冲击倾向性煤岩动静载下破坏机理及声发射特性研究

任建喜，景 帅，张 琨

（西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054）

0 引 言

煤炭作为我国目前及未来重要储备能源，近年开采深度由浅埋逐渐转变为深埋。 自然条件下，深埋地层煤岩体处于高应力环境，节理裂隙发育，抗压强度较低。 具有冲击倾向性的煤岩受到施工及地震等动载扰动，内部储存弹性能增加到自身强度极限时会瞬间释放，其冲击动能造成围岩崩落及巷道急剧变形，甚至引发冲击地压。 因此对深埋巷道在动载影响下的具有冲击倾向性煤岩的破坏机理研究及如何应用于巷道围岩稳定性分析已经成为亟待解决的难题。

目前国内对于煤岩变形及破坏规律的研究已取得较大进展：国内学者通过煤岩单轴［1-2］试验，研究其层理特性及非均质性破坏特征；通过常规三轴加载试验研究其声发射特性［3-4］，利用CT 扫描研究其体分形维特征［5］；通过循环加卸载试验［6-8］研究煤岩破裂过程中声发射机理及损伤过程中能量演化规律；通过不同物理力学特性下煤岩加载试验［9-11］研究其声发射发生规律以及通过不同加载条件［12-13］研究其破坏机制和动力学响应；通过冲击载荷试验［14-15］研究其能量耗散机理；通过动载试验［16-17］研究其声发射动力演化机制；通过动静组合荷载试验［18-20］研究其应力波传播并建立突变模型理论。对于煤岩常规动静载下变形规律及声发射特性的研究前人已取得较大进展，但针对深埋煤层冲击倾向性煤岩动静载的变形规律及声发射演化规律研究还较为匮乏。 笔者沿袭前人试验及声发射研究成果，以彬长矿区埋深700 m 的胡家河煤矿巷道为研究对象，将具有冲击倾向性煤样在室内进行钻心取样，制作标准试件；分别开展三轴静载试验、三轴动载诱发试验、动载分级加载破坏试验，并进行声发射检测定位，根据试验及测试结果分析研究不同载荷条件下的煤岩破坏机理及能量演化规律。 研究内容对冲击地压下煤岩破坏机理及其发生条件分析具有参考意义。

1 煤岩动静载下破坏试验方案

1.1 试验设备介绍

采用深部岩土动静三轴力学特性试验加载系统（图1a）进行煤岩动、静态三轴加载。 系统由加载装置、测试系统、控制系统及动、静载油源组成。力加载速率0.01 ～300.00 kN／m；位移加载速率0.001 ～7.000 mm／s。 动载频率为0.1 ～10.0 Hz（负荷200 kN，动位移1 mm）。 采用美国PAC 数字化声发射检测系统（图1b）进行六通道定位检测，前置放大器增益为40 dB，滤波器频率下限100 kHz，上限1 MHz。 以非金属超声波检测仪（图1c）对标准试件（图1d）进行波形、声速、密度筛选，去除离散性较大的试件。

图1 试验设备及材料Fig.1 Experimental equipment and material

1.2 试验前准备

所用煤岩来自彬长矿区埋深约700 m 的巷道煤岩，在室内进行钻心取样、筛选，制得ø50 mm×100 mm 标准试件。 由矿区勘察资料得知煤岩所受原岩应力约为12 MPa，煤岩受到的地震动荷载多为类正弦波荷载扰动，频率为3 ～5 Hz，持续时间通常几十秒左右。 煤岩处于高应力状态，多数煤岩先期经受过动载扰动但未破坏，部分煤岩在高应力环境的动载扰动下直接破坏。 根据上述煤岩受力特征分别开展不同围压下的静载破坏试验，一定静载水平下的动载诱发试验，及动载分级加载破坏试验用来模拟煤岩不同工程条件下力学环境。 因此动载参数选择频率5 Hz、振幅10 kN 的正弦波。 首先对煤岩进行室内基本物理力学参数测定，结果如下：

通常煤岩埋深超过400 m 易发生冲击地压，因此需要检测煤岩的冲击倾向性。 根据GB／T 25217.2—2010《冲击地压测定、监测与防治方法》，对煤岩进行冲击倾向性测定，结果如下：

根据规范中冲击倾向指标判别方法可知：煤岩单轴抗压强度为强冲击倾向性，弹性能指数为无冲击倾向性，冲击能指数为强冲击倾向性，动态破坏时间为弱冲击倾向性。 当各项指标判别不一致时采用模糊综合评价法，4 个指数权重分别为0.3、0.2、0.2、0.3，最终判定所用煤岩试件为弱冲击倾向性，具备发生冲击地压的能力。

1.3 试验方案步骤

选取波速、密度相近，表面无明显裂隙节理的具有冲击倾向性的标准试件18 个，分为A、B、C 三组。 为防止煤岩动载作用与其加密及塑性阶段变形对裂隙发育的相互干扰影响，采用控制变量法在煤岩弹性初期阶段进行动载加载。 由静载曲线可知煤岩在围压12 MPa、轴向应力10 MPa 时处于弹性变形初期阶段，且动载最大应力低于塑性阶段的应力水平，因此选用轴向10 MPa 的初始应力进行动载加载。

1）静载试验。 A 组试件12 个，分别进行围压0、4、8、12 MPa 的静力加载三轴试验，每种围压做3个试件平行试验，结果差异较大的进行补做（下同）。 加载方式：首先施加围压，轴向加载速率通过应变控制为0.001 mm／s，加载至破坏。

2）一定应力水平下动载诱发试验。 B 组试件3个，进行围压12 MPa 的动载诱发三轴试验。 加载方式：静载加载速率通过应变控制为0.001 mm／s，首先静载加载到轴向应力10 MPa，然后进行正弦应力波振幅10 kN、频率5 Hz、持续时间1 min 的动载加载，动载完成后轴向静载加载至破坏。

3）考虑时间效应动载分级加载破坏试验。 C组试件3 个，进行围压12 MPa 的动载分级加载三轴试验。 加载方式：静载加载速率通过应变控制，为0.001 mm／s，首先静载加载到轴向应力10 MPa，然后进行正弦应力波振幅10 kN、频率5 Hz、持续时间10 min 的动载加载，动载完成后若试件未破坏则轴向应力每提高5 MPa（约10 kN轴向力）进行一次同样的动载试验，分级加载直至破坏。

2 煤岩动静载加载试验结果及分析

2.1 静载试验全应力-应变曲线分析

在静载试验中每种围压选取1 个试件绘制其全应力-应变曲线，如图2 所示。

图2 不同围压下煤岩全应力-应变曲线Fig.2 Full stress-strain curves of coal rock under different confining pressures

如图2 所示，煤岩在围压0、4、8、12 MPa 下轴向加载至破坏，其极限强度分别为31.5、46.7、58.4、63.8 MPa，破坏时应变分别为0.007 2、0.008 3、0.009 5、0.015 8。 不同围压下，煤岩变形阶段基本可划分为压密阶段、弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段、峰后破坏阶段5 个阶段。 单轴压缩状态下，煤岩有明显压密阶段，由于煤岩体自身内部缺陷及裂隙较多，导致加载过程中应力局部释放使其应力-应变曲线有较多突变。 随着围压升高，煤岩内部裂隙被提前压密，其压密阶段变短、塑性阶段变长。 随着围压升高煤岩破坏强度和应变均有显著增长，整体由脆性破坏转变为塑性破坏，但和软岩不同，无过多残余强度。 说明低围压下煤岩内部裂隙发育状况为强度主要影响因素，高围压下煤岩内部裂隙发育影响因素降低，其强度更依赖于其岩体自身特性。 对于具有冲击倾向性的煤岩，其破坏强度越大则应变越大，其峰前应力-应变曲线下包裹面积越大，说明内部储存弹性能越多，破坏时会瞬间释放更多能量，更易造成岩体突然破碎、巷道失稳。

2.2 一定应力水平下煤岩动载诱发试验分析

1）围压12 MPa 下静载与动载诱发试件的全应力-应变曲线及动载的应力-应变-时程曲线如图3所示。

如图3a 所示，静载下煤岩破坏强度为61.5 MPa，峰值应变为0.009 7，动载诱发后煤岩破坏强度34.8 MPa，峰值应变为0.006 8；强度降低43.4%，峰值应变降低29.9%。 可知动载诱发后煤岩在动载冲击作用下强度劣化明显且提前进入塑性破坏阶段。 如图3b 所示，动载前应力-应变呈线性关系递增，动载下应力与应变变化同步。 煤岩在静载10 MPa（弹性阶段）时进行动载加载，动载完成后应力恢复但应变增长0.000 71，未完全恢复。 说明动载导致煤岩在弹性阶段发生提前屈服，内部裂隙二次发育。

图3 动载诱发后煤岩破坏曲线Fig.3 Coal rock failure curves induced by dynamic loading

2）对围压12 MPa 下静载与动载分级加载破坏试验试件进行对比，绘制其全应力-应变曲线及应力-应变-时程曲线，如图4 所示。

如图4a 所示：动载分级加载破坏后煤岩峰值强度29.7 MPa，峰值应变为0.007 6，静载下煤岩破坏强度为61.5 MPa，峰值应变为0.009 7；强度与静载相比降低51.7%，与图3a 动载诱发试验相比降低14.7%。 可知煤岩分级动载加载后强度会进一步劣化但劣化程度较低，说明首次动载强度是煤岩破坏强度极限的主导因素，但动载时间增加会对其产生疲劳损伤，进一步降低其破坏强度。 由图4b 可知轴向应力10 MPa 时动载加载后应变增量约0.000 74，轴向应力15 MPa 时动载后应变增量约0.000 68，轴向应力20 MPa 时动载下直接发生破坏，无明显塑性变形。 与图3 动载诱发试验相比：同样在静载应力10 MPa 下，动载加载1 min 与10 min 引起应变增长量相近，说明动载强度较小时煤岩在长时间动载加载下应变不会持续增加，强度劣化及内部裂隙发育会逐渐停止。 轴向静载应力20 MPa 再施加动载，煤岩发生突然脆性破坏。 综上说明随着轴向应力增加煤岩再次受到动载扰动后达到破坏存在静力荷载状态的临界值（以下简称临界静载），未达到临界静载时煤岩在一定强度动载加载下应变增长会逐渐停止并达到稳定状态，达到临界静载后煤岩应变迅速增加发生破坏，基本无塑性变形。 本试验煤岩临界静载应力约为20 MPa。

图4 考虑时间效应动载分级加载破坏后煤岩破坏曲线Fig.4 Coal rock failure curves after time-effect dynamic step loading failure

2.3 煤岩动静载下破坏声发射能量演化分析

当岩石内部裂隙发育时会有弹性能释放，可通过检测传播到表面的剩余弹性能量来反映岩石内部裂隙的发育程度，通常由声发射能量（AE）表示。 冲击倾向性煤岩的破坏与能量释放有关，因此通过声发射能量分析煤岩不同应力阶段下内部能量的演化特征及规律差异。

1）对静载单轴、三轴试验，动载诱发、动载分级加载破坏试验分别进行声发射能量事件对比分析如图5 所示。

由图5a 图5b 可得，对于单轴试验，煤岩内部初始裂隙发育，在加载过程中应力随着裂隙闭合不断释放，在应力突变阶段能量发生跃迁，峰值破坏阶段能量跃迁达到最大，声发射能量约5.6 mV·s。 静载三轴条件下煤岩在围压下已基本完成压密，在峰值前加载阶段应力曲线光滑，能量基本无变化；应力峰值及峰后阶段随着应力逐渐释放，能量事件频繁发生，应力达到峰值时能量达到最大，声发射能量约7.2 mV·s。 对比可知静载单轴、三轴条件下，煤岩均在应力峰值附近能量达到最大，且围压下峰值破坏能量明显大于单轴状态。 说明静载条件下煤岩破坏应力与声发射能量呈正相关，应力水平越高其破坏时能量释放量越大。

图5 动、静载下煤岩声发射特征Fig.5 Characteristic of acoustic emission energy of coal rock under dynamic and static loading

由图5c 可得，煤岩在动载前静载阶段能量基本无变化，在动载加载阶段其冲击动能导致煤岩内部裂隙再次发育，造成煤岩内部弹性能释放，能量发生跃迁；动载后直到煤岩静载加载到之前动载应力最大值前能量基本无变化，体现了声发射凯泽效应。峰值后能量再次发生跃迁，且能量远大于动载加载阶段，最大约11 mV·s。 由图5d 可得，每阶段动载加载均有能量事件产生，但能量事件主要发生在动载初期阶段并未持续整个动载加载过程。 根据声发射能量产生原理可知未达到破坏应力前，动载加载导致煤岩内部裂隙发育达到了一个稳定状态，应变及裂隙发育并未随着动载加载时间增长而持续发展，与2.2 节中破坏曲线得出结论一致，此特性可作为煤岩在动载中是否达到稳定状态的判别依据。 三个动载加载阶段能量逐渐增大，且每阶段动载加载结束后再静载加载直到先前动载最大应力水平前无能量事件产生，有明显声发射凯泽效应。 能量最大值发生在煤岩峰值破坏阶段，约11.5 mV·s。 说明越接近煤岩破坏强度，动载导致煤岩内部裂隙发育越迅速，能量释放越大，此特性可作为判别煤岩动载下临近破坏的征兆。

综上所述：静载下煤岩破坏时应力越大其能量跃迁越大；动载扰动可导致煤岩破坏前内部储存更多弹性能，破坏后相比静载可释放更多能量；动、静载下能量最大值均发生在峰值破坏应力附近。 动载后煤岩声发射凯泽效应明显，可据此判断煤岩先期动载最大应力水平。

2）对围压12 MPa 的煤岩不同破坏形态与声发射最终破坏区域进行对比分析（图6）。

由图6a、图6d 可得，静载下煤岩为单向剪切破坏，形成贯通的剪切破裂面；声发射定位点主要分布在煤岩中心，沿破坏面向两侧扩展，与煤岩主破坏方向一致，表明煤岩破坏首先从内部开始逐渐贯通至煤岩表面。 由图6b、图6e 可得，动载诱发下煤岩破坏后表面形成多条竖向裂缝呈横向拉伸破坏，声发射定位点主要分布在煤岩内部及煤岩表面，表明煤岩破坏从内部开始扩展至表面。 由图6c、图6f 可得，动载分级加载至破坏后煤岩内部破坏严重，呈碎屑状，声发射定位点的密集分布状况表明煤岩内部破坏严重。 可知静载、动载诱发、动载分级加载破坏3 种加载方式下，煤岩破坏有明显差异。 即，破裂面明显增多，破坏程度愈加严重，由剪切破坏转变为横向拉伸破坏。 由上述试验可知声发射点可有效定位动静载下煤岩裂隙发育区域及主破坏方向。

图6 动静载下煤岩声发射定位Fig.6 Acoustic emission location of coal rock under dynamic and static loads

3 结 论

1）煤岩静载试验结果表明：煤岩变形可分为压密、弹性、弹塑性、塑性、峰后破坏5 个阶段。 随着围压增加其峰值强度及应变显著提高，储存弹性能能力增加。 煤岩大多呈单向剪切破坏，有明显贯通剪切破裂面。

2）煤岩动载诱发试验结果表明：在一定应力水平下经动载诱发后煤岩表面出现数条纵向裂缝，呈横向拉伸破坏，破坏后强度劣化明显。 煤岩动载加载时发生能量跃迁，动载停止后应变未完全恢复，发生屈服变形，峰值应变降低。 峰后破坏阶段能量事件频繁产生，远大于动载加载阶段。

3）煤岩动载分级加载试验结果表明：煤岩破坏后内部呈碎屑状，不同应力阶段动载加载初期均有能量事件产生。 煤岩动载破坏临界静载约20 MPa，未达到临界静载时在较低动载作用下应变增长会逐渐停止，达到临界静载后会发生迅速破坏。

4）煤岩动、静载下声发射能量检测结果表明：动、静载下煤岩声发射事件主要出现在动载加载初期及峰后变形阶段，能量释放与煤岩应力水平呈正相关。 煤岩动载下储存弹性能增加，破坏后能量释放远大于静载。 动载后煤岩进行静态加载，达到其动载最大应力水平前基本无能量事件产生，动载后声发射凯泽效应明显；声发射定位可有效反映其破坏区域及主破坏方向。 可由煤岩声发射能量事件变化规律判别其所处应力状态及先期所受动载强度。