煤巖膨脹破裂應變及聲發射特征實驗研究

李杰， 邱黎明， 殷山， 劉洋， 童永軍

(北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083)

0 引言

在煤炭開采過程中，普遍存在張拉破壞現象。抗拉強度是煤巖材料的重要力學參數之一，煤巖的抗拉強度遠小于抗壓強度，當煤巖整體或者局部受到拉應力作用時，往往更容易發生失穩破壞。目前對煤巖材料拉升破壞特征的研究多集中在直接拉伸和劈裂條件下，而在低透氣性煤層增透、堅硬頂板預裂切頂和復雜環境隧道的掘進開挖等工程中，煤巖的破壞往往都與膨脹拉應力有關[1-3]。因此，研究煤巖膨脹破裂的變形破壞特征及其監測預警，對于保證工程安全具有重要意義[4]。

煤巖材料受載破壞過程伴隨著微裂紋的萌生、擴展、貫通，同時會引起煤巖表面的形變[5-6]。大量研究表明，應變是煤巖失穩破壞的重要指標。范金洋等[7]建立了巖石變形失穩應變梯度理論模型，對巖爆等現象的應變局部化進行了解釋。馬少鵬等[8]分析了受載煤巖表面應變場的演化規律，認為煤巖內部微裂紋的演化與應變場統計指標具有一定的聯系。趙程等[9]研究了預制裂紋試樣的變形損壞演化特征，并探討了巖石細觀破壞及宏觀力學性質的聯系。

煤巖在受載過程中，除引起煤巖表面形變外，還伴隨著能量的釋放[10]，其中一部分能量以彈性波的形式釋放出來，即聲發射現象。針對煤巖失穩破壞過程中的聲發射現象，國內學者取得了大量研究成果。文獻[11-13]研究了煤巖單軸壓縮破壞過程中的聲發射信號，認為其能反映煤巖內部的變形和損傷程度，建立了基于聲發射特性的單軸壓縮煤巖損傷模型。文獻[14-15]研究了巖石在單軸作用下應力-應變全過程的聲發射特征，得出聲發射可用來表征巖石的微觀損傷演化。文獻[16]研究發現煤巖破壞前期聲發射存在相對平靜期現象，認為聲發射平靜期可以作為煤巖失穩破壞的前兆信息。文獻[17]研究了不同加載條件下巖石破壞過程中聲發射的演變規律，發現不同加載條件下聲發射演化特征具有較大區別。文獻[18]通過研究三軸壓縮狀態下巖石的聲發射演變規律，發現聲發射特征參數的突變可作為巖石破裂的前兆。以上研究結果表明，聲發射信號與煤巖的受力狀態密切相關，且不同的加載方式下聲發射信號有著顯著差異[19-21]。

目前對聲發射的研究多集中在煤巖單軸、剪切、劈裂等破壞模式，對煤巖膨脹破裂過程中的聲發射特征研究較少。鑒此，本文開展煤巖膨脹破裂實驗，測試煤巖膨脹破裂過程中的變形及聲發射演變規律，分析煤巖膨脹破裂表面形變與聲發射信號的對應關系，以揭示煤巖膨脹破裂的前兆特征。研究結果對進一步揭示煤巖膨脹破裂的變形破壞特征及靜爆致裂過程具有參考意義。

1 煤巖膨脹破裂實驗系統與方案

1.1 實驗系統

煤巖膨脹破裂實驗系統主要包括聲發射采集系統、應變采集系統及數據分析系統，如圖1 所示。聲發射采集系統由8 通道聲發射采集儀、聲發射探頭和聲發射放大器組成。聲發射采集儀最高采樣頻率為10 MHz，輸入信號電壓范圍為-10～10 V，能夠同步記錄所有通道全波形數據，外接20 dB放大器。應變采集系統由YSV動態信號采集儀、應變放大器等組成。其中，YSV動態信號采集儀采用24 位數據采集芯片，最高采樣頻率為51.2 kHz，可實現16 通道同步采集。本次實驗采樣頻率設置為2 kHz。

1-試樣；2-聲發射探頭；3-應變放大器；4-YSV動態信號采集儀；5-應變數據分析系統；6-聲發射放大器；7-聲發射采集儀； 8-聲發射數據分析系統。圖1 煤巖膨脹破裂實驗系統Fig.1 Coal and rock expansion and fracture experiment system

1.2 試樣制備及膨脹致裂原理

實驗所用試樣為大塊原煤和砂巖，將其加工成尺寸為200 mm×120 mm×150mm(長×寬×高)的長方體。在試樣中部鉆1個直徑為30 mm、深100 mm的中心孔，用以充填無聲破碎劑。在中心孔兩側設置2 個直徑為10 mm、深120 mm的引導孔，用以控制裂紋的發展方向。試樣如圖2所示。

圖2 煤巖試樣Fig.2 Coal or rock sample

無聲破碎劑是一種粉狀高效能安全破碎材料，適用于在不宜采用炸藥爆破的場合進行破碎或拆除作業。考慮實驗環境溫度約為0～10 ℃，選用適用溫度為-5～15 ℃的HSCA-III型無聲破碎劑。該試劑與水混合后體積快速增長，進而對有限空間的邊界產生膨脹壓，使中心孔附近彈性區域內均受到徑向壓應力σr和切向拉應力σθ。徑向壓應力會促使原始裂隙閉合，切向拉應力會促使新裂紋產生與發展。當膨脹壓遠大于抗拉強度時，中心孔就會產生裂紋，在引導孔的作用下按照預設方向擴展。試樣受力及裂紋擴展如圖3所示。

圖3 試樣受力及裂紋擴展Fig.3 Sample stress and fraction propagation

1.3 應變片布置及實驗方案

由于中心孔附近主要受徑向壓應力及切向拉應力，本文主要以觀察試樣表面受拉情況為主，故在中心孔四周布置了如圖4所示的3—6號應變片，1號、2號應變片用于觀察側面的受拉情況。

圖4 聲發射探頭及應變片布置Fig.4 Layout of acoustic emission probe and strain gauge

實驗共采用2組試樣。實驗前用砂紙對試樣表面進行打磨處理，保證表面平整度小于0.01 mm。將聲發射探頭和應變片粘貼到預定位置，然后調試聲發射采集儀，并提前預熱0.5 h。待聲發射采集儀預熱完成后，將無聲破碎劑與水按質量比3∶1調制成漿液，并迅速倒入中心孔中，開始采集數據。膨脹劑水化反應時間約為20～60 min，實驗開始后每隔30 min觀察試樣及膨脹劑狀態，待試樣膨脹破裂后，停止數據采集并保存實驗數據，實驗結束。

2 實驗結果及分析

2.1 煤巖膨脹變形破裂形態

將無聲破碎劑注入中心孔后約2～3 h，試樣發生破壞。試樣破壞后的裂紋形態主要分為縱向裂紋和橫向裂紋2類，如圖5所示。由圖5可知，煤樣和砂巖中均出現縱向裂紋，這是由于無聲破碎劑對試樣施以徑向膨脹力，在引導孔的作用下，試樣發生縱向破壞。與砂巖不同，煤樣表面還存在橫向裂紋，且裂紋走向并不規則，這是由于煤樣具有豐富且薄弱的層理結構，受到軸向拉應力時其材料具有不均勻性。因此，對于具有層理結構的煤巖，在布設中心孔及引導孔時需考慮層理結構對裂紋走向的影響。

圖5 煤巖試樣膨脹破裂后形態Fig.5 Morphology of coal and rock samples after expansion and fracture

2.2 煤巖膨脹破裂應變演化規律

實驗所采用的應變片是一種電阻式敏感元件，當試樣發生變形時，應變片隨試樣一起變形。這時應變片中的電阻絲會出現機械變形，導致其電阻發生變化，從而反映結構的變形情況。

煤巖膨脹破裂過程各測點的應變-時間曲線如圖6、圖7所示，圖中應變值的正負代表應變片長度的變化，正值表示應變片變短(受壓)，負值則表示應變片變長(受拉)。根據應變變化特征，將煤巖膨脹破裂過程分為微破裂階段(Ⅰ)、宏觀裂紋生成及擴展階段(Ⅱ)、劈裂階段(Ⅲ)。

(1) 微破裂階段。煤樣的0～4 300 s和砂巖的0～5 180 s為微破裂階段。無聲破碎劑注入中心孔后，隨著水化反應的進行，膨脹應力逐漸變大，中心孔附近單元受徑向壓應力σr和切向拉應力σθ作用，煤巖中心孔周邊的裂隙、孔隙等受壓應力作用而逐漸被壓密，同時在拉應力的作用下產生微小裂紋。由于水化反應早期的膨脹應力較小，煤樣表面應變僅有小幅降低，表明煤樣表面有較小的彈性膨脹拉伸變形。砂巖表面各處的應變變化趨勢略有不同，應變的變化趨勢主要分為2類：1 號、3 號、4 號應變片呈現緩慢下降趨勢，3處均受到切向的拉應力作用；2 號、5 號、6 號應變片先呈現下降趨勢，從3 400 s開始出現回升現象(應變量仍為負)，這主要是由于無聲破碎劑水化反應后中心孔周邊出現小的裂隙，使得中心孔附近得到短時間的釋放空間。

(a) 1號、2號、4號應變測點

(a) 2號、5號、6號應變測點

(2) 宏觀裂紋生成及擴展階段。煤樣的4 300～6 100 s和砂巖的5 180～8 500 s為宏觀裂紋生成及擴展階段。水化反應產生的熱量使得水化作用加速進行，膨脹應力隨即快速升高，由中心孔逐漸向自由面傳遞，促使中心孔附近裂紋產生并加速擴展。各應變片受到切向拉應力的作用，應變沿負值快速降低，且不同測點應變的變化速率具有顯著區別。4 300 s后，除3號應變片之外，煤樣表面應變量均快速降低，且為負值，說明除3 號應變片外其余應變片均位于裂紋走向上，其中6 號應變片在此階段已被拉斷。由圖7可知，砂巖表面應變在此階段均呈快速下降趨勢，且為負值，說明砂巖表面各應變片均受到拉應力作用。

(3) 劈裂階段。煤樣的6 100 s和砂巖的8 500 s為劈裂階段。無聲破碎劑產生的膨脹壓經過第Ⅱ階段的傳遞后，逐漸作用于試樣整體。當膨脹壓積累到一定值時，試樣發生大的破壞，宏觀裂紋瞬間貫通，應變在瞬間發生突變，應變曲線呈現垂直拐角型趨勢。

2.3 煤巖膨脹破裂聲發射演化規律

通過監測煤巖膨脹過程中的聲發射，可得到煤巖的損傷程度和內部破裂狀況。砂巖和煤樣膨脹破裂過程中的聲發射振鈴計數、累計振鈴計數、應變時序變化如圖8及圖9所示(選取主裂紋上的2個測點：測點1和測點6)。

(a) 測點1

由圖8可知，砂巖聲發射累計振鈴計數臨近劈裂時呈現“突增→平靜”趨勢。在微破裂階段，聲發射振鈴計數極少，聲發射信號較弱，這說明砂巖內部微小裂隙、孔隙較少，均質性較好，在無聲破碎劑水化作用前期其內部無明顯變化。在宏觀裂紋生成及擴展階段，隨著應變速率快速增加，砂巖內部開始有裂紋萌生，此時仍然僅有少量聲發射信號。接近劈裂階段時，聲發射振鈴計數出現峰值，聲發射累計振鈴計數先突增后經歷一段“平靜期”，砂巖中的裂紋開始急劇擴展、貫通，并在8 537.3 s發生劈裂破壞，伴隨著大裂紋的生成，許多微小裂紋也隨著膨脹壓的進一步增大而產生。在該階段聲發射累計計數出現第2次突增，聲發射信號密集出現。

(a) 測點1

由圖9可知，煤樣聲發射累計振鈴計數臨界劈裂時呈現指數遞增趨勢。相比砂巖試樣，在微破裂階段及宏觀裂紋生成及擴展階段，聲發射信號十分豐富，且具有陣發性，表明在這2個階段，煤樣內部不斷有微小裂隙、孔隙產生及擴展。接近劈裂階段時，聲發射累計振鈴計數呈指數增長趨勢，聲發射振鈴計數在劈裂瞬間(6 128.9 s)達到峰值，煤樣裂紋發生大的貫通，劈裂后煤樣與砂巖聲發射振鈴計數均密集出現。

煤樣、砂巖膨脹過程聲發射信號具有鮮明的差異，聲發射信號反映了煤巖不同膨脹階段的內部裂紋擴展規律。

3 煤巖脹裂應變及聲發射響應

3.1 煤巖膨脹破裂非均勻變形演化特征

通過分析煤巖膨脹破裂過程中不同測點的應變變化規律發現：在微破裂階段，不同區域的應變呈現出速率穩定變化現象；在主破裂發生前，試樣處于宏觀裂紋生成及擴展階段時，應變速率穩定變化的特征逐漸消失，表現為變化幅度顯著增大，且不同測點應變的變形速率有明顯區別。對于煤巖膨脹破裂而言，主裂紋在應力集中區(即中心孔附近)率先破裂，隨后逐漸延伸擴展，即存在變形局部化現象。煤巖膨脹破裂不同區域的變形可反映破裂的過程性：如果不同區域內變形協調一致，表明試樣未出現集中破裂區域；如果其中一個或幾個區域變形速率快速增加，預示會出現集中破裂區域。

利用應變的變異系數Cv定量表征變形局部化演化特征。在統計學中，變異系數Cv用來描述數據分布的離散度，應變變異系數越大，代表應變分布的離散程度越大，即應變局部化越明顯，其定義為

(1)

(2)

(3)

按式(1)—式(3)計算煤巖膨脹破裂過程中應變的變異系數，并繪制其變化曲線，如圖10、圖11所示。

圖10 煤樣應變變異系數曲線Fig.10 Strain variation coefficient curve of coal

圖11 砂巖應變變異系數曲線Fig.11 Strain variation coefficient curve of rock

由圖10、圖11可知，破碎劑開始時刻的反應速率并不穩定，因此試樣受力不均，應變出現波動變化，應變的變異系數Cv呈現波動變化。在變形局部化前，煤樣變異系數前期具有明顯的上升趨勢，然后呈現穩定波動，且存在多個突變點；而砂巖應變變異系數先穩定波動，然后出現顯著上升趨勢，僅存在一個突變點。煤樣應變變異系數較砂巖應變變異系數變化劇烈，即煤樣變形局部化現象更加復雜。煤樣的2個顯著突變點分別發生在5 884.3，6 120.8 s，分別比主破裂提前244.6，8.1 s；而砂巖的突變點發生在8 472.3 s，較主破裂提前65.0 s。因此，煤巖樣應變變異系數的突變可作為破壞前兆。當變異系數突降時，表明不同區域形變中出現了較大變化，即生成了宏觀大裂紋，并伴隨著能量釋放，產生聲發射信號。因此，應變變異系數與聲發射存在一定關系。

3.2 煤巖膨脹破裂非均勻變形與聲發射響應相關關系

煤巖膨脹破裂過程中區域應變的非均勻性與聲發射存在一定關系。對于煤巖聲發射而言，不同破裂尺度產生的聲發射信號頻率也不同。大尺度裂紋產生的信號低頻成分多，小尺度裂紋產生的信號高頻成分多。峰值頻率作為震源頻譜特征的重要參數，可近似看作信號的主頻，故本節通過分析煤巖破裂應變變異系數與聲發射峰值頻率的響應關系，研究煤巖膨脹破裂內部演化特征。

聲發射峰值頻率與應變變異系數隨時間的變化如圖12所示。

(a) 煤樣

從圖12可發現，在應變變異系數突變前，煤樣有2個峰值頻率帶，分別為低頻率帶(0～50 kHz)和高頻率帶(150～200 kHz)，而砂巖聲發射較少；當臨近應變變異系數發生突變時，煤樣和砂巖聲發射峰值頻率分布均較為分散，頻率帶明顯增多。

根據上述分析可得出聲發射事件峰值頻率與煤巖試樣變形演化特征的響應關系：煤巖膨脹變形局部化發生時，即劈裂前，聲發射峰值頻率帶明顯增多，可作為脹裂破壞的前兆信息。

4 結論

(1) 煤樣和砂巖變形破壞過程均包括微破裂階段、宏觀裂紋生成及擴展階段和劈裂階段。微破裂階段，煤巖表面應變變化幅度較小；在宏觀裂紋生成及擴展階段，應變隨著膨脹壓的傳遞加快變化；在劈裂瞬間，應變達到極值。

(2) 煤樣和砂巖由于內部結構及均一性存在差異，膨脹破壞過程其聲發射信號表現出不同的特征：煤樣聲發射在整個破壞過程較為豐富，在臨近破壞時刻，聲發射累計計數呈現指數增長；砂巖在微破裂階段和宏觀裂紋生成及擴展階段，聲發射計數較少，在破壞時刻，聲發射累計計數呈現“突增→平靜”趨勢。

(3) 煤巖膨脹破裂存在變形局部化現象，聲發射信號與之有較好的對應關系。煤巖變形在出現明顯局部化前，聲發射峰值頻率較均勻分布在高、低頻段或無聲發射現象。煤巖膨脹出現變形局部化時，聲發射峰值頻率的分布頻段增多，預示著宏觀劈裂裂紋的形成。應變變異系數的突變和聲發射峰值頻率段增多現象可作為煤巖脹破的前兆特征。