中间主应力对煤岩力学与声发射特征的影响

彭岩岩，邓浩翔，樊 啸

（1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000；2.绍兴文理学院 浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴312000）

煤矿开采工程中，深部地下工程岩体处于三向受力状态[1]。边坡、隧道或矿山等工程的开挖会引起临近开挖面区域范围的岩体出现强烈扩容，并伴有张拉与剪切等复杂的力学破坏。因此，研究深部地下工程岩体的力学性质，仅仅依靠单轴压缩、拉伸试验或常规三轴压缩试验是远远不够的，而需通过真三轴试验来模拟岩体真实受力情况。近年来，研究人员进行了大量室内真三轴试验研究。例如，何满潮等[2]对深部高地应力区花岗岩开展真三轴卸载试验，得出其岩爆诱发机制与破坏特征。吕颖慧等[3]进行了花岗岩的真三轴卸载试验，在应变空间中推导了考虑岩石变形参数劣化效应的力学本构方程。王永鑫等[4]利用真三轴试验机对岩石试样进行一系列压缩与剪切作用下的加、卸载试验，得到了不同卸载阶段回弹剪切模量的变化规律。吕有厂等[5]进行了煤岩的真三轴恒定轴压卸围压试验，发现煤岩的能量耗散与卸载围压的速率有关。薛世鹏等[6]通过真三轴试验机模拟矿井下应力条件，并结合声发射设备对煤岩体破坏做出预警。郤保平等[7]采用真三轴THMC耦合作用试验机对花岗岩的热变形及膨胀系数的变化规律进行研究。李文帅等[8]开展砂岩的真三轴加载试验，并结合CT扫描技术，系统研究了不同中间主应力条件下，砂岩的强度、变形等特征。高明忠、谢和平、张朝鹏等[9－11]，利用真三轴试验对深部矿山开采时岩石的力学行为进行研究。然而，目前针对中间主应力影响的真三轴试验研究相对较少。因此，以煤岩为研究对象，通过真三轴加、卸载试验模拟地应力作用下岩体的瞬态卸载[12]（钻爆开挖）破坏，并利用声发射探测技术，探讨中间主应力对岩石强度及破坏的影响。

1 试验方案

1.1 试验设备

真三轴加卸载试验装置由DTRB－1000地声过程模拟装置及三轴工装所组成。设备采用3个方向6个刚性独立加载模块模拟深部地下工程三向应力状态。声发射系统采用美国物理声学公司生产的PCI设备。设备由6个前置探头、6个信号放大器、AEwin系统主机以及相应管线所组成，可采集煤岩在破坏过程中的撞击计数、幅值、能量、空间定位等信息。

1.2 试样制备

选取煤岩为研究对象，煤岩取自内蒙古自治区鄂尔多斯市某矿回采工作面，为保持试样原有应力状态，将从采煤工作面选取大块煤岩体进行加工，对表面进行研磨，使其水平和竖直不平行度小于0.02 mm，形成100 mm×100 mm×100 mm规格的煤岩试样，并用保鲜膜进行包裹。煤岩的平均密度为1 578 kg/m3，泊松比υ=0.31，弹性模量E=1.75 GPa,平均峰值抗压强度σc=14.6 MPa，黏聚力c=0.41，内摩擦角φ=41.3°，煤岩试样如图1。

图1 煤岩试样Fig.1 Coal rock experimental sam ples

1.3 试验方法与流程

为研究不同中间主应力影响下煤岩的力学特性，将试验分为1～4组，分别对应中间主应力3、6、9、12 MPa。取相邻采样部位的2块煤岩试样为1组，1块进行真三轴加载试验，另1块进行真三轴卸载试验。

本试验过程均采用应力控制方式进行加载，各试验系统均能自动采集相关数据，绘制应力、撞击计数、能量计数与时间的相关曲线。真三轴加、卸载试验数据见表1，其中试件编号1－1表示第1组第1块试样，以此类推。

表1 真三轴加、卸载试验数据Table 1 True triaxial loading and unloading test data

1.3.1 真三轴加载试验

以0.2 MPa/s的速率将煤岩加载至静水压力状态（σ1=σ2=σ3），保持σ3不变，继续以0.2 MPa/s的速率将σ1、σ2加载至设定值（σ1=σ2＞σ3），保持σ2不变，再继续以0.2 MPa/s的速率加载σ1，直至煤岩试件发生破坏。

1.3.2 真三轴卸载试验

应力加载过程同上，当以0.2 MPa/s的速率加载σ1时，将σ1加载至真三轴加载试验煤岩破坏时所得轴向应力σ1的90%，并保持σ1、σ2恒定，再以0.5 MPa/s卸载速率（瞬态卸载）卸载σ3，观察煤岩破坏情况。

试验过程中，应保持加载系统与声发射系统在时间上同步，声发射系统对试验煤岩破坏过程进行全程监测，采集并分析相关数据。

2 中间主应力影响下煤岩力学特性分析

2.1 破坏状态分析

不同中间主应力下真三轴卸载试验煤岩破坏断面形态特征如图2。

图2 真三轴卸载试验煤岩破坏断面Fig.2 Failure section of coal rock in true triaxial unloading test

从图2可知：沿着卸载方向，煤岩出现明显的侧向膨胀，卸载面附近出现张拉性碎片。

当中间主应力为3 MPa时，卸载面出现细小裂隙，裂隙的走向与卸载方向存在一定夹角，并沿着卸载面扩展，呈明显剪切摩擦的迹象，煤岩试件破坏形态表现为剪切破坏，如图2（a）。

当中间主应力为6 MPa时，煤岩在卸载面附近出现垂直的粗糙张拉裂隙，并且局部伴有剪切裂隙，煤岩试件的破坏形态表现为局部剪切的张拉破坏，如图2（b）。

当中间主应力为9、12 MPa时，煤岩在卸载面附近不但出现局部剪切的张拉破坏裂隙，还会在煤岩的内部出现贯穿整个煤岩的剪切裂隙，出现屈服破坏，不能继续承载，如图2（c）和图2（d）。

从整个煤岩破坏形态可以发现，随着中间主应力增大，煤岩试件破裂面、粉碎煤块数量也逐渐增加，同时煤岩整体逐步向更高的破碎度发展。与图2（a）相比，图2（d）的轴向应力与侧向应力对煤样的影响更大，内部微裂隙受横向膨胀拉伸应力作用，当微裂隙端部应力超过材料抗剪强度时，煤岩外表面的张拉裂隙发育程度更高，其与中间主应力呈现明显的正相关关系。同时可以发现，煤岩试件外表面裂隙数目逐渐增多，沿卸载方向裂隙将煤岩整体分为若干个独立块体，具有与中间主应力方向一致的主破裂面，表明中间主应力增大的情况下，试件破坏以张拉、屈服破坏为主。

2.2 变形分析

不同中间主应力下真三轴卸载试验的应力-应变关系曲线如图3，ε1、ε2、ε3、εV分别为轴向应变、σ2和σ3对应的侧向应变、体积应变。

图3 真三轴卸载试验应力-应变曲线Fig.3 True triaxial unloading test stress-strain curves

1）当中间主应力σ2和σ3的数值较为接近时，在加载阶段的应力-应变曲线与常规三轴加载试验较为类似。煤岩经历了原始裂隙压密到新裂隙萌生再到裂隙相互贯通的发展过程。煤岩在加载阶段积聚了一定的弹性势能，卸载后曲线趋于水平，出现张拉、剪切等脆性破坏[13]。

2）随着中间主应力σ2的增大，ε3曲线在加载阶段的变形范围也不断变宽，其原因是ε2方向的变形受到约束，柏松效应引起ε3方向侧向膨胀，导致变形加剧。

3）随着中间主应力σ2的增大，ε2曲线出现明显拐点，表明应变ε2存在先压缩后扩张的现象；εV曲线有明显放缓甚至回转，表明体积应变出现扩容的趋势。

2.3 强度分析

Mogi[14]在Mises准则的理论基础上，通过多种岩石的真三轴加、卸载试验，得出中间主应力对岩石强度有着显著影响。于是，提出了考虑中间主应力的八面体强度准则，其本质仍为剪切破坏准则。破坏时的八面体剪应力τoct与有效中间主应力σm，2的强度关系如式（1）和式（2）：

Al－Ajmi等[15－16]通过大量真三轴试验数据的整理发现，将Mogi经验强度准则与Coulomb强度准则相结合后f（σm，2）的线形拟合较为理想，并称之为Mogi－Coulomb强度准则，表达式为式（3）～式（6）：

为更好地反应煤岩在高地应力条件下卸载时的强度破坏特征，取真三轴卸载试验瞬态卸载时应力数据绘制散点图，通过二次多项式线形拟合得到的τoct与σm，2的关系曲线如图4。

图4 真三轴卸载试验τoct与σm，2的关系曲线Fig.4 τoct-σm，2 relationship of true triaxial unloading test

根据拟合的二次多项式曲线可得α=0.401 3、β=0.787 0、R2=0.968 8，计算得出黏聚力c=0.47 kPa、内摩擦角φ=42.9°、八面体剪应力强度平均偏差τ=0.11。

计算所得c、φ值与常规三轴加载试验测得的试验值较为接近，因此，Mogi－coulomb强度准则能较好描述煤岩在卸载时强度破坏特征。

3 中间主应力影响下声发射损伤演化特征分析

不同中间主应力下真三轴卸载试验应力差值－声发射测试结果如图5。

从图5可以看出，煤岩中间主应力条件下卸载声发射特征具有以下规律（由于中间主应力9 MPa、12 MPa破坏较为类似，只列举9 MPa进行阐述）。

1）加载阶段Ⅰ。该阶段开始前几秒内，声发射能量计数上升，应力差值为0，这是由于煤岩在自然状态下赋存有一定量原始裂隙，随着试验进行，该裂隙被不断压密[17]。随后进入加载，通过拟合Ⅰ阶段撞击计数曲线可知曲线呈线性分布且能量计数并未出现大幅上升，表明随着荷载的增加，煤岩内部的微裂纹开始萌生、扩展且弹性能不断积聚，为稳定增长趋势[18]。然而对于整体而言，内部的裂隙扩展只是在小范围内产生，为线弹性区段[19]，如图5（a）、和图5（b）阶段Ⅰ。此外，通过纵向对比发现，随着中间主应力加大，煤岩内部的裂纹扩展迅速从稳定线形增长发展至指数型非稳定指数型增长，如图5（c）阶段Ⅰ（i）、Ⅰ（ii）。

2）围压保持阶段Ⅱ。为了模拟煤岩原有的应力状态，使其更能真实反映地应力作用下的受力情况，设置此阶段，保持线性加载后保持100～150 s稳定时间。该阶段已停止加载，应力差值与撞击计数曲线均为水平，能量计数也未有较大的波动。

3）卸载阶段Ⅲ。该阶段对最小主应力σ3进行卸载，图中2条应力差值曲线分离，声发射能量计数激增，撞击计数曲线经过拟合后显示指数型增长，表明卸载后煤岩内部所储存的弹性能突然释放，内部形成的裂隙相互贯通，形成宏观裂纹。

4）卸载完成阶段Ⅳ。该阶段煤岩已经破坏，裂纹已贯穿整个煤岩，但撞击计数曲线并未增长，能量计数没有波动，表明岩体破坏后仍具有一定的承载能力[20]，如图5（a）、图5（b）阶段Ⅳ。此外，值得提出的是：随着中间主应力的增加，煤岩在进入阶段Ⅳ时已呈现屈服破坏，应力差值曲线有明显下降段，表明中间主应力使煤岩不再具有继续承载的能力，如图5（c）阶段Ⅳ。

4结论

1）真三轴卸载试验中，煤岩变形破坏特征随着中间主应力的增大而变得剧烈，破坏状态由剪切破坏发展到局部剪切的张拉破坏，最后达到屈服破坏。

2）真三轴卸载试验中，随着中间主应力的增大，中间主应力方向的变形由向内压缩转为向外扩张；体积应变出现收缩后又向外扩容的趋势。

3）用Mogi－Coulomb强度准则能较好地拟合煤岩真三轴卸载强度与中间主应力关系且能准确反映煤岩在卸载时强度破坏特征。

4）利用声发射探测煤岩损伤演化过程中，中间主应力的增大能使煤岩在加载阶段就出现裂隙的非稳定指数型增长；卸载阶段时的能量计数随中间主应力增大而大幅上升，表明中间主应力对煤岩内部弹性能的积聚有一定作用；卸载完成阶段，当中间主应力较小时，煤岩仍能具有继续承载的能力，但随着中间主应力增大，煤岩不再具备继续承载的能力。