单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

梁　鹏，张艳博，田宝柱，刘祥鑫

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009; 2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009)



单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

梁鹏1，2，张艳博1，2，田宝柱1，2，刘祥鑫1，2

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009; 2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009)

［摘要］通过对煤岩进行单轴压缩实验，借助声发射和数字图像处理技术，对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征，其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展，峰值应力前，内部损伤累积到一定程度，岩石内部裂纹萌生，并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致，裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系，在煤岩处于相对稳定状态时，主要产生以剪切破坏为主的裂纹，在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时，主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律，对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。

［关键词］单轴压缩;煤岩;裂纹;扩展演化

［引用格式］梁鹏，张艳博，田宝柱，等.单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 8－12.

应力集中诱发的裂纹萌生和扩展是岩石破裂灾变的根本原因，裂纹的扩展和聚集最终会导致岩石工程的失稳。要弄清岩石破坏性质转化的内在规律以及破裂失稳的本质特征，就必须从岩石在不同应力水平下微裂纹的开裂、扩展全过程入手，系统完整地探讨岩石整个破裂过程的裂纹演化规律［1］。因此，开展岩石受载条件下裂纹扩展规律的实验研究及探索，对岩石裂纹模型与本构关系的建立和岩石变形断裂机制与岩石工程稳定性评价都具有重要意义。

学者们对岩石破裂过程中裂纹的开裂、扩展演化规律进行了研究，取得了丰富的成果。许江等［2－3］利用自主研发的煤岩剪切细观开裂演化过程试验装置，对砂岩在压剪应力条件下的变形特性、细观开裂扩展过程和细观开裂扩展空间分布等进行系统研究;赵兴东等［4－5］基于声发射技术，从微裂纹的时空演化规律、b值分形特征和相关长度等方面，研究岩石的变形破坏过程;任建喜等［6－7］基于CT扫描试验分析了花岗岩和砂岩等在卸载和三轴压缩条件下损伤、裂纹的萌生、发展和宏观裂纹的形成特征等;刘冬梅等［8］利用实时全息干涉法研究了岩石单轴压缩条件下裂纹扩展与变形破坏过程，获得了与岩石裂纹动态演化过程有关的若干力学参量;朱珍德［9］应用数字图像分析法研究了红砂岩细观损伤破坏特性。上述研究为揭示荷载作用下岩石的裂纹扩展规律提供了新的认识和方法。然而，岩石是一种非常复杂的非均匀材料，在荷载作用下岩石的裂纹扩展规律极其复杂。声发射信息能够揭示岩石内部裂纹扩展贯通直至发生宏观破坏的过程，数字图像观测能够记录岩石外部宏观裂纹的扩展过程。因此，通过2种手段综合研究岩石的变形破坏过程，获得岩石内部微裂纹活动信息和外部宏观裂纹的扩展过程，以及二者之间的关联性，对于深入研究岩石的变形破坏机制具有重要理论意义。

基于此，本文通过对煤岩进行单轴压缩条件下声发射实验，利用CCD相机观测煤岩变形破坏过程。借助声发射和数字图像处理技术，对煤岩的变形及声发射特性、宏观开裂扩展特征和裂纹的开裂方式等进行系统研究，探讨单轴压缩载荷作用下煤岩的变形破坏过程。

1　试样制备及实验方法

实验所用煤岩取自开滦集团赵各庄矿。将煤岩块制成50mm×50mm×100mm (长×宽×高)的标准长方体岩样，岩样两端面不平整度误差小于0.05mm，沿岩样高度两对边长度误差小于0.3mm。本文单轴压缩实验采用轴向等位移控制方式加载，其轴向力由型号为TAW－3000伺服岩石力学试验系统提供。为保证试件与加载面完全接触，避免接触时所产生的接触噪声影响声发射监测结果，先预加载至1.5kN，随后以0.2mm/min的速率加载至破坏。实验过程中采用美国物理声学公司PAC生产的PCI－2型多通道声发射监测系统实时同步监测试样的破裂过程，使用CCD高分辨率数码摄像机对试件整个观测面的开裂、扩展过程进行摄像。为保证各系统的数据在时间上严格对应，实验开始前，对各实验数据采集系统进行计时同步。实验观测系统如图1所示。

2　实验结果及分析

2.1煤岩变形和声发射特性

由于加载过程为等位移速率控制，所以载荷－位移曲线与载荷－时间曲线的形式一致。外载荷作用下岩石变形破坏过程中的声发射特征能较好地反映岩石内部性态变化，通过对声发射参数的研究，可以反演岩石内部的开裂扩展演化乃至失稳破裂过程。图2为不同煤岩试件载荷、AE事件率、AE能率随时间变化曲线。

图1　实验现场

从图2中载荷－时间曲线可知，煤岩受载后变形破坏过程经历4个阶段:微裂隙压密阶段(Ⅰ)，变形曲线向下弯曲，形成早期的非线性变形;弹性变形阶段(Ⅱ)，变形曲线呈现线性特征;塑性变形阶段(Ⅲ)，变形曲线向上弯曲，表明煤岩内部出现大量的微裂隙;峰后破坏阶段(Ⅳ)，岩石试件通过峰值应力后，裂隙快速发展形成宏观断裂面，其承载能力快速下降。从图2中AE事件率、AE能率－时间曲线可看出，煤岩变形破坏过程声发射特性存在阶段性特征。压密阶段(Ⅰ) :由于微裂纹的压密闭合，煤岩内部产生少量能率较小的声发射事件;弹性阶段(Ⅱ) :事件率和能率均维持在一定水平，这是由于该阶段内煤岩主要以弹性变形为主，基本无塑性损伤;塑性变形阶段(Ⅲ) : AE事件率和AE能率均有多个极值点出现，表明煤岩内部的裂纹迅速地发展、汇集和贯通;峰后破坏阶段(Ⅳ) :经过峰值应力伴随着宏观贯通裂纹的产生，AE事件率和AE能率出现高值点。总结煤岩变形和声发射特性可以发现:煤岩破裂过程中的力学和声发射具有阶段性的特征，且两者的阶段性变化有良好的同步性，声发射特征能较好地描述煤岩变形破坏过程。

2.2裂纹开裂扩展过程

通过对所有岩样的裂纹开裂扩展过程进行分析发现，各试样裂纹开裂扩展过程具有一定的相似性。本文以煤岩－3试样的试验结果为例，分析煤岩在不同应力水平下的表面裂纹特征及声发射特性，以探讨煤岩在单轴压缩条件下破坏过程中表面裂纹开裂扩展演化特性。图3给出了煤岩－3试样应力、AE事件率、AE能率随时间变化曲线。

根据煤岩破裂过程中的和声发射阶段性变化具有良好同步性的特点，结合两者随时间的变化特征，确定试件表面裂纹开裂扩展过程中初始、开裂、扩展宏观断裂破坏等关键点时刻信息，从拍摄的高清视频中截取关键点的表面裂纹形态图，分析裂纹扩展过程与应力及声发射变化的关系。本文借助会声会影软件来提取视频的静态图像［2］，该软件以帧为单位对每秒拍摄的视频进行分割，提高分析的精度;同时利用Photoshop软件对提取的静态图像进行裁剪、亮度调整等处理，以清楚地观察表面裂纹随时间的发展趋势。

图2　试件载荷、AE事件率、AE能率变化曲线

图3　试件煤岩－3应力、AE事件率、AE能率－时间曲线

图4为煤岩－3关键点A，B，C，D，E，F，G，H，I，J和K对应的试件表面形态图，分析可知裂纹扩展演化存在阶段性特征。

由图4可知:

(1)相对稳定阶段图4 (a)和图4 (b)分别为试件处于压密阶段(A点)和弹性阶段(B 点)的表面形态图。可以看出，煤岩试件在压密阶段和弹性阶段，有一些小能量的声发射事件产生，但试样表面形态基本无变化。

(2)裂纹扩展阶段图4 (c)为试件进入塑性阶段(C点)第一个AE事件率极值点(0.78σc)对应的表面形态图。可以看出，由于应力水平的提高，AE事件率增加，有一些较高能量的声发射事件出现，但试样表面形态变化不大，说明煤岩内部有一定程度的损伤，裂纹尚处在孕育阶段，还不足以导致宏观裂纹的出现。图4 (d)为试件在0.84σc应力水平下的表面形态图(D点)。从图中可以看出，在试件表面中部偏右位置出现了一条与加载方向近似平行的曲折裂纹，同时AE事件率和能率均出现较大极值点，说明煤岩内部产生的裂纹已扩展至表面，出现细小裂纹使试件的承载能力减弱，应力曲线上出现短暂的应力降。从图4 (e)可以看出，随着应力水平的增加(E点)，表面裂纹从中部向两端缓慢扩展，在此阶段声发射活动较剧烈，AE事件率和能率出现多个峰值。在E点出应力有短暂的降低，这是由于裂纹的扩展使试件出现局部滑移或微小破坏。图4 (f)和图4 (g)表明在峰值应力前(F点～G点)阶段，试件初始扩展裂纹的右上角出现一个“倒八字型”新裂纹，随着应力水平的提高“倒八字型”裂纹逐渐向下扩展。在此阶段AE事件率值较低，这是由于在岩石失稳破坏前，小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹，致使单位时间内的声发射数量下降［10］，出现声发射事件率平静现象。

图4　不同应力水平下试件煤岩－3的开裂扩展过程

(3)峰值应力后的破坏阶段图4 (h)和图4 (i)显示初始扩展裂纹在峰后阶段继续向两端延伸扩展，但向下延伸出现转折，其方向与荷载的方向大约为45°。“倒八字型”裂纹逐渐发展成“V字型”裂纹，并向下发展与之前形成的初始扩展裂纹交汇，最终形成一条“L型”贯通裂纹，试样出现第一次宏观破坏，应力出现大幅度降低，AE事件率和能率均呈现较大程度增加，但试件还具有一定的承载能力。图4 (j)和图4 (k)显示峰后J点到K点，试件中下部出现一条竖向新生裂纹，在极短的时间里快速发育并扩展，形成一条新的“L型”贯通裂纹，这是由于承载力的存在，煤岩试样产生二次破坏。

图5给出了其他煤岩试件(煤岩－1、煤岩－2、煤岩－4)单轴压缩条件下最终宏观断裂破坏后的照片。综合分析可以看出，煤岩试件最终破坏时表面出现多条宏观裂纹，其在变形破坏过程中开裂扩展趋势基本一致，裂纹形状相似。同时还可以发现，主破裂裂纹的方向几乎都与轴向压应力作用方向平行或呈小角度相交，但由于各试件微细观结构的差异，使观测面的破坏程度、主裂纹形状和裂纹形态的复杂程度有所差异。

图5　煤岩试件宏观断裂破坏形态

2.3声发射RA值变化及破坏机制

根据声发射参数可判断声发射源产生机制［11］，声发射RA值(上升时间与幅度的比值，单位为ms/V)常用来判定裂纹的开裂方式。文献［12］指出当采用声发射参数来分析岩石的裂纹开裂方式时往往考虑两种方式，分别为张开裂纹和剪切裂纹。T.Shiotani等［13］研究发现低RA值对应剪切裂纹，高RA值对应张开裂纹。

图6为煤岩破裂全过程载荷、声发射RA值和时间关系曲线。在加载前期，声发射RA值较低，说明在压密阶段和弹性阶段应力对微裂纹产生细微的扰动，发生剪性破坏。在塑性阶段，特别在有明显载荷降产生破坏的地方，声发射RA值瞬时突增，表明当煤岩出现小尺度宏观破坏时，产生以张拉破坏为主的张裂纹。总结上述RA值变化特征发现:煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系，在煤岩处于相对稳定状态时，主要产生以剪切破坏为主的裂纹，这直接导致煤岩力学强度较低，在外力作用下产生剪破裂。在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时，主要产生以张拉破坏为主的裂纹，这直接导致煤岩的宏观破坏。

图6　煤岩试样破裂全过程载荷、声发射RA值和时间变化曲线

3　结论

(1)煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征，其特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性。

(2)煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展，峰值应力前，内部损伤累积到一定程度，煤岩出现表面裂纹，峰值应力后，表面裂纹快速扩展出现贯通裂纹，导致煤岩破坏。

(3)煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致，裂纹形状相似。由于煤岩微细观结构的差异，其破坏程度、裂纹形状和裂纹形态的复杂程度有所差异。

(4)煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系。在煤岩处于相对稳定状态时，主要产生以剪切破坏为主的裂纹;在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时，主要产生以张拉破坏为主的裂纹。

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［责任编辑:李宏艳］

Experiment of Coal and Rock fissure Cracking and Developing Characteristic under Uniaxial Compression Condition

LIANG Peng1，2，ZHANG Yan-bo1，2，TIAN Bao-zhu1，2，LIU Xiang-xin1，2

(1.Mining Engineering School，Hebei Union University，Tangshan 063009，China;
2.Hebei Provincial Key Laboratory of Mining Development and Safety Technology，Tangshan 063009，China)

Abstract:Coal and rock fissure cracking and developing characteristic under uniaxial compression condition was researched by acoustic emission and data imagine processing technology.Results showed that fissure development took on stage characteristic during coal and rock failure and good synchronism between fissure evolvement and stage variation of load and acoustic emission.Fissure developed from inside to outside.Before stress summit，inner damage accumulated to some degree and fissures occurred in rock and gradually evolved to rock surface.Cracking and developing tendency of macrocracks which formed at final failure time were basically consistent and crack shapes were similar.There was relationship between micro failure and macro breakage.When coal and rock was in relatively stable state，shear-fissure predominately occurred.When in small-scale failure and macro failure phrase，tension-fissure predominately formed.Experiment result revealed coal and rock deformation and failure rule，which had some theoretical value for coal and rock failure mechanism.

Keywords:uniaxial compression; coal and rock; fissure; development evolvement

［作者简介］梁鹏(1987－)，男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事采矿工程与岩土工程方面的研究工作。

［基金项目］国家自然科学基金资助项目(51174071，51374088) ;河北省自然科学基金项目(E2012209047)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.003

［收稿日期］2014－08－28

［中图分类号］TD315

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0008-05