三轴循环加卸载下单结构面煤岩长度效应试验研究

刘　超，马天辉，成小雨

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.大连理工大学 岩石破裂与失稳研究所，辽宁 大连 116024；3.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

三轴循环加卸载下单结构面煤岩长度效应试验研究

刘超1，3，马天辉2，成小雨1

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.大连理工大学 岩石破裂与失稳研究所，辽宁 大连 116024；3.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

[摘要]针对裂隙煤岩体的结构面效应，通过在煤岩试样表面预制特定角度和深度、不同长度的单结构面，以三轴循环加卸载试验为手段，利用CRIMS-DDL600电子万能试验机和SAEU2S多通道声发射检测系统，研究了单结构面煤岩体的强度、变形特性、破坏形式和声发射特征受结构面长度变化的影响。试验结果表明：随着循环加卸载次数的增多，试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势；结构面角度一定，试样的抗压强度随着结构面长度的增大而减小；结构面长度越大，结构面效应对试样自身的材料破坏影响越明显，具体体现为试样沿结构面的滑移破坏和穿切结构面的破坏；随着循环加卸载的进行，声发射信息经历了加载初的少量随机期、加卸载时的规律波动期、破坏前的密集活跃期、主破坏发生后的峰值和峰后衰减期，声发射信息可以较好地反映试样的破坏过程，破坏前的声发射密集活跃期可以作为判定试样破坏的前兆。

[关键词]三轴试验；循环加卸载；裂隙煤岩体；结构面效应；破坏形式

在地下矿山工程中，含结构面岩体是一类广泛存在的复杂工程介质，受矿山开采活动的影响，含结构面岩体处于不断变化的三向或二向应力环境中，在动压的作用下，岩体易发生失稳破坏，从而引发冲击地压、煤与瓦斯突出和突水等动力灾害[1-5]。结构面对岩体的物理力学性质有重要影响，含结构面岩体的强度一般会受到岩体自身强度、结构面强度或其组合方式的控制。如果岩体的主破坏是沿结构面的剪切滑移，则岩体的强度完全受结构面的控制，岩体发生了结构面效应引起的破坏；如岩体沿表面发生破坏，则岩体的强度受自身强度的控制[6-8]；岩体的破坏也可能出现受结构面和岩体自身性质共同作用的情况[9-13]。因此，研究含结构面岩体在三向应力环境中，循环加卸载状态下的强度、变形特性及破坏特征，对进一步了解矿山动力灾害的致灾机理及灾害防治具有重要的意义。

目前，国内外许多学者对三轴条件下岩体破坏的结构面效应进行了研究，取得了丰富的研究成果，其中典型的有：NASSERI M.H.等[14-15]发现岩样的破坏形式可分为3种，结构面倾角和围压是影响试样破坏形式的主要因素；韩建新等[16]认为岩体的破坏形式主要是由岩体的最小主应力、内摩擦角、黏聚力和裂隙的内摩擦角、黏聚力、倾角共同决定的；Li J L等[17]通过对节理岩体进行加卸载试验，得出卸荷试验对节理岩体强度的影响比加载试验更大；李宏哲等[18]通过对含贯通节理的大理岩试样三轴试验后发现，试样主要有穿切节理面破坏和沿节理面滑移2种破坏形式，而试样的破坏形式则取决于节理面与最大主应力夹角的大小。

虽然上述研究成果在一定程度上解释了岩体的结构面效应，但多数研究并没有考虑结构面的长度对岩体强度、变形特性及破坏特征的影响。本文以澄合矿业集团董家河煤矿工作面煤岩为试验对象，通过在试样表面预制特定倾角、不同长度的单结构面，从岩体的结构面长度效应入手，以三轴循环加卸载试验为手段，研究单结构面煤岩体的强度、变形特性、破坏形式及声发射特征。

1试样特征及试验设计

试验试样均取自澄合矿业集团董家河煤矿，从工作面煤壁及煤层直接顶选取比较完整的大煤块、岩块及矸石块，在实验室内沿垂直层理方向，采用密集布孔方式钻取，加工成直径为50mm，高度为100mm的标准圆柱形煤、岩、矸石三类试样，试样加工精度按照《岩石试验方法标准》(GB50218-94)执行。在试样侧表面预制单结构面，本试验仅考虑结构面长度的影响，预制结构面角度均为30°，结构面深度均为2mm，结构面长度分为30mm，40mm和50mm三级。部分加工完成的试样如图1所示，试样规格及分组如表1所示。

图1　部分加工完成的试样

试验在西安科技大学矿山工程力学实验教学中心CRIMS-DDL600电子万能试验机上进行。试验围压设定为7.0MPa，采用轴向位移控制的方式加卸载，加载速度0.001mm/s。试验时，首先增加围压至7.0MPa，并使围压在试验过程中保持恒定；然后进行轴向位移加载，加载至试样抗压强度的50%后，再卸载至试样抗压强度的10%，之后每次循环加载量增加10%，卸载量保持不变，直至试样破坏。试验同时利用SAEU2S多通道声发射检测系统采集信号，实时监测声发射信息，采样频率为1.5MHz，门槛值设定为45dB。

表1　试样规格及分组

2试验结果及分析

2.1强度和变形特性

各试样在循环加卸载条件下，应力-应变曲线均呈现出振荡特征，加载时试样产生压缩变形，应力和应变不断增大，卸载时试样产生回弹变形，应力和应变不断减小。试样在循环加卸载条件下，表现出了明显的记忆性，循环加卸载曲线的外包络线几乎与单调加载的全程应力-应变曲线相吻合。加载和卸载曲线路径不重合，形成封闭的回线-加卸载弹性滞后环，在加卸载的过程中，应力和应变并不存在一一对应关系，这表明试样的线性变形并不意味着弹性变形。试样屈服破坏后仍具有一定的承载能力，这时主要依靠试样内部裂隙间的摩擦滑移来承载，表明在压应力作用下的闭合裂隙，不仅能承载正应力，而且也可以通过摩擦承载剪应力。随着循环加载应力水平及循环次数的增加，加载量逐渐接近试样的抗压强度，每一级加卸载将对试样造成新的累积损伤，导致循环加载时应力增加变缓，应变量增大，试样弹性恢复应变能力减弱，宏观上表现为循环加卸载曲线不断向前推移，且每次循环曲线的斜率逐渐减小，曲线逐渐变稀疏，也意味着不可逆变形随着加卸载次数的增多而不断增大，并且呈非线性增大的趋势，如图2所示。

如图3所示，对比试样在结构面角度一定(30°)、深度一定(2mm)、长度不同条件下的抗压强度可知，随着结构面长度的增大，试样抗压强度呈现出不断减小的趋势。说明试样的抗压强度与结构面长度关系密切，结构面长度是试样损伤的反映，随着结构面长度的增加，试样的强度降低。

图2　不同试样的应力-应变曲线

图3　抗压强度-结构面长度关系

2.2破坏形式

在结构面角度一定(30°)，长度为30mm的条件下，预制结构面对岩样和矸石破坏形式的影响并不明显，主要体现为试样自身的材料破坏(沿试样表面发生剪切破坏)；而此时预制结构面对煤样的破坏形式产生了一定程度的影响，主要体现在形成了穿透结构面两端边缘的纵向裂缝，这是由于煤体中的原生裂隙较岩体和矸石相对密集，且煤体强度较低，在外压的作用下，原生裂隙之间和裂隙与结构面之间易发生相互贯通，形成次生薄弱结构面，从而发生了复合破坏(结构面破坏与试样自身材料破坏相结合)。

在结构面长度为50mm的条件下，结构面效应引起的破坏起到主导作用，主要体现在试样沿结构面产生了剪切滑移，且出现多条穿透结构面的纵向裂缝，这是由于试样在轴向压力的作用下，在结构面边缘处易形成纵向的剪切和张拉应力集中而发生破坏。部分试样的破坏形式如图4所示。

图4　部分试样破坏形式

由以上分析可知，结构面长度对试样的破坏形式有着较大影响，在结构面角度一定的条件下，结构面长度越大，对试样自身的材料破坏影响越明显，具体体现为结构面效应引起的沿结构面滑移和穿切结构面的破坏。

2.3声发射特征

三类试样的声发射特征基本相似，主要分为4个阶段：加载初期、加卸载波动期、破坏前密集期和破坏后阶段。在加载初期的压密阶段，产生少量声发射信息，偶尔出现较大声发射信息，且具有很大随机性和波动性，声发射能量较小，可以理解为试样在较低应力作用下，试样内部原始裂纹发生闭合及闭合后粗糙面发生摩擦滑移破坏而产生声发射信息；在加卸载波动期，声发射信息呈现出一定的波动性，且相比加载初期能量和计数较大，这是由于在每次加卸载循环过程中，试样内部产生了疲劳损伤，且随着加卸载循环的推进，损伤不断累积，声发射能量和计数呈非线性增长趋势；在破坏前密集期，试样进入了屈服阶段，此时声发射活动异常活跃，体现出高能量和高频率特征，直至主破坏发生后，声发射能量瞬间达到峰值，在应力跌落过程中，声发射计数和能量仍然较高，声发射信息随应力降低而逐渐减少。部分试样声发射特征见图5。

图5　部分试样声发射特征

从上述分析可以看出，声发射信息可以较好地反映试样的破坏过程，破坏前的声发射密集期可以作为判定试样破坏的前兆。

3结论

(1)各试样在循环加卸载条件下，应力-应变曲线均呈现出振荡特征，且循环加卸载曲线的外包络线几乎与单调加载的全程应力-应变曲线相吻合；试样加载和卸载曲线路径不重合，形成了封闭的回线-加卸载弹性滞后环；试样的不可逆变形随着循环加卸载次数的增多而不断增大，并且呈非线性增大的趋势；试样屈服破坏后仍然具有一定的承载能力。

(2)试样的抗压强度与结构面长度关系密切，结构面长度的大小是试样损伤的反映，结构面角度一定时，随着结构面长度的增大，试样抗压强度大体呈现出不断减小的趋势。

(3)结构面长度对试样的破坏形式有较大影响，在结构面角度一定的条件下，结构面长度越大，对试样自身的材料破坏影响越明显，具体体现为结构面效应引起的沿结构面滑移和穿切结构面的破坏。

(4)各试样的声发射特征基本相似，随着加卸载的进行，声发射信息经历了加载初的少量随机期、加卸载时的规律波动期、破坏前的密集活跃期、主破坏发生后的峰值和峰后衰减期。声发射信息可以较好地反映试样的破坏过程，破坏前的声发射密集活跃期可以作为判定试样破坏的前兆。

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[责任编辑：李宏艳]

Experimental Studying on Coal Petrography Length Effect of Single Structural Plane under Triaxial Cyclic Loading and Unloading

LIU Chao1，3，MA Tian-hui2，Cheng Xiao-yu1

(1.Energy Resource School，Xi’an University of Science & Technology，Xi’an 710054，China；2.Instability & Seismicity Research Institute，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；3.Education Ministry’s Key Laboratory of Western Mine Exploration & Disaster Prevention，Xi’an 710054，China)

Abstract：To structural plane effect of fractured coal petrography， single structural plane that include some characters as special angle，depth and different length was prefabricated on the surface of coal petrography sample，on the basis of triaxial cyclic loading and unloading experiment，the following characters such as single structural plane strength，deformation characters，broken type and acoustic emission characters that influenced by different structural plane length were studied by omnipotent testing machine(CRIMS-DDL600)and multi-channel acoustic emission detection system(SAEU2S).The results showed that irreversible deformation of sample was nonlinear trend with cyclic loading and unloading times increased，compression strength of sample decreased with structural plane length increase as structural plane angle unchanged，broken influence of sample material was obviously with structural plane length increase，which included slipping failure along structural plane and cutting failure，with cyclic loading and unloading，acoustic emission include the following periods：same amount and random period at initial loading，regular fluctuation period at loading，densely active period before damage，peak value and attenuation period after main damage，the damage process could be illustrated by acoustic emission information，the sample damage characters could be evaluated by acoustic emission actively period before damage.

Key words：triaxial experiment；cyclic loading and unloading；fractured coal petrography；structural plane effect；damage form

[收稿日期]2015-11-24[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.005

[基金项目]国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2014CB047100)；国家自然科学青年基金项目(51304154)

[作者简介]刘超(1981-)，男，河南息县人，副教授，主要从事煤岩体破裂失稳机理与监测预警方面的工作。

[中图分类号]TD989；TU45

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0020-04

[引用格式]刘超，马天辉，成小雨.三轴循环加卸载下单结构面煤岩长度效应试验研究[J].煤矿开采，2016，21(3)：20-23，35.