循环荷载作用下煤岩力学及声发射特征研究_邓川.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 循环荷载作用下煤岩力学及声发射特征研究 邓川 1， 2 （1．贵州安和矿业科技工程股份有限公司， 贵州 贵阳 550023； 2．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039） 摘要 为研究平行层理方向煤岩体变形破坏力学特性及声发射 b 值演化规律， 以贵州毕节矿 区煤样为研究对象。借助 MTS815 配套声发射开展室内煤样多级循环加卸载试验。结果表明 煤 的弹性模量呈现出 3 阶段的变化趋势， 即急剧增加－缓慢增加－急剧降低； 煤的泊松比与不可逆 应变也呈现出 3 阶段的变化趋势， 即缓慢增加－逐渐增加－急剧增加。 随着应力水平的增加， 声发 射 b 值出现一定的波动， 然后又趋于平稳。当煤样接近失稳破断时， 声发射 b 值进一步降低。 关键词 煤； 循环荷载； 声发射； 应变能； b 值 中图分类号 TD315文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 02－0063-07 Study on Mechanical and Acoustic Emission Characteristics of Coal Rock Under Cyclic Loading DENG Chuan1,2 （1．Guizhou Anhe Mining Technology and Engineering Co., Ltd., Guiyang 550023, China;2．China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China） Abstract In order to study the mechanical characteristics of coal deation and failure and the evolution of acoustic emission b value of coal in parallel bedding direction, the coal sample in Bijie Mining Area of Guizhou Province is taken as the research object． In this paper, the indoor multi-stage cyclic loading and unloading test is conducted with MTS815． The results show that the elastic modulus exhibits a three-stage change trend, namely, a sharp increase-a slow increase-a sharp decrease; Poisson’ s ratio and irreversible strains also exhibit a three-stage change tendency, that is, a slow increase-a gradual increase-a sharp increase． As the stress level increases, the b value of acoustic emission fluctuates somewhat and then stabilizes． When the coal sample is close to rupture, the acoustic emission b value is further reduced． Key words coal; cyclic loading; acoustic emission; strain energy; b value 煤矿井下现场施工过程中，煤岩体时常受到顶 板来压、相邻工作面开采以及放炮震动等形式的循 环荷载作用，长期循环荷载将导致煤岩体力学强度 降低，从而诱发煤岩体失稳破断，并导致巷道或工 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．015 邓川．循环荷载作用下煤岩力学及声发射特征研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 63-69． DENG Chuan． Study on Mechanical and Acoustic Emission Characteristics of Coal Rock Under Cyclic Load－ ing［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 63-69． 376-384． ［7］ 张文忠．离层水突水模式与离层破断距 ［J］ ．湖南科技 大学学报 （自然科学版） ， 2015 （2） 20－23． ［8］ Li W, Liu Y, Qiao W, et al． An Improved Vulnerability Assessment Model for Floor Water Bursting Fr ［J］ ． Mine Water＆the Environment, 2017 （1） 1－9． ［9］ 国家煤矿安全监察局．煤矿防治水规定释义 ［M］ ．徐 州 中国矿业大学出版社， 2009 250－252． ［10］ 乔伟， 黄阳， 袁中帮， 等．巨厚煤层综放开采顶板离层 水形成机制及防治方法研究 ［J］ ．岩石力学与工程学 报， 2014， 33 （10） 2076－2085． 作者简介 徐建国 （1966） ， 男， 山东高唐人， 高级工程 师， 学士， 1989 年毕业于山东矿业学院， 主要从事矿井防治 水研究工作。 （收稿日期 2019-02-22； 责任编辑 陈洋） 移动扫码阅读 63 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 1试验试样 Fig.1Sample of the test 图 2试验装置示意图 Fig.2Schematic diagram of test equipment 作面服务年限降低[1-3]。因此， 研究煤岩体疲劳荷载 作用下的力学特性对煤矿井下安全开采及巷道支护 起到非常重要的作用。朱珍德[4]等从宏细观的角度 对花岗岩进行不同频率的循环加卸载试验。从试验 中得知，随着加载频率的增大，宏观损伤增量及细 观裂纹数量均增加。文献[5-6]等对砂岩进行不同围 压及不同加载速率下的循环加卸载试验，结果表 明，不同加载路径时，砂岩的物理力学特性呈现出 不同的演化规律。赵扬峰[7]等对岩石失稳破坏的多 参量前兆信号进行表征，研究发现，随着应力幅值 的增加， 多参量信号具有一定的 “记忆” 功能。综合 上述研究发现， 众多学者在岩石 （砂岩、 花岗岩和 大理岩） 的疲劳损伤力学特性方面开展了大量的室 内试验研究， 同时也取得了大量的研究成果[8-9]。尽 管也有不少学者对煤的疲劳损伤特性开展大量的研 究[10-12]， 但大多数研究主要采用垂直煤样层理方向 进行的疲劳荷载试验，而对平行煤样层理方向的疲 劳特性研究较少。 此外， 大多数研究者分析声发射 b 值演化的研究主要集中在单调加载方面[13-14]， 借助 于声发射 b 值对煤样在循环荷载作用下的研究也甚 少。鉴于此，采用 MTS815 岩石力学试验系统及 PCI-II 声发射采集系统进行单轴循环荷载试验研 究，探讨平行于煤样层理方向的变形破坏力学特性 及声发射 b 值演化规律。 1试验程序及测试装置 1.1试样准备及基本力学参数测定 以贵州毕节矿区煤样为研究对象，从煤矿井下 现场取出 1 块完整煤样，打包运至试样加工室。整 个试件钻取过程严格按照国际岩石力学测试标准加 工成 50 mm100 mm 标准试样[15]。煤的平均单轴抗 压强度为 14.32 MPa， 弹性模量为 1.79 GPa， 泊松比 为 0.39， 孔隙度为 7.93。由于煤的非均质性较大， 并且钻磨过程中极易断裂，再加上煤样采用平行层 理方向钻取，从而导致煤样的钻取成功率较低， 因 此，采用 2 个煤样测得结果作为该批煤的基本力学 参数。煤样破裂形态及试验试样如图 1。 从图 1 可以看出，不同于垂直层理方向的剪切 劈裂破坏，平行层理方向的煤样破裂形态沿层理面 发生张性拉伸破坏。另外，煤样在加载过程中出现 应变局部化以及应力曲线来回波动现象，该现象的 主要原因是由于煤样受载时局部新裂纹的起裂、 扩 展以及宏观裂纹贯通造成的。 1.2试验装置 本次试验借助 MTS815-03 岩石力学伺服试验 机，该试验系统主要由加载框架、轴向加载系统以 及数据获取系统组成，该加载系统的轴向加载力为 2 600 kN。声发射采集系统采用美国物理声学公司 生产的 PCI-II24 通道声发射仪， 声发射门槛值为 40 dB， 前置放大器为 40 dB， 声发射探头采用 NANO- 30。试验装置示意图如图 2。 1.3试验步骤 首先， 测定煤样的基本力学参数， 试验过程中采 用位移控制方式加载， 加载速率为 0.1 mm/min。其 次，以得到的单轴抗压强度值为依据，为下一步的 循环加载应力水平提供参考， 第 1 级至第 4 级的应 力振幅依次为峰值强度的 20、 40、 60和 80 ， 同一应力水平循环加卸载 20 次。整个循环加卸载 过程采用正弦波控制， 加载速率为 0.2 Hz， 以便模 拟煤矿井下开挖扰动、放炮震动或顶板来压等载 荷。煤样多级循环加卸载应力-应变曲线如图 3。 从图 3 得知， 当加载应力水平较低时， 应力-应 64 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 3循环加卸载应力-应变曲线 Fig.3Stress-strain curves of cyclic loading and unloading 图 4弹性模量演化规律示意图 Fig. 4Schematic diagram of elastic modulus evolution 图 5泊松比演化规律示意图 Fig.5Poisson’ s ratio evolution law 变之间围成的滞回环面积较小，随着应力水平和循 环次数的增加，滞回环面积逐渐增大，间接说明煤 样的损伤程度逐渐变大。此外， 从图中还可得知， 每 一应力水平的第 1 圈较同一应力水平的其它圈产生 的滞回环面积大。当应力水平增至第 4 水平时（即 应力幅值为峰值强度 80） ， 随着循环次数的增加， 煤样出现失稳破坏，表明在循环荷载作用下煤样的 力学强度较常规单调加载时降低。该现象的原因是 由于煤岩体在循环荷载作用下煤样内部发生疲劳损 伤，随着加卸载次数的增加，煤样内产生的累积损 伤越来越大， 从而导致其力学强度发生降解。 2煤样力学特性演化规律研究 2.1弹性模量的演化规律 弹性模量是表征煤岩体承载能力大小的重要指 标，该循环加载过程中，每一圈的弹性模量取该圈 对应加载段的直线段。弹性模量随循环次数的演化 规律如图 4。 从图 4 得知， 随着应力水平的增加， 弹性模量呈 现出急剧增加-缓慢增加-急剧降低的变化趋势。当 应力振幅为峰值强度的 20时， 循环加载至第 2 圈 时， 煤的弹性模量较第 1 圈急剧增加， 出现该现象的 主要原因是由于煤样加载前其内部含有大量的孔 洞、 孔隙以及微裂隙等缺陷。当受到外荷载作用时， 这些缺陷首先出现闭合， 使煤的承受能力增加， 导致 煤的承载能力瞬间增大， 从而表现为弹性模量增加。 另外， 从图中还可得知， 当应力振幅由第 1 水平增至 第 4 水平时， 平均弹性模量分别为 4.05、 4.32、 4.57、 4.16 GPa，对应的弹性模量增量分别为 6.51、 12.65和 2.57。 2.2泊松比的演化规律 泊松比也是表征煤岩体力学特性的 1 个比较重 要的力学参数，其值反映出煤样的横向与纵向变形 规律。泊松比随着循环次数的演化规律如图 5。 由图 5 可知，泊松比的演化规律与弹性模量相 反，整体上呈现出递增的趋势。随着应力水平的增 加， 泊松比呈现出缓慢增加-逐渐增加-急剧增加的 变化趋势。 从第 1 应力水平增至第 4 水平时， 煤样平 均泊松比分别为 0.07、 0.12、 0.23、 0.57，对应的泊松 比增量分别为 68.47、 238.46、 725.73。 2.3不可逆应变的演化规律 不可逆应变是指一次完整循环加载至最小应力 值时对应的应变，不可逆应变也是表征煤样损伤演 化的 1 个重要力学参数。不可逆应变随着循环次数 的演化规律如图 6。 由图 6 可知， 随着应力水平的增加， 不可逆轴向 和径向应变均呈现出逐渐递增的趋势。另外，从图 中还可得知， 从第 1 应力水平增至第 4 水平时， 煤样 平均不可逆轴向应变分别为 1.0910-3、 1.5410-3、 65 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 6不可逆应变演化规律示意图 Fig.6Schematic diagram of irreversible strain evolution 图 7不可逆体积应变演化规律示意图 Fig.7Evolution law of irreversible volume strain 图 8耗散应变能演化规律示意图 Fig.8Schematic diagram of evolution law of dissipated strain energy 2.0710-3、 2.9110-3，不可逆轴向应变增量分别为 41.28、 89.91、 166.97 。第 1 应力水平增至第 3应 力水平时， 对应的平均不可逆环向应变分别为-0.07 10-3、 -0.1810-3、 -0.5310-3， 不可逆环向应变增量分 别为 157.14和 657.14。 很显然， 当循环荷载为前 3 个应力水平时，不可逆轴向应变增量均大于对应的 不可逆环向应变。然而， 随着循环次数的增加， 煤样 接近失稳破坏时，不可逆环向应变增量较轴向应变 大。尤其当应力水平进入第 4 水平时， 煤样侧向变形 量增加剧烈。 2.4不可逆体积应变的演化规律 不可逆体积应变可以表征煤样发生体积压缩到 膨胀的临界点。不可逆体积应变随着循环次数的演 化规律如图 7。 不可逆体积应变通过式 （1） 计算得到 εvεa2εr（1） 式中 εv为不可逆体积应变； εa为不可逆轴向应 变； εr为不可逆径向应变。 从图 7 可以看出，不可逆体积应变呈现出先向 正方向缓慢增加，然后又向负方向急剧增加的变化 趋势。当循环加载增至第 3 应力水平时，煤样体积 从压缩状态逐渐向扩张状态转变， 因此， 第 3 应力水 平是体积压缩-扩张的临界转折点。当循环加载进 入第四应力水平时，煤样不可逆体积应变向负方向 急剧增加， 预示着煤样失稳破坏。 2.5累积耗散能的演化规律 众所周知，煤岩体的变形和破坏是 1 个渐进的 累积过程， 并且此过程还伴随着能量的耗散。因此， 通过分析能量耗散的演化来表征煤样循环加卸载过 程中的损伤演化规律。加卸载过程中，总应变能由 外部载荷提供， 弹性应变能由弹性变形产生的， 不可 逆应变产生耗散能。不同应力水平累积耗散能密度 的演化规律如图 8。 总应变能、弹性应变能以及耗散能计算公式如 式 （2） ～式 （4） U i tAH∫σ1dε1 n i 1 Σ 1 2（σ1i ＋σ1i-1） （ε1i-ε1i-1）（2 ） U i eAH∫σ2dε2 n i 1 Σ 1 2（σ2i ＋σ2i-1） （ε2i-ε2i-1）（3 ） U i dU i t-U i e （4） 式中 A 为试样面积； H 为试样高度； σ 为加载 过程中试样的应力； ε 为加载过程中应力对应的应 变； U i t、 U i e、 U i d分别为总应变能、 弹性应变能、 耗散应 变能。 从图 8 可以看出， 随着应力水平的增加， 煤样的 累积耗散能密度逐渐增加。此外，从图中还可以明 66 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 9应力-声发射演化规律示意图 Fig.9Schematic diagram of stress-AE evolution law 图 10声发射振幅-频度示意图 Fig.10Schematic diagram of acoustic emission amplitude- frequency 显得到，随着应力水平的增加，累积耗散能密度增 量逐渐增大，也说明煤样的损伤程度进一步增大。 当加载从第 1 水平增至第 4 水平时，平均累积耗散 能密度分别为 1.49、 3.70、 8.92、 27.60 kJ/m3，对应的 耗散能密度增量分别为 1.48 倍、 4.96 倍、 17.5 倍。 3煤样声发射特性演化规律研究 3.1循环荷载应力-声发射计数演化规律 借助 PCI-II 声发射仪采集系统， 得到整个循环 加载过程中声发射计数与应力之间的关系，煤样循 环加载过程中应力与声发射计数之间的关系如图 9。 从图 9 可以看出， 随着应力水平的增加， 声发射 事件出现明显的 Kaiser 效应， 在同一应力水平中， 声 发射计数最大值出现在该应力水平的第 1 圈，接下 来的 19 次循环中， 声发射信号相对于第 1 圈循环较 弱，并且声发射计数较平稳。该现象与煤样弹性模 量的变化规律一致，也进一步说明加载前煤样内部 含有大量的孔隙等缺陷。另外， 当试样接近破坏时， 声发射计数出现急剧增加的现象。 3.2循环加载声发射 b 值分析 在 分 析 世 界 各 地 的 地 震 后 ， Gutenburgand Richter 建立了 1 种经验关系式 lgN＝a－bM（5） 式中 M 为地震震级； N 为 1 个震级中大于 M 的事件数； a、 b 为常量。 从几何上解释， 声发射 b 值表现为直线斜率， 大 事件越多， b 值越小。从物理意义上可知， b 值反映 了大地震相对于小地震的比例。 b 值增加， 表现为小 事件所占的比例增加，表现为煤岩内部的微裂纹较 多， b 值在大幅度范围内突然变化意味着岩石内部 即将出现失稳扩展[16-17]。 在室内试验煤岩变形过程中，出现了类似地震 的小破裂事件， 这些微裂纹以弹性波的形式出现， 并 且自然地震与岩石断裂具有一定的相似性。因此， 采用式 （5 ） 中的峰值振幅代替 M， 从而获得混凝土 或岩石断裂时常用的 G-R 关系式 lgN＝a－b AdB 20 （6） 式中 AdB为声发射事件的峰值振幅。 利用声发射幅值分布统计函数，得到整个循环 加载过程中声发射幅值分布规律，煤样循环加载过 程中声发射频率与振幅之间的关系如图 10。 由于试验过程中声发射门槛值为 40 dB， 因此整 个加载过程中只得到振幅大于 40 dB 的一系列事件。 从图 10 （a ） 可以看出， 声发射振幅在 55～60 dB 占比重 最大， 80～85 dB 占比重最小。为了计算式 （6 ） 中 N， 需 要对各个振幅区间的声发射计数进行累加。从图 10 （b ） 得知， 各个振幅区间的累积计数逐渐减小。 67 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 11声发射b值演化规律示意图 Fig． 11Schematic diagram of evolution law of AE value b 3．3循环加载声发射 b 值演化规律 基于以往的研究结论[18-20]， 声发射 b 值随时间 的变化，能够表征不同加载阶段煤岩内部应力的变 化及裂纹扩展规律。因此，对声发射计数及能量与 声发射 b 值之间的演化规律进行统计计算。声发射 计数及能量与 b 值的关系如图 11。 从图 11 得知， 声发射 b 值随着应力水平的增加 出现了一定波动现象，说明煤样内部的微裂纹持续 萌生扩展，能量释放率较大，大事件出现的概率也 逐渐增加。当从第 1 个应力水平增至第 2 水平时， b 值增加，说明该应力水平小事件占的比例增加， 煤 岩内部表现为微裂纹产生，然后又趋于平稳。当煤 样接近破断失稳时， 声发射 b 值波动剧烈， 声发射 b 值出现大幅度降低。 4结论 1） 当荷载为低应力水平时， 应力-应变曲线围 成的滞回环面积较小，随着应力水平和循环次数的 增加，滞回环面积逐渐增大，也说明煤样的损伤程 度逐渐变大。此外，该煤样的疲劳损伤门槛值为其 单轴抗压强度的 80。 2） 随着应力水平的增加， 其弹性模量、 泊松比、 不可逆应变及耗散应变能的变化量与应力水平呈现 出正相关关系。 3） 声发射 b 值随应力水平的变化出现了一定波 动， 说明煤样内部的微裂纹持续萌生扩展， 能量释放 率较大，大事件出现的概率也逐渐增加。当煤样接 近失稳破断时， 声发射 b 值进一步降低。 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