煤岩力学特性降解及声发射信号多参量特征试验研究

高 硕，雷瑞德，徐新杭，许石青

（1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳550025；2.重庆大学 资源与安全学院，重庆400044）

煤矿井下巷道施工或工作面开采过程中，巷帮和煤壁常常受到邻近采区作业、放炮震动以及上覆岩层顶板初次来压和周期来压等幅值不等的周期性荷载作用，致使其物理力学行为呈现出不同程度的降解，久而久之，煤岩体遭受的累积损伤将致使井下主要巷道的服务年限减小[1-3]。再加上煤岩体经历较长时间的构造沉积作用，其内的孔裂隙及层理构造较发育。因此，层理面的存在，极易导致煤岩体沿着弱化带发育方向发生断裂失稳等灾害[4-5]。因此，研究循环荷载作用下煤岩样的力学行为、声发射特征以及微观裂纹机制显得非常必要。

文献[6]针对含预制裂隙花岗岩开展了不同裂纹几何配置的单轴加载试验，当作用力达到损伤应力水平时，断裂过程区被激活；此外，发现声发射事件率与加载历程成倒“U”型曲线，并得到断裂过程区活化与增强是该曲线产生的主要原因。张艳博[7]等对花岗岩破裂过程中的声发射信号耦合关系进行了详细的分析，结果发现，高频低幅值和低频高幅值是导致花岗岩大尺度断裂的主要特征信号。近年来，大量学者对煤岩疲劳荷载作用下的声发射信号特征进行了大量的报道[8-9]，研究结论有助于深入理解煤岩体断裂失稳机制，并能够有效地预测预警煤岩体临界破裂的前兆信息。上述研究发现，大多数对声发射信号特征及微观裂纹机制的研究主要集中在花岗岩和大理岩等强度较高的脆性岩石[10-15]。然而，借助于声发射多参量信号分析含平行层理煤样疲劳断裂特性及微观裂纹机制的研究甚少。同时，基于加卸载响应比定义的损伤因子来表征循环加卸载作用下煤样损伤演化的研究仍较少。

1 试样循环加载试验

1）基本力学参数测定。测试的煤样取自贵州毕节矿区。首先，从工作面挑选出1块均质性较好且宏观裂纹较少的完整煤样，打包运至试样加工室。随后，按照试验方案沿平行层理方向钻取煤样，煤样加工过程严格按照国际岩石力学测试标准。并且借助密度和波速筛选出试验所需的试样。最后，开展一系列单轴压缩试验，加载方式采用位移控制，加载速率为0.1 mm/min。

2）试验装置。采用MTS815-03岩石力学伺服试验机配套声发射仪，其中加载系统主要由加载框架、轴向加载系统以及数据获取系统组成。该液压伺服加载系统的最大轴向承载力为2 600 kN。此外，该系统可以模拟多种波形下的单轴和三轴循环加卸载试验。声发射系统为PCI-II 12通道声发射仪，对应的门槛值和前置放大器均为40 dB，声发射探头采用NANO-30，其最优采样频率为150～400 kHz。

3）试验步骤。首先，基于获得的单轴抗压强度σc作为设置循环加卸载应力幅值的参考。接下来，计算出循环荷载作用时每1个应力水平的幅值。第1级至第4级的应力幅值分别为0.2σc、0.4σc、0.6σc、σc。此外，同一应力水平循环加卸载20次。整个循环加卸载过程采用正弦波控制，加载速率为0.1 Hz，以便模拟煤矿井下常常发生动力灾害的频率[11]。

4）循环加载作用下煤样应力-应变特征。循环加卸载作用下煤样应力-应变曲线如图1。由图1得知，当应力水平较低时，加卸载曲线之间围成的滞回环面积较小，主要原因为孔裂隙发生闭合，即该阶段以非线性变形为主。随着应力水平的增加，同一加卸载曲线之间的滞回环面积逐渐增大，说明煤样内微裂纹逐渐成核贯通。另外，1个有趣的现象是同一应力水平下第1圈较其它圈产生的滞回环面积最大。当加载水平增至第4水平时，该阶段明显不同于前3个应力水平。加载进入第4应力水平时，滞回环面积逐渐增大，预示着试样内的宏观裂纹逐渐扩展贯通，伴随着煤样的轴向承载能力也逐渐降低。另外，从图中还可明显看出，循环荷载作用下煤样的强度较单调加载时低，其主要原因是煤样受循环加卸载时产生的累积损伤较单调加载时大。因此，导致煤样在循环加卸载作用下的力学强度发生了降解。

图1 循环加卸载作用下煤样应力-应变曲线Fig.12 Stress-strain curves of coal sam ple subjected to cyclic load/unload

2 煤样变形特征分析

2.1 弹性模量

弹性模量是表征物体变形能力以及间接表征煤岩损伤程度的1个重要指标。在循环加卸载过程中，弹性模量的获取方法是以直线段的斜率为计算标准。加卸载过程中煤样弹性模量演化规律如图2。

由图2可知，总体来说，随着应力水平的增加，弹性模量在前3个应力水平作用下呈现出不同程度的增加。同时，各个应力水平之间的变化量是不同的。从加载开始至第1圈时，弹性模量首先呈现出急剧增加，随后又来回波动的现象。其主要原因是煤样内的微孔裂隙被压密，从而导致煤样变形呈非线性趋势。第2应力水平的第2圈至最后1圈，发现弹性模量较第1应力水平发生了显著的增加。此外，第2阶段弹性模量的变化相对稳定。当荷载增至第3应力水平时，弹性模量呈现出逐渐降低的趋势。该现象也能间接说明荷载增至第3应力水平后煤样内产生了大量裂纹。当应力水平进入第4应力水平时，弹性模量急剧下降，该现象也预示了试样即将发生失稳破坏。

图2 加卸载过程中煤样弹性模量演化规律示意图Fig.2 The evolution of elastic modulus in the loading and unloading process

2.2 泊松比

泊松比是表征煤岩材料变形极限能力的1个重要参数。加卸载过程中煤样泊松比的演化规律如图3。

图3 加卸载过程中煤样泊松比演化规律示意图Fig.3 The evolution of Poisson’s ratio during loading and unloading process

从图3可明显看出，随着应力水平的增加，泊松比的平均变化量逐渐增加。前2个应力水平下泊松比几乎是相等的。当荷载增至第三水平时，其泊松比相比前两水平变化较大。详细地，每一个应力水平对应的平均泊松比分别为0.131 3，0.149 4，0.292 3和0.702 4。可明显看出，当荷载增至第四应力水平时，煤样泊松比瞬间大于0.5，该现象也进一步预示煤样即将失稳破裂。

2.3 不可逆应变

不可逆应变是指每次轴向作用力卸载至最低值时所对应的轴向（环向）应变。不可逆应变也是表征煤岩损伤演化的重要参数。煤样加卸载过程中不可逆应变演化规律如图4。

图4 加卸载过程中煤样不可逆应变演化规律示意图Fig.4 The evolution of irreversible strain in the loading and unloading process

从图4可以看出，前2个应力水平下，不可逆轴向和环向应变在各自应力水平中近似相等。该现象间接地表明了前2个应力水平下煤样始终处于弹性变形阶段。当荷载升至第3水平时，不可逆轴向和环向应变均出现缓慢的增加。当试样进入第4应力水平时，其轴向和环向不可逆应变的非线性特征越来越显著。此外，屈服阶段之前，煤样的轴向不可逆应变的绝对值均大于环向不可逆应变。在试样接近破坏时，环向不可逆应变突然增加，说明环向膨胀变形量主导了整个煤样的稳定性，最终导致试样发生膨胀拉剪破坏。

3 声发射关键信号特征分析

3.1 主频及主频幅值提取过程

声发射波形信号中蕴含丰富的裂纹断裂特征信息。为研究声发射信号的主频及主频幅值特征，故以煤样加载过程中1个典型的声发射波形信号为例分析。从时域转化到频域的主频和主频幅值提取过程如图5。

从图5（a）可知，声发射波形信号的特征不明显，为了获得频谱成分较单一的突发型信号，通过快速傅里叶变换方法将大量声发射信号从时域转换到频域。并且提取出每个波形信号对应的主频特征值，从而为分析不同应力水平作用下试样的主频及幅值与应力耦合关系做铺垫。

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图5 主频和主频幅值提取过程Fig.5 The extraction process of AE signals

3.2 关键特征信号分析

基于上述提取方法，得到循环荷载作用下声发射信号的主频及主频幅值。基于文献[9-11]对主频带区间划分的方法，将20～125 kHz、125～200 kHz、200～305 kHz分别对应了频谱中低频、中频和高频3个频率段。众所周知，不同优势频率和频带特征对应了不同尺度的破裂事件。因此，对煤样加载过程中频域特征的研究显得非常重要。主频特征值与应力耦合演化规律如图6。

从图6（a）可以直观地观察到，低频带占比例最大，高频带次之，中频带占比最小。具体地说，整个加卸载过程中低、中和高频带的百分比分别为77.41%、6.18%、16.41%，其中低频高幅值特征信号占主导地位，进一步暗示低频高幅能量信号主导了煤样宏观破裂的大尺度事件。

从图6（b）可知，声发射信号呈现出明显的Kasier效应。当试样处于前3个应力水平阶段时，声发射事件主要以高频低幅值能量信号为主，并伴随有零散的低、中和高频特征信号。该现象的主要原因是由于初始加载阶段，煤样内原始孔裂隙发生拉伸破断或闭合。此外，从前3个加载阶段也可以看出声发射主频特征信号较复杂，但主要以小尺度破裂为主。随着应力幅值的增加，低、中和高主频幅值均出现显著地增加。不同应力水平下，低、中和高频特征值占比分别为77.41%、6.18%、16.41%。

图6 主频特征值与应力耦合演化规律Fig.6 The coupling evolution of dom inant frequency and stress

4 疲劳损伤演化机制

4.1 基本参数介绍

声发射是评价煤岩及混凝土材料损伤演化的重要工具，它被定义为材料在承受荷载作用时以微裂纹的形式释放出高频弹性波[14-15]。

为了对加载过程中声发射事件的裂纹进行定性的划分，通过对声发射计数、持续时间、上升时间和振幅等参数的关系计算得到裂纹分类统计参数AF和RA，如式（1）和式（2）。

式中：C为声发射计数；TD为持续时间。

式中：TR为上升时间；A为振幅。

该裂纹分类方法是基于JCMS-IIIB5706规范，其试验结果的验证是通过对混凝土实施四点弯和直剪试验获得[16-18]。然而，需要指出的是对于RA和AF二者之间比例的定义标准尚未确定。根据以往对砂岩及混凝土材料研究发现二者之间比例近似为1∶70[17-18]。因此，采用该比例对循环加卸载中产生的微观裂纹类型进行划分。

根据AF和RA参数的定义，煤岩加载过程中的裂纹主要分为拉伸裂纹和剪切裂纹，当RA占比重较大，而AF比重较小时，则加载过程中试样内的剪切裂纹较发育。同理，当RA比例较小，而AF占比例较大时，对应的拉伸裂纹较发育。

4.2 微观裂纹演化规律

RA-AF关系和RA-AF密度云图如图7。基于统计计算的方法得到的裂纹分类AF与RA之间关系如图7（a），采用概率密度函数的方法获得的RAAF概率云图如图7（b）。

图7 RA-AF关系和RA-AF密度云图Fig.7 RA-AF relationship and RA-AF density cloud chart

从图7可直观得知，剪切裂纹在整个循环加卸载过程中占比较大。详细地，拉伸裂纹和剪切裂纹占比分别为37.9%和62.1%。该结论与混凝土和岩石试样获得结果较近似。进一步表明RA与AF比例为1∶70作为划分煤样受循环荷载作用下产生的拉伸裂纹和剪切裂纹也是合理的。从图7（b）还可直观的观察到，微观拉伸裂纹和剪切裂纹积聚区的概率密度分布大小。

4.3 疲劳损伤演化

众所周知，煤岩破裂是1个渐进的损伤演化过程。由于加卸载响应比这一理论在预测岩石失稳或工程材料结构失效等灾害事故中起到了非常重要的作用。因此，借助循环加卸载响应比对整个循环加载过程损伤过程进行量化表征[19]。

式中：Y为响应比；M+、M-分别为加载和卸载阶段的响应率。

式中：M为响应率；△p、△R分别为载荷和变形的增量。

式中：△ε、△σ分别为应变和应力的增量。

因此，加卸载响应比可转化为：

式中：E+、E-分别为加载段和卸载段弹性模量。

为了进一步量化整个加载过程的损伤演化特征，损伤变量定义为[20]：

式中：D为损伤变量；m为威布尔指数。

整个加载过程中煤样的损伤演化规律如图8。

图8 煤样累积损伤演化规律Fig.8 Evolution law of cumulative damage of coal sam ple

从图8中可知，损伤并非从零开始，其主要原因是由于煤岩内部的孔裂隙结构复杂，其初始损伤主要源自于试样内已有的微裂纹以及其它扰动作用诱发产生的裂纹。总体来说，累积损伤变量随着循环次数的增加而增加，呈现出非线性的增长趋势。此外，该损伤变量不仅考虑了初始损伤量，而且能够量化表征整个加载过程的损伤演化规律。

5结论

1）应力-应变曲线围成的滞回环面积与应力水平及循环次数呈正相关关系。该煤样的多级循环荷载门槛值为其峰值强度的80%左右。当荷载增至损伤应力门槛后，弹性模量的降解量逐渐增大。另外，泊松比和不可逆应变的变化量在弹性阶段之前均呈现出可逆现象。当加载进入屈服阶段之后，二者的变化呈非线性的不可逆增长趋势。

2）不同应力水平下，低、中、高频特征信号占比分别为77.41%、6.18%、16.41%。低频高幅值信号占主导地位，进一步暗示低频高幅能量事件是导致煤样宏观破裂的主要特征信号。

3）基于微观裂纹机制分析得知，整个加载过载中拉伸裂纹和剪切裂纹占比分别为37.9%和62.1%。

4）基于加卸载响应比定义的损伤变量，不仅考虑了初始损伤程度，而且能够量化地表征不同应力水平的损伤演化规律。