循环载荷下煤裂隙演化试验研究*

郭军杰,程晓阳

(1.河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191；2.河南理工大学 深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室，河南 焦作 454000；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；4.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0　引言

由于煤体在工程活动中常受到循环载荷作用，会产生裂隙演化导致失稳，造成大量安全事故。因此,研究循环载荷下煤体的裂隙演化具有重要意义。

在循环载荷下的煤岩体力学特性方面，部分学者研究了页岩[1]、盐岩[2]、冻结黄土[3]和型煤[4]等材料的力学特性，刘杰等[5-6]对变形参量进行分析。在声发射参数特征方面,AMMAR等[7]、SHAHIDAN等[8]分析钢筋混凝土梁裂纹扩展过程;刘亚运等[9]研究花岗岩的能量演化过程;王明旭等[10-12]研究岩石的损伤特性的影响因素;苏承东等[13-17]从不同角度对声发射参数特征进行研究;李东印等[18]研究了大尺寸煤样声发射参数特征。上述研究的对象没有涉及原煤，且试验方法单一，未能结合2种试验对煤体裂隙演化进行综合分析。

鉴于此，笔者拟通过分析循环载荷下煤样力学和声发射参数变化特征，研究应力水平和频率对煤体裂隙演化阶段及破坏模式的影响，为冒顶片帮、煤与瓦斯突出、底板突水等矿井灾害防治提供理论依据。

1　试验方法

1.1　煤样制作与筛选

试验煤样选用来自山西晋煤集团寺河矿的3#无烟煤。沿原煤块垂直层理方向取样，加工成标准煤样(Φ50 mm×100 mm)，部分煤样如图1所示。

图1　部分煤样Fig.1　Part of coal samples

为降低试验误差，选择密度为1.33～1.45 g/cm3，波速范围在1 659.43～1 847.56 m/s的6个煤样。把煤样平均分成2组：应力水平组煤样编号为S1-1，S1-2，S1-3；加载频率组煤样编号为S2-1，S2-2，S2-3。

1.2　试验设备及内容

试验系统由RMT-150B型岩石力学试验机和DS5-8B型全信息声发射信号分析仪集成，可同步获得力学和声发射试验数据。具体试验条件如下：

1)应力水平组煤样：恒定循环频率0.05 Hz，围压2 MPa，下限应力均为20 MPa，煤样S1-1，S1-2，S1-3的上限应力分别选择50，45，40 MPa。

2)加载频率组煤样：恒定应力水平为20～45 MPa，围压2 MPa，煤样S2-1，S2-2，S2-3的加载频率分别为0.1，0.05，0.02 Hz。

2　试验结果及分析

2.1　循环载荷下煤样变形特征

2组煤样变形规律都具有一定相似性，如图2和图3所示。从第2次循环开始，滞回环个数随循环次数增

图2　S1煤样应力-变形曲线Fig.2　Stress-strain curves of coal samples

图3　S2煤样应力-变形曲线Fig.3　Stress-strain curves of coal samples

加而增加，整体呈现疏-密-疏的变化规律，具有明显的初期减速、中间匀速和后期加速的3阶段特征，该特征与岩石类材料的循环疲劳破坏过程相似。2组试验结果差异性为：煤样S1-3，S1-2，S1-1分别循环了247，86，14次，可见煤样循环次数随上限应力水平的提高而逐渐减少，试验结果如图2所示；加载频率对煤样疲劳寿命影响较小，煤样S2-1，S2-2，S2-3分别循环了85，86，82次，试验结果如图3所示。

2.2　循环载荷下煤样声发射特征

2.2.1峰值振铃数特征

在试验过程中，2组煤样的峰值振铃数变化趋势呈U型，随时间的增长出现了降低、稳定和升高的规律，见图4和图5。在应力水平对裂隙影响方面，应力水平越高，每次循环对煤样损伤程度越大，相应的声发射活动越剧烈，各阶段的振铃计数也随之升高，应力水平组煤样试验结果如图4所示；加载频率越高，循环时间越短，单位时间内产生的振铃数越多，加载频率组煤样试验结果，如图5所示。

图4　S1煤样振铃数变化趋势Fig.4　Ringing count variation tendency of coal samples

图5　S2煤样振铃数变化趋势Fig.5　Ringing count variation tendency of coal samples

2.2.2累积能量与撞击次数特征

煤样的累计能量和撞击计数变化曲线整体表现为“阶梯状”上升趋势，呈倒S型，见图6和图7。

2.3　变形与声发射特征对比

分别提取煤样试验数据中上限应力点处的应变值及峰值振铃计数，如图8和图9所示。2组煤样上限应力处的应变发展趋势均呈倒S型，这与声发射参数累积能量和撞击次数曲线趋势一致；峰值振铃数的变化趋势呈U型。从疲劳破坏全过程看，应变发展过程与峰值振铃数变化趋势具有良好的对应关系，在应变增加速率的降低阶段，峰值振铃数随循环次数增加逐渐减小；稳定阶段，峰值振铃数基本稳定；升高阶段，峰值振铃数随循环次数急剧上升。

2.4　裂隙演化及破坏

2.4.1裂隙演化

图2～5共同反映出煤样裂隙发展具有明显的3个阶段：初始阶段、中间阶段、破坏前阶段。图6～9中的曲线反映：在初始阶段，每单次循环应变增量减小，声发射活动也逐渐减少，说明煤样裂隙处于逐渐闭合的趋势，符合原生裂隙演化的特征；中间阶段，每单次循环应变增量为常数，声发射活动稳定，表明煤样裂隙变化处于平静期，新生微裂纹的萌生和扩展占主导作用；破坏前阶段，单次循环应变增量和声发射活动急剧增多，反映裂纹在不断地扩展并相互贯通。因此，可将该3个阶段划分为：原生裂隙闭合阶段、新生微裂纹稳定发展阶段、裂纹贯通破坏阶段。它们的差异性在于：随应力水平增大，对裂隙的演化有明显影响，而循环频率对裂隙演化的影响不明显。

图6　S1累积能量和撞击次数变化趋势Fig.6　Variation curve of AE cumulate energy and impact count of coal samples

图7　S2累积能量和撞击次数变化趋势Fig.7　Variation curve of AE cumulate energy and impact count of coal samples

图8　S1煤样应变、峰值振铃数与循环次数的关系Fig.8　Relationship curves between strain, ringing count and cycle number

图9　S2煤样应变、峰值振铃数与循环次数的关系Fig.9　Relationship curves between strain, ringing count and cycle number

2.4.2破坏模式

对于应力水平组煤样，应力水平越高，每单次循环的煤样损伤越大，声发射活动也明显增强，在破坏前的几个循环应变值较大，且破坏后出现了多个残余峰值点，破坏形式为韧性破坏，如图2(a)所示。当应力水平较低时，每单次循环对煤样的损伤较小，大裂纹扩展速度相对缓慢，小裂纹发育不明显，声发射活动较少，煤样破坏前的几个循环应变值较小，破坏后未出现残余峰值，破坏形式为脆性破坏，如图2(c)所示。可见，应力水平不仅对裂纹发育过程有重要影响，对破坏模式也有影响。

对于加载频率组煤样，加载频率越大，每单次循环的时间越短，小裂纹还未充分萌生和扩展，就进入下一个循环，小裂纹的声发射活动较少，监测到的声发射事件主要来自于大裂纹的扩展和贯通，且破坏前的几个循环应变值也较小，因此，煤样破坏形式为脆性破坏，如图3(a)所示；加载频率越小，每单次循环时间越长，小裂纹得到较为充分的发育，使单次循环能产生更多不可恢复的塑性变形，其在声发射参量上的表现为单位时间内声发射活动增多，即声发射率增加，该特点在裂纹贯通破坏阶段的表现比煤样裂隙演化的前2个阶段相比更为明显，破坏前的几个循环应变值也较大，煤样破坏形式为韧性破坏，如图3(c)所示。

3　结论

1)循环载荷下，煤体应力-应变滞回曲线呈疏- 密-疏的变化规律，声发射峰值振铃数柱状图呈U型特征，每次循环上限应力处的应变、累计能量和撞击计数曲线都呈上升趋势，呈倒S型。

2)在破坏前，煤体裂隙演化经历了3个阶段：原生裂隙闭合阶段、新生微裂纹稳定发展阶段、裂纹贯通破坏阶段。

3)应力水平对煤体疲劳寿命影响较明显，随应力水平提高，循环次数不断减少，而加载频率对煤体的疲劳寿命无明显影响。

4)在高应力低频率条件下，煤体呈韧性破坏，在低应力高频率条件下，煤体呈脆性破坏。

[1]魏元龙，杨春和，郭印同，等．三轴循环载荷下页岩变形及破坏特征试验研究[J]．岩土工程学报，2015，37(12)：2262-2271．

WEI Yuanlong, YANG Chunhe, GUO Yintong, et al. Experimental research on deformation and fracture characteristics of shale under cyclic loading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(12):2262-2271.

[2]马林建，刘新宇，许宏发，等．循环载荷作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2013，32(4),849-856．

MA Linjian, LIU Xinyu, XU Hongfa, et al. Deformation and strength properties of rock salt subjected to triaxial compression with cyclic loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(4):849-856.

[3]徐湘田，赖远明，周志伟，等．循环与单调加载作用下冻结黄土的变形与损伤特性[J]．冰川冻土，2014，36(5)：1184-1191．

XU Xiangtian, LAI Yuanming, ZHOU Zhiwei, et al. Laboratory investigation on the deformation and damage characteristics of frozen loess under triaxial cyclic and monotonic loading conditions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014,36(5):1184-1191.

[4]周婷．循环载荷作用下含瓦斯煤变形与渗流特性的试验研究[D]．重庆：重庆大学，2012．

[5]刘杰，李建林，张玉灯，等．循环载荷下岩体能量特征及变形参量分析[J]．岩石力学与工程学报，2010，29(2)：3505-3513．

LIU Jie, LI Jianlin, ZHANG Yudeng, et al. Analysis of energy characteristics and deformation parameters of rock mass under cyclic loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(2):3505-3513.

[6]李波波．不同开采条件下煤岩损伤演化与煤层瓦斯渗透机制研究[D]．重庆：重庆大学，2014.

[7]AMMAR I B, KARRA C, MAHI A E I, et al. Mechanical behavior and acoustic emission technique for detecting damage in sandwich structures[J]. Applied Acoustic, 2014, 86:106-117.

[8]SHAHIDAN S, PULIN R, BUNNORI N M, et al. Damage classification in reinforced concrete beam by acoustic emission signal analysis[J]. Construction and Building Materials, 2013, 45(13):78-86.

[9]刘亚运，苗胜军，魏晓，等．三轴循环加卸载下花岗岩损伤的声发射特征及能量机制演化[J]．矿业研究与开发，2016，36(6)：68-72．

LIU Yayun, MIAO Shengjun, WEI Xiao, et al. Acoustic emission characteristics and energy mechanism evolution of granite damage under triaxial cyclic loading and unloading[J].Mining R&D, 2016,36(6):68-72.

[10]王明旭，程爱平，刘晓云.早强充填体与矿柱相互作用的声发射特征试验研究[J]．中国安全生产科学技术，2017，13(4)：10-15．

WANG Mingxu，CHENG Aiping，LIU Xiaoyun.Experimental study on acoustic emission characteristics of interaction between early strength filling body and pillar[J].Journal of Safety Science and Technology，2017，13(4)：10-15．

[11]任松，白月明，姜德义，等．周期荷载作用下盐岩声发射特征试验研究[J]．岩土力学，2012，33(6)：1613-1618．

REN Song, BAI Yueming, JIANG Deyi, et al. Experimental research on acoustic emission property of salt rock under cyclic loading[J]. Rock and Soil Mechanics,2012,33(6):1613-1618．

[12]赵扬锋，张超，刘力强，等．循环载荷作用下岩石多参量特征规律研究[J]．中国安全科学学报，2016,26(5):105-111．

ZHAO Yangfeng, ZHANG Chao, LIU Liqiang, et al. Experimental research on multi-parameter rules of rock under cyclic loading[J]. China Safety Science Journal,2016,26(5):105-111．

[13]苏承东，熊祖强，翟新献，等．三轴循环加卸载作用下煤样变形及强度特征分析[J]．采矿与安全工程学报，2014，31(3)：456-461．

SU Chengdong, XIONG Zuqiang, ZHAI Xinxian, et al. Analysis of deformation and strength characteristics of coal samples under the triaxial cyclic loading and unloading stress path[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2014, 31(3):456-461.

[14]许江，唐晓军，李树春，等.周期性循环载荷作用下岩石声发射规律试验研究[J]．岩土力学，2009，30(5)：1241-1246．

XU Jiang, TANG Xiaojun, LI Shuchun, et al. Experimental research on acoustic emission rules of rock under cyclic loading[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(5):1241-1246．

[15]许江，杨秀贵，王鸿，等．周期性载荷作用下岩石滞回曲线的演化规律[J]．西南交通大学学报，2005，40(6)：754-758．

XU Jiang, YANG Xiugui, WANG Hong, et al. Evolution law of hysteresis curve of rock under cyclic loading[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2005,40(6):754-758.

[16]许江，唐晓军，李树春，等．循环载荷作用下岩石声发射时空演化规律[J]．重庆大学学报，2008，31(6)：672-676．

XU Jiang, TANG Xiaojun, LI Shuchun, et al. Space-time evolution rules study of acoustic emission locations in rock under cyclic loading[J].Journal of Chongqing University, 2008,31(6):672-676.

[17]许江，鲜学福，王鸿，等．循环载荷作用下周期充水岩石变形规律的研究[J]．地下空间与工程学报，2006，2(4)：556-560．

XU Jiang, XIAN Xuefu, WANG Hong, et al.Study on the deformation characteristic of rocks waterlogged periodically under cyclic loading[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006,2(4):556-560.

[18]李东印，王文，李华敏，等．重复加-卸载条件下大尺寸煤样的渗透性研究[J]．采矿与安全工程学报，2010，27(1)：121-125．

LI Dongyin, WANG Wen, LI Huamin, et al. Research on permeability of large-sized coal sample in loading and unloading test[J].Journal of Mining & Safety Engineering, 2010,27(1):121-125.