循環荷載作用下煤樣疲勞特性的試驗研究

孫 達

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建第一分公司，山西 太原 030022）

1 引言

本文以西山煤電官地礦南翼上組回風巷煤樣為研究對象，對煤樣在不同幅值擾動荷載作用下的疲勞特性進行研究。所得結論為該回風巷煤柱的穩定性提供了一定的指導作用。從而確保該回風巷在服務工作面開采期間的安全有效運行。

2 工程背景

西山煤電官地礦的煤巖層整體呈向斜構造，軸向傾角約133°，兩翼傾角約3°，工作面2#煤層上覆砂巖弱含水層，施工至局部低洼處及頂板破碎帶時，會出現巖層滲水現象。南翼上組煤回風巷的地面位置處于黃冶溝的老虎窩溝西側，蓋山厚度349～500m。該回風巷穿越砂質泥巖、粉砂巖、泥巖、砂質泥巖、中粒砂巖、2#煤、炭質泥巖等層位。巷道掘進過程中穿越煤層、砂巖、泥質砂巖及砂質頁巖等脆性易碎的巖層時，應加強巷道頂板管理。

3 試驗方法

3.1 樣品準備

本次試驗以西山煤電官地礦南翼上組回風巷的煤體作為研究對象，該煤樣中含有白色條紋狀的雜質，平均密度為1.42g/m3，縱波波速為2544m/s，平均孔隙度為7.8%，平均強度為16.2MPa。

為了盡可能地降低煤樣的離散性，挑選了同一個工作面的幾塊煤樣，打包運至實驗室，然后進行取芯、切割及磨平等工序，最終加工成直徑50mm，高度100mm的圓柱體試樣。所有煤樣品均嚴格按照《國際巖石力學學會》的標準，使得試樣的平整度及斷面平行度處于誤差范圍之內[4]。

3.2 試驗裝置

本文借助MTS 815巖石力學伺服試驗機，煤樣強度測試采用加載速率為0.05mm/min，循環荷載加載過程中采用恒定頻率進行不同振幅的加載。

3.3 測試步驟

首先，對煤樣的單軸抗壓強度以及試件的離散性進行測定，單軸壓縮試驗的加載速率為0.05mm/min。然后，進行循環加載試驗，加載波形為正弦波，頻率為0.2Hz，振幅分別為單軸抗壓強度的20%、40%、60%、80%，每種振幅下循環20次。

4 試驗結果分析

4.1 煤樣物理力學特性結果分析

圖1為煤樣單軸抗壓強度測試結果示意圖。

圖1 煤樣應力-應變曲線

從圖1可以看出，煤樣在單軸壓縮作用下主要發生劈裂拉伸破壞。由于煤巖非均質性較大的客觀因素，即使在同一塊體上取出的試樣，在相同的試驗條件下，得到的結果也存在一定的離散性。

4.2 不同峰值應力振幅煤樣應力-應變曲線

煤礦井下煤柱常常受相鄰工作面開采、放炮振動以及頂板周期來壓等不同大小荷載的擾動作用。經過長期的擾動荷載后會使煤柱的服務年限及壽命降低。因此，對不同荷載作用下煤樣的疲勞損傷進行研究顯得非常必要。通過對煤樣施加不同振幅的峰值應力，得到不同應力振幅作用下煤樣疲勞損傷的演化規律。不同峰值應力振幅作用煤應力-應變曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著應力振幅的增加，煤的軸向應變逐漸增大，并且循環加載過程中煤樣的滯回環面積逐漸增加。當應力振幅從20%增至80%時對應的最大軸向應變依次為0.00143、0.00204、0.00273、0.00319。能夠間接地說明隨著應力振幅的增加，循環加載過程中煤的疲勞損傷程度逐漸變大。另外，從圖中還可得知，應力振幅較低時，應力-應變曲線滯回環的形狀呈現“尖葉狀”，能夠進一步說明循環加卸載交替處煤的變形響應較快。

圖2 不同應力幅值煤樣應力-應變曲線

4.3 不同峰值應力振幅彈性模量的演化規律

彈性模量是反應巖石力學參數的一個非常重要的指標，彈性模量的大小也能間接表明煤巖體在受載荷作用下抵抗變形性能的程度。因此，研究煤彈性模量的演化規律對煤體的變形破壞起到了重要的作用。不同應力振幅彈性模量的演化規律如圖3所示。圖中a組、b組、c組、d組依次對應20%、40%、60%、80%的應力振幅。

圖3 不同振幅煤樣彈性模量演化曲線

從圖3可以看出，隨著應力振幅的增加，煤彈性模量也呈現出不同程度的增加。彈性模量均從第二圈開始變得平穩，由于原始煤樣中存在大量的微孔隙及孔洞，當煤樣處于低振幅荷載作用時，會導致大量的孔隙裂隙閉合，煤樣抵抗變形能力的程度較低，因此，煤的彈性模量相對較小。隨著應力振幅的增加，煤在加載過程中抵抗自身變形的能力逐漸增強，因此，對應的彈性模量增大。但當外部荷載超過煤自身的變形強度極限后，彈性模量突然出現下降的趨勢。

4.4 不同應力振幅煤樣泊松比的演化規律

泊松比對于描述煤巖變形特性起到了重要的作用，是反應材料本身變形特性的參數指標。隨著材料強度的增加，其泊松比會相應的增加。不同振幅作用下煤樣泊松比的演化規律如圖4所示。圖中a組、b組、c組、d組依次對應20%、40%、60%、80%的應力振幅。

由圖4可知，總體來說，隨著應力振幅水平的增加，其煤的泊松比會出現相應的增大現象，并且還發現，當煤樣處于低振幅水平加載時，隨著循環次數的增加，其泊松比變化較平穩。但當應力振幅增至80%時，泊松比隨著循環圈數的增加呈現出逐漸增大的趨勢。從而能夠得知，該煤疲勞損傷門檻值大約在單軸強度的80%左右。

圖4 不同振幅煤樣泊松比演化曲線

4.5 不同應力振幅加卸載響應比的演化規律

文獻[5]利用損傷力學的原理，通過對加卸載響應比的參量進行賦值，重新定義損傷變量，從而描述巖石的損傷演化過程。因此，基于提出的加卸載響應比理論，結合線彈性本構關系，得到相應關系式為：

對應的加卸載響應比值：

式中：

N-響應量，N+和N-分別為加載和卸載時的響應量；

E-彈性模量，E+和E-分別為加載和卸載時的彈性模量。

圖5 不同振幅煤樣加卸載響應比演化曲線

從圖5可以看出，隨著應力振幅的增加，煤的加卸載響應比總體變化趨勢在同一應力振幅下保持穩定變化，個別循環加載下產生輕微的波動。但隨著應力振幅的增加，加卸載響應比也出現了階梯型的變化趨勢。從圖3加載段的彈性模量分析可知，整個循環加載過程中變化較平緩。圖4分析得知，加卸載響應比均大于1，間接地說明了隨著應力振幅的增加，卸載階段的彈性模量均大于加載段。

5 結論

本文基于MTS815巖石力學伺服試驗機配套AE聲發射儀對西山煤電官地礦南翼上組回風巷試驗，以及核磁共振無損檢測分析儀，進行不同應力振幅損傷演化機制的研究，得到以下結論：

（1）隨著應力振幅的增加，煤的軸向應變逐漸增大，同時滯回環的面積逐漸增加，說明應力振幅與煤損傷程度呈現出一定的正比例關系。

（2）隨著應力振幅的增加，煤的彈性模量呈現出階梯狀的增加趨勢，隨后彈性模量保持恒定。然而，煤的泊松比在前三個應力振幅下與彈性模量呈現相同的變化趨勢，在第四個應力振幅時，泊松比與循環次數呈現出緩慢增加的變化趨勢。也預示了疲勞損傷的門檻值大約為單軸強度的80%。

（3）隨著應力振幅的增加，煤的加卸載響應比總體變化趨勢在同一應力振幅下保持穩定變化，個別循環加載過程中產生輕微的波動。