張傳玖 ，杜濤濤 ，任建慧 ，李宣良

（1.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 布爾臺(tái)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013）

沖擊地壓作為影響最為嚴(yán)重的煤巖動(dòng)力災(zāi)害之一，是地下煤炭開采過程中，由于巷道與采場(chǎng)周圍煤巖體內(nèi)積聚的變形能突然得到釋放而產(chǎn)生急劇、猛烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象[1]。隨著我國(guó)地下煤炭資源開采工藝、設(shè)備、專業(yè)人才隊(duì)伍等方面的穩(wěn)步提升，大中型礦井智能工作面、快速掘進(jìn)體系持續(xù)推進(jìn)發(fā)展，同時(shí)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)于煤炭需求量的有增無減，這都將促使煤炭資源的開發(fā)逐步朝著地下深部邁進(jìn)，深部地下環(huán)境與淺部相比呈現(xiàn)出“三高一擾動(dòng)”這一新的圍巖地質(zhì)特征[2]；隨著采掘深度的增加，礦井沖擊地壓發(fā)生概率、強(qiáng)度以及影響范圍將不斷增加[3]。而其中采場(chǎng)或巷道周圍煤體是否具有沖擊傾向性是該礦井能否發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)的前提[4]，煤體的沖擊傾向性是指煤體受到外界多物理場(chǎng)綜合作用下（主要為應(yīng)力場(chǎng)）儲(chǔ)存在其內(nèi)部的能量，達(dá)到某一條件時(shí)得以釋放而產(chǎn)生沖擊破壞的能力與固有屬性，煤體沖擊傾向性越大，沖擊地壓的破壞強(qiáng)度及影響范圍越大。GB/T 25217.2—2010 已初步給出了評(píng)價(jià)煤體沖擊傾向性大小的4 種沖擊傾向性指數(shù)，包含：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度、沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間；在此基礎(chǔ)上，諸多學(xué)者后續(xù)進(jìn)一步引入多種影響因素，又提出了十幾種煤體沖擊傾向性評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如：剩余彈性能指數(shù)、沖擊能速度指數(shù)、模量指數(shù)等。以上各沖擊傾向性指標(biāo)一般僅是通過常溫常壓條件下單軸壓縮試驗(yàn)確定的，然而在深部地質(zhì)環(huán)境中，同時(shí)受采動(dòng)影響條件下煤體將表現(xiàn)出新的力學(xué)特性。郝憲杰等[12]研究了圍壓條件下煤體剪切破壞特征；程春暉等[13]對(duì)煤體開展了不同三軸圍壓下的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)研究；王向宇等[14]通過實(shí)驗(yàn)探究了三軸循環(huán)加卸載條件下煤體損傷的能量演化規(guī)律；YANG 等[15]對(duì)煤體開展了不同圍壓條件下斷裂行為特性實(shí)驗(yàn)研究；而關(guān)于深部應(yīng)力環(huán)境循環(huán)加卸載作用下煤體沖擊傾向性研究相關(guān)報(bào)道較為少見。

為此，對(duì)不同圍壓條件下煤試件進(jìn)行了不同應(yīng)力下限循環(huán)加卸載試驗(yàn)，輔以聲發(fā)射系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)不同條件試驗(yàn)過程中煤試件損傷破壞特征，對(duì)不同條件作用下煤樣的沖擊傾向性進(jìn)行分析比較；旨在探明多次采動(dòng)條件下深部煤體沖擊傾向特性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 樣本制備

研究所用煤體樣本取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯南部地區(qū)布爾臺(tái)煤礦約420 m 埋深位置，在井下取得原始新鮮煤體樣本的同時(shí)，用保鮮膜將其緊緊包裹以減少外界環(huán)境的影響，并立即送往實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行加工處理以進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，將煤體樣本制成直徑 50 mm、高 100 mm 的圓柱體試件。所有樣品的長(zhǎng)度誤差均小于2 mm，拋光后兩端面的不平整度在±0.05 mm以內(nèi)；端面與軸線垂直，最大偏差≤0.25°。為盡可能減少樣品不均勻性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，所有樣品均取自同一巖塊，取心方向相同。該煤樣為不黏煤，經(jīng)過工業(yè)分析該煤樣成分如下：鏡質(zhì)組反射率0.87%，灰分8.89%，平均含水率0.83%，揮發(fā)分30.37%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用SAS-2000 型巖石靜態(tài)擾動(dòng)三軸壓力試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)由控制模塊、加卸載模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成，可對(duì)試樣施加最大軸向載荷2 000 kN，最大圍壓160 MPa。其壓力傳感器的精度為0.01 MPa，分辨率為0.001 MPa；加 載 速 率 可 調(diào) 控 為 0.000 1～1.000 0 mm/s 和0.005～1.000 kN/s；此外，壓力釜腔體內(nèi)試件軸向應(yīng)變裝置主要由2 個(gè)同心和平行等位盤帶有2 個(gè)測(cè)量桿，末端連接到線性可變差動(dòng)變壓器 (LVDT)傳感器，巖石的軸向變形相當(dāng)于2 對(duì)鋼筋的平均變形，變形值實(shí)時(shí)傳回計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算；徑向應(yīng)變裝置包括測(cè)量鏈和測(cè)量桿，測(cè)量鏈通過拉簧直接固定在巖石表面，測(cè)量原理與軸向應(yīng)變測(cè)量?jī)x相同；軸向和徑向測(cè)量裝置的精度為 0.001 mm，分辨率為 0.000 1 mm。軸向和徑向有效變形的測(cè)量范圍均在±6 mm 以內(nèi)。試驗(yàn)系統(tǒng)中同時(shí)配以PCI-2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)不同圍壓條件下煤試件損傷過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.3 試驗(yàn)步驟

研究試驗(yàn)分為2 種類型：第1 類為不同圍壓條件下常規(guī)煤體壓縮試驗(yàn)破壞，第2 類為以上多級(jí)圍壓條件下對(duì)煤體進(jìn)行變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟如下：①將圍壓分別設(shè)定為實(shí)驗(yàn)室常壓、3、6、9 MPa，采用位移控制模式，對(duì)以上多級(jí)圍壓條件下煤試件進(jìn)行加載速率為0.002 mm/s 的壓縮試驗(yàn)，每種條件下煤樣進(jìn)行2組試驗(yàn)，得到了近似靜載荷條件下的煤體多級(jí)圍壓下抗壓強(qiáng)度；②采用加載控制模式，對(duì)煤樣進(jìn)行多級(jí)圍壓條件下變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載試驗(yàn)，加載速率設(shè)定為0.08 kN/s，約0.04 MPa/s；③將初始圍壓環(huán)境同樣分別設(shè)定為常壓、3 、6、9 MPa，將4 種圍壓條件下第1 階段循環(huán)加卸載軸向壓力與圍壓差值，即偏應(yīng)力下限設(shè)置為1 MPa，應(yīng)力上下限每增加1 級(jí)均增加 4 MPa，每級(jí)進(jìn)行30 個(gè)循環(huán)，直至煤試件發(fā)生破壞，同時(shí)將PCI-2 聲發(fā)射系統(tǒng)前置放大器(聲發(fā)射探頭)布置于試件空間預(yù)定位置，以待對(duì)以上多級(jí)圍壓環(huán)境變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載試驗(yàn)過程中煤試件內(nèi)部損傷過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；④對(duì)每種條件下煤試件各進(jìn)行上述2 組循環(huán)加卸載試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

不同圍壓條件下煤試件常規(guī)壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 煤試件不同圍壓條件下壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Compression test results of coal specimens under different confining pressures

煤試樣在實(shí)驗(yàn)室常壓環(huán)境下平均抗壓強(qiáng)度為11.44 MPa、平均彈性模量1.02 GPa。當(dāng)圍壓分別提升至3、6、9 MPa，煤試件平均抗壓強(qiáng)度分別為16.52、21.85、26.74 MPa，較之常壓條件下煤體單軸抗壓強(qiáng)度分別提高了44.5%、91.0%、133.7%；平均彈性模量分別提升至1.51、2.06、2.42 GPa，較之常壓條件下煤體彈性模量分別提高了48.0%、101.9%、137.3%。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤樣變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載偏應(yīng)力-應(yīng)變特征

多級(jí)圍壓條件下煤試件偏應(yīng)力σD-軸向應(yīng)變?chǔ)?曲線如圖1。

圖1 多級(jí)圍壓條件下煤試件偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.1 Deviatoric stress - axial strain curves of coal specimens under multistage confining pressure

由圖1 可知：隨著圍壓不斷增加，煤試件抗壓強(qiáng)度顯著提高?？梢杂^察到在受到初期較應(yīng)力時(shí)，4 種σD-ε1曲線均呈現(xiàn)出了下凹形式，該過程中軸向應(yīng)變?cè)隽侩S著偏應(yīng)力的增加而減小，這是由于煤體中的微裂縫在軸向載荷作用下發(fā)生閉合[16-17]，對(duì)應(yīng)于煤試件的壓實(shí)階段；同時(shí)隨著圍壓的提高，該壓實(shí)階段范圍不斷縮小，表明煤體原生微裂縫在初始圍壓作用下發(fā)生了前期閉合。隨著對(duì)煤試件進(jìn)一步地施加軸向載荷，偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變呈線性變化，表明該階段煤試件發(fā)生彈性變形。軸向荷載上升到一定階段時(shí)，偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增加而減小，在此期間煤試件發(fā)生屈服后進(jìn)入塑性階段，很快達(dá)到峰值應(yīng)力，煤試件發(fā)生破壞。由于圍壓的作用影響，煤試件破壞后進(jìn)入峰后應(yīng)力軟化階段。煤試件試樣的偏應(yīng)力-側(cè)應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)與偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)一致。

多級(jí)圍壓條件下變應(yīng)力下限煤試件循環(huán)加卸載偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線如圖2。

圖2 多級(jí)圍壓條件下變應(yīng)力下煤試件限循環(huán)加卸載偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.2 The σD-ε1curves of coal specimens under multi-stage confining pressure variable stress lower limit cyclic loading and unloading

由圖2 可以看出：在三軸變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載條件下得到的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線的整體變化趨勢(shì)與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)得到的曲線在相同圍壓下的變化趨勢(shì)基本一致。在第1 階段循環(huán)加卸載(較低應(yīng)力水平)，由于偏應(yīng)力的反復(fù)增減，煤樣中的原生孔隙和裂縫逐漸壓實(shí)，因此4 種偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線在第1 階段循環(huán)加卸載中均呈下凹形，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，第1 階段滯回曲線的面積逐漸縮小。完成第1 階段循環(huán)加卸載后，隨著應(yīng)力水平下限的提高，多級(jí)圍壓下煤試件開始進(jìn)入彈性階段，在該階段中，偏應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)加卸載曲線的斜率逐漸相似，并且滯回曲線的面積隨著循環(huán)次數(shù)的增加變化不大，尤其對(duì)于9 MPa 圍壓環(huán)境下煤試件，其第2 階段循環(huán)加卸載曲線幾乎沒有產(chǎn)生明顯滯回現(xiàn)象；但對(duì)于常壓條件下煤樣C-0-3，相較其抗壓強(qiáng)度，第2 階段循加卸載應(yīng)力水平較高，導(dǎo)致煤體內(nèi)部產(chǎn)生新的損傷、原生微裂隙發(fā)生連通，表現(xiàn)為在該階段內(nèi)隨著循環(huán)次數(shù)的增加曲線滯回現(xiàn)象愈發(fā)明顯。以上各個(gè)圍壓條件下煤試件σD-ε1曲線近似彈性變化范圍所包含的循環(huán)加卸載級(jí)數(shù)不同，常壓、3、6、9 MPa 條件下煤試件彈性變化范圍內(nèi)所包含的循環(huán)加卸載階段數(shù)分別為1 級(jí)、2 級(jí)、2 級(jí)及3 級(jí)，由此說明隨著初始圍壓的提高，煤試件變得更加致密，彈性階段范圍不斷擴(kuò)大。以上不同圍壓條件試驗(yàn)過程中最后級(jí)別的循環(huán)加卸載階段，樣品中的應(yīng)變隨著偏應(yīng)力的增加而緩慢增加，并且滯回線的面積顯著增加。在這種情況下，樣品逐漸過渡到塑性階段，在此期間增量應(yīng)變顯著增加，不可逆變形持續(xù)發(fā)展；在常壓條件下，煤試件破壞前的最后一級(jí)循環(huán)加卸載階段只進(jìn)行了14 次完整循環(huán)，軸向應(yīng)變?cè)黾恿?.75%；在3 MPa 的圍壓下，煤試件C-3-3 破壞前的最后1 個(gè)應(yīng)力水平進(jìn)行了1 個(gè)完整的循環(huán)(30 次)，該級(jí)循環(huán)內(nèi)軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)了0.61%；6 MPa 圍壓環(huán)境中煤試件C-6-3 破壞前同樣完成了1 個(gè)完整的加卸載循環(huán)，該階段軸向應(yīng)變?cè)黾恿?.42%；9 MPa 圍壓條件下，煤試件C-9-3 破壞前完成最后1 個(gè)完整的加卸載循環(huán)后軸向應(yīng)變?cè)黾恿?.28%；以上結(jié)果表明隨著圍壓的增加，煤試件破壞前塑性階段循環(huán)加卸載后的增量應(yīng)變不斷下降。未施加圍壓條件的煤試件經(jīng)過變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載后抗壓強(qiáng)度較之原始試件降低了約5.6%，說明煤體經(jīng)過以上循環(huán)加卸載后發(fā)生了一定程度的損傷；而處于3、6、9 MPa 圍壓環(huán)境下經(jīng)過變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載作用后抗壓強(qiáng)度分別增加了約3.1%、4.7%、6.2%。

2.2 煤樣變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載體積應(yīng)變特性

在以上不同圍壓條件變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載過程中，通過軸向與徑向引伸計(jì)測(cè)量記錄試驗(yàn)全過程軸向應(yīng)變?chǔ)?與徑向應(yīng)變?chǔ)?，煤試件試驗(yàn)過程中體積應(yīng)變?chǔ)舦通過式（2）算得：

其中規(guī)定壓縮變形方向?yàn)檎?，向外變形方向?yàn)樨?fù)值；當(dāng)計(jì)算體積應(yīng)變?chǔ)舦為正值時(shí)，說明此刻煤試件整體體積處于壓縮減小狀態(tài)，當(dāng)計(jì)算體積應(yīng)變?chǔ)舦為負(fù)值時(shí)，說明此刻煤試件整體體積處于膨脹擴(kuò)大狀態(tài)。

多級(jí)圍壓條件下變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載煤試件偏應(yīng)力-體積應(yīng)變曲線如圖3。

圖3 多級(jí)圍壓條件下變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載煤試件偏應(yīng)力-體積應(yīng)變曲線Fig.3 Deviatoric stress-volumetric strain curves of coal specimens under multi-stage confining pressure variable stress lower limit cyclic loading and unloading

不同圍壓環(huán)境下煤試件處于較低的循環(huán)應(yīng)力水平時(shí)，滯回曲線很窄且彼此非常接近，該階段曲線的斜率為正，表示當(dāng)前煤試件處于體積壓縮階段。當(dāng)應(yīng)力水平逐漸增加時(shí)，每一次循環(huán)加卸載過程中滯回曲線逐漸變寬，曲線之間的寬度也不斷增加，該種現(xiàn)象在每種圍壓條件下最后1 級(jí)循環(huán)加卸載表現(xiàn)得尤為明顯；試驗(yàn)曲線斜率逐漸從正變?yōu)樨?fù)，表明煤試件體積應(yīng)變逐漸從壓縮轉(zhuǎn)化為膨脹，該過程曲線斜率變?yōu)? 的時(shí)刻定義為體積應(yīng)變第1 臨界點(diǎn)。該臨界點(diǎn)之前，軸向應(yīng)變占據(jù)主導(dǎo)地位，煤試件整體表現(xiàn)為被持續(xù)壓密，直至曲線斜率為0 時(shí)達(dá)到體積應(yīng)變最小值；在3、6、9 MPa 圍壓條件下，達(dá)到第1 臨界點(diǎn)時(shí)體積應(yīng)變分別為0.25%、0.31%與0.43%，所對(duì)應(yīng)偏應(yīng)力值分別為10.5、12.1、15.8 MPa，即隨著圍壓的增加，第1 臨界點(diǎn)時(shí)體積壓縮應(yīng)變值越大。當(dāng)達(dá)到體積應(yīng)變第1 臨界點(diǎn)后繼續(xù)增大軸向應(yīng)力，煤試件體積從最小值逐漸增大，該變化一般發(fā)生在煤試件所受最后1 級(jí)循環(huán)應(yīng)力階段，說明該過程煤試件內(nèi)部發(fā)生損傷累積進(jìn)入塑性變形階段，3、6、9 MPa 圍壓下此階段煤試件體積應(yīng)變分別增長(zhǎng)了0.32%、0.24%、0.17%，這表明所受圍壓越大，對(duì)煤試件徑向變形約束越強(qiáng)。當(dāng)軸向載荷被進(jìn)一步施加，體積應(yīng)變回歸至初始靜水壓力階段，即相較于最初施加圍壓作用的原始試件，該時(shí)刻的體積應(yīng)變絕對(duì)值為0，被定義為體積應(yīng)變第2 臨界點(diǎn)。以上不同圍壓條件下煤試件體積應(yīng)變第2 臨界點(diǎn)一般近似發(fā)生在應(yīng)力達(dá)到峰值載荷時(shí)，超過該臨界點(diǎn)持續(xù)施加應(yīng)力，煤試件發(fā)生失穩(wěn)，體積超過初始時(shí)刻試件體積，煤試件體積應(yīng)變進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，這是由于偏應(yīng)力作用下煤試件發(fā)生剪脹破壞作用[18-19]。

2.3 變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載煤試件聲發(fā)射特性

為了探明不同圍壓條件下煤試件變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載試驗(yàn)過程中煤樣內(nèi)部的損傷斷裂演化規(guī)律特征，對(duì)上述不同圍壓條件下煤試件在試驗(yàn)過程中同時(shí)進(jìn)行了實(shí)時(shí)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，通過5 個(gè)R3a聲發(fā)射傳感器(前置放大器)監(jiān)測(cè)多級(jí)圍壓變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載煤試件聲發(fā)射事件發(fā)生規(guī)律。在常壓、3、6、9 MPa 條件下變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載煤試件聲發(fā)射累積能量變化以及試驗(yàn)各階段聲發(fā)射事件數(shù)如圖4。

在常壓條件較低循環(huán)應(yīng)力作用下，煤試件內(nèi)部出現(xiàn)少量聲發(fā)射事件，表明初期壓密階段煤試件內(nèi)部會(huì)發(fā)生一定程度的損傷；隨著應(yīng)力水平的提高，煤試件內(nèi)聲發(fā)射事件逐步增加，在最后1級(jí)循環(huán)加卸載階段聲發(fā)射事件顯著增加，接近峰值載荷時(shí)，聲發(fā)射事件增加速度達(dá)到峰值，該階段煤試件發(fā)生宏觀破斷進(jìn)入峰后殘余應(yīng)變階段。隨著圍壓的增加，在較低應(yīng)力循環(huán)加卸載階段，聲發(fā)射事件數(shù)逐漸減小，說明煤試件在逐步增加的圍壓作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被逐步壓縮，彈性變形階段逐漸擴(kuò)大；當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平增加時(shí)，聲發(fā)射事件數(shù)逐漸增加，以上3 種圍壓條件下均進(jìn)入最后1 級(jí)循環(huán)加卸載階段時(shí)，煤試件發(fā)生不可逆的應(yīng)力損傷斷裂，聲發(fā)射事件數(shù)顯著增長(zhǎng)，但圍壓越高聲發(fā)射事件增長(zhǎng)速率越小。常壓條件下煤試件聲發(fā)射事件累積總數(shù)為23.25×104，3、6、9 MPa圍壓條件下煤試件聲發(fā)射事件累積總數(shù)分別為19.78×104、12.32×104、8.16×104，相較于無圍壓作用煤試件，變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載作用下聲發(fā)射累積事件分別降低了14.9%、47.0%、64.9%，說明較大的圍壓環(huán)境將對(duì)偏應(yīng)力作用下煤體內(nèi)新的微小裂紋面形成具有約束作用，使得煤體內(nèi)微小的損傷斷裂事件減少。隨著圍壓由常壓增加至9 MPa，聲發(fā)射累積能量由256×10-13J 降低至138×10-13J，同時(shí)峰后聲發(fā)射累積事件數(shù)由6.18×104降低至1.52×104，這說明在較高圍壓作用下，煤體由脆性破壞形式為主逐漸朝著韌性破壞形式轉(zhuǎn)變。

3 討 論

3.1 變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載煤體儲(chǔ)能規(guī)律

循環(huán)加卸載過程中煤試件典型軸向應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5。

圖5 煤樣循環(huán)加卸載過程各應(yīng)變能示意圖Fig.5 Schematic diagram of strain energy during cyclic loading and unloading of coal samples

圖5 中：εjn為第n次循環(huán)中開始加載時(shí)的應(yīng)變值；εxn為第n次完全卸載后的應(yīng)變值；εjf為第n次循環(huán)加載載荷達(dá)到峰值時(shí)刻的應(yīng)變值；εc為最終加載達(dá)到峰值載荷時(shí)的應(yīng)變值；εp為最終破壞時(shí)刻的應(yīng)變值；σc為最終加載峰值載荷。每一次煤試件的循環(huán)加卸載循環(huán)結(jié)束與循環(huán)開始時(shí)的應(yīng)變差稱為不可逆應(yīng)變，即如圖5 中所示，第n次循加卸載不可逆應(yīng)變?yōu)棣舩n-εjn，這是由于在外界應(yīng)力作用下，煤體內(nèi)發(fā)生微裂紋啟裂、原生微裂紋擴(kuò)展、塑性變形及微孔隙壓縮等一系列不可逆損傷[20]，使得卸載后宏觀應(yīng)變不能恢復(fù)到本循環(huán)加載初始水平。在較低水平循環(huán)應(yīng)力作用下，產(chǎn)生不可逆應(yīng)變量很小；隨著應(yīng)力水平提高及循環(huán)次數(shù)的增加，不可逆應(yīng)變量逐漸變大，此現(xiàn)象在每種圍壓條件下最后1 級(jí)應(yīng)力循環(huán)加卸載階段最為明顯；但隨著圍壓的增加，各級(jí)循環(huán)加卸載不可逆應(yīng)變逐漸變小，表明圍壓作用在一定程度上將約束煤體循環(huán)加卸載不可逆應(yīng)變發(fā)展。

同時(shí)，圖5 描述了煤試件循環(huán)加卸載過程中各應(yīng)變能理論計(jì)算圖解，假定該試驗(yàn)過程不考慮與外界產(chǎn)生的熱交換；以第n次循環(huán)加卸載為例，該次循環(huán)加載過程中輸入能Uinn為加載階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線下所包含的面積值，第n次循環(huán)加卸載彈性應(yīng)變能Uen為卸載階段曲線下包絡(luò)的面積值，該次循環(huán)耗散應(yīng)變能Udn為輸入能與彈性應(yīng)變能的差值。具體計(jì)算公式如下：

不同圍壓條件煤試件經(jīng)過多級(jí)變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載，每級(jí)循環(huán)加卸載最后1 次循環(huán)各類應(yīng)變能計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同圍壓作用后煤試件變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Cyclic loading and unloading test results of coal specimens under different confining pressures

根據(jù)以上結(jié)果可知，隨著圍壓的增加，煤試件各級(jí)循環(huán)加卸載時(shí)的輸入能及彈性應(yīng)變能均上升，這是由于圍壓作用使得煤體整體力學(xué)強(qiáng)度不斷升高，隨著外界荷載的增加，破壞前煤體中集聚的能量不斷提升。

由試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于同一級(jí)循環(huán)加卸載階段，隨著圍壓的增加，煤試件耗散應(yīng)變能Udn逐漸減小，表明圍壓作用能夠有效地約束煤體中不可逆應(yīng)變的增加。

圖6 多級(jí)圍壓條件煤試樣輸入能與彈性應(yīng)變能關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between inputenergy and elastic strain energy of coal samples under the different confining pressures

由試驗(yàn)結(jié)果可知：常壓、3 MPa 圍壓、6 MPa圍壓與9 MPa 圍壓條件下同種煤樣循環(huán)加卸載過程中輸入能與彈性應(yīng)變能均存在一種線性關(guān)系，這與GONG 等[21]研究得出的結(jié)論相符合。

3.2 循環(huán)加卸載對(duì)煤體沖擊傾向性的影響

為了研究不同圍壓條件下變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載對(duì)煤體沖擊傾向性的影響，經(jīng)過前人綜合比較了10 余種判定煤體沖擊傾向性指數(shù)，認(rèn)為其中剩余彈性能指數(shù)CEF對(duì)于多種煤體的沖擊傾向性預(yù)測(cè)最為準(zhǔn)確[22]。故研究采用剩余彈性能指數(shù)CEF對(duì)不同圍壓條件下變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載后的煤試件沖擊傾向性進(jìn)行分析，根據(jù)剩余彈性能指數(shù)CEF具體定義[22]：當(dāng)CEF<15 kJ/m3時(shí)，代表煤樣無沖擊傾向性；當(dāng)CEF>30 kJ/m3時(shí)，代表煤樣具有強(qiáng)沖擊傾向性；當(dāng)15 kJ/m3

經(jīng)過計(jì)算，常壓條件下煤試件平均剩余彈性能指數(shù)值為15.26 kJ/m3，說明該種煤樣在常壓條件變應(yīng)力下限作用下具有弱沖擊傾向性。

剩余彈性能指數(shù)CEF與圍壓關(guān)系曲線如圖7。

圖7 剩余彈性能指數(shù)CEF 與圍壓關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between residual elastic energy index and confining pressure

經(jīng)過3、6、9 MPa 圍壓條件變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載后的煤試件，較之常壓條件下煤試件剩余彈性能指數(shù)CEF分別提高了21.76%、42.92%、71.69%。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明圍壓對(duì)煤體沖擊傾向性具有增強(qiáng)作用，且隨著圍壓的升高，對(duì)于煤體沖擊傾向性的強(qiáng)化作用不斷提升。此外，經(jīng)過多級(jí)圍壓作用后剩余彈性能指數(shù)CEF與圍壓σ2具有線性函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：CEF=1.214σ2+14.97，即隨著圍壓的增長(zhǎng)，煤體的沖擊強(qiáng)度呈線性增加。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）常壓條件下煤試件經(jīng)過不同應(yīng)力下限循環(huán)加卸載后抗壓強(qiáng)度降低了5.6%；處于3、6、9 MPa 圍壓環(huán)境下經(jīng)變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載作用后煤試件抗壓強(qiáng)度分別增加了約3.1%、4.7%、6.2%，同時(shí)以上圍壓條件下煤試件最后1 級(jí)循環(huán)加卸載階段進(jìn)入煤體塑性變形過程，該過程中軸向應(yīng)變分別增加了0.61%、0.42%、0.28%，體積應(yīng)變分別增長(zhǎng)了0.32%、0.24%、0.17%，這表明煤體受到的圍壓越大，對(duì)煤體變形約束越強(qiáng)，使得煤體整體力學(xué)性能得到提高。

2）當(dāng)所受圍壓由常壓增加至9 MPa，煤試件變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射事件累積數(shù)量由20.8×104降低至8.6×104，峰后聲發(fā)射累積數(shù)量由7.5×104降低至3.2×104，累積能量由256×10-13J 降低至158×10-13J，表明隨著圍壓的升高，煤試件變得更加致密，破壞形式逐漸由脆性破壞過渡到韌性破壞。

3）隨著圍壓的增加，煤試件各級(jí)循環(huán)加卸載不可逆應(yīng)變逐漸變小，同時(shí)輸入能與彈性應(yīng)變能不斷升高；在多級(jí)圍壓條件下該種煤樣循環(huán)加卸載過程中彈性應(yīng)變能與輸入能均存在線性關(guān)系，即：4) 經(jīng)過3、6、9 MPa 圍壓條件變應(yīng)力下限循環(huán)加卸載后的煤試件，較之常壓條件下煤試件剩余彈性能指數(shù)CEF分別提高了21.76%、42.92%、71.69%，說明圍壓對(duì)煤體沖擊傾向性具有增強(qiáng)作用，且隨著圍壓的升高，對(duì)于煤體沖擊傾向性的強(qiáng)化作用不斷提升。此外，經(jīng)過多級(jí)圍壓作用后剩余彈性能指數(shù)CEF與圍壓σ3具有線性函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：CEF=1.214σ3+14.97。