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        布爾臺礦單軸加卸載下砂質(zhì)泥巖聲發(fā)射特征研究

        2022-07-07 17:14:32曹金鐘楊志良王文杰
        工礦自動化 2022年6期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        曹金鐘, 楊志良, 王文杰

        (1. 中煤大同能源有限責(zé)任公司 塔山煤礦,山西 大同 037001;2. 山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003;3. 晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉華宮礦,山西 大同 037000)

        0 引言

        西部礦區(qū)煤炭儲量豐富,煤層賦存穩(wěn)定,煤系地層成巖年代較晚,基巖段以弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖為主。煤礦井下巷道開挖、工作面回采等過程導(dǎo)致應(yīng)力集中、轉(zhuǎn)移,從而使巷道圍巖受到加卸載力學(xué)作用。砂質(zhì)泥巖是回采巷道常見巖石,在天然狀態(tài)下膠結(jié)程度低,強(qiáng)度較低,多種煤礦事故的發(fā)生與砂質(zhì)泥巖在加卸載時的力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān),如工作面大面積來壓、巷道失穩(wěn)、潰水等。近年來,隨著西部礦區(qū)高強(qiáng)度開發(fā),上述問題日益凸顯。因此,有必要對西部弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖在加卸載狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)開展深入研究,以揭示巷道圍巖損傷劣化、失穩(wěn)破壞及其失穩(wěn)前兆信息。

        現(xiàn)有研究表明,巖石在加卸載作用下?lián)p傷不斷加劇,微觀上表現(xiàn)為巖石內(nèi)部裂紋的生成,能量以聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)、熱輻射等形式釋放,宏觀上表現(xiàn)為巖石變形破壞。AE作為一種監(jiān)測巖石內(nèi)部變形、損傷、破壞的有效手段,已廣泛用于工程實(shí)踐中[1-2]。學(xué)者圍繞巖石在單軸加卸載下的AE特征開展了大量研究。劉娟紅等[3]通過不同種類混凝土單軸加卸載和AE試驗(yàn),研究典型種類混凝土的能量耗散和釋放過程。李庶林等[4]運(yùn)用G-P算法,研究了火成巖和變質(zhì)巖在單軸多級加卸載作用下AE的分形特征,得出關(guān)聯(lián)維數(shù)在等壓加卸載和加卸載循環(huán)應(yīng)力增加的情況分別呈突增和下降趨勢。王小瓊等[5]對鄂爾多斯盆地21塊不同類別巖芯開展單軸壓縮AE測試,分析不同應(yīng)力下AE的規(guī)律及巖性、加載模式和AE參數(shù)對Kaiser效應(yīng)點(diǎn)識別的影響,得出等級循環(huán)加載優(yōu)于分級循環(huán)加載和單次加載。周志華等[6]對比了混凝土在有無滲透水壓情況下的單軸加卸載試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在加卸載作用下無滲透水壓的混凝土強(qiáng)度強(qiáng)化,有滲透水壓的強(qiáng)度降低。李淼等[7]基于單軸加卸載試驗(yàn),研究了千枚巖的沖擊傾向性。林冠宇等[8]探討了單軸加卸載作用下花崗巖的AE特征,得到飽水狀態(tài)下花崗巖的RA (上升時間/幅值)小于自然狀態(tài)。徐速超等[9]研究了單軸循環(huán)荷載下矽卡巖的強(qiáng)度變化和AE特征。趙奎等[10]分析了單軸循環(huán)荷載下砂巖的次聲波信號特征,將其活動分為相對穩(wěn)定期、活躍期和破壞前兆期。楊小彬等[11]研究了單軸循環(huán)加卸載作用下花崗巖非均勻變形過程中的AE特征,得出非均勻變形演化與AE有較好的對應(yīng)規(guī)律。宋小飛等[12]通過單軸加卸載試驗(yàn)研究了砂巖的能量演化規(guī)律,得到耗散能占比是粉砂巖>粗砂巖>細(xì)砂巖。周家文等[13]研究了脆性巖石在單軸循環(huán)加卸載下的力學(xué)及損傷特性。鄧朝福等[14]分析了鹽巖單軸加卸載過程的能量和AE特性,得出其變形曲線的回滯環(huán)面積較小。

        上述研究主要對巖石在單軸加卸載過程的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析,缺乏對西部廣泛分布的弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖在加卸載狀態(tài)下力學(xué)響應(yīng)的研究。本文以國家能源集團(tuán)神東布爾臺煤礦鉆孔BK209中砂質(zhì)泥巖為研究對象,開展單軸加卸載實(shí)時AE監(jiān)測試驗(yàn),探討砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度變化及AE特征,揭示不同應(yīng)力路徑下巖石損傷、劣化和破壞失穩(wěn)機(jī)制。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1 試驗(yàn)樣品制備

        試驗(yàn)巖芯取自布爾臺煤礦三盤區(qū)北部補(bǔ)勘工程BK209鉆孔,基于國際巖石力學(xué)學(xué)會(The International Society for Rock Mechanics,ISRM)標(biāo)準(zhǔn),巖芯經(jīng)過鉆取、切割、打磨,加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣(φ25 mm×50 mm),如圖1所示。試樣基本參數(shù)及巖層特征見表1。

        圖1 加工試樣Fig. 1 Test samples

        表1 試樣基本參數(shù)及巖層特征Table 1 Sample parameters and strata characteristics

        1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

        試驗(yàn)采用WDW-100E微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)及PCI-II型AE監(jiān)測系統(tǒng)(圖2)。萬能試驗(yàn)機(jī)最大軸向荷載為100 kN,精度為±0.5%,計算機(jī)對萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。AE監(jiān)測系統(tǒng)最大采樣頻率為40 MHz,AD轉(zhuǎn)換率為18位,頻帶范圍為1~3 000 kHz,AE數(shù)據(jù)由系統(tǒng)軟件采集、存儲,前置放大器增益設(shè)為40 dB,閾值設(shè)為45 dB,采樣率為1 000 kHz。利用耦合劑和膠帶將2個傳感器對稱放置于試件中部,使兩者充分接觸且不脫落。

        圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 2 Test system

        1.3 試驗(yàn)方案

        采用單軸分級加卸載試驗(yàn)方案,同步進(jìn)行AE監(jiān)測,研究不同加卸載路徑下砂質(zhì)泥巖的AE特征。砂質(zhì)泥巖取自侏羅系安定組J2a,其單軸抗壓強(qiáng)度為18.33~23.90 MPa[15],破壞載荷為9~12 kN。本試驗(yàn)設(shè)計了3種加卸載路徑,如圖3所示。加卸載路徑I采用位移控制,加卸載速率為0.1 mm/min,先加載至設(shè)定值3 kN,然后以同等速率卸載至1 kN,最后加載至峰值,荷載路徑為0 →3 kN→1 kN→峰值。加卸載路徑II采用荷載控制,先以0.03 kN/s速率加載至3 kN,然后以0.25 kN/s速率卸載至1 kN,接著以0.03 kN/s速率加載至8 kN,再以0.25 kN/s速率卸載至1 kN,最后加載至峰值,荷載路徑為0→3 kN→1 kN→8 kN→1 kN→峰值。加卸載路徑III采用荷載控制,先以0.1 kN/s速率加載至3 kN,然后以0.25 kN/s速率卸載至1 kN,最后以0.1 kN/s速率加載至峰值,荷載路徑為0→3 kN→1kN→峰值。

        圖3 加卸載路徑Fig. 3 Loading and unloading schemes

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 不同加卸載路徑下力學(xué)特征

        不同加卸載路徑下砂質(zhì)泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示??煽闯錾百|(zhì)泥巖按加卸載路徑I,II,III進(jìn)行加卸載時,其平均應(yīng)力峰值強(qiáng)度分別為13.46,18.02,10.82 MPa,離散系數(shù)分別為2.78%,27.85%,23.80%;加卸載路徑II下平均應(yīng)力峰值強(qiáng)度較加卸載路徑I,III分別大4.56,7.20 MPa,增幅分別達(dá)34%,66%。3種加卸載路徑下應(yīng)力達(dá)到峰值前變形特征大致相同,應(yīng)力達(dá)到峰值后變形特征有所不同。加卸載路徑I下試樣應(yīng)力達(dá)到峰值后跌落較快,表現(xiàn)出脆性特征;加卸載路徑II下試樣應(yīng)力達(dá)到峰值后跌落有限,有一定殘余強(qiáng)度;加卸載路徑III下試樣應(yīng)力達(dá)到峰值后分級跌落,表現(xiàn)出一定延性特征。砂質(zhì)泥巖單軸加卸載彈性模量見表2??煽闯鲈诘?次加載階段(0→3 kN),當(dāng)應(yīng)力加載至峰值的0.45,0.29,0.55倍時,平均彈性模量分別為1.66,0.92,0.99 GPa,當(dāng)應(yīng)力卸載至峰值的0.15,0.10,0.18倍時,平均彈性模量分別為2.65,1.50,1.56 GPa,與第1次加載階段彈性模量相比,卸載階段彈性模量分別增加了59.6%,63.0%,36.5%。說明加卸載路徑越短,卸載階段彈性模量增加越多,主要是因?yàn)樵诩虞d過程中新生裂隙接觸面因剪切滑移產(chǎn)生碎屑,卸載路徑短,受到拉應(yīng)力脫落的碎屑充分充填到附近空隙,裂隙面之間的摩擦能力變強(qiáng)。

        表2 砂質(zhì)泥巖單軸加卸載彈性模量Table 2 Elastic modulus of sandy mudstone during uniaxial loading and unloading

        圖4 不同加卸載路徑下砂質(zhì)泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig. 4 The stress-strain relationship of sandy mudstone different loading and unloading paths

        2.2 不同加卸載路徑下AE特征

        砂質(zhì)泥巖不同路徑加載階段AE振鈴計數(shù)與應(yīng)力關(guān)系如圖5所示??煽闯錾百|(zhì)泥巖第1次加載過程中,加卸載路徑I下AE振鈴計數(shù)先增大至局部峰值,然后呈對稱式衰減;加卸載路徑II下AE振鈴計數(shù)先突增至局部峰值,然后漸進(jìn)式衰減,呈左偏峰型;加卸載路徑III下AE振鈴計數(shù)先突增至局部峰值,然后減小,接著增大,結(jié)束階段又減小,中間波動較大。砂質(zhì)泥巖第2次加載過程中,在加卸載路徑I,III下,當(dāng)未超過第1次加載階段的上限應(yīng)力時,AE振鈴計數(shù)較少,當(dāng)首次超過上限應(yīng)力時,AE振鈴計數(shù)呈漸增趨勢,當(dāng)應(yīng)力增至臨近峰值,達(dá)到砂質(zhì)泥巖屈服極限時,AE振鈴計數(shù)陡增,出現(xiàn)Kaiser點(diǎn);加卸載路徑II比加卸載路徑I,III多1個加載階段,雖然在該階段內(nèi)AE振鈴計數(shù)較少,但第2次加載階段產(chǎn)生的AE振鈴計數(shù)仍多于第1次加載階段,第3次加載至峰值時,AE振鈴計數(shù)大大增加。加卸載路徑I,II,III最后1次加載至峰值的過程,路徑I下AE振鈴計數(shù)先均勻持續(xù)發(fā)生,接著漸進(jìn)式增加;路徑II,III下AE振鈴計數(shù)均先均勻持續(xù)發(fā)生,臨近峰值應(yīng)力時呈跳躍式增長。總體而言,路徑III產(chǎn)生的AE振鈴計數(shù)多于其他路徑。

        圖5 砂質(zhì)泥巖不同路徑加載階段AE振鈴計數(shù)與應(yīng)力關(guān)系Fig. 5 The relationship between AE ringing counts and stress of sandy mudstone under different loading stages

        不同加卸載路徑對AE振鈴計數(shù)和應(yīng)力的影響如圖6所示??煽闯錾百|(zhì)泥巖累計AE振鈴計數(shù)在4 000次以下,與砂性巖石累計振鈴計數(shù)2.178×105~59.017×105次[16]相比較低,這是因?yàn)樯百|(zhì)泥巖顆粒較小、結(jié)構(gòu)致密,導(dǎo)致由摩擦和破壞引起的AE不明顯。AE振鈴計數(shù)多集中在加載階段,卸載階段基本無振鈴計數(shù)。第1次加載階段,由于應(yīng)力較低,砂質(zhì)泥巖處于裂隙壓密階段,未有新裂紋產(chǎn)生,AE振鈴計數(shù)較少,AE處于相對平靜期;在卸載階段,由于微裂紋在卸載作用下回彈張開,基本無振鈴計數(shù),AE處于“間歇期”;隨著應(yīng)力增大和加卸載次數(shù)增多,砂質(zhì)泥巖內(nèi)部產(chǎn)生新裂紋,損傷增加,AE振鈴計數(shù)相對增加,AE處于波動期;最后1次加載至峰值過程中,砂質(zhì)泥巖處于破壞階段,裂紋加速擴(kuò)展,損傷加劇,AE振鈴計數(shù)激增,AE進(jìn)入活躍期。

        加卸載路徑I下砂質(zhì)泥巖應(yīng)力臨近峰值時,AE振鈴計數(shù)出現(xiàn)漸進(jìn)式增加,約在應(yīng)力峰值的0.8倍處AE信號增加相對明顯,可作為預(yù)警前兆點(diǎn),振鈴計數(shù)最大值出現(xiàn)在應(yīng)力峰值后;而加卸載路徑II,III下砂質(zhì)泥巖應(yīng)力臨近峰值時,AE信號相對平靜,無明顯前兆信息,其振鈴計數(shù)最大值均出現(xiàn)在應(yīng)力峰值處(圖6(h)中,由于試樣33非均勻性較強(qiáng),振鈴計數(shù)最大值提前于應(yīng)力峰值出現(xiàn))。加卸載路徑I,II,III下砂質(zhì)泥巖AE振鈴計數(shù)的激增分別呈集群式、單峰陡增、集群式,其平均AE累計振鈴計數(shù)分別為3 048,3 327,3 896次,從加載到破壞的平均時間分別為719.4,553.6,91.5 s,平均AE振鈴計數(shù)分別為4,6,42 次/s。由此可見,加卸載路徑III對AE影響較大,加卸載路徑I對AE影響較小,究其原因是在加卸載荷載作用下裂紋以持續(xù)閉合、張開的方式發(fā)展,由于加載速率提高,裂紋來不及閉合就注入新的能量,加上加卸載路徑III下砂質(zhì)泥巖峰值強(qiáng)度較低,大大降低了裂紋擴(kuò)展過程所克服的阻力,在較低應(yīng)力作用下裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展,加劇內(nèi)部損傷,釋放更多能量,振鈴計數(shù)增加;由加卸載路徑I,II的平均AE振鈴計數(shù)可知,加載控制模式未導(dǎo)致砂質(zhì)泥巖破壞進(jìn)程產(chǎn)生較大改變,對AE的影響有限。

        圖6 不同加卸載路徑對AE振鈴計數(shù)和應(yīng)力的影響Fig. 6 Influence of different loading and unloading paths on AE ringing counts and stress

        3 結(jié)論

        (1) 卸載階段彈性模量大于加載階段彈性模量,且加卸載路徑越短,卸載階段彈性模量增加越大。主要是因?yàn)樵诩虞d壓縮的過程中新生裂隙接觸面因剪切滑移產(chǎn)生碎屑,卸載路徑短,受到拉應(yīng)力脫落的碎屑充分充填到附近空隙,裂隙面之間的摩擦能力變強(qiáng)。

        (2) 不同加載階段AE振鈴計數(shù)隨加載路徑變化而呈現(xiàn)不同的演化特征。第1次加載階段,路徑I下AE振鈴計數(shù)呈先增后減的對稱變化;路徑II下AE振鈴計數(shù)呈左偏峰變化;路徑III下AE振鈴計數(shù)先突增至局部峰值,然后減小,接著再增加,結(jié)束階段又減小,中間波動較大。最后1次加載至峰值的過程中,路徑I下AE振鈴計數(shù)先均勻持續(xù)發(fā)生,接著漸進(jìn)式增加;路徑II,III下AE振鈴計數(shù)均先均勻持續(xù)發(fā)生,臨近峰值應(yīng)力呈跳躍式增加。

        (3) 砂質(zhì)泥巖AE振鈴計數(shù)主要集中在加載階段,卸載階段基本無振鈴計數(shù)。主要原因是在卸載階段,裂隙處于張開狀態(tài),砂質(zhì)泥巖顆粒較小,由摩擦和破壞引起的AE不明顯。

        (4) 加載速率對單位時間內(nèi)AE振鈴計數(shù)的敏感度大于加載控制模式。砂質(zhì)泥巖分別沿路徑I,II,III加載時,其振鈴計數(shù)平均分別為4,6,42 次/s。加載速率的提高加快了巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展速率,加速了巖石內(nèi)部主裂紋的形成及貫通,加劇了巖石內(nèi)部的損傷,能量在較短時間內(nèi)釋放,單位時間內(nèi)AE振鈴計數(shù)變大。

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