压缩状态下煤体波速特性及损伤破坏演化规律研究

庞冬冬，侯志强，李传明，马海峰，朱传奇，陈中琪，罗肖龙

(1.安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南 232001；(2.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；3.淮北矿业股份有限公司 朱庄煤矿，安徽 淮北 235000)

近年来，随浅部煤炭资源的枯竭，全球煤炭资源的开采深度逐渐增加，深部开采过程中，煤岩体处于高应力环境中，采掘扰动极易引发煤岩失稳事故，且在煤岩失稳事故孕育突发过程中，以煤岩为载体，具有高危险性的瓦斯、水、粉尘等物质不断扩散、流动、聚集，煤岩失稳事故的突发容易并发其他类型的煤矿安全事故[1-3]。煤岩失稳事故的孕育和突发实质上是煤岩内部裂纹演化导致损伤，最终完全破坏的过程，在这过程中，处于力学特性突变阶段的煤岩体最易发生损伤破坏，诱发失稳灾害。因此，研究荷载作用下煤岩损伤破坏过程中的损伤破坏演化规律对防控失稳灾害具有重要的工程实践意义。

多年来，众多学者对煤岩体破坏过程开展了全面详细的研究。经典的岩石力学认为可将破坏过程划分压密、线弹性、屈服、软化和残余5个典型阶段[4]。英国学者Griffith[5]提出了针对脆性岩石的格里菲斯强度理论，该理论认为在应力作用下，岩石内部微裂纹尖端会产生应力集中，脆性材料的破坏主要是由裂纹尖端产生的新裂纹扩展导致的。以往的研究，取得了丰富的成果，为防控失稳灾害工程实践奠定了坚实基础[6-12]。目前，现场技术人员实施煤岩失稳灾害防控措施时，往往认为距离工作面不同位置处的煤岩体都具有引发失稳灾害突发高危险性[13-18]，针对采掘工作面附近煤岩体实施全局加固措施，相比之下，在煤岩失稳灾害易突发位置处采取局部加固措施则比较合理、经济[19，20]，但煤岩失稳灾害防控的局部加固措施还缺乏相应的理论指导。因此，研究荷载作用下煤岩损伤破坏过程，明确最易诱发失稳灾害阶段对高效防控技术措施具有重要的现场指导意义。基于此，以易突发煤岩失稳灾害矿区煤岩体为对象，通过室内实验测得开展煤岩单轴压缩实验，测得煤岩破坏失稳全过程的强度和变形特征、超声波传播信息、表面形态变化规律，区划煤岩破坏失稳阶段，分析各阶段的损伤演化规律，确定煤岩稳定性突变阶段。

1 实验方法

1.1 试样制备

试验用原煤采自中国淮南矿区，将原煤切割打磨后，加工成50mm×50mm×100mm长方形标准试样，试样的断面平整度在0.02mm以内，挑选表面裂隙较少的试样5块，试样尺寸及编号见表1。

表1 煤样基本物理力学参数

1.2 实验设备

煤岩力学特征与声学特性同步实时监测设备包括：①WAW-1000D微机控制电源伺服万能试验机，该试验机由主机、油源、测控系统、试验器具四部分组成，最大试验力1000kN，试验机准确度等级为0.5级，能够针对煤岩体开展也拉伸、压缩、弯曲、剪切等类型试验，测定煤岩失稳破坏全过程的强度和变形特征；②ZBL-U510非金属超声检测仪，该监测仪采样周期为0.05 ～ 409.6μs，采样精度为0.05μs，具有单、双通道连续快速采集及手动采集功能，能够监测煤岩失稳破坏全过程的超声波产传播特性；③CCD摄像机，该设备具有高清摄录功能，能够记录煤岩表面形态演化全过程。

1.3 实验步骤

煤岩力学特征与声学特性实验操作：①取出一试样，使用白色和黑色喷漆交互喷涂，将煤样表面喷涂成黑白均匀相间的图像，随后将试样放置于实验机加载台上，在试样周围均匀布置声波探头2个，声波探头布置如图1所示；②将探头接入ZBL-U510非金属超声检测仪，调试监测系统，直至波形和信号平稳；③开展单轴压缩实验，设定加载速率为0.002mm/min，加载后，每隔20s，运用ZBL-U510非金属超声检测仪采集1次声波特性参数；同时开启CCD摄像机，实时摄录煤岩表面破坏形态，直至试样完全破坏；④依次取出其他试样，重复步骤①—③。

图1 声波探头布置

2 试验结果分析

2.1 煤体全应力-应变曲线分析

各煤样应力/波速-应变曲线如图3所示，由图3可知：由于试样内部随机分布的大量初始缺陷，单轴压缩状态下煤体应力-应变曲线形态有所差异，但曲线的分布形态基本相同。以1#试样为例，应力应变曲线的4个阶段依次对应图中的oa段、ab段、bc段和cd段。在压密阶段，在煤样受载初期，试样内部初始微裂纹逐渐闭合，应力有较小的增加便会导致轴向应变的增量较大。在线弹性阶段，煤样内部内部的孔裂隙结构处于稳定状态，煤岩内部缺陷的体积和数目无明显变化，煤岩力学性质稳定。在屈服阶段，煤样内部微裂纹开始起裂扩展，并有大量微裂纹萌生，逐渐形成微裂纹区，缺陷的体积和数目总体增加，应力随应变非线性增大，应力增量逐步减小，直至极限强度。在软化阶段，煤体内部孔裂隙结构急剧扩展，最终导致试样完全损伤破坏。

依据试验结果，表1给出了煤样的基本力学参数。由表1可见：各试样的峰值应力分别为22.89、20.571、19.982、21.286、22.067MPa，平均值为21.359MPa；峰值应变在23.851～25.849×10-3范围内波动，平均值为24.797×10-3；弹性模量介于1.284～1.602GPa之间，平均值为1.491GPa。

图2 煤样的单轴压缩应力-应变曲线

2.2 煤体波速-应变曲线分析

依据实验测得结果，各试样单轴荷载下的波速-应变曲线如图3所示。由图3可知：各煤样的波速-应变曲线，先后经历平稳、缓慢下降，急剧下降的过程，以1#试样为例进行分析，在煤体应变由0增长到21.6×10-3过程中，煤体波速稳定在1.218～1.269km/s范围内，随加载的进行，波速由应变为21.6×10-3时的1.261km/s下降到应变为22.8×10-3时的1.193km/s，应变每增加1×10-3，波速降低0.063km/s，随后，快速降低至应变为25.2×10-3时的0.258km/s。

图3 煤样的单轴压缩波速-应变曲线

为深入研究煤体波速随应变的变化规律，将各试样指标-应变曲线划分为3个阶段，依次对应图4中的Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段，表2列出了不同阶段波速随应变的变化率(ε单位为10-3)。不同破坏阶段煤体波速随应变的变化率如图4所示，综合分析可见：在Ⅰ阶段，随荷载的增加，各煤样介波速基本无变化，平均变化率仅为0.0002；在Ⅱ阶段，煤样波速随应变的变化率在介于-0.0101～-0.0444之间，平均值为-0.0240，波速随应变逐渐降低；在Ⅲ阶段，煤样波速变化率处于-0.2084～-0.4764范围内，应变每增加10-3，平均波速降低0.3639km/s，均随应变的增加，波速急剧降低。

表2 煤体波速随应变的变化率

图4 不同破坏阶段煤体波速随应变的变化率

2.3 不同破坏阶段煤体表面形态演化

为进一步分析煤体的破坏特征，提取不同破坏阶段煤体表面形态，各试样表面形态演化过程如图5所示，结合图3分析可知：

如图5(a)所示，煤样受载初期(A点)，试样处于初始状态，表面仅仅零星随机分布的原始裂纹，随加载的进行，当试样轴向变形达到6.8×10-3时(B点)，煤体处于压密阶段，内部初始微裂隙被压缩，表面较初始阶段(A点)无明显变化，当试样轴向变形达到14.8×10-3时(C点)，煤体处于线弹性阶段，内部孔裂隙结构相对稳定，表面较初始阶段依然无明显变化，随加载的进行，煤体内部初始裂纹起裂且伴随着新的微裂纹萌生，并发育、扩展，当当试样轴向变形达到21.6×10-3时(D点)，试样处于屈服阶段，煤体表面从试样边缘丛生一条长度约0.8cm，开度极小的宏观裂纹1，随加载的进行，煤体内部裂纹稳定扩展，试样表面也出现显著的变化，当试样轴向变形达到23.2×10-3时(E点)，裂纹1充分发育后试样表面改位置处出现倒三角形的破落，煤体内部裂纹处于非稳定扩展阶段，随加载的进行，当试样轴向变形达到25.2×10-3时(F点)，煤体内部裂纹发育完全，试样完全失稳破坏，煤体表面大面积散落，剪切破坏特征明显。

如图5(b)所示，5#煤样受载初期，试样表面与加载前均无明显变化(A点、B点、C点)；随轴向变形的增加，试样表面开始出现宏观裂纹，或小面积的破落及劈裂(D点)，形态明显改变；随轴向变形的进一步增大，表面裂纹的长度和张开度快速扩展，出现大面积剥落(E点、F点)，形态急剧变化，最终完全失稳破坏，为劈裂破坏。从煤样破坏的最终形态来看，1～4#试样均为剪切破坏，而5#试样破坏更加剧烈，III阶段的波速变化率为-0.4764，明显大于其他试样(波速变化率为0.3639)，这种剧烈的破坏形态与波速的变化相吻合。

图5 各试样表面形态演化过程

综合看来：在煤体破坏的3个阶段试样表面形态具有明显的差异，在I阶段，煤体表面形态无变化，II阶段表面开始出现小范围的宏观破坏，形态明显改变，III阶段，表面宏观破坏快速扩大，形态急剧变化，最终完全破坏。

2.4 煤体损伤破坏特征定量表征

为定量表征荷载作用下的煤体损伤破坏程度，采用波速定义损伤变量D：

式中，V0为加载初期煤体波速，m/s，V为加载煤体波速，m/s。

基于煤体力学特征与声学特性测定实验获得的波速数据，运用式(1)求得的单轴加载过程中煤体损伤变量-应变曲线如图6所示。由图可知：随煤体轴向变形的增大，损伤变量呈现先平稳后缓慢增大再急剧增大的变化趋势，以1#试样为例，在轴向变形由0变化到21.6×10-3过程中，损伤变量一直在-0.05～0.036范围内波动，当轴向变形由21.6×10-3增至22.8×10-3时，损伤变量由-0.038增至0.071，应变每增加10-3损伤变量的平均增量为0.091；当轴向变形达到22.8×10-3后，随加载的进行，损伤变量快速增至应变为25.2×10-3时的0.657，增幅达621.98%。

图6 煤体损伤变量-应变曲线

综合5个试样的损伤变量-应变曲线来看，煤体在3个破坏阶段的损伤变量变化规律具有显著的差异性，在Ⅰ阶段，煤体损伤变量一直平稳在0附近，在Ⅱ阶段，损伤变量呈现缓慢增长的变化趋势，在Ⅲ阶段，损伤变量具有急剧增大的变化规律。

3 试验结果讨论

煤体是一种具有非均质性的脆性材料，在单轴荷载的持续作用下，一定条件下，煤体积聚能量突然释放会引发强烈的动力现象，1#、4#、5#试样在破坏失稳过程中突发的剧烈破坏现象，如图7所示，伴随着巨大的声响，脱落的煤体迅速蹦出，监测设备被弹出，在开采井下煤炭资源时，如若发生此类煤岩体破坏，极易引发动力灾害。

图7 煤体剧烈破坏现象

为预测防控煤岩动力灾害，将波速快速下降的起始点为破坏的前兆点，即破坏Ⅲ阶段的起始点进行统计分析，不同阶段损伤变量随应变的变化率参数见表3。

表3 煤体损伤变量随应变的变化率

由表3可知，煤体失稳破坏前兆点对应的应变与峰值应变的比值在94.5%～96.5%范围内，平均值为95.55%，对应的应力与峰值应力的比值介于93%～98.5%之间，平均值为95.68%，且对应的波速与初始波速的比值位于94.5%～98%之间，平均值为96.32%。整体看来，煤体在外部荷载的持续左右下，其内部孔裂隙等细观结构不断发育、扩展，声学特征与力学性质相继改变，当应变水平值达到95.55%，应力水平值达到95.68%时，煤体波速水平值为96.32%，煤体进入裂纹快速扩展的Ⅲ阶段，失稳灾害的即将发生，应立即采取防控措施。

4 结 论

1)获取了单轴压缩状态下煤体波速变化规律。随煤体轴向应变的增加，波速呈现平稳、缓慢降低再急剧降低的趋势。

2)揭示了荷载作用下煤体表面破坏特征演化过程。在煤样受载初期，煤体表面形态无明显变化；随轴向变形的增加，试样表面开始出现小范围的宏观破坏，形态明显改变；随轴向变形的增大，表面宏观破坏快速扩大，形态急剧变化，最终完全破坏。

3)得到了损伤变量演化过程。在煤样受载初期，煤体损伤变量一直平稳在0附近；随轴向变形的增加，损伤变量呈现缓慢增长的变化趋势；随轴向变形的进一步增大，损伤变量急剧增大。

4)获得了煤体失稳破坏的前兆信息。当应变水平值达到95.55%，应力水平值达到95.68%时，煤体波速水平值为96.32%，煤体裂纹快速扩展，即将发生失稳灾害。