水对含孔煤体蠕变声发射特性影响的试验研究

张天军，陈智云，潘红宇

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054； 2.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054）

0 引 言

松软煤层抽采钻孔的蠕变性质是引起钻孔失稳变形的主要原因之一。 众多工程实践表明，钻孔成孔后，孔周煤体会随着时间的延长而产生持续变形，造成钻孔有效抽采面减少，影响瓦斯抽采效果。 并且含孔煤体与完整煤体的蠕变性质有所差异，目前国内外对于钻孔孔周煤体蠕变的研究较少。 因此研究钻孔孔周煤体蠕变性质对于瓦斯抽采工程应用尤为重要。

钻孔周围煤体所处的环境也会造成其蠕变性质的差异。 水是煤矿井下工程中普遍存在的环境因素，钻孔施工时为了降尘所需的带压水以及煤层地下渗流水均会对钻孔周围煤体产生各种物理化学作用，造成煤体颗粒间的内摩擦系数及弹性模量降低，产生软化、泥化作用，导致钻孔发生体积膨胀、蠕变变形等明显变化，对钻孔周围煤体的稳定性产生影响［1］。 王萍等［2］对不同含水状态下的试样进行蠕变特性试验，发现了随着含水率的增加，蠕变进入匀速阶段所需的时间越久。 刘秀敏等［3］研究了天然和饱水状态下试样的蠕变特性，发现饱水试样的蠕变特征比天然试样更加明显，且饱水试样蠕变的破坏强度是天然试样的0.54 倍。 于永江等［4］开展了不同含水状态下试样的蠕变试验，结果表明随着含水率的增加，试样蠕变弹性模量和黏滞系数均减小，蠕变速率有着先增大再减小的趋势。 杨秀荣、唐建新等［5－6］研究含水率对初始蠕变和稳定蠕变的影响。 上述研究大部分仅针对环境、力学状态等对煤岩长期力学性质的研究，关于蠕变过程中含孔煤体的变形机理及变形内在原因的研究较少。

随着对煤岩体的研究日趋深入，许多学者在宏观研究的基础上，采用更为精密的仪器开展研究。声发射技术是一种探测煤岩微裂隙延伸与扩展的有效工具，通过该技术得到的声发射参数变化能够很好地反映孔周煤岩体在蠕变变形中内部结构的变化。 许江等［7］开展不同含水状态试样的声发射剪切试验，得到了不同含水状态对声发射事件率的影响规律。 杨永杰等［8］研究了试样蠕变过程中声发射特征参数的变化规律。 文圣勇等［9］开展了不同含水率试样的声发射单轴压缩试验，结果表明水对试样的声发射特征和力学性质均有影响，含水率越高振铃计数越少，且不同含水试样的累计振铃计数曲线在形状上近似。 李高阳［10］开展不同浸水时间试样的单轴蠕变声发射试验，发现了声发射参数能够很好地描述试样在蠕变中各个阶段的力学特征。邓朝福等［11］对2 种不同含水状态试样进行声发射三点弯曲试验，发现饱水试样声发射振铃计数率远小于干燥试样。 李鹏［12］对3 种含水率试样进行长期力学试验，结果表明相同应力水平下的蠕变速率随含水率的增加而增大，振铃计数率曲线与蠕变曲线变化趋势相同。 蒋景东等［13］研究了不同含水状态对声发射能量的影响。 曾寅等［14］开展了长期单轴蠕变试验，发现试样蠕变中的声发射参数规律呈活跃－平静－活跃趋势。 上述研究仅对声发射的某些现象进行了研究，鲜有关于物理环境对钻孔孔周煤体蠕变声发射特性的影响研究。 而研究含水率、蠕变应变及声发射特征参数三者间的关系，能够为钻孔、支护等方面提供更为全面的资料。

笔者通过对不同含水率下的含孔试样分别进行分级加载蠕变声发射试验，分析含水率对煤样蠕变力学性能及声发射特征参数的影响，揭示了钻孔孔周煤体蠕变变形的时序性规律，研究能为瓦斯抽采、钻孔、支护以及声发射检测方面提供重要指导作用。

1 试验设计

松软煤层中瓦斯抽采率普遍较低，钻孔稳定性差，因此研究松软煤样对瓦斯抽采工程影响至关重要。 但由于松软煤层取样困难且不易加工，而采用相似材料配比得到试样的力学性质能够满足所需要求，故采用相似配比试样模拟松软煤岩。

瓦斯抽采钻孔周围的煤岩体受到水、应力耦合的影响，通常会比完整煤岩体更容易产生破坏。 这是由于钻孔会打破完整煤岩的应力平衡状态，迫使钻孔周围的应力重新分布，产生新的应力集中现象，并更容易产生破坏。 根据经典弹性理论，可以得到钻孔力应力分布，如图1 所示［15］。 圆形钻孔应力分布图中，p为围压；σθ和σr分别为切向应力和径向应力；a为研究点至孔心的距离。

图1 圆形钻孔应力分布Fig.1 Circular drilling stress distribution map

由于井下钻孔深度远大于钻孔直径，可近似认为孔周应力不随钻孔长度发生变化，而钻孔有效应力边界是钻孔半径的3 倍［16］， 因此制作钻孔半径5 mm，棱长70 mm×70 mm×70 mm 的正方体试样。

1.1 试验过程

1）试验试样煤粉、石膏、水泥质量比为1 ∶0.5 ∶1混合制浆，灌注于70 mm×70 mm×70 mm 正方体模具盒中，于盒中中心置入预制钻孔装置，之后将试样置于阴凉通风处自然风干30 d，共制成了24 个方形试样，模具和制成的试样如图2 所示。

图2 模具及试样Fig.2 Mold and sample

2）将自然风干试样分为A、B、C、D 共4 组，每组6 个样，其中A 组为干燥组（含水率0），B、C 组为控制含水组（含水率分别为4%、8%），D 组为自然饱和含水组（含水率43.4%）。 控制含水组试样进行抽真空处理，并将试样置于恒温恒湿箱内保存。自然饱和含水组要求将试样置于密闭水容器中，控制容器内液面离试样顶面30 ～40 mm，在阴凉处静置超过24 h 后称重，此后每24 h 称重一次，直到试样质量不再变化，并记录试样质量。

3）由于分级加载可以观测不同应力水平下试样的变形、位移情况，因此试验采用分级加载的方式，进行4 个等级的加载，根据每组试样的抗压试验得到的峰值载荷，取各组试样峰值载荷的50%，60%，70%，80%四个应力作为分级加载过程中的载荷水平等级，并根据文献［17］确定载荷达到水平等级时持续加压1 h 后再进行下一水平等级的加载，依次加载四级后结束试验并记录实验数据。

4）在进行蠕变试验时通过声发射监控系统对试样进行检测，为了得到完整的声发射数据，将声发射系统中声发射信号采集频率设置为10 000 kHz，参数间隔2 000 μs，采样长度设置为2 048 点数，波形门限设置为40，参数门限为40。 并在传感器探头上涂抹耦合剂，贴于试样两端并固定，待试验结束后记录数据。

1.2 试验结果

根据现场测量实际情况，井下工作面钻孔注水时，煤层通常处于完全浸水环境，此时钻孔孔周煤体含水率为自然饱水状态，而离钻孔越远的煤体，其含水率越低，最终使孔周煤体处于自然含水状态。 因此本文设定含水率0、4%、8%，及自然饱水4 组试样，每组6 个样，能够满足煤层自然含水及外界注水对其影响。 试验基本情况见表1。

表1 软煤单轴压缩试验基本情况Table 1 Basic situation of soft coal uniaxial compression test

由文献［18－19］可知2 种典型松软煤样各参数的范围，所制试样的参数介于松软煤层范围内，故采用的相似材料配比适用于研究松软煤样。

从表1 可知，试样的峰值轴向应变均在0.01 ～0.02，4 组试样的平均峰值强度2.7 ～4.4 MPa，最大相差1.585 MPa。 平均弹性模量185 ～416 MPa，最大相差231 MPa。 平均峰值载荷13.5 ～21.3 kN，最大相差7.78 kN。

2 蠕变试验结果分析

2.1 单孔试样蠕变规律

由于试样在制备过程中难免出现离散性情况，会对试样造成影响，因此对每组试样数据进行平均化处理后，得到不同状态下分级加载蠕变曲线，如图3 所示，从图3 中可知，随着含水率的增大，试样轴向应变增大，含水率为0 试样最大轴向应变为1.36%，含水率为4%试样最大轴向应变为1.41×10－2，含水率为8%试样最大轴向应变为1.47×10－2，饱和含水试样最大轴向应变为1.75×10－2。 其饱和含水率最大轴向应变较含水率为0 的增加了28.67%。

图3 不同含水率的蠕变曲线Fig.3 Creep curve with different water content

从不同含水率蠕变曲线中可以发现，四组试样在其应力峰值的50%～80%，均未发生变形破坏，蠕变曲线只出现了衰减蠕变和稳定蠕变2 个阶段。 并且干燥试样蠕变曲线在所有曲线下方，随着含水率的增加，蠕变曲线呈上升趋势，此现象与文献［20］蠕变试验结果相似。

由于水能够湿润煤体自由面上的颗粒，降低颗粒间的黏聚力，改变煤体的力学性质，使得孔周煤体受力更容易发生变形，所以水对含孔煤样加载轴向应变及位移产生较大影响。

2.2 瞬时弹性应变

对同一应力水平下不同含水率试样的瞬时弹性应变ε0的变化规律进行拟合，如图4 所示。 对比4组含水试样初始瞬时应变可知，试样瞬时应变ε0随含水率的增加而逐渐增大，其4 种含水率下的第一阶段 的 初 始 瞬 时 应 变 分 别 为0.900 14 × 10－2，0.907 06×10－2，0.914 66×10－2和1.06×10－2。 各应力水平初始瞬时应变随含水率的增加呈指数增长，含水率为0 时拟合方程为0.893 52e0.00391w，含水率为4%时拟合方程为1.014 25e0.0044w，含水率为8%时拟合方程为1.141 13e0.005w，饱和含水拟合方程为1.308e0.052w，w为含水率，其相关系数均在0.97 以上，呈现出较高的相关性。

图4 初始瞬时应变－含水率拟合曲线Fig.4 Initial instantaneous strain－water content fitting curve

该现象表明随着含水率增加，孔周煤体强度、承载能力都会越来越小，含水率越大，在持续载荷的作用下，煤岩受到的水楔作用越大，钻孔的初始变形程度也就越大。

2.3 蠕变稳态应变

稳态应变εw是指试样蠕变过程中匀速阶段的应变。 图5 是稳态应变与应力水平及含水率的关系曲线，从图中可以看出稳态应变随应力水平的增加而增加，并且随着含水率的增加，稳态应变呈指数增加，同一应力水平下，饱和含水试样稳态应变的增幅更加显著，以应力水平80%为例，干燥状态下试样的稳态应变为1.339×10－2，当含水率增加到4%时，稳态应变增加到1.389×10－2，增幅率为3.7%。 当含水率增加到8%时，稳态应变提高了8.2%，当达到饱和含水时，稳态应变提高了28.6%。

图5 稳态应变与应力水平及含水率的关系曲线Fig.5 Steady－state strain versus stress level and water content

这说明在水的作用下加快了钻孔蠕变的变形，孔周煤体在匀速蠕变阶段的稳态应变随含水率的增加而增大，含水率越大，钻孔煤体进入匀速蠕变阶段的极限蠕变变形越大，尤其在自然饱水状态下蠕变的变形更加显著，这与常规含水率与稳态应变的关系相同［21］。 所以在持续外力作用下，含水率越高，钻孔周围煤岩产生变形越大，越容易发生失稳塌孔现象，因此研究含水率对孔周煤体蠕变规律的影响，能够为瓦斯抽采、钻孔和支护方面起到重要的指导作用。

3 声发射特征分析

由于孔周煤岩蠕变过程中会伴生声发射现象［22］，为了进一步研究蠕变过程中，含水率对声发射特征的影响规律，笔者通过声发射监测系统，对本次单轴蠕变全过程中声发射数据特征参数进行分析，选取试样在蠕变过程中累计声发射振铃计数及声发射振铃率，对不同含水率下的煤样进行对比分析，研究含水状态对试样蠕变过程中的声发射特性影响。

3.1 声发射振铃计数

通过分级加载蠕变，可以得到不同应力水平下试样蠕变声发射参数与时间应变的关系，如图6所示。

图6 累计振铃计数与蠕变曲线Fig.6 Cumulative ringing count and creep curve

从图6 可以发现，不同含水状态下试样累计声发射振铃计数与蠕变应变曲线呈现一致性趋势，即在试样处于压密阶段，当应力从0 逐渐加载到第1级设定应力时，可以明显看出4 种含水率下的累计声发射振铃计数值都较多，其累计振铃计数占总值76%～83%，说明在该阶段试样内部的破裂较多，累计损伤较大；在每级应力增加阶段，累计振铃计数值都会有明显的增大现象，当应力达到设定应力水平并保持不变时，振铃计数会保持一个较低的水平不断振幅，导致累计声发射振铃计数缓慢增加。

在试样蠕变过程中，随着含水率的增加，累计声发射振铃计数值依次减小，以应力水平50%为例，累计振铃计数与蠕变轴向应变的关系如图6 所示。从图6 中可以发现，不同含水率和不同应力水平下，累计振铃计数曲线和轴向应变曲线基本相似，在应力水平为50%时，干燥试样稳态应变为0.924 ×10－2，累计振铃计数为825 × 102；当含水率增加到4%时，稳态应变增加到0.947 × 10－2，增幅2.5%，累计振铃计数减小到472 × 102，减小了42.8%；含水率为8%和43.4%时，稳态应变分别增加了5%和21.2%，累计振铃计数分别较小了51.3%和73.7%。其余应力水平稳态应变级累计振铃计数变化率见表2。 从表中可以看出，在含水率为0 条件下累计振铃计数最大，声发射活动最频繁，随着含水率的增加，其声发射活跃程度明显降低，导致累计振铃计数依次减小。 并且随着应力水平的增加，稳态应变在逐渐增大，累计振铃计数在逐渐降低，且含水率越高，稳态应变和累计振铃计数增减幅度越大。 在不同应力水平下，同一含水情况的累计振铃计数增减幅度趋于稳定。

表2 声发射振铃计数变化幅度Table 2 Acoustic emission ringing rate count change range

上述现象说明这说明在恒定应力时，声发射处于活力较低状态，试样裂隙闭合扩展对试样整体结构影响较小。 并且声发射信号在到达每一级应力水平后蠕变曲线才到达相应应力水平，即蠕变曲线相对于累计声发射振铃计数在时间上会出现一个滞后效应。 水能改变煤岩的力学性质，削弱了煤岩抗压强度以及颗粒间的黏聚力，使得煤样在变形时所需要能量减少，所以随着含水率的增加，煤样的声发射活跃程度降低，累计声发射振铃计数减少， 这与常规单轴压缩过程中水对声发射参数影响［23］的研究结果相符合，所以水对钻孔孔周煤体蠕变过程中的声发射特征有着显著影响。 在前人研究基础上，探讨了分级加载蠕变过程中，不同应力水平下含水率的声发射振铃计数及对应的稳态应变的增减幅度。

从图6 中还以发现，累计振铃计数与轴向应变基本满足线性关系：

式中：AE 为累计振铃计数；ε为轴向应变；a、b为与含水率相关常数。

以饱和含水试样为例，累计振铃计数与轴向应变的关系如图7 所示。 由最小二乘法对参数进行拟合，其相关性系数为0.953，对其余含水率试样进行拟合，拟合系数均在0.95 以上，拟合关系式见表3。得到蠕变轴向应变与累计声发射振铃计数基本呈线性关系，且随着含水率的增加，拟合方程斜率不断减小，即含水状态影响着蠕变过程中累计振铃计数及轴向应变的大小。

图7 饱和含水试样轴向应变与累计振铃计数关系Fig.7 Relationship between axial strain and cumulative ringing count of saturated aqueous samples

表3 累计振铃计数与轴向应变关系Table 3 Cumulative ringing count and axial strain relationship

3.2 声发射振铃计数率

声发射振铃计数率能够反映材料的活跃程度，是指一个时间段内超过限定声发射阈值的振铃脉冲数。 图8 为声发射振铃计数率与蠕变曲线图，从图8 中可以看出，试样在初始压密过程中，声发射振铃率随时间大加而增加；当试样自瞬时蠕变到稳定蠕变阶段的过程中，声发射振铃率随蠕变时间的增加而降低；当应力水平向下一级跃迁时，声发射振铃率出现明显增加现象。

图8 声发射振铃计数率曲线Fig.8 Acoustic emission ringing count rate curve

这是由于每一级的跃迁会增加轴向应力，导致试样内部裂隙的进一步扩展，使声发射振铃率增加，当轴向应力逐渐稳定时，试样内部微裂纹的扩展缓慢，产生的振铃率随蠕变时间增加趋于稳定状态。

随着含水率的增加，声发射振铃率有显著影响：含水率为0 试样的每级加载阶段和匀速蠕变阶段的振铃率最大，而含水率为4%、8%及43.4%的声发射活动较含水率为0 时弱，每级蠕变阶段的声发射振铃率相对较少，且振铃率随着含水率的增加减小，其减小幅度见表4。

表4 声发射振铃率下降幅度Table 4 Sound emission ringing rate decline

这主要是由于在水的作用下，试样内部颗粒会与水发生反应导致试样被软化，含水率越高其软化程度越大，所以含水试样受到载荷时产生损伤较少，声发射振铃率较含水率为0 时要小。

当加载载荷达到每一级加载水平时，可以得到试样蠕变过程的减速蠕变阶段及匀速蠕变阶段。 在减速蠕变阶段时，试样内部裂隙扩展，声发射活跃程度增加，随着加载级数的增加，声发射振铃率有所增强，且含水率越大声发射振铃率越小，随着加载时间的延长声发射振铃率相应降低。 当进入匀速蠕变阶段时，新生裂隙较少，声发射振铃率比减速蠕变阶段减弱且趋于平稳，使得声发射振铃率在每一级蠕变阶段都会有增长－减小－稳定的趋势，且随着含水率的增加，振铃率减小幅度逐渐降低。

这是由于水能够软化煤体，影响试样的内部结构，含水率越大试样产生损伤越小、声发射活跃程度越低，导致声发射振铃率越低。 这与常规下含水率对煤样声发射振铃计数的影响规律相同［24］。 因此研究不同含水率与蠕变声发射参数的耦合关系，对瓦斯抽采钻孔稳定性的声发射检测有重要意义。

4 结 论

1）含水率的改变影响钻孔孔周煤岩体的蠕变力学性质。 低含水率对试样应变变化较小，并且随着含水率的增加，瞬时应变及稳态应变呈指数上升，同一应力水平下，饱和含水试样应变的增幅更加显著。 应力水平为80%情况下，饱和含水试样的瞬时应变及稳态应变较含水率为0 的试样增加了44.5%及28.6%。

2）累计振铃计数与蠕变曲线呈现一致性趋势。含水率影响着蠕变过程中累计振铃计数及轴向应变的大小，并且随着应力水平的增加，含水煤样累计振铃计数比干燥煤样减少40%～80%，且含水率越高，累计振铃计数增减幅度越大。

3）声发射振铃计数率在每一级蠕变阶段都会有增长－减小－稳定的趋势，随着含水率的增加，声发射活跃程度明显降低，导致累计振铃计数与振铃计数率都明显减小；并且蠕变曲线相对于声发射数据在时间上会出现一个滞后效应。