尚宇琦，熊 鈺，孔德中 ，2，左宇軍，程志恒，宋高峰，韓 森

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 公共大數(shù)據(jù)國家重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；4.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144)

隨著工作面回采，受采動影響煤體裂隙不斷發(fā)育，含裂隙煤體導(dǎo)致煤層強(qiáng)度降低，極易誘發(fā)煤壁片幫、煤柱變形失穩(wěn)以及端面冒頂?shù)扔绊懙V井安全高效生產(chǎn)的問題。研究煤體裂隙發(fā)育特征對煤層安全開采具有重要的工程實際意義，國內(nèi)外學(xué)者對此也做出了大量的研究，并提出了較多的煤體裂隙研究技術(shù)及方法[1-4]，李文洲[5]等采用裂紋體積應(yīng)變法和聲發(fā)射法綜合研究了煤樣單軸壓縮下起裂強(qiáng)度關(guān)鍵影響因素。CT掃描技術(shù)在煤樣單軸和三軸壓縮中裂隙演化的研究有較成熟的應(yīng)用[6-8]；劉京紅[9]等將分形理論和煤巖破壞CT掃描結(jié)果相結(jié)合分析，獲得煤樣裂隙擴(kuò)展過程的分形維數(shù)。劉占新[10]等通過PFC數(shù)值模擬研究雙軸壓縮下煤樣微觀力學(xué)特征；劉永茜[12]等研究發(fā)現(xiàn)煤樣在高速卸載過程中裂隙發(fā)育的能量消耗與卸載速率呈對數(shù)關(guān)系。

近年來，針對煤巖體應(yīng)變場的研究多采用數(shù)字圖像相關(guān)方法，將煤巖裂隙擴(kuò)展和應(yīng)變場演變相聯(lián)系，通過對應(yīng)變場的分析探究煤巖體的裂隙起裂、擴(kuò)展規(guī)律[11-14]，王杰[15]等進(jìn)一步構(gòu)建巖石破壞預(yù)警指標(biāo)；周子龍[16]等對不同孔洞數(shù)的花崗巖應(yīng)變和裂隙進(jìn)行監(jiān)測分析，研究其應(yīng)變演化及破壞特征；許海亮[17]等通過數(shù)字散斑技術(shù)，研究含弱夾層巖石變形破裂演化特征，并獲得應(yīng)變場分析結(jié)果；張?zhí)燔奫18]等運用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，定量分析了軟煤單軸壓縮損傷演化特征。

經(jīng)過大量研究，學(xué)者們對煤巖體裂隙擴(kuò)展特征及演化規(guī)律已經(jīng)有了較全面的認(rèn)知，其中運用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究煤巖體應(yīng)變場分布便具有較好的成效。但對于煤樣單軸壓縮下裂隙發(fā)育、應(yīng)變演化特征及其二者之間的聯(lián)系還需要深入研究。因此，本文將運用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)更加深入地研究煤樣單軸壓縮下試件全局和局部的裂隙發(fā)育規(guī)律及應(yīng)變演化特征，并探究二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而得出煤樣破裂的前兆信息，為煤壁片幫、煤柱變形失穩(wěn)以及端面冒頂?shù)念A(yù)警提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗方案

1.1 試件制備

本次試驗采用的3個煤樣均取自同一采煤工作面，取樣后首先經(jīng)雙面切割、打磨，制備為50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，試件兩端面不平整度誤差均在0.05mm以內(nèi)，且試樣表面進(jìn)行打磨以保證平整，可滿足試驗精度的要求。并對其編號分別為a-1、a-2和a-3，各試件相對較為完好。其次，對3個試件進(jìn)行制斑處理，為了有效辨識散斑點，試件先后經(jīng)過啞光白漆全面噴涂和啞光黑漆散點噴射。試件散斑制備如圖1所示。

圖1 試件散斑制備

1.2 試驗設(shè)備及試驗方案

試驗采用貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院微機(jī)數(shù)顯式液壓壓力試驗機(jī)。觀測方法采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)如圖2所示，能夠通過非接觸光學(xué)測量獲取試樣表面變形場，以此對單軸壓縮過程中3個煤樣裂隙發(fā)育及應(yīng)變演化進(jìn)行監(jiān)測及分析。

圖2 實驗相關(guān)設(shè)備

實驗中DIC系統(tǒng)采用的雙相機(jī)鏡頭選配焦距為25mm，分辨率為4096px×3000px，計算精度為0.01像素，相機(jī)與被測試件測量距離596.26mm，兩相機(jī)之間的間距264.38mm。試件開始加載之前，首先根據(jù)以上參數(shù)對系統(tǒng)測量頭和相機(jī)進(jìn)行調(diào)試，其次選用小幅面標(biāo)定板對相機(jī)標(biāo)定，然后開始試件加載并進(jìn)行相機(jī)采集，加載過程中相機(jī)采集觸發(fā)間隔設(shè)置500ms(即相機(jī)每秒采集2幅試件圖像)。試件加載采用力控制的方式，3個煤樣保持同樣的加載速率，直至試件破壞且無承載能力時停止試驗。

2 煤體裂隙發(fā)育與全局應(yīng)變分析

根據(jù)DIC系統(tǒng)相機(jī)采集的試件圖像，分別自上而下布置3個監(jiān)測點(圖3中綠點)，同時為保障監(jiān)測點結(jié)果的普遍性和全局性，將監(jiān)測點盡量布置在試件的中部位置，具體如圖3所示。

圖3 試件全局應(yīng)變監(jiān)測點布置

現(xiàn)以試件a-1為例，根據(jù)試驗結(jié)果首先獲得試件加載載荷-采集幅數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 試件載荷-采集幅數(shù)曲線

由圖4可知，試件從a處開始穩(wěn)定加載，且加載過程中載荷增長速率基本保持恒定，但分別在b、c、d和e處發(fā)生明顯變化，其中d處為試件峰值載荷45.65kN，e處試件開始卸載。

根據(jù)試件加載過程中的全局監(jiān)測，進(jìn)一步對其全局應(yīng)變演化過程進(jìn)行分析。其中水平應(yīng)變?yōu)檎担怪睉?yīng)變?yōu)樨?fù)值，說明試件在加載過程中水平應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，垂直應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，且水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變分別用于分析垂直裂隙和水平裂隙的發(fā)育情況。

2.1 試件全局應(yīng)變演化過程分析

試件加載過程中DIC系統(tǒng)相機(jī)采集了全程圖像和數(shù)據(jù)，并獲得監(jiān)測點1、2和3的應(yīng)變-采集幅數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 試件應(yīng)變-采集幅數(shù)曲線

由圖5可知，試件加載過程中存在多處明顯的應(yīng)變劇增或劇減現(xiàn)象，且與圖4各處載荷的變化相對應(yīng)，因此選取各處(a、b、c、d)典型的水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變云圖，分析其全局應(yīng)變演化過程。具體如圖6、圖7所示。

圖6 試件水平應(yīng)變演化過程

圖7 試件垂直應(yīng)變演化過程

采集至a位置之前試件各監(jiān)測點水平、垂直應(yīng)變均無較大變化，部分應(yīng)變云圖上部邊緣出現(xiàn)較大的應(yīng)變集中現(xiàn)象，而試件大范圍水平拉應(yīng)變應(yīng)變保持在0～0.054，垂直壓應(yīng)變保持在-0.049左右，可以得知該試件在初始加載過程中存在局部偏壓現(xiàn)象，且在a位置之后，試件經(jīng)變形調(diào)整偏壓逐漸消失。

隨著試件不斷加載，a—b段內(nèi)水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變分別按正值和負(fù)值不斷增長，且監(jiān)測點1和2處的水平應(yīng)變、垂直應(yīng)變以及應(yīng)變增長率均遠(yuǎn)大于監(jiān)測點3，表明試件中上部變形較快。當(dāng)采集至第375幅圖像時，試件大范圍水平拉應(yīng)變和垂直壓應(yīng)變分別增長至0～0.247和-0.844～0，且最大水平拉應(yīng)變和垂直壓應(yīng)變均集中分布在試件的左下方，試件大范圍水平拉應(yīng)變和垂直壓應(yīng)變分別瞬間減小至0～0.219和-0.753～0，但仍存在小范圍應(yīng)變增大，表示試件大范圍變形減小，局部變形仍保持增大。

當(dāng)試件大范圍應(yīng)變瞬間減小之后，b—c段內(nèi)水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變分別按正值和負(fù)值持續(xù)增長，且監(jiān)測點1處水平應(yīng)變、垂直應(yīng)變遠(yuǎn)大于監(jiān)測點2和3，試件上部變形仍然較快。當(dāng)采集至第590幅圖像時，試件大范圍水平拉應(yīng)變和垂直壓應(yīng)變分別增長至0～0.312和-0.871～0，且最大水平拉應(yīng)變、垂直壓應(yīng)變及應(yīng)變集中程度均保持增大。隨后，試件大范圍水平拉應(yīng)變和垂直壓應(yīng)變分別增長至0～0.421和-0.905～0，且水平拉應(yīng)變和垂直壓應(yīng)變集中程度瞬間增大。此外，新的水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變集中現(xiàn)象同時出現(xiàn)在試件右上方，且試件右上方水平拉應(yīng)變集中程度遠(yuǎn)大于左下方。

隨著載荷不斷增大，c—d段內(nèi)水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變分別按正值和負(fù)值持續(xù)增大。當(dāng)采集至第664幅圖像時，試件左下方仍存在較大水平拉應(yīng)變和垂直壓應(yīng)變集中分布現(xiàn)象，而試件右上方僅具有較大水平拉應(yīng)變集中分布，試件左側(cè)散斑域發(fā)生破壞，然而試件右上方水平拉應(yīng)變集中程度仍保持增大，且此刻垂直壓應(yīng)變又重新在試件右上方出現(xiàn)集中現(xiàn)象。

通過對試件全局應(yīng)變演化過程分析，可以得知，試件在加載過程中應(yīng)變出現(xiàn)多次劇增和劇減現(xiàn)象，但總體呈現(xiàn)增長趨勢，同時試件中上部應(yīng)變明顯大于下部，意味著試件全程經(jīng)歷多次不同程度的變形，總體變形呈增大的趨勢，且中上部變形較下部更快。此外，整個過程中水平應(yīng)變集中分布較垂直應(yīng)變集中分布更為明顯，并主要位于試件的左下方和右上方兩個位置，且左下方應(yīng)變集中現(xiàn)象出現(xiàn)較早，由此表明試件全程受水平拉應(yīng)力的影響較大，并在水平拉應(yīng)力和垂直壓應(yīng)力的共同作用下，于試件左下方和右上方局部位置發(fā)生較大變形。

2.2 試件裂隙發(fā)育情況分析

基于對試件應(yīng)變演化過程的分析，選取上述應(yīng)變云圖對應(yīng)的典型裂隙圖像，同時為多角度觀察宏觀裂隙的發(fā)育情況，結(jié)合左右兩個相機(jī)采集的試件圖像進(jìn)行全面分析(左、右相機(jī)采集分別為圖像0和圖像1)，如圖8所示。

圖8 試件裂隙發(fā)育情況

如圖8(a)所示，當(dāng)采集第30幅圖像時，初始加載過程中，由于試件存在局部偏壓現(xiàn)象，應(yīng)變最大值位于試件上部，試件經(jīng)變形調(diào)整產(chǎn)生裂隙①；如圖8(b)所示，當(dāng)采集至第375幅圖像時，最大拉應(yīng)變位于裂隙③處，且裂隙③發(fā)生了明顯張開現(xiàn)象，同時裂隙②也沿垂直分方向持續(xù)擴(kuò)展；如圖8(c)所示，當(dāng)采集至第590幅圖像時，裂隙②出現(xiàn)明顯擴(kuò)展，并在下端發(fā)生局部破壞，而此時試件最大水平拉應(yīng)變?nèi)晕挥诹严盯厶帯４送?，試件右?cè)又新增裂隙④，試件右上方瞬間新增宏觀傾斜裂隙⑤，同時最大水平拉應(yīng)變和最大垂直壓應(yīng)變均位于該裂隙處；如圖8(d)所示，當(dāng)采集至第663幅圖像時，在水平拉應(yīng)力作用下該裂隙變化不大，但裂隙②處出現(xiàn)了明顯的擴(kuò)展和局部破壞現(xiàn)象。此后，試件持續(xù)加載，試件裂隙不在發(fā)育。

通過對試件裂隙發(fā)育情況的分析可以得知，試件在加載過程中，裂隙先由中上部開始發(fā)育，并經(jīng)歷多次瞬間張開和閉合現(xiàn)象，尤以試件左下方和右上方的裂隙③和⑤為主，且裂隙③較裂隙⑤更早發(fā)育，而試件全局裂隙呈現(xiàn)不斷擴(kuò)展和張開的趨勢，直至試件破壞。全程中試件應(yīng)變演化與裂隙發(fā)育情況相對應(yīng)，且應(yīng)變演化隨裂隙發(fā)育同步進(jìn)行，裂隙發(fā)育較快處往往存在明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象，其中傾斜或彎曲狀裂隙處會同時存在水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變集中現(xiàn)象。

3 裂隙發(fā)育處局部應(yīng)變演化規(guī)律

通過對試件a-1的分析，已經(jīng)明確其全局裂隙發(fā)育情況及應(yīng)變演化過程。但在整個過程中由于試件局部裂隙的張開或閉合通常會導(dǎo)致試件全局應(yīng)變的瞬間劇增或劇減，因此為更進(jìn)一步探究局部裂隙發(fā)育和局部應(yīng)變演化對試件全局應(yīng)變的影響，還需針對局部裂隙進(jìn)行深入分析。因此，選取試件典型局部裂隙③和⑤并分別布置監(jiān)測點5和測點4(圖9)，對其應(yīng)變演化規(guī)律進(jìn)一步分析總結(jié)。

圖9 局部裂隙發(fā)育處應(yīng)變監(jiān)測點布置

如圖10所示，分別獲得裂隙③和⑤處的水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變演化曲線。由監(jiān)測點4可知，采集第590幅圖像之前，裂隙⑤處水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變均保持緩慢穩(wěn)定增長，僅在第375幅圖像處經(jīng)歷1次瞬間增大；當(dāng)采集第591幅圖像時水平應(yīng)變瞬間增大，而垂直應(yīng)變瞬間減小。由監(jiān)測點5可知，采集第590幅圖像之前，裂隙③處水平應(yīng)變存在多處明顯變化，而垂直應(yīng)變分別經(jīng)歷過1次瞬間減小和瞬間增大，但總體增長趨勢不變。

圖10 局部裂隙應(yīng)變-采集幅數(shù)曲線

對比試件全局應(yīng)變分析結(jié)果，該局部應(yīng)變演化與全局應(yīng)變演化趨勢基本一致，說明試件全局應(yīng)變演化主要受局部裂隙③和⑤發(fā)育的影響?；诖耍謩e選取裂隙③和⑤位置處典型時刻的圖像，進(jìn)一步分析局部裂隙發(fā)育情況及其最大主應(yīng)變特征。

3.1 裂隙③發(fā)育情況及最大主應(yīng)變演化規(guī)律

當(dāng)采集至第375幅圖像時，裂隙③擴(kuò)展和張開程度較大，水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變快速增長，且水平應(yīng)變較快，以拉應(yīng)力為主，此時出現(xiàn)最大主應(yīng)變集中現(xiàn)象，同時最大主應(yīng)變增長至1.066～1.552，其方向與裂隙張開方向基本一致，且發(fā)生明顯傾斜。當(dāng)采集至第376幅圖像時，由于裂隙呈現(xiàn)彎曲形態(tài)且張開較大，并誘導(dǎo)反方向的水平變形，裂隙出現(xiàn)閉合，從而導(dǎo)致垂直應(yīng)變瞬間增大，水平應(yīng)變瞬間減小。此外，最大主應(yīng)變集中程度隨之變小，其方向與裂隙閉合方向基本一致，且傾斜程度變小；當(dāng)采集至第590幅圖像時，裂隙③發(fā)生明顯的張開，在此過程中其水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變保持穩(wěn)定增長，而此時最大主應(yīng)變集中程度也明顯變大，其方向與裂隙張開方向基本一致，且傾斜程度隨之變大。當(dāng)采集至第591幅圖像時，裂隙發(fā)生微小的閉合，且此時最大主應(yīng)變集中程度也隨之變小，其方向與裂隙閉合方向基本一致；當(dāng)采集至第663幅圖像時，裂隙③發(fā)生微小的張開，在此過程中水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變均保持穩(wěn)定增長，其方向與裂隙張開方向基本一致。當(dāng)采集至第664幅圖像時，試件破壞，裂隙③發(fā)生明顯的閉合，同時最大主應(yīng)變也減小至1.173～1.755，其方向與裂隙閉合方向基本一致，近乎水平；當(dāng)采集至第688幅圖像時，裂隙③再次發(fā)生微小的閉合，在此過程中水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變持續(xù)減小，同時最大主應(yīng)變也隨之減小，其方向的傾斜程度仍保持近乎水平。

圖11 裂隙③發(fā)育情況

圖12 裂隙③最大主應(yīng)變特征演化

通過對裂隙③發(fā)育情況及其最大主應(yīng)變演化規(guī)律的分析可以得知，在試件未破壞前并持續(xù)加載過程中，彎曲狀裂隙往往會發(fā)生頻繁的張開、閉合現(xiàn)象。裂隙張開主要受拉應(yīng)力影響，彎曲裂隙閉合主要受垂直壓應(yīng)力發(fā)生較大的垂直變形，并誘導(dǎo)反方向的水平變形，從而出現(xiàn)垂直應(yīng)變劇增，水平應(yīng)變劇減以及最大主應(yīng)變集中程度隨之變小等現(xiàn)象。

3.2 裂隙⑤發(fā)育情況及最大主應(yīng)變演化規(guī)律

當(dāng)采集至第375、376幅時，監(jiān)測點4位置處未出現(xiàn)宏觀發(fā)育的裂隙，此時水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變均發(fā)生瞬間增大，同時最大主應(yīng)變也由第375幅的0.095～0.193增大至第376幅的0.129～0.338，最大主應(yīng)變方向無明顯變化；當(dāng)采集至第590幅圖像時，監(jiān)測點4位置處仍未出現(xiàn)宏觀裂隙，在此過程中水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變保持穩(wěn)定增長，而此時最大主應(yīng)變增長至0.176～0.380。當(dāng)采集至第591幅圖像時，在較大水平拉應(yīng)力下，宏觀裂隙⑤瞬間產(chǎn)生，水平應(yīng)變瞬間大幅度增大，并產(chǎn)生應(yīng)變集中現(xiàn)象，同時最大主應(yīng)變方向與裂隙張開方向基本一致，與裂隙擴(kuò)展方向基本垂直，且發(fā)生明顯傾斜；當(dāng)采集至第663幅圖像時，應(yīng)變集中分布擴(kuò)大但最大主應(yīng)變大范圍減小。當(dāng)采集至第664幅圖像時，試件發(fā)生破壞，在較大水平拉應(yīng)力下，宏觀裂隙⑤發(fā)生較小程度張開，水平應(yīng)變瞬間增大、垂直應(yīng)變瞬間減小，而此時最大主應(yīng)變增大至1.755～2.902，其方向與裂隙張開方向基本一致，且發(fā)生明顯傾斜；當(dāng)采集至第688幅圖像時，裂隙⑤發(fā)生微小的閉合，水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變均減小，其方向與裂隙閉合方向基本一致，僅發(fā)生微小變化。

圖13 裂隙⑤發(fā)育情況

圖14 裂隙⑤最大主應(yīng)變特征演化

通過對裂隙③和⑤發(fā)育情況及其最大主應(yīng)變演化規(guī)律的分析可以得知，在較大水平拉應(yīng)力作用下，裂隙快速張開，最大主應(yīng)變集中程度變大，其方向與裂隙擴(kuò)展方向基本垂直，與裂隙張開方向基本一致，且當(dāng)試件裂隙瞬間產(chǎn)生或破壞時，最大主應(yīng)變方向也會發(fā)生較大變化。其中當(dāng)采集第591幅圖像之后，試件裂隙將快速發(fā)育，而此刻采集幅數(shù)占試件破壞采集幅數(shù)的89%，處于試件加載后期。

4 結(jié) 論

1)試件應(yīng)變演化與裂隙發(fā)育具有潛在的聯(lián)系，裂隙發(fā)育處往往存在明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象，其中傾斜或彎曲狀裂隙處會同時存在水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變集中分布，且水平應(yīng)變集中程度較大。

2)試件加載過程中，彎曲狀裂隙會發(fā)生頻繁的張開、閉合現(xiàn)象。在拉應(yīng)力作用下裂隙不斷張開，當(dāng)彎曲裂隙張開程度較大時，因試件持續(xù)加載，在垂直壓應(yīng)力下往往會發(fā)生較大的垂直變形，并誘導(dǎo)反方向水平變形，從而導(dǎo)致裂隙發(fā)生閉合，出現(xiàn)垂直應(yīng)變增大，水平應(yīng)變減小等現(xiàn)象。

3)最大主應(yīng)變的方向與裂隙張開方向基本一致，與裂隙擴(kuò)展延伸方向基本垂直。當(dāng)裂隙張開或擴(kuò)展時，最大主應(yīng)變增大，會出現(xiàn)明顯的最大主應(yīng)變集中現(xiàn)象；當(dāng)裂隙閉合時，最大主應(yīng)變減小，最大主應(yīng)變集中程度也隨之減小；隨著裂隙張開或閉合，最大主應(yīng)變方向也會發(fā)生明顯不同的傾斜變化。

4)當(dāng)采集幅數(shù)達(dá)到試件破壞幅數(shù)的89%時，處于試件加載后期，裂隙快速發(fā)育，而此后也表現(xiàn)出多處局部應(yīng)變快速集中現(xiàn)象；此外，當(dāng)試件裂隙瞬間產(chǎn)生或試件破壞時，最大主應(yīng)變方向也會發(fā)生較大變化，該試驗結(jié)果可作為試件破壞預(yù)警的前兆信息之一。