煤岩卸荷破坏声学特性及变形破坏机理

霍小旭

(山西焦煤汾西矿业,山西 孝义 032300)

随着我国经济水平和工程技术等方面的不断提升,加上一些自然因素,许多的工程建设如隧道、水电洞室以及采矿等都不断地向更深入的地方开展.但是在这个过程中,从工程项目安全的角度出发,考虑深部岩石在工程建设过程中的应力变化是工程安全的必要保证[1,2].据相关数据表明,现在水电站中的引水隧洞埋深在2 000 m以上,在这种条件下,地应力能达到20 MPa以上[3],而在矿业系统中,随着浅部资源的枯竭,向深部开发是必然趋势,无论是在国内还是国外,现在采矿深度都能达到1 000 m，甚至更深[4-6].

深部的岩石无论是结构还是应力状态都是很复杂的,在工程施工的过程中,会导致原有相对稳定的结构破坏和应力的重新分布,甚至直接造成整体破坏,加之深部环境的复杂性,可能在施工过程中会伴随大变形和涌水等工程灾害的发生,从而出现工程事故.从受力过程分析,地下深部施工对于岩体来说,实际上是一个加卸荷的过程,在这个过程中,原来高应力、复杂的岩体就会有一个释放能量的途径,从而危险系数较浅层岩体来说大大上升.加之现有的工程技术手段都是借鉴浅层岩石的一些规律和工程经验,施工的安全很难得到保证.因此与深部岩石强度紧密相关的卸荷破坏机理的研究是很有工程意义的.

1 试验设计及理论基础

1.1 试验基础

图1 部分煤岩试样

声发射来源于Kaiser效应,即岩石在破坏变形过程中会将应变能等以弹性波的形式释放出来[7],声发射可以很好地监测岩石在破坏变形过程中内部裂隙发育的过程,为了研究岩石破坏的过程和机理,声发射是一个很好的手段.本次研究着眼于深部巷道,研究在掘进的过程中卸荷对于煤岩的影响,通过室内的试验为主要手段进行研究.图1是制作好的部分煤岩试样.

煤岩与大部分岩石一样,体内含有大量的天然裂隙,在外力作用下,体内的裂隙缺陷发育扩展,最后形成宏观裂纹,通过声发射参数、应力应变与时间等数据,可以对裂纹的演化进行定性和定量的预测[8-10].通过对煤岩试样在单轴、三轴和三轴卸荷等不同试验条件下进行声发射试验,从而得到煤岩试样的破坏机理.

1.2 分形维值计算理论

据相关研究发现分形也存在于声发射与时间之间[11],分形维数中的关联维数作为最常用的参量可以用来表明岩石类材料内部裂纹动态变化的过程,而关联维数D常用的计算方法是G-P算法[12],这种方法首次将一维的时间标量用来研究多维空间的矢量.通过将每个具体的声发射参数组成一个时间的序列,容量记为n,

X={x1,x2,…,xn}.

(1)

通过一个自建的m维相空间,其中m

X1={x1,x2,…,xm}.

(2)

去掉x1再构建第二个相点

X2={x2,x3,…,xm+1}.

(3)

如此循环,依次构成N=n-m+1个相点,则关联函数可以表示为

(4)

通过一些转化得到关联维数D与关联函数C(r)和观测尺度r的关系,如式(5)所示.

(5)

2 试验结果分析

通过收集和处理煤岩试样在破坏过程中产生的声发射信号,以此推测煤岩内部裂纹的演化规律.声发射常用的参数有以下3种,分别是振铃计数、幅值和能量[13].每种试验都只选取累计振铃计数与应力随加载时间变化的曲线图,以及分形维值D随时间变化的曲线图进行分析.

2.1 单轴压缩试验分析

图2选取的是单轴压缩试验条件下煤岩声发射的累计振铃计数变化规律,从图2中可以看出,累计振铃计数与煤岩的应力应变曲线存在明显的对应规律,即煤岩在孔隙压密阶段和弹性阶段,内部的孔隙没有扩展,此时声发射的参数几乎处于平稳发展阶段.但是当煤岩进入破坏阶段,随着孔隙的发展和破坏,声发射参数瞬间进入跳跃式发展,说明声发射参数能比较准确地反映试样的破坏情况.

运用G-P算法和MATLAB软件,编写程序将声发射得到的能量率计算出分形维数,图3是煤岩在单轴压缩条件下的能量与分形维值关系图,从图3中可以看出,相关系数在0.95左右,说明了声发射的能量参数与其拟合线之间有很好的相关性,因此,亦可将声发射能量分形维数作为煤岩内部损伤和破坏演化的一种评价依据.

图2 单轴压缩累计振铃计数

图3 单轴压缩能量与分形维值D

2.2 三轴压缩试验分析

图4、图5和图6是在三轴压缩试验条件下,围压分别为5,15,30 MPa下累计能量示意图.从图中可以看出,煤岩与大部分岩石一样,应力应变曲线符合随着围压增大,强度增加的一般规律.当围压为5 MPa时,最大偏应力为42 MPa;当围压为15 MPa时,最大偏应力为64 MPa;当围压为30 MPa时,最大偏应力为80 MPa.

图4 三轴压缩围压5MPa累计能量

图5 三轴压缩围压15MPa累计能量

图6 三轴压缩围压30 MPa累计能量

在三轴压缩条件下,无论围压多大,能量在前期规律都是一致的,及在进入塑性变形之前,能量几乎没有波动,这是因为当有围压存在时,会将煤岩内部的孔隙先压缩紧密,在破坏之前,内部几乎没有孔隙的发展破坏.当进入宏观破坏阶段时,围压较低时,能量存在跳跃,而高围压则不存在,这主要是因为煤岩相对于其他岩石而言,力学性质相对没有那么稳定,在低围压下,局部应力集中达到极限状态时就会出现能量的突降,但是此时煤岩仍然具有承载力.直到出现明显的滑移导致完全破坏时,能量参数才达到一个稳定值.通过研究还发现,声发射能量参数与围压也有明显的对应关系,当围压较小时,声发射能量率只有3 800左右,但是当围压较大时,声发射能量率能达到6 500左右,主要原因是,在高围压条件下,试样被压缩的更加紧密,试样破坏更加困难,且破坏时产生的裂纹将会变得更多,所以当都发生宏观的滑移破坏时,高围压所产生的能量就会越大.

2.3 三轴卸荷试验分析

图7 加载应力比与分形维数关系

在卸荷围压过程中,声发射的规律与三轴压缩过程声发射的规律大同小异,即高围压会使得煤岩内部相对比较稳定,在卸荷的过程中,局部应力集中不那么明显,破坏也没那么明显,因此,围压越大,卸荷过程中产生相应的破坏能量会更多.选取不同围压卸荷过程破坏的分形维数,如图7所示,从图7中可以看出,不同围压下,分形维值整体均满足一定的规律性,即最开始在无裂纹产生和扩展时,分形维值较小,随着应力的增加,部分裂纹产生和扩展时,分形维值逐渐增加,当弹性阶段过渡到塑性阶段时,弹性波动导致分形维值减小,当应力比达到0.8,开始进行卸荷时,煤岩出现破坏,分形维值又开始有所增加.分形维值随着围压的变化处于波动的变化,无明显的对应关系,这主要是因为围压是对煤岩本身自带的裂纹扩展有着约束作用,而原始试样自带的微小裂纹无法定性,因此呈现出波动状态,说明分形维值与煤岩本身的性质有关.

3 结论

1)单轴压缩下,声发射参数表现为前期平稳,塑性阶段后跳跃式发展.

2)三轴压缩下,试样整体更加稳定,声发射能量参数值先增后减再增,围压越大,试样出现相同破坏所需能量越大.

3)三轴卸荷与三轴压缩在卸荷之前声发射规律一致,卸荷后试样破坏加剧,声发射参数值增加.

4)分形维值D能很好地反应煤岩内部裂纹演变的规律.