含水率对煤样声发射特征和碎块分布特征影响的试验研究

冯国瑞，文晓泽，郭军，王朋飞，钱瑞鹏，闫勇敢，郝晨良

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原，030024；2.山西省绿色采矿工程技术研究中心，山西太原，030024)

我国东部许多老矿区的开采深度在10年前就已达到1 km左右，即已经进入深部开采[1]。上述矿井在先期开采中形成了边角煤以及区段煤柱、保护煤柱等遗留煤柱，遗留煤柱形成的应力集中及其自身稳定性对上覆岩层稳定性和下伏煤层工作面安全平稳推进有重要影响[2−3]。而遗留煤柱稳定性通常受到采空区积水的影响，因此，需开展不同含水率煤样单轴压缩试验，探究水对煤样力学性能弱化和失稳后的破坏形态的影响，为遗留煤柱稳定性的评估提供相关技术参考，服务深部煤炭资源的安全高效开采。

自水岩交互作用被提出后，人们开展了大量水对煤样力学性能弱化的研究[4−5]。随试验设备和监测手段的发展，无损监测手段——声发射被引入岩石力学试验，用于监测加载过程中岩石内部微裂纹尖端屈服扩展时以弹性波释放的应力波信号，反演内部不可直接观测的微破裂状态[6]。李天斌等[7]发现随砂岩含水率增大，声发射能率的集中程度和累计能量逐渐减小；张艳博等[8]研究了饱水花岗岩破裂过程的声发射频谱特征，提出了可以用声发射频谱特征快速识别岩石破坏的前兆信息的观点。对非均质更强、原生裂隙更加发育的煤样，YAO等[9]发现峰值应力、弹性模量等均随煤样含水率的增大而减小。秦虎等[10]基于无烟煤的力学试验研究，指出无烟煤的力学特性和声发射特征受含水率的影响显著。

煤岩破坏形态作为内部微裂纹扩展的最终呈现，人们定性描述了含水率对煤岩破坏形态的影响。王凯等[11]定性揭示了随含水率增大，煤样破坏后产生的裂纹数目增多，形态趋于复杂的规律。来兴平等[12]分析了不同含水率煤样的单轴压缩破坏模式，指出随含水率增大，煤样破坏形态趋于复杂。分形理论作为定量研究自然界中自相似性的数学手段，自其创立就在定量描述岩石破碎特征和裂纹扩展等方面得到应用与发展。谢和平等[13]基于岩石力学试验和理论研究分析了岩石碎块分形特征，推导了裂纹分叉的分形模型；张文清等[14]基于煤样的冲击试验，揭示了应变率与分形维数间的对数增长关系；何满潮等[15]基于岩爆试验碎屑分形研究，举例阐述了不同的分形维数计算方法。而煤样含水率与破碎块体分形维数间的定量关系尚待进一步研究。

以上研究表明，水对煤岩力学性能有一定的弱化，含水率对加载过程监测到的声发射特征参数也有重要影响。但现有研究对定量研究声发射特征参数的阶段性变化规律以及对煤样含水率与破碎块体分形特征关系的研究尚待加强。本文作者从不同含水率煤样的单轴压缩试验入手，辅以声发射监测和煤样破碎块体分形研究，对比分析不同含水率煤样的AE能率阶段性变化规律和破坏形态的差异，研究含水率对煤样力学特性、碎块分布的影响，以推进含水率对煤样稳定性影响的定量化研究，深化含水率对煤柱稳定性的认识，这对分析深部高应力采空区遗留煤柱破坏及稳定性具有一定的工程意义。

1 试验设备与方法

1.1 试样制备

采样和制样过程严格按照GB/T 2356.1—2009“煤和岩石物理力学性质测定方法”进行，在现场选取完整性较好的大块煤样，经钻芯、切割、端面磨平等过程加工成直径为50 mm、高为100 mm的标准圆柱体煤样。试验之前对所得煤样进行断铅试验，进行声速标定的同时剔除其中声速偏差较大个体，尽可能减少试件离散性对试验规律的影响。

将试件放入烘干箱中烘干至完全干燥，为避免烘干温度过高损伤煤样，根据相关规范设定烘干温度为60 ℃，烘干48 h 后，待其质量不再变化后置于干燥箱中静置冷却，完全冷却后称质量并记录，之后将试样浸泡于去离子水中，抽真空使煤样饱和含水，称其质量，得到煤样的饱和含水率为6%～7%。将煤样依含水率不同划分为4 组，即0(干燥)，2%，4%和6%(饱和含水)，对每组4个煤样进行编号并记录，将与前述相同方法烘干的干燥煤样浸泡在去离子水中，每隔1 h 称其质量，调整至由式(1)计算的相应含水率的理论计算质量，最后在恒温恒湿箱中静置48 h后进行试验。

式中：ml为不同含水率煤样的理论计算质量；m0为干燥煤样质量；ω为煤样含水率。

1.2 试验设备和方案

采用SHT4605 电液伺服万能试验机开展不同含水率煤样的单轴压缩试验，该试验机最大轴向荷载为600 kN。在试验过程中，选择力控加载方式，加载速率为1 kN/s，一次加载直至煤样破坏，得到试验过程的σ−ε曲线。试验过程中，采用CM-2B-TCP 型电阻应变仪和DS5-8B 型声发射监测系统实时监测煤样变形和声发射特征，其中应变片布置在煤样中部，煤样表面间隔90°上下交叉布置4 个声发射传感器，采样频率为2.5 MHz，声发射信号采集的门槛值为40 dB。

2 试验结果与分析

2.1 煤样力学性能分析

图1所示为不同含水率煤样的σ−ε曲线。由图1可知：σ−ε曲线呈现典型的4阶段变化特征。压密阶段随含水率增大变缓延长，干燥和2%含水煤样峰前线弹性阶段较长，未见明显的塑性屈服段；随煤样含水率增大，弹性段变短，接近峰值应力的剪切滑移段延长，同时，峰后曲线呈台阶状下降。可知随煤样含水率增大，煤样软化，溶蚀孔洞和内部损伤增加，塑性增强。

图1 不同含水率煤样应力−应变曲线Fig.1 Stress−strain curves of specimens with different moisture contents

每组3个有效煤样峰值应力如表1所示。由表1可知：随含水率增大，煤样峰值应力逐渐降低；与干燥煤样相比，饱水煤样强度损伤超过30%，力学性能下降严重。图2所示为煤样峰值应力、动态破坏时间与含水率的关系。由图2可见：随含水率增大，煤样峰值应力近似呈指数型递减，拟合关系为

图2 煤样峰值应力、动态破坏时间与含水率的关系Fig.2 Relationship among peak stress,dynamic failure time and moisture content of coal specimen

表1 不同含水率煤样峰值应力Table 1 Peak stress of coal specimens with different moisture contents

式中：σp为煤样峰值应力。

煤样峰后的动态破坏时间随含水率增大大幅延长，干燥煤样存储的弹性应变能在应力水平越过峰值应力的数十毫秒内瞬间释放，煤样破碎为2个较大锥形块体；随煤样含水率增大，峰后破坏阶段延长，能量释放逐渐缓和，在历时数百毫秒的破坏过程中煤样被逐渐压碎，裂纹充分扩展，煤样破碎程度增加。

2.2 声发射特征分析

煤样破坏是内部积聚的弹性应变能达到极限，转化成使煤样破坏的机械能释放的结果。AE能率是监测到的声发射事件能量和时间的综合体现，可用于表征煤岩体内部微破裂的程度。不同含水率煤样的σ−ε与AE能率的关系如图3所示。

由图3可知：煤样单轴压缩过程可分为孔隙压密阶段、线弹性阶段、剪切滑移阶段和峰后失稳阶段4 个阶段[16]；加载全过程煤样的AE 能率也呈明显的“平静—激增—衰减”阶段性变化，与煤样σ−ε曲线的阶段划分对应良好[10]。

图3 煤样应力−应变曲线与AE能率的关系Fig.3 Relationship among coal specimen stress−strain curve and AE energy rate

1)AE 能率平静期主要对应煤样压密阶段和线弹性变化阶段前段。压密阶段煤样内部原生孔隙和溶蚀孔洞等受压闭合，煤样骨架调整压实，原生与溶蚀裂隙附近颗粒咬合摩擦，加上煤样初变形积累的应变能释放，加载初期有低能量声发射事件产生，声发射能率总体平静；随荷载增大，压实后的煤样逐渐进入线弹性变化阶段，这一阶段煤样主要发生弹性变形，这一时期AE能率维持在加载全过程最低水平，依然为声发射能率平静期。随含水率增大，煤样线弹性段变短，同时AE能率平静期在煤样线弹性段的占比下降，干燥组线弹性段的前90%处于AE能率平静期，含水率为2%煤样的线弹性变化段的前80%也处于AE 能率平静期；随含水率增大，含水率为4%煤样的AE能率平静期在线弹性段的占比进一步缩减，饱水煤样的AE能率平静期在线弹性变化阶段的占比下降至不足60%。可见水蚀对煤样弱化显著，水的溶胀软化致使煤样存储应变能的能力减弱。

2)AE 能率激增期对应煤样线弹性段后半段和剪切滑移段。综合考虑不同含水率煤样的声发射能率变化，指定AE 能率激增期的起始阈值为2×108，即定义AE 能率激增期起始点为AE 能率大于2×108时。在此阶段，煤样内部不断有新的裂纹产生、交汇贯通，产生局部破裂面，对应中高能量的声发射事件产生[7]。干燥煤样的AE 能率激增期极短，仅在峰值应力附近，2%含水煤样的AE能率激增期从弹性段80%左右开始，激增段的低能量事件中偶有中高能量声发射事件发生；随煤样含水率增大，含水率为4%煤样以及饱水煤样AE能率激增期起始点前移，在线弹性阶段占比明显增加，其线弹性段后半段和剪切滑移段中高能量声发射事件活跃，可见水使煤样内部胶结弱化，在较低应力水平下煤样内部即有大量微破裂事件发生，能量积聚的过程中伴随能量的释放与转化，煤样内部裂纹充分扩展。

各组AE 能率峰值均伴随煤样的应力峰值出现，但在数值上有较大差异，干燥煤样的AE能率峰值是饱水煤样的10 倍以上。含水率增大使煤样软化的同时降低其应变能存储能力，煤样破坏激烈程度降低。

3)AE 能率衰减期对应煤样峰后破坏失稳阶段，弹性阶段内煤样累积的能量转化为煤样破坏的机械能。干燥煤样和含水率为2%煤样的脆性显著，峰后应力近乎垂直跌落，煤样内存储的大量弹性应变能瞬间释放，相应的AE能率也在峰值后骤然衰减为极低能率，破坏过程剧烈；随煤样含水率递增，σ−ε曲线可见峰后应力呈台阶状降低，含水率为4%以及饱水煤样组AE 能率在峰值后逐步下降，阶梯式下降为中高能率之后衰减直至消失，煤样释放总能量下降的同时能量释放过程变得更加缓和。对应深部采空区的干燥煤柱，虽然其强度高，但破坏后释放的能量较大，释放速率大，对周围煤岩体产生的冲击扰动较大，可能诱发周围煤岩体的连锁失稳反应，产生多米诺骨牌效应[2]。而随含水率增大，虽然煤柱的强度降低，但其峰后动态破坏时间延长，释放的能量减小，能量释放速率降低，破坏过程缓和[17]，对周围煤岩体扰动较小，若该煤柱为整个柱式承载体系的非关键区域，则其失稳破坏对整个区域的稳定性影响较小。

2.3 煤样破坏特征分析

作为内部微裂纹演化终态的呈现形式，煤样破坏特征蕴含煤样变形、力链演化路径、裂纹扩展结果等丰富信息，对其分析研究有重要意义。

图4所示为不同含水率煤样破坏形态。由图4可见：单斜面剪切破坏的干燥煤样上半部发生局部“炸裂”破坏，破坏只局限于一个贯穿整个煤样的倾斜破裂面上，煤样整体较为完整，煤样破坏为2个较大的锥形块和大量细小煤屑，破碎块体非均匀性较高；含水率为2%煤样的最终破坏形态呈现典型的“X”状共轭剪切破坏，2 个斜向主破裂面在试样中部共轭交叉，表面有小块崩落，试件端部有拉裂纹扩展；随煤样含水率继续增加，轴向裂纹数量增加，含水率为4%的煤样最终呈现片块状的拉剪复合破坏形态；受水的弱化影响，破坏形态趋于复杂，在拉应力作用下，竖向微裂隙扩展延伸，最终在数条竖向贯穿主裂隙和大量的非贯通轴向裂隙共同作用下煤样呈现柱状拉伸破坏，饱水煤样表面和内部破裂面可见水迹，自由水的润滑作用对煤样的破坏有一定促进作用。

图4 不同含水率煤样破坏形态Fig.4 Failure characteristics of coal with different moisture contents

随煤样含水率增大，裂纹数量增加的同时与轴向夹角减小，煤样裂纹发展更加丰富，裂纹扩展总长度增加，煤样破坏形态趋于复杂，有由剪切破坏向柱状张拉破坏转化的趋势[18]。产生上述变化的原因为：煤样内部黏土矿物在水的作用下软化和泥化，煤样颗粒间黏结力逐渐减小，原生孔洞因水的溶蚀变大，此为主导因素[19]。干燥煤样局部扫描电镜示意图如图5所示。由图5可见：煤样原生裂隙发育，浸水后，在水的溶蚀作用下大量相近非连通原生裂隙扩展贯通，加速了高含水率煤样破坏过程中裂纹扩展，裂纹数量增多；煤样微观上呈鳞片状堆积结构，随含水率增大，内部孔隙和堆积结构层间被水充满，游离的水分子形成水膜包裹各颗粒，层状结构间的游离水充当滚珠，促进加载过程中的滑移错动。

图5 干燥煤样SEM示意图Fig.5 SEM diagram of dry coal specimen

2.4 煤样破碎块体分形特征

分形理论为定量描述煤岩断裂面形貌信息、破碎块体特征提供研究手段[13]。可以借助一系列手段，对煤样破坏后的碎块(屑)信息进行统计和分析，用以分析其在尺寸和质量上的差异，从破碎块体的分布特征信息层面量化分析含水率对煤样破坏特征的影响。以碎块的等效边长为划分特征尺度，小于等效边长的累计数量或质量作为分析对象，对碎屑分布特征和分形维数进行计算[20]。本研究选择累计质量作为分形维数的计量指标。

2.4.1 不同含水率煤样碎块分布特征

参照文献[15，20]中的区间确定方法，结合本研究实际，将煤样碎块以等效边长差异划分为微粒、中粒、粗粒、大块4组。含水率对煤样破碎后块体差异的影响主要体现在中粒和粗粒组，加之微粒组数目过多，遂将区间进行再次细划分。微粒组碎屑尺寸微小且数目庞大，直接测量尺寸困难，采用相应孔径的分级筛进行筛分，其余各组碎块用游标卡尺确定尺寸后分组、称质量，煤样碎块分类和分析方法见表2[20]。将煤样碎块(碎屑)按表2划分区间分类、称质量、统计，依据统计结果绘制不同含水率煤样破碎块体各尺寸区间质量占比分布图，如图6所示。

表2 破碎块体分类标准及分析方法Table 2 Classification standard and anaysis method of coal specimen fragments

图6 不同含水率煤样碎块分布特征Fig.6 Distribution characteristics of coal specimens with different moisture contents

由图6可知：随煤样含水率增大，等效边长大于70 mm 的碎块质量占比下降明显，由干燥时的89.2%逐步减少为70.8%，23.0%，0；随含水率增大，等效边长为5～50 mm 区间的碎块占比增加，由干燥时的占比4.7%增加至含水率为6%时的56.4%，在此区间的碎块分布也逐渐趋于均匀。可见随煤样含水率增大，破碎块体分布由两极分化逐渐过渡为向中统一并均匀分布，质量占比峰值向小尺寸过渡。含水率的增大致使煤样内部溶蚀孔洞增加，原生裂隙扩展贯通，黏结作用被削弱，受载后煤样裂纹扩展变易，峰后能量释放过程更加缓和，破坏后更加破碎。

2.4.2 含水率对煤样分形维数影响

对碎块分布规律的分形研究，选择碎屑的累计质量和等效边长进行计算：

式中：Leq为等效边长；α为双对数坐标下的斜率；mLeq/m为等效边长小于Leq的碎块质量累计质量比；mLeq为等效边长小于Leq的累计碎块质量；m为碎屑(块)总质量[15]；D为分形维数。

等效边长小于Leq的碎块质量累计质量比与等效边长Leq的双对数线性相关性越好，其分形特征越显著。计算所得分形维数D=0～3，大尺寸区间碎块占比较大时D=0～2；当D=2 时，各尺寸区间碎块占比相等；当D=2～3时，小尺寸区间碎块占比较大[15]。

邓涛等[21]基于对单轴加载试验大理岩破碎块体的分形研究，指出碎块分形具有分段性。李杨杨等[20]的试验结果表明，岩石碎块在小于给定尺寸阈值范围内的分形性质良好。由图6可知50 mm以上的大尺寸碎块数量很少，但单块质量和累计质量占比大，对分形维数的结果影响较大。根据煤样破碎块体分布特征和分形维数计算过程中的相关性，选择粗粒组上限50 mm 作为本研究的等效尺寸阈值Leq−max，绘制煤样碎块质量占比−等效边长的双对数关系图，如图7所示。

由图7和式(3)可知：各含水率煤样的双对数线性相关性良好，分形特征显著，煤样由干燥至饱水，其分形维数分别为2.391，2.283，2.136和2.037，均处在区间[2，3]之间，小尺寸碎块(小于阈值)占比较大。随含水率增大，分形维数递减，中等尺寸破碎块体占比(阈值以下的大碎块)增加。

图7 不同含水率煤样碎块等效边长−质量占比对数曲线Fig.7 Logarithmic curves of quality ratio−equivalent length with different moisture contents

受水蚀影响，煤样内部有机物和无机物溶解，内部胶结弱化，原生裂隙间溶蚀贯通，原生孔洞扩大，致使煤样加载过程中裂纹扩展自由度增加，裂纹扩展容易，在较低应力水平下煤样内部即发生微破裂，最终破坏后中等尺寸煤样破碎块体占比增加。含水率增大促使煤样破碎块体向各尺寸区间碎块占比相等变化，图8所示为煤样含水率与分形维数关系。由图8可知：煤样碎块分形维数随含水率增大线性递减，其值趋向于2。

图8 煤样含水率与分形维数关系Fig.8 Relationship between moisture content and fractal dimension

3 结论

1)煤样含水率增大，σ−ε曲线压密段变缓延长，峰后动态破坏时间变长，破坏过程更加缓和，峰值应力随含水率增大呈指数型递减。

2)煤样加载过程的AE能率变化呈明显的“平静—激增—衰减”阶段性变化，与σ−ε曲线的阶段划分对应良好，随煤样含水率增大，AE能率激增期起始点前移AE能率平静期在线弹性段占比由干燥时的90%逐渐下降至饱水时的不足60%。AE 能率峰值均伴随煤样破坏瞬间的应力峰值出现，干燥煤样的AE能率峰值是饱水煤样10倍以上。

3)煤样宏观破坏形态与含水率密切相关，随含水率增大，煤样破坏形态趋于复杂，有由剪切破坏向柱状张拉破坏转化的趋势，破碎块体分布由两极分化逐渐过渡为向中统一并均匀分布，等效边长为5～50 mm 的碎块占比由干燥时的4.7%增加至饱水时的56.4%。

4)不同含水率煤样破碎块体在尺寸阈值50 mm内自相似性良好。煤样由干燥至饱水，破碎块体分形维数分别为2.391，2.283，2.136和2.037，分形维数与含水率呈良好的线性递减规律。含水率增大促使碎块(屑)向各尺寸区间碎块占比相等变化，微粒数量减少，中等尺寸碎块(阈值以下的大碎块)数量增加。整体上微粒组和大块组数量占比降低，煤样破碎程度增加，破坏过程缓和，动力灾害风险降低，对周围煤岩体产生的冲击扰动降低，诱发周围煤岩体的连锁失稳进而产生多米诺骨牌效应的可能性降低。