不同蠕变作用声发射特征及对煤岩力学性能试验研究

孙佳鑫， 杨华清， 姜封国

（1.黑龙江工商学院铁道学院，哈尔滨 150025；2.中山大学地球科学与工程学院，广东 珠海 519000；3.黑龙江科技大学建筑工程学院，哈尔滨 150020）

0 引言

随着我国煤炭行业的发展，煤矿逐渐转向深层开挖，煤矿矿洞的安全问题已经成为煤炭行业不容忽视的问题之一。随着煤炭开采深度的加大，井下的工作环境变得更加复杂恶劣，面临着高应力、高渗透、高地温及强开采扰动的复杂开采条件使得煤柱在围岩压力的作用下会发生蠕变现象，进而会使煤岩体内部发生裂纹损伤，导致煤矿事故的发生。近些年来许多学者对岩石的蠕变特性以及抗压强度做了大量的研究，取得了丰富的成果。

在蠕变机制研究这一方面，范雁秋等［1］研究结果表明泥质软岩的蠕变机制是蠕变过程中损伤效应与硬化效应共同作用的结果。宋勇军等［2］提出了非线性蠕变模型，该模型可以全面反映岩石蠕变过程中的硬化和损伤机制。吴池等［3］对岩盐三轴蠕变声发射特征进行了研究。李彦伟［4］从加载速率的角度研究了煤样的峰值强度、弹性模量、轴向应变与加载速率的关系。

此外，沈鑫等［5］研究了砂岩在冻结条件下的力学特性。张欢等［6］研究了含水砂岩在-10°C和-15°C时的动态压缩力学性能。宋勇军等［7］研究了红砂岩在低温条件下的蠕变特性，并提出了新的蠕变模型。李宏岩［8］研究了砂岩低温状态下的动态力学特性。

以上这些成果都从不同的角度探究了岩石的损伤和破坏规律。借鉴前人的经验文中研究了不同蠕变作用对煤岩力学性能的影响。

1 试验设备和试样的制备

1.1 试验设备

在试验过程中所使用的设备是北京生华兴业有限科技公司生产的SAEU3H声发射检测系统和长春科新试验仪器有限公司研发生产的SAW-2000型微机控制电液伺服试岩石三轴试验机。声发射检测是一种对于材料在应力作用下的动向变化非常有效的检测方法。声发射源发射的弹性波传播到达材料表面，引起可用声发射传感器探测的表面位移，并将材料的机械动转换为电信号，然后被放大、处理和记录。SAW-2000型微机控制电液伺服试岩石三轴试验机能进行稳定的恒荷加载和单轴压缩试验，可以满足试验要求。

1.2 试样的制备

试验为了避免试验的离散性在矿井下同一地点取得大块煤样，在井下现场封蜡后运达试验室。然后试验室内按照《煤与岩石物理力学性质测定方法》的要求，将煤块加工成50mm×100mm标准试样，并用保鲜膜包裹。

2 试验方案

（1） 将上述制作加工完成的试块分为A、B、C、D4组。每组两块试样，编号为1、2。首先取A组试样A-1、A-2做单轴压缩试验，并取其单轴抗压的平均值最为煤样单轴抗压强度。

（2） B、C、D分别取煤样单轴抗压强度的30%、45%、60%做2h的短时蠕变作用处理，探测并记录整个过程的声发射数据。

（3） 将蠕变作用后的B、C、D3组煤样做单轴压缩试验。

3 结果分析

3.1 不同应力水平蠕变作用下的声发射特征

试验采用SAW-2000型岩石试验机进行蠕变作用试验［9］，通过EOOD能实现加载方案的控制，满足试验要求，并配备声发射系统进行声发射特征记录，通过蠕变作用试验，得到煤样在不同应力水平蠕变作用下的应变-时间图和声发射特征图，然后进行进一步分析。

从图1可以直观的看出，煤样在不同应力水平蠕变作用试验中，在加载阶段都会产生瞬时变形，此时声发射振铃计数和声发射能量会突增，且声发射振铃计数和声发射能量随着蠕变作用力的逐级提升而增大［10］。这是因为，在加载初期煤样内部的原始孔洞、裂缝随着荷载的增加，不断受到挤压以致孔隙闭合，发生摩擦滑移以及相互咬合现象，产生了大量的声发射信号，声发射信号比较活跃。煤样在30%应力水平的作用下，在加载到恒载时声发射振铃计数和声发射能量有突增，保持所加荷载不变声发射振铃计数和声发射能量随着时间的增大而减小并趋于稳定。这表明低应力蠕变作用试验中，煤样内部结构主要经历了原始孔洞的、裂缝的挤压和闭合，该过程对煤样的稳定影响较小，所以只在加载过程中产生了大量的声发射信号，后又降低趋于稳定值［11］。

图1 声发射特征

煤样在45%应力水平的作用下，在加载到恒载时声发射振铃计数和声发射能量有突增，当保持所加荷载不变时声发射振铃计数和生发射能量随着时间的增加相对稳定。这表明煤样在45%应力水平的蠕变作用试验中，首先经历了煤样内部原时孔洞、裂缝闭合的压密阶段，导致声发射信号活跃声发射振铃计数和声发射能量突增［12］。当到了恒载蠕变阶段声发射振铃技术和声发射信号并没有降低而是趋于稳定，这表明煤样内部在经历过压密阶段后有萌生了新的裂缝，新的裂缝不断的产生闭合，导致声发射信号恒定且波动较小。

煤样在60%应力水平的作用下，在加载到恒载时声发射振铃计数和声发射能量有突增，当保持所加荷载不变时声发射振铃计数和声发射能量随着时间的增长先减小到后期声发射振铃计数和声发射能量突变，声发射振铃计数和声发射能量与时间整体上呈现“U”型规律。这表明煤样在60%应力水平的蠕变作用试验中，首先经历了煤样内部原始孔洞、裂缝闭合的压密阶段，导致声发射信号活跃声发射振铃计数和声发射能量有所突增。当到了恒载蠕变阶段也会萌生新的裂缝，但与45%应力水平蠕变作用下的煤样相比，裂缝的数量不会增加，而是在裂缝的尺寸上缓慢的增长，这导致了在恒载阶段声发射信号有所降低。随着蠕变作用时间的增加，裂缝会不断的发展，最终出现较大的裂缝，使煤样的损伤变大，进而使声发射信号又有突增，声发射信号活跃，使得声发射振铃计数和声发射能量进一步增加［13］。

3.2 煤样的峰值强度与不同水平蠕变作用的关系

峰值强度是指单轴压缩试验过程中单位面积上所能承受的极限荷载。煤样在单轴受压的条件下，煤样内部会产生应力，这种应力会随着外荷载的增大而增大，当煤样内部的承载力小于外部的荷载时，煤样就会发生破坏，在煤样破坏时的极限应力值就是抗压强度。表现为煤样应力应变曲线的最高点。由表1可知，不做任何处理的煤样，单轴抗压强度分别为26、25.5MPa，平均值为25.75MPa。在经过30%应力水平蠕变作用处理后，煤样的单轴抗压强度分别为28.6、25.5MPa，平均值为28.3MPa，强度增加了9.9%。在经过45%应力水平蠕变作用处理后，煤样的单轴抗压强度分别为22.5、20MPa，平均值为21.25MPa，强度降低了17.4%。在经过60%应力水平蠕变作用处理后，煤样的单轴抗压强度分别为20、18MPa，平均值为19MPa，强度降低了26.2%。

表1 不同应力水平蠕变作用煤样的抗压强度 MPa

煤样的峰值强度随着不同应力水平的蠕变作用处理后，峰值强度出现先增加再减小的趋势，如图2所示。并且这种趋势，会随着应力水平的增加而减缓，抗压强度降低趋势明显。

图2 单轴抗压强度-蠕变应力水平

煤样与其他岩石还有很大的不同，由于其形成的过程以及所经历的变形，导致了煤是一种包含各种原始孔洞和裂缝的结构性介质，不同的应力水平蠕变作用对煤样内部产生的影响也不一样［14］。我们可以把煤样的应力应变峰前曲线分为3段，压密阶段、弹性阶段、塑性阶段。压密阶段以煤样内部孔隙闭合软弱结晶闭合以及矿物质填充压实为主。弹性阶段主要为压密煤样弹性压实，此时煤样体积缩小，这一过程可逆。塑性阶段萌发新的裂纹，并不断的扩展，从一两条细小裂纹，扩展到又宽、又长、又密的裂纹。不做蠕变处理的煤样单轴压缩试验过程中，在达到峰值强度之前都会经历这3个阶段［15］。

煤样在经过30%应力水平蠕变作用处理过后，煤样内部的孔隙闭合，内部的软弱矿物质进一步填充孔隙。煤样内部的矿物晶粒，在晶界处产生大量的位错积累，导致位错效果以及晶粒的轨迹运动受到不同程度的阻碍。这时煤样内部的晶粒闭合程度提高，并在重分布的作用下，煤样的密实度增大，微裂缝和孔洞会闭合，裂缝和孔隙密度会有所降低。闭合后的煤样，在外荷载卸载后不会完全回弹，在接下来的煤样单轴压缩的试验过程中，煤样内部结构密实度要比未作处理的煤样内部密实度要高，使得其抗压强度也有所增强。

煤样在经过45%应力水平蠕变作用处理过后，煤样在产生瞬时应变的过程中也经历了孔隙闭合阶段，但在45%应力水平蠕变作用下，煤样内部会产生一些微小的裂纹，这一过程是不可逆的，使得煤样发生劣化现象，导致煤样的单轴抗压强度比未作处理的煤样单轴抗压强度降低。煤样在经历过60%应力水平蠕变作用处理过后，煤样内部的微小裂缝得到进一步的发展、扩列，这一过程也是不可逆的，煤样的劣化效果加强，导致煤样的单轴抗压强度与未作处理的煤样单轴抗压强度有显著的降低。

此外蠕变作用会出现硬化和损伤两种现象。衰减蠕变阶段，试样在蠕变作用中以发生硬化现象为主，促使煤样的单轴抗压强度增强。稳态蠕变阶段，试样在蠕变作用中硬化现象和损伤现象共存，损伤现象率大于硬化现象，导致煤样的单轴抗压强度降低。在加速蠕变阶段，试样在蠕变作用中以发生损伤现象为主，导致煤样单轴抗压强度进一步降低。

3.3 煤样的峰值应变与不同应力水平蠕变的关系

峰值应变是指煤样达到峰值应力时所对应的峰值应变值，指的是煤样在单轴压缩的过程中，煤样在峰值状态下与之对应的应变值。表2为不同应力水平蠕变作用后煤样的峰值应变。

表2 不同应力水平蠕变作用煤样的峰值应变

从图3可知，煤样经过不同应力水平蠕变作用处理后，煤样的峰值应变先降低再增加。不做任何处理的煤样，峰值应变分别为0.74%、0.71%，平均值为0.725%。在经过30%应力水平蠕变作用处理后，煤样的峰值应变分别为0.69%、0.68%，平均值为0.685%，峰值应变降低了5.5%。在经过45%应力水平蠕变作用处理后，煤样的峰值应变分别为0.55%、0.55%，平均值为0.55%，峰值应变降低了24.1%。在经过60%应力水平蠕变作用处理后，煤样的峰值应变分别为0.69%、0.65%，平均值为0.67%，峰值应变降低了7.5%。

图3 峰值应变-蠕变应力水平

煤样是一种不等向、非均质的材料。在不同的应力水平蠕变作用下，煤样产生的作用不同。煤样在经过30%应力水平蠕变作用后，煤样内部的孔隙压密，煤样内部矿物质晶粒进一步咬合，煤样体积缩小，有了一定的变形，使得经过30%应力水平蠕变作用后的煤样在单轴压缩过程中，压密期的非线性阶段变短，导致了峰值对应的峰值应变提前。

煤样在经过45%的应力水平蠕变作用后，煤样内部的孔隙进一步压密，煤样的体积缩小，这一过程由于煤样内部结构的重新分布，变形是不可逆的，并且萌发了一些新的裂缝，使得经过45%应力水平蠕变作用后的煤样在单轴压缩的过程中，萌发的新裂缝首先会被压密，应力重新分布，其结果又引发了次薄弱部位的破坏，使得煤样内部裂隙扩展变快，导致煤样峰值应变进一步降低。

煤样在经过60%应力水平蠕变作用后，煤样内部产生了大量的新生裂缝，使得煤样在单轴压缩的过程中，压密期非线性阶段变长，弹性阶段变短，塑性阶段边长，最后导致煤样的峰值应变降低，但相比较前一级的应力水平的峰值应变略有增长。

3.4 煤样的弹性模量与不同应力水平蠕变的关系

试验中我们常用的弹性模量为杨氏模量，从宏观的角度讲，是指材料体抗变形的能力，从微观角度上讲，是原子、离子或分子之间键合强度的反映。温度、湿度、损伤、化学成分等均能影响材料的弹性模量。杨氏模量是指，试样在单轴压缩的过程中，煤样会随着应力的增长不断的变形，得到应力应变曲线中，取应力-应变曲线近似直线部分的斜率，即弹性阶段的斜率为弹性模量。弹性模量能反映出煤样的变形特性，是衡量计算材料力学特性的重要指标。在实际工程中，弹性模量越大，表征在外力的作用下，材料的变形越小，材料的刚度越大。

从表3可知，不做任何处理的煤样，弹性模量分别为4、5GPa，平均值为4.5GPa。在经过30%应力水平蠕变作用处理后，煤样的弹性模量分别为7.1、7.1GPa，平均值为7.1GPa，弹性模量增加了57%。在经过45%应力水平蠕变作用处理后，煤样的弹性模量分别为5.7、5.71GPa平均值为5.71GPa，弹性模量增加了26.8%。在经过60%应力水平蠕变作用处理后，煤样的峰值应变分别为4、5GPa，平均值为4.5GPa，弹性模量与不做任何处理煤样相近。

表3 不同应力水平蠕变作用后煤样的弹性模量 GPa

弹性模量-蠕变应力水平如图4所示。经过不同应力水平蠕变作用处理的煤样，随着应力水平的增长，弹性模量先增加逐渐降低。经过45%应力水平蠕变作用处理后的煤样比经过30%蠕变应力水平处理后的煤样弹性模量降低了19.6%，经过60%应力水平蠕变作用处理后的煤样比经过30%蠕变应力水平处理后的煤样弹性模量降低了36.6%。

图4 弹性模量-蠕变应力水平

以上现象表明，煤样在经过较低水平应力蠕变后，煤样内部孔隙闭合，煤样内部结构变得密实，煤样出现了硬化现象，煤样单轴抗压强度增强，煤样单轴压缩应力-应变曲线，压密期非线性阶段变短，煤样抵抗变形的能力增强，促使煤样的弹性模量变大。煤样蠕变作用随着应力水平的提高，煤样内部的裂隙不断的产生、发育，损伤不断的积累，使得煤样强度不断降低，煤样抵抗变形的能力降低，导致煤样的弹性模量随着应力水平的提高而降低。

4 结语

煤样低应力水平蠕变作用下，声发射振铃计数和声发射能量随着时间的增大而减小并趋于稳定。煤样在45%应力水平蠕变的作用下，在加载到恒载时声发射振铃计数和声发射能量有突增，当保持所加荷载不变时声发射振铃计数和生发射能量随着时间的增大相对稳定。煤样在60%应力水平蠕变的作用下，在加载到恒载时声发射振铃计数和声发射能量有突增，当保持所加荷载不变时声发射振铃计数和声发射能量随着时间的增长先减小趋于稳定到后期声发射振铃计数和声发射能量又有所突变，声发射振铃计数和声发射能量与时间整体上呈现“U”型规律。

蠕变作用会出现硬化和损伤两种现象。煤样在低应力水平蠕变作用下，试样在蠕变作用中以发生硬化现象为主，促使煤样的单轴抗压强度增强。煤样在中高应力水平蠕变作用下，试样在蠕变作用中损伤现象大于硬化现象，导致煤样的单轴抗压强度降低。

煤样随着不同应力水平的蠕变作用处理后，煤样的峰值应变先降低再增加，峰值强度出现逐渐减小的现象，并且这种降低趋势，会随着应力水平的增加而降低，抗压强度降低趋势明显。煤样的弹性模量随着蠕变应力水平的增加逐渐降低。