duì)含孔煤樣加載軸向應(yīng)變及位移產(chǎn)生較大影響。

2.2 瞬時(shí)彈性應(yīng)變

對(duì)同一應(yīng)力水平下不同含水率試樣的瞬時(shí)彈性應(yīng)變?chǔ)?的變化規(guī)律進(jìn)行擬合，如圖4 所示。 對(duì)比4組含水試樣初始瞬時(shí)應(yīng)變可知，試樣瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?隨含水率的增加而逐漸增大，其4 種含水率下的第一階段 的 初 始 瞬 時(shí) 應(yīng) 變 分 別 為0.900 14 × 10－2，0.907 06×10－2，0.914 66×10－2和1.06×10－2。 各應(yīng)力水平初始瞬時(shí)應(yīng)變隨含水率的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，含水率為0 時(shí)擬合方程為0.893 52e0.00391w，含水率為4%時(shí)擬合方程為1.014 25e0.0044w，含水率為8%時(shí)擬合方程為1.141 13e0.005w，飽和含水?dāng)M合方程為1.308e0.052w，w為含水率，其相關(guān)系數(shù)均在0.97 以上，呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性。

圖4 初始瞬時(shí)應(yīng)變－含水率擬合曲線Fig.4 Initial instantaneous strain－water content fitting curve

該現(xiàn)象表明隨著含水率增加，孔周煤體強(qiáng)度、承載能力都會(huì)越來越小，含水率越大，在持續(xù)載荷的作用下，煤巖受到的水楔作用越大，鉆孔的初始變形程度也就越大。

2.3 蠕變穩(wěn)態(tài)應(yīng)變

穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舧是指試樣蠕變過程中勻速階段的應(yīng)變。 圖5 是穩(wěn)態(tài)應(yīng)變與應(yīng)力水平及含水率的關(guān)系曲線，從圖中可以看出穩(wěn)態(tài)應(yīng)變隨應(yīng)力水平的增加而增加，并且隨著含水率的增加，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變呈指數(shù)增加，同一應(yīng)力水平下，飽和含水試樣穩(wěn)態(tài)應(yīng)變的增幅更加顯著，以應(yīng)力水平80%為例，干燥狀態(tài)下試樣的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?yōu)?.339×10－2，當(dāng)含水率增加到4%時(shí)，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?cè)黾拥?.389×10－2，增幅率為3.7%。 當(dāng)含水率增加到8%時(shí)，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變提高了8.2%，當(dāng)達(dá)到飽和含水時(shí)，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變提高了28.6%。

圖5 穩(wěn)態(tài)應(yīng)變與應(yīng)力水平及含水率的關(guān)系曲線Fig.5 Steady－state strain versus stress level and water content

這說明在水的作用下加快了鉆孔蠕變的變形，孔周煤體在勻速蠕變階段的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變隨含水率的增加而增大，含水率越大，鉆孔煤體進(jìn)入勻速蠕變階段的極限蠕變變形越大，尤其在自然飽水狀態(tài)下蠕變的變形更加顯著，這與常規(guī)含水率與穩(wěn)態(tài)應(yīng)變的關(guān)系相同［21］。 所以在持續(xù)外力作用下，含水率越高，鉆孔周圍煤巖產(chǎn)生變形越大，越容易發(fā)生失穩(wěn)塌孔現(xiàn)象，因此研究含水率對(duì)孔周煤體蠕變規(guī)律的影響，能夠?yàn)橥咚钩椴伞@孔和支護(hù)方面起到重要的指導(dǎo)作用。

3 聲發(fā)射特征分析

由于孔周煤巖蠕變過程中會(huì)伴生聲發(fā)射現(xiàn)象［22］，為了進(jìn)一步研究蠕變過程中，含水率對(duì)聲發(fā)射特征的影響規(guī)律，筆者通過聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)本次單軸蠕變?nèi)^程中聲發(fā)射數(shù)據(jù)特征參數(shù)進(jìn)行分析，選取試樣在蠕變過程中累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)及聲發(fā)射振鈴率，對(duì)不同含水率下的煤樣進(jìn)行對(duì)比分析，研究含水狀態(tài)對(duì)試樣蠕變過程中的聲發(fā)射特性影響。

3.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)

通過分級(jí)加載蠕變，可以得到不同應(yīng)力水平下試樣蠕變聲發(fā)射參數(shù)與時(shí)間應(yīng)變的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與蠕變曲線Fig.6 Cumulative ringing count and creep curve

從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，不同含水狀態(tài)下試樣累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與蠕變應(yīng)變曲線呈現(xiàn)一致性趨勢(shì)，即在試樣處于壓密階段，當(dāng)應(yīng)力從0 逐漸加載到第1級(jí)設(shè)定應(yīng)力時(shí)，可以明顯看出4 種含水率下的累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)值都較多，其累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)占總值76%～83%，說明在該階段試樣內(nèi)部的破裂較多，累計(jì)損傷較大；在每級(jí)應(yīng)力增加階段，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)值都會(huì)有明顯的增大現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到設(shè)定應(yīng)力水平并保持不變時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)會(huì)保持一個(gè)較低的水平不斷振幅，導(dǎo)致累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)緩慢增加。

在試樣蠕變過程中，隨著含水率的增加，累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)值依次減小，以應(yīng)力水平50%為例，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與蠕變軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖6 所示。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，不同含水率和不同應(yīng)力水平下，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線和軸向應(yīng)變曲線基本相似，在應(yīng)力水平為50%時(shí)，干燥試樣穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?yōu)?.924 ×10－2，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)為825 × 102；當(dāng)含水率增加到4%時(shí)，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?cè)黾拥?.947 × 10－2，增幅2.5%，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)減小到472 × 102，減小了42.8%；含水率為8%和43.4%時(shí)，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變分別增加了5%和21.2%，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)分別較小了51.3%和73.7%。其余應(yīng)力水平穩(wěn)態(tài)應(yīng)變級(jí)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)變化率見表2。 從表中可以看出，在含水率為0 條件下累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)最大，聲發(fā)射活動(dòng)最頻繁，隨著含水率的增加，其聲發(fā)射活躍程度明顯降低，導(dǎo)致累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)依次減小。 并且隨著應(yīng)力水平的增加，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?cè)谥饾u增大，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在逐漸降低，且含水率越高，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增減幅度越大。 在不同應(yīng)力水平下，同一含水情況的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增減幅度趨于穩(wěn)定。

表2 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)變化幅度Table 2 Acoustic emission ringing rate count change range

上述現(xiàn)象說明這說明在恒定應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射處于活力較低狀態(tài)，試樣裂隙閉合擴(kuò)展對(duì)試樣整體結(jié)構(gòu)影響較小。 并且聲發(fā)射信號(hào)在到達(dá)每一級(jí)應(yīng)力水平后蠕變曲線才到達(dá)相應(yīng)應(yīng)力水平，即蠕變曲線相對(duì)于累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在時(shí)間上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)滯后效應(yīng)。 水能改變煤巖的力學(xué)性質(zhì)，削弱了煤巖抗壓強(qiáng)度以及顆粒間的黏聚力，使得煤樣在變形時(shí)所需要能量減少，所以隨著含水率的增加，煤樣的聲發(fā)射活躍程度降低，累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)減少， 這與常規(guī)單軸壓縮過程中水對(duì)聲發(fā)射參數(shù)影響［23］的研究結(jié)果相符合，所以水對(duì)鉆孔孔周煤體蠕變過程中的聲發(fā)射特征有著顯著影響。 在前人研究基礎(chǔ)上，探討了分級(jí)加載蠕變過程中，不同應(yīng)力水平下含水率的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)及對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變的增減幅度。

從圖6 中還以發(fā)現(xiàn)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與軸向應(yīng)變基本滿足線性關(guān)系：

式中：AE 為累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)；ε為軸向應(yīng)變；a、b為與含水率相關(guān)常數(shù)。

以飽和含水試樣為例，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖7 所示。 由最小二乘法對(duì)參數(shù)進(jìn)行擬合，其相關(guān)性系數(shù)為0.953，對(duì)其余含水率試樣進(jìn)行擬合，擬合系數(shù)均在0.95 以上，擬合關(guān)系式見表3。得到蠕變軸向應(yīng)變與累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)基本呈線性關(guān)系，且隨著含水率的增加，擬合方程斜率不斷減小，即含水狀態(tài)影響著蠕變過程中累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)及軸向應(yīng)變的大小。

圖7 飽和含水試樣軸向應(yīng)變與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between axial strain and cumulative ringing count of saturated aqueous samples

表3 累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與軸向應(yīng)變關(guān)系Table 3 Cumulative ringing count and axial strain relationship

3.2 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率能夠反映材料的活躍程度，是指一個(gè)時(shí)間段內(nèi)超過限定聲發(fā)射閾值的振鈴脈沖數(shù)。 圖8 為聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率與蠕變曲線圖，從圖8 中可以看出，試樣在初始?jí)好苓^程中，聲發(fā)射振鈴率隨時(shí)間大加而增加；當(dāng)試樣自瞬時(shí)蠕變到穩(wěn)定蠕變階段的過程中，聲發(fā)射振鈴率隨蠕變時(shí)間的增加而降低；當(dāng)應(yīng)力水平向下一級(jí)躍遷時(shí)，聲發(fā)射振鈴率出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象。

圖8 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率曲線Fig.8 Acoustic emission ringing count rate curve

這是由于每一級(jí)的躍遷會(huì)增加軸向應(yīng)力，導(dǎo)致試樣內(nèi)部裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，使聲發(fā)射振鈴率增加，當(dāng)軸向應(yīng)力逐漸穩(wěn)定時(shí)，試樣內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展緩慢，產(chǎn)生的振鈴率隨蠕變時(shí)間增加趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

隨著含水率的增加，聲發(fā)射振鈴率有顯著影響：含水率為0 試樣的每級(jí)加載階段和勻速蠕變階段的振鈴率最大，而含水率為4%、8%及43.4%的聲發(fā)射活動(dòng)較含水率為0 時(shí)弱，每級(jí)蠕變階段的聲發(fā)射振鈴率相對(duì)較少，且振鈴率隨著含水率的增加減小，其減小幅度見表4。

表4 聲發(fā)射振鈴率下降幅度Table 4 Sound emission ringing rate decline

這主要是由于在水的作用下，試樣內(nèi)部顆粒會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致試樣被軟化，含水率越高其軟化程度越大，所以含水試樣受到載荷時(shí)產(chǎn)生損傷較少，聲發(fā)射振鈴率較含水率為0 時(shí)要小。

當(dāng)加載載荷達(dá)到每一級(jí)加載水平時(shí)，可以得到試樣蠕變過程的減速蠕變階段及勻速蠕變階段。 在減速蠕變階段時(shí)，試樣內(nèi)部裂隙擴(kuò)展，聲發(fā)射活躍程度增加，隨著加載級(jí)數(shù)的增加，聲發(fā)射振鈴率有所增強(qiáng)，且含水率越大聲發(fā)射振鈴率越小，隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)聲發(fā)射振鈴率相應(yīng)降低。 當(dāng)進(jìn)入勻速蠕變階段時(shí)，新生裂隙較少，聲發(fā)射振鈴率比減速蠕變階段減弱且趨于平穩(wěn)，使得聲發(fā)射振鈴率在每一級(jí)蠕變階段都會(huì)有增長(zhǎng)－減?。€(wěn)定的趨勢(shì)，且隨著含水率的增加，振鈴率減小幅度逐漸降低。

這是由于水能夠軟化煤體，影響試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，含水率越大試樣產(chǎn)生損傷越小、聲發(fā)射活躍程度越低，導(dǎo)致聲發(fā)射振鈴率越低。 這與常規(guī)下含水率對(duì)煤樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的影響規(guī)律相同［24］。 因此研究不同含水率與蠕變聲發(fā)射參數(shù)的耦合關(guān)系，對(duì)瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性的聲發(fā)射檢測(cè)有重要意義。

4 結(jié) 論

1）含水率的改變影響鉆孔孔周煤巖體的蠕變力學(xué)性質(zhì)。 低含水率對(duì)試樣應(yīng)變變化較小，并且隨著含水率的增加，瞬時(shí)應(yīng)變及穩(wěn)態(tài)應(yīng)變呈指數(shù)上升，同一應(yīng)力水平下，飽和含水試樣應(yīng)變的增幅更加顯著。 應(yīng)力水平為80%情況下，飽和含水試樣的瞬時(shí)應(yīng)變及穩(wěn)態(tài)應(yīng)變較含水率為0 的試樣增加了44.5%及28.6%。

2）累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與蠕變曲線呈現(xiàn)一致性趨勢(shì)。含水率影響著蠕變過程中累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)及軸向應(yīng)變的大小，并且隨著應(yīng)力水平的增加，含水煤樣累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)比干燥煤樣減少40%～80%，且含水率越高，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增減幅度越大。

3）聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率在每一級(jí)蠕變階段都會(huì)有增長(zhǎng)－減?。€(wěn)定的趨勢(shì)，隨著含水率的增加，聲發(fā)射活躍程度明顯降低，導(dǎo)致累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與振鈴計(jì)數(shù)率都明顯減??；并且蠕變曲線相對(duì)于聲發(fā)射數(shù)據(jù)在時(shí)間上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)滯后效應(yīng)。