人工裂缝形态对煤的抗拉性能及能量积聚的弱化规律

2022-10-20刘江伟周广磊

采矿与岩层控制工程学报 2022年5期

刘江伟，周广磊，武娜

( 1. 山东科技大学能源与矿业工程学院，山东青岛 266590；2. 大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 116024 )

冲击地压[1-2]、煤与瓦斯突出[3]、深部巷道大变形等是制约煤矿安全生产的技术难题，治理这些难题的方法都涉及到煤岩体结构改造[4]，即在煤体中通过水力压裂、水力割缝、定向爆破等方式制造出人工裂缝，弱化煤体的力学性能，从而实现卸压和能量释放[5]。由于人工裂缝的形态对煤的弱化效果具有重要影响，因此需研究单一裂缝的长度和角度对煤力学性能的弱化规律，揭示人工裂缝对煤的细观破坏机理，这对煤体卸压控制强地压具有重要的意义。

前人对巴西圆盘劈裂试验进行了大量的研究。VERVOORT A[6]和谭鑫[7]等研究了片岩、板岩等层状岩石的巴西圆盘劈裂试验的破坏形式、抗拉强度与层理角度的关系；刘恺德[8-10]等分析了煤岩在垂直和平行于层理面方向上拉伸破坏特性、各向异性，以及声发射特征；LIN L[11]等研究了不同倾角和不同长度的裂纹对巴西圆盘力学性能、裂纹萌生和扩展的影响；DAI F[12]等用数值模拟的方法研究了巴西圆盘状岩石裂纹的渐进断裂机理；MIARKA P[13]等提出了峰值后裂纹的萌生与扩展；杨圣奇[14]等利用颗粒流( PFC )模拟了含单条中心直裂隙和断续双裂隙试样的巴西试验；ZHOU Shuwei[15]研究了多个垂直和水平切缝对巴西圆盘裂纹扩展的影响；WEI M D[16]等用实验室试验和数值模拟来研究破坏模式I和II，并使用声发射技术来监测试样的断裂过程；DAI Feng[17]等分析了离散单元法V形切口巴西圆盘试样的动态渐进断裂过程；WANG Q Z[18]等测定了裂纹萌生时的I型和II型动态断裂韧度；JIA Z[19]等用光学方法研究了应变率对混合型断裂的影响；ABSHIRINI M[20]等采用数字图像相关法分析试样在断裂前的瞬间图像来确定I型断裂韧度；MOSTAFA M[21]等得到裂纹巴西圆盘的位移场；AYATOLLAHI M R[22]等使用修改的最大切向应力准则来研究II型断裂；ATKINSON C[23]和DONG S[24]等以无穷级数的形式进行应力强度因子的计算，采用权函数法推导了应力强度因子的封闭解；TANG S B[25]等研究了裂纹长度、加载方式和摩擦对含中心裂纹的巴西圆盘试样的影响；MARKIDES C F[26]等得到了巴西圆盘中心裂纹的应力场和位移场的闭合解。

目前为止，含裂缝圆盘的巴西劈裂试验已经做了很多，但这些研究仅采用岩石材料或者类岩材料作为研究对象，也多借助数值计算的手段，对真实的纯煤材料涉及很少，这是因为在纯煤中切割裂缝是极为困难的。笔者采用线锯切割的方法，实现对纯煤材料的切缝，试图分析预制裂缝对纯煤的抗拉性能的影响，从而揭示煤体预裂实现动力灾害防治以及应力转移的机理，对矿压控制及冲击地压防治具有一定的理论指导意义。

1 试验方案

1.1 试件制作

在榆林神树畔煤矿3107工作面选取大块的煤，并采用密集取芯法钻取、切割成φ50 mm×25 mm的圆柱形试件，并对其试样端面进行研磨，保证上、下端面平行度在0.05 mm以内。共计加工24个标准试件。试件预制裂缝的过程分为2步：① 采用微型钻孔对试块打眼，钻眼直径为0.5 mm；② 将线锯机的切割细线穿透钻眼，然后进行切割，线锯机和切割过程如图1( a )所示，切割细线直径为0.3 mm，切割成缝的宽度为0.6 mm左右，既小于试块直径的1/10，又接近现场水压裂缝，因此满足试验要求。线锯切割的同时，不断推动圆盘试件，使得切割线在线锯机平台孔的边缘，可实现切割线的弯曲程度相同，切割力度相当，以此消除因切割速度不同造成的裂缝宽度的不均匀。预制裂缝后的试件全貌如图1( b )所示。

图1 含裂缝的煤样制作Fig. 1 Production of coal samples containing cracks

1.2 试验方法

将完整煤样作为对照组，进行含裂缝煤样的2组劈裂试验：① 固定裂缝角度θ=45°，进行5组改变裂缝长度L的试验，裂缝长度依次为5，10，15，20，25 mm；② 固定裂缝长度L=15 mm，进行7组改变裂缝角度θ的试验，裂缝角度依次为0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°。

由于样本数量较少，每组试块为2个。因此，数据处理使用的是效果较好的试件单值，而非平均值，后期笔者将补充试验数据。

1.3 试验过程

试验采用DAW-300岩石力学试验系统，将圆盘试块侧立放置在压力机的压头下方，启动压力机实现加载，如图2( a )所示。

图2 煤样加载Fig. 2 Coal samples loading

采用美国声学公司生产的24通道声发射系统对试块加载全过程进行监测，传感器名称为R6，工作频率范围为35～100 kHz，共振频率为55 kHz；门槛值为固定45 dB，增益为40 dB，模拟滤波器下限为1 kHz，上限为400 kHz，采样频率为20 Hz。将试块放置在试验台上，如图2( b )所示，其中L为裂缝的长度，θ为裂缝与水平方向的夹角。以0.5 mm/min的速度对试件进行加载，直至试块破坏。破坏后的试块形态如图2( c )所示。为便于对比，图2( c )中有完整试件1个，预制裂缝的试件24个，共计25个试件。

2 试验结果分析

2.1 裂缝长度和角度对煤抗拉强度和变形的影响

不同裂缝长度和角度煤的载荷-位移曲线如图3所示，由图3可知，完整煤样的峰值力较高，载荷的上升速率较快，曲线整体呈现出又高又陡的特点；随着裂缝长度和角度的增加，峰值载荷大小及其上升速率都逐渐降低，曲线逐渐变得平缓。

图3 不同裂缝长度和角度试块的载荷-位移曲线Fig. 3 Load-displacement curves of specimens with different crack lengths and angles

裂缝长度对试块的抗拉强度和峰值应变的影响如图4( a )所示，当L为5，10，15，20，25 mm时，与完整试块相比，含裂缝试块的峰值应变分别降低30.0%，31.6%，48.3%，65.9%，74.5%；抗拉强度分别降低3.6%，21.6%，51.3%，71.4%，79.0%，整体呈下降趋势。结果表明裂缝越长，试块的抗拉强度和峰值应变降幅越高，裂缝对试块的软化效果越好，这是因为较长的裂缝试块更容易沿着较长预制裂缝产生破裂。裂缝角度对试块的抗拉强度和峰值应变的影响如图4( b )所示，当θ为0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°时，与完整试块相比，含裂缝试块的抗拉强度和峰值应变整体呈现波动下降的趋势，说明预制裂缝方向与加载方向越接近，试块越容易沿着预制裂缝发生劈裂破坏。图4( b )曲线存在波动的原因是因为试件较少，试验结果存在较大的离散性。

图4 裂缝长度和角度对煤抗拉强度和变形的影响Fig. 4 Effect of crack length and angle on tensile strength and deformation of coal

2.2 含裂缝煤的声发射特征

为了分析含裂缝煤样的声发射特征，选取完整和含L=15 mm，θ=45°裂缝的2种煤样，得到两者的应力-应变和声发射曲线，如图5所示。

将图5( a )和( b )进行对比可知，随着轴向应变的增加，含裂缝煤样的声发射规律与拉应力-应变曲线表现出明显的对应关系：① 压密阶段仅有少量的声发射事件和微弱的能量释放，说明煤样基本无破裂现象，以变形为主；② 线弹性阶段声发射振铃计数开始少量增加，释放的能量也小幅度增强，说明煤样微裂纹开始扩展，微裂纹数量缓慢增长；③ 塑性阶段声发射振铃计数大量增加，能量释放增加明显，说明该阶段微裂纹快速扩展和延伸，裂纹数量也大量增加；④ 当达到峰值强度时，声发射振铃计数瞬间大量增加，并伴随大量能量突然释放，说明该阶段大量的微裂纹迅速产生、扩展和贯通，并形成宏观裂纹，使煤样发生破坏。

图5 含裂缝煤样的声发射特征Fig. 5 Acoustic emission characteristics of coal samples with cracks

完整和不同裂缝长度煤样的加载全过程的声发射累计振铃计数如图6( a )所示，累计能量如图6( b )所示。

图6 裂缝长度对煤加载全过程声发射规律的影响Fig. 6 Effects of crack length on acoustic emission law of coal loading process

由图6( a )～( b )可知，随着轴向应变的增加，煤样先无微裂纹产生，随后微裂纹缓慢增长，进而快速增长，最后趋于稳定。完整煤样的声发射累计振铃计数和累计能量均较高；当L从5 mm逐渐增加至25 mm时，累计振铃计数分别降低38.5%，55.6%，60.7%，71.7%，38.5%；累计能量分别降低22.6%，33.0%，37.9%，55.4%，87.9%。结果表明随着裂缝长度的增加，声发射累计振铃计数和累计能量都逐渐减少。不同裂缝长度的煤样在破坏瞬间的声发射振铃计数和能量如图6( c )所示。由图6( c )可知，随着裂缝长度的增加，煤样破坏瞬间产生的声发射振铃计数和能量都逐渐减少。

完整和不同裂缝角度煤的加载全过程的声发射累计振铃计数如图7( a )所示，累计能量如图7( b )所示。

图7 裂缝角度对煤加载全过程声发射规律的影响Fig. 7 Effects of crack angle on acoustic emission law of coal during loading process

由图7( a )～( b )可知，随着轴向应变的增加，煤先无微裂纹产生，随后微裂纹缓慢增长，进而快速增长，最后趋于平缓。当θ从0°逐渐增加至90°时，累计振铃计数分别降低了39.2%，38.5%，53.5%，60.6%，62.7%，79.9%，72.7%；累计能量分别降低了20.7%，22.6%，39.5%，37.9%，50.7%，64.6%，78.2%。表明随着裂缝角度的增加，声发射累计振铃计数和累计能量都逐渐减少。

不同裂缝角度的煤样在破坏瞬间的声发射振铃计数和能量如图7( c )所示。由图7( c )可知，随着裂缝角度的增加，试块破坏瞬间产生的声发射振铃计数和能量都逐渐减少。

2.3 裂缝长度和角度对煤破坏特征和破坏模式的影响

为方便描述，笔者把从预制裂隙尖端起裂并沿加载方向扩展的裂纹称为翼形裂纹，翼形裂纹之后萌生的裂纹均称为次生裂纹。图8( a )和( b )标出的Ⅰ裂纹为基质张拉裂缝，Ⅱ裂纹为翼型裂缝，Ⅲ裂缝为次生裂缝，Ⅳ为剪切裂缝。

不同裂缝长度煤样的破坏特征如图8( a )所示，完整煤样基本沿着加载方向劈裂破坏，次生裂缝不发育( 图8( a )中① )；当L为5～25 mm时，可以观察到3个阶段。a阶段：当L=5～10 mm时，在预制裂缝尖端扩展形成了翼型裂纹，次生裂缝不发育( 图8( a )中②，③ )；b阶段：当L=15～20 mm时，首预制裂缝尖端扩展形成了翼型裂缝，并在试件边缘形成了次生裂缝，次生裂缝基本与预制裂缝共线( 图8( a )中④，⑤ )；c阶段：当L=25 mm时，在预制裂缝中部沿加载方向形成了劈裂破坏，在预制裂缝尖端扩展形成了翼型裂缝，并且产生了次生裂缝( 图8( a )中⑥ )。

不同裂缝角度煤样的破坏特征如图8( b )所示，当θ从0°逐渐增加至90°的过程中，可以观察到4个阶段。a阶段：θ=15°时，试件中部沿加载方向产生劈拉裂缝，次生裂缝不发育( 图8( a )中② )；b阶段：θ=0°时，预制裂缝尖端扩展形成了翼型裂缝，次生裂缝不发育( 图8( a )中① )；c阶段：θ=30°～75°时，预制裂缝尖端扩展形成了翼型裂缝，并且产生了次生裂缝( 图8( a )中③，④，⑤ )；d阶段：θ=90°时，试件沿裂缝发生劈裂破坏，次生裂缝不发育( 图8( a )中⑥ )。

图8 不同裂缝长度和角度对煤破坏特征和破坏模式的影响Fig. 8 Effects of different crack lengths and angles on failure characteristics and failure modes of coal

试验结果表明，含不同裂隙长度和角度的煤样在加载过程中产生3种宏观裂纹：基质张拉裂缝、翼型裂缝、次生裂缝。含裂缝的煤样在劈裂过程中会产生4种典型的破坏模式：① 基质的张拉破坏；② 翼型裂缝破坏；③ 基质张拉、翼型裂缝、次生裂缝的复合破坏；④ 裂缝的张拉破坏。

2.4 含预制裂缝煤的动态破坏过程

完整试块的动态破坏过程如图9( a )所示，由于压应力集中在圆盘上下两端而拉应力集中在圆盘中部，因此微裂纹首先在圆盘中部萌生，然后逐渐向上下延伸，最终竖向贯通造成基质的张拉破坏。含预制裂缝煤的动态破坏过程如图9( b )和( c )所示，翼形裂缝一般从预制裂缝尖端的应力集中区萌生，沿着加载方向扩展至煤的端部，贯通整个试样，试样最终发生拉伸破坏；在翼形裂纹扩展后，会萌生次生裂纹。次生裂缝都是从圆盘的边缘处开始萌生，然后逐渐向预制裂缝的尖端扩展，最终与预制裂缝沟通。次生裂缝产生的机理如图10所示，当试件形成翼型裂缝后，试件左右两部分的结构基本分离，预制裂缝的端点( 图10中的绿色点 )在基质内表面形成了凹点，该凹点在加载过程中会产生较大的弯矩，促使圆盘外边缘萌生张拉微裂纹，并逐渐由外向内撕裂成次生裂缝，其扩展方向和程度受预制裂缝长度和角度的影响。

图9 含裂缝煤的动态破坏过程Fig. 9 Dynamic failure process of coal with crack

图10 次生裂缝形成机理Fig. 10 Formation mechanism of secondary fractures

2.5 含裂缝煤的典型起裂模式

不同裂缝长度和角度的试块起裂模式如图11所示，按照起裂部位的不同，可以分为3种典型的起裂模式：① 基质中部优先萌生微裂纹，预制裂缝尖端无微裂纹，如图11( a )所示；② 基质中部和预制裂缝尖端同时萌生微裂纹，如图11( b )所示；③ 预制裂缝尖端优先萌生微裂纹，而基质中部无微裂纹，如图11( c )所示。