高温预损伤下煤岩蠕变声发射及分形特征

史宏财

高温预损伤下煤岩蠕变声发射及分形特征

史宏财

(湖北工业大学 土木工程与环境学院，湖北 武汉 430068)

为了研究高温条件下煤岩微裂缝发展及破坏规律，对煤样进行不同温度预损伤和三轴蠕变声发射实验，探讨煤岩在经历高温预损伤过后的力学行为特征。研究结果表明：随着温度升高，煤岩预损伤呈幂函数型递增；较低温(≤200℃)预损伤下，煤岩呈脆性破坏特征，加速蠕变特征不明显；较高温(＞200℃)预损伤下，煤岩呈韧–脆性破坏特征，且加速蠕变特征较明显；稳态蠕变速率s的对数值与预损伤之间呈线性相关关系；温度越高，煤岩的声发射振铃计数率水平越小，呈低频低幅值变化，且蠕变3阶段越趋于“同频”发展，累计振铃计数m与预损伤之间呈负指数型函数递减；分形维数值呈“减小—动态稳定—再次减小”3阶段变化，并与蠕变3阶段相对应，分形维数由稳态向减小转变的转折点可作为判断煤岩失稳破坏的依据；温度越高(预损伤值越大)，分形维数f越大，岩样破坏越无序。研究成果对于揭示经历不同温度热解气化损伤后煤岩的长期力学行为具有重要意义。

煤岩；三轴蠕变；高温预损伤；声发射振铃计数；分形维数

声发射(Acoustic Emission，简称AE)是指材料损伤作用过程中局部应力集中处能量以弹性波的形式瞬间释放的现象[1]，分形则可定量描述和反映材料内部复杂无序而又具有某种内在联系的行为特征[2]。利用声发射系统对煤岩失稳破坏过程中的声发射和分形特征进行研究，可以有助于了解煤岩内部微裂纹产生、扩展直至宏观破坏的变化规律，对预防煤岩瓦斯突出、冒顶、大变形坍塌以及冲击地压等灾害具有重要作用[3]。在煤岩损伤破裂过程中的声发射及分形特征等方面，国内外专家学者已开展了一定研究。P. Ganne等[4]针对硬脆岩石材料进行了声发射特性分析，根据试验结果建立了煤岩内部微破裂和声发射参数之间的相关关系；陈春谏等[5]对0%、2%、4%、6%含水率下的煤岩声发射特征进行了研究，得到振铃计数与含水率之间的关系；高保彬等[6-8]对单轴、三轴压缩下煤岩的声发射和分形特征进行了分析，提出可根据声发射和分形特征预测煤岩失稳破坏的前兆信息；邵良杉等[9]提出“分形同测”理论，并利用分形理论来预测煤岩和煤混合体的稳定性。

蠕变作为煤岩重要的力学性质，关系着煤矿巷道的长期安全与稳定，受到众多专家学者的关注和研究。赵斌等[10]结合试验数据建立起不同应力水平下煤岩的蠕变本构方程，并将煤岩蠕变破坏特征归纳为蠕变脆性破坏和蠕变韧–脆性破坏；秦虎等[11]进行了不同围压作用下含瓦斯煤岩卸压试验，获得能量以及声发射振铃计数与围压的相关关系；杨永杰等[12]、李鹏[13]对煤岩蠕变过程中的声发射现象进行分析，利用声发射揭示蠕变损伤机理。

深部煤矿常常处于不同的地热环境中，在长时间高温作用下，煤岩会产生不同的损伤，改变煤岩本身的物理力学性质，给煤炭安全开采带来极大威胁。经实验研究表明：煤岩绝大部分的热解反应发生温度为200~700℃，热解产生CO、CO2、H2O、CH4、C2H4等气体而损失的质量最高可达89%；在较高温度(350℃、400℃)下的热解气体产气量约为较低温度(200℃、250℃)下的8倍，分解气化将造成煤岩力学性质大幅降低[14-15]；邓军等[16]开展了常温至650℃下煤岩热解后不同气体浓度的变化特征，认为粒径和风化程度是影响煤岩高温氧化条件下自燃特性的原因；周长冰等[17]对煤岩进行了高温三轴蠕变试验，对比分析了200℃和400℃两个温度级别下的蠕变力学行为，并初步判定蠕变特征发生变化的临界温度为300℃，对于高温煤岩蠕变损伤的进一步研究具有一定的指导和借鉴意义。目前，受技术条件限制，借助于声发射对高温环境作用下煤岩的蠕变损伤进行同步监测比较困难，关于煤岩高温蠕变声发射的研究也比较少见，因此，本文拟开展高温预损伤后煤岩的蠕变声发射试验研究，以期为揭示经历不同温度热解气化损伤后煤岩的蠕变力学行为提供科学依据。

1 试验概况

1.1 试验样品及设备

对取自山西某煤矿的煤样(平均密度1.47 g/cm3，中等坚硬煤层)，按照岩石力学试验规范加工打磨成直径50 mm×高100 mm的标准圆柱形试件(图1)。实验仪器包括： SX2-10-12 箱式电阻炉、RS-ST01C超声波检测仪、RMT-150C型岩石力学伺服试验系统及配套的CDAE-1型声发射检测仪。

1.2 试验过程简介

试验过程简述如下：

①对煤样进行打磨加工，制成标准试件，选取密度、外观相近的试件，利用RS-ST01C超声波检测仪测定其初始波速0；

②将煤样分为7组，并分别放至SX2-10-12箱式电阻炉进行高温处理，根据以往研究成果[18-19]，以20℃/min的速率将试件加热至预设温度(50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、400℃)，并保持恒温2 h，然后取出试件；

③对预损伤后的试件测定波速T；

④利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统及配套的CDAE-1型声发射检测仪，对预损伤过后的煤岩进行三轴蠕变及声发射试验，直至岩样发生失稳破坏(图1)，试验结束。三轴蠕变试验围压均为5 MPa，根据5 MPa围压下预损伤煤岩的三轴抗压强度值情况，确定蠕变试验恒载应力值为30 MPa；声发射采用8通道，上下两端各4个对称布置，为消除外界噪声干扰以及保证良好的声学耦合性，在探头和试验机油缸之间涂抹一层黄油，声发射门槛值设定为45 dB。

图1 煤岩试样原件及破坏后试样

2 高温预损伤试验结果分析

利用超声波波速定义的损伤表达式为[20]：

式中：表示高温预损伤值。

各煤岩试件高温预损伤前后的波速及损伤情况见表1。从表1可知，煤岩受初始孔隙率、密度等不同的影响，损伤前的波速不同，但基本控制在1 200 m/s左右，可忽略煤岩试件本身离散性对力学性质带来的影响。高温预损伤后，煤岩的波速均有不同程度降低，最终计算得到高温预损伤随温度的变化规律(图2)。从图2可知，随着温度的升高，煤岩的预损伤值呈幂函数增长，当温度达到200℃后，煤岩的预损伤呈快速增长趋势，这是因为在200℃之前，煤岩高温气化只有少量的CO和 H2O产生，煤岩因热解质量损失较小，内部结构尚处于稳定状态；当温度达到200℃后，由于煤分子中弱键发生解聚释放出氢，氢与芳香桥键和脂肪侧链断裂生成的小分子自由基发生反应从而生成CO2、H2O、CH4和C2H4，温度越高，热解生成气体的速度越快，煤岩质量损失越严重，损伤发展也越快[13-14]；400℃下的预损伤值可达到50℃损伤值的45倍。

表1 波速及损伤测试结果

图2 温度与预损伤值关系

3 蠕变试验结果分析

3.1 蠕变特征

试验得到的不同预损伤条件下煤岩的蠕变历时曲线如图3所示。从图3可知：煤岩的蠕变应变曲线均包括初始蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变3个阶段；低温预损伤下，煤岩的加速蠕变特征不明显，表现为蠕变脆性破坏特征；而在高温预损伤后，由于煤岩内部颗粒间胶结物发生氧化和劣化，矿物颗粒与颗粒间裂纹明显增多，胶结力明显下降；颗粒因为高温产生软化现象，使煤岩的加速蠕变特征较明显，且表现为韧–脆性破坏特征；温度越高，预损伤越大，煤岩经历的蠕变历时越短，蠕变应变越大。

图3 蠕变历时曲线

进一步分析高温预损伤值与稳态蠕变率之间的关系，如图4所示。从图4可知：高温预损伤越大，煤岩的稳态蠕变速率s越大，两者呈良好的线性关系，即：lns0.017 4+0.005。高温作用体现如下：①促进了煤岩内部晶界裂纹的扩展，造成煤岩孔隙率增加，胶结力降低，矿物颗粒间抵抗变形的能力随之减小；②部分矿物成分在高温作用下出现劣化、软化现象，使得煤岩颗粒本身发生压缩变形[21-22]；③因为高温造成煤分子中弱键发生分解，从而产生热解气化现象，导致煤岩体密度和质量降低，促进损伤的形成，煤岩体抵抗变形的能力也逐渐减小，因此，稳态蠕变速率与预损伤呈线性关系。

图4 预损伤与稳态蠕变率关系

3.2 声发射特征

不同温度预损伤后煤岩的蠕变声发射振铃计数率(单位时间内越过门槛信号的振荡次数)变化特征如图5所示。从图5可知：声发射振铃计数率与蠕变曲线相对应，也表现为3阶段变化特征，并与蠕变速率一样表现为“U”字型变化。初始蠕变阶段，由于煤岩原生微孔隙、微裂隙以及预损伤的存在，在三向应力作用下煤岩逐渐致密，从而产生大量的摩擦信号；稳态蠕变阶段，煤岩内部处于裂纹产生与闭合的交替变化过程，新的损伤缓慢发展，因此，声发射信号较平静；当进入加速蠕变阶段后，煤岩达到蠕变损伤阈值，内部微裂隙逐渐贯通并形成宏观裂纹，声发射信号逐渐增强，直至煤岩发生蠕变失稳破坏。

随着温度的升高，声发射振铃计数率趋于“同一频率”，即初始、稳态和加速3个阶段的声发射振铃计数率基本相等，且在400°C表现得尤为明显，主要是因为经过高温预损伤后，煤岩内部已经形成较多的贯通裂纹，产生了较大的高温预损伤，在蠕变试验加载过程中，产生的损伤裂纹(除少量闭合)会沿着原有的裂纹继续扩展，直至破坏，即不再有煤岩内部封闭应力的自我调整阶段，故而声发射计数率不会产生太大的变化。温度越高，声发射振铃计数率越低，温度小于等于200℃时，稳态蠕变阶段的声发射振铃计数率介于400~600；当温度为250°C时，计数率处于300~400；当温度为300℃时，计数率为200~300；当温度为400℃时，计数率处于150~250。温度越高，声发射越是呈现低频低幅值现象，这是因为煤岩在经历高温热解损伤过程中，煤分子中的部分化学键将发生解聚，并与其他成分发生化学反应，产生热解气体，这些气体经微裂隙溢出，并带走充填于微裂隙中的物质，增加了煤岩内部的孔隙率，使得煤岩颗粒之间的胶结力降低；同时，由于颗粒矿物成分在一定程度上发生软化，导致煤岩体微单位破坏需要积累的能量降低，因此，在高温预损伤后煤岩的声发射会呈现与软岩声发射相似的特征。

统计得到声发射累计振铃计数与预损伤之间的关系，如图6所示。声发射反应了煤岩在蠕变破坏过程中积累释放能量的多少，当前期高温预损伤越大时，后期蠕变损伤破坏需要积聚释放的能量就越少，声发射监测到的弹性波就越小。从图6可知：随着预损伤值的增加，声发射累计振铃计数(m)呈负指数型减小，有：m=239 848e–3.849D。

3.3 分形特征

所谓分形，指利用某种方法将复杂无序但又具有一定内在联系的事物进行定量描述；目前提出的计算分形维数方法中，尺码法和覆盖法最为常用。由于本文煤岩试件均为标准圆柱体试件，故采用柱形覆盖分形法[23-24]对煤岩的蠕变分形特征进行探讨。根据柱形覆盖分形理论的相关定义，蠕变过程中声发射事件点与空间圆柱半径的关系可表示为：

图6 累计振铃计数与预损伤关系

对式(2)两边参数的数值同时取对数可以得到：

式中：(r)表示半径内声发射事件点数；为计算常数；f表示分形维数且2≤f≤3；表示空间圆柱半径。选取蠕变开始至某一时刻的声发射作为分析对象，当获得多个(r)和的关系后，将其绘制到对数坐标中，如若两者具有良好的线性关系，则表明煤岩蠕变声发射空间分布具有自相似性(即分形特征)。

按照上述柱形覆盖分形理论，对不同蠕变时间点的声发射时空关系进行分析，得到分形维数与蠕变应变的关系，如图7所示。从图7可知：随着蠕变试验的进行，煤岩的分形维数历经“减小—动态稳定—再次减小”3个阶段。由于煤岩存在无规律的原生微裂隙、微孔隙，加之高温预损伤首先在煤岩薄弱处产生，生成的预损伤也处于随机无序状态，因此，在初始蠕变阶段，原生微裂隙和部分微损伤首先被压实闭合，在周围产生相应的摩擦声发射信号，因而分形维数较大；随着蠕变试验的进行，声发射信号逐渐降低并在稳态蠕变阶段达到动态平衡，此时煤岩内部处于一个微裂纹不断产生又闭合的状态，这些微裂纹逐渐倾向于煤岩结构最为薄弱处，并在薄弱结构面附近聚集扩展，因而分形维数处于一个动态稳定值；当煤岩进入加速蠕变阶段后，积聚在薄弱面附近的裂纹发展并贯通形成宏观破裂面，此时的声发射信号主要集中于宏观破裂面附近，故而分形维数再次降低。因此，分形维数从动态平衡阶段转向减小发展的转折点，可作为煤岩进入加速蠕变阶段的判断依据，在加速蠕变阶段，煤岩将发生破坏。

不同温度预损伤后分形维数随蠕变应变的变化关系如图8所示。从图8可知：煤岩的初始分形维数值相差不大，但随着蠕变试验的进行，分形维数的差异逐渐加大；温度越高，预损伤越大，煤岩的分形维数下降幅度越小；同等应变值下，煤岩的分形维数值越大，表明其声发射事件分布越杂乱、越无序。温度较低时(低于200℃)，煤岩的f值较小且变化情况相似，由于在此温度情况下，煤岩内部的热解气化还不显著，在蠕变试验中，损伤将首先从煤岩原生的微裂纹处发展和扩展，即损伤发展集中于原生裂隙周围，故而煤岩会呈现较为有序的声发射特征；在较高温度的预损伤过程中，煤分子化学键的解聚首先从中、弱键开始，化学键在煤岩体中随机分布，损伤除了在原生裂隙周围产生，还会在高温热解后随机产生的损伤处继续扩展，造成煤岩在蠕变过程中声发射事件分布比较散乱无序的现象，形成温度越高，分形维数越大的结果。

图8 不同温度预损伤下分形维数变化特征

4 结论

a.在相同加热时间下，煤岩的高温预损伤随着温度的升高呈幂函数型增加，400°C下的预损伤值是50°C的45倍。

b.低温预损伤下，煤岩表现为脆性破坏特征，高温预损伤下，煤岩表现为韧–脆性破坏特征；加速蠕变越明显，蠕变应变值越大；高温预损伤与稳态蠕变速率的对数值呈良好的线性关系。

c.声发射随蠕变试验进行表现为“U”型变化特征，温度越高，声发射振铃计数率越小，即表现为低频低幅特征；声发射累计振铃计数与预损伤呈负指数型关系。

d.分形维数随蠕变进行经历“减小—动态稳定—再次减小”3个阶段，分形维数从动态平衡阶段转向减小发展的转折点可作为煤岩进入加速蠕变阶段的判断依据；温度越高，预损伤越大，煤岩的分形维数越大，内部的损伤发展越不规则。

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Creep acoustic emission and fractal characteristics of coal rock under high temperature pre-damage

SHI Hongcai

(College of Civil Engineering and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The thermal damage and triaxial creep acoustic emission experiments of coal samples at different temperatures were carried out to investigate and analyze the mechanical characteristics of coal and rock after high temperature pre-damage. The results show that the thermal damage of coal and rock increases exponentially with the increase of temperature; the brittle-ductile failure characteristics of coal and rock appear at lower temperature(≤200℃) and the accelerated creep characteristics are not obvious; the brittle-brittle failure characteristics of coal and rock appear at higher temperature(＞200℃) and the accelerated creep characteristics are more obvious; the value of steady creep rate is between pre-damageand pre-damage. The higher the temperature is, the smaller the acoustic emission ringing counting rate of coal and rock is, the lower the low frequency and low amplitude changes, and the three creep stages tend to develop in the same frequency. The cumulative ringing counts Nm and pre-damagedecrease in a negative exponential function. The fractal dimension values change in three stages with creep test, namely, decrease-dynamic stability-re-decrease with the three creep stages. Correspondingly, the turning point of fractal dimension from steady state to decrease can be used to judge the failure of coal and rock. The higher the temperature(the greater the pre-damage value), the larger the fractal dimensionf, the more disorderly the failure of rock sample. The research results are of great significance to reveal the long-term mechanical behavior of coal after pyrolysis and gasification at different temperatures.

coal rock; triaxial creep; high temperature pre-damage; acoustic emission ring count; fractal dimension

TD713

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.028

1001-1986(2020)02-0187-08

2019-07-06；

2019-11-27

国家自然科学基金项目(41772332)

National Natural Science Foundation of China(41772332)

史宏财，1972年生，男，湖北天门人，硕士，讲师，从事岩土工程、道路与桥梁工程等工作. E-mail：shixionge1@163.com

史宏财. 高温预损伤下煤岩蠕变声发射及分形特征[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：187–194.

SHI Hongcai. Creep acoustic emission and fractal characteristics of coal rock under high temperature pre-damage[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：187–194.

(责任编辑 周建军)