煤体受载损伤过程能量演化规律与破坏特征试验_刘应科.pdf

第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .刘应科，龙昭熹，邓淇，等 煤体受载损伤过程能量演化规律与破坏特征试验 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；江苏省基础研究计划（，）；中国矿业大学未来杰出人才助力计划资助（）通信作者：刘应科，男，河南平顶山人，博士，教授，：煤体受载损伤过程能量演化规律与破坏特征试验刘应科，龙昭熹，邓 淇，蒋名军，问小江，王凤超，王海涛，钮 月（中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州；中国矿业大学 低碳能源与动力工程学院，江苏 徐州；中国平煤神马控股集团有限公司 平煤六矿，河南 平顶山；中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州）摘 要：为研究煤体动力灾害孕育发展过程的破坏特征及其前兆信息，通过单轴压缩试验，分析了煤体受载破坏过程中的能量演化规律，对煤体失稳破坏的前兆特征进行了判识。结果表明：煤体受载破坏过程呈显著的非线性演化特征，能够判识煤体失稳破坏的临界点、失稳点与破坏点信息；煤体受载损伤不同阶段能量演化特征差异显著，进入弹性阶段后，输入能快速增加，弹性能占比呈升高趋势，耗散能变化较大，煤体失稳破坏时耗弹比呈“阶跃”式突变特征，其值从 迅速增至；定义并计算了能量耗散率与能量释放率，该指标在煤体破坏的临界点、失稳点与破坏点同样出现了异常响应特征，破坏点处最为显著，的值由 突增至 以上。受载煤体失稳破坏本质上是外界能量输入与驱动的结果，煤体能量指标能够更好地揭示试样损伤破坏过程的非线性演化特征，精细地捕捉煤体失稳破坏的前兆信息。关键词：受载煤体；单轴压缩；能量耗散；失稳破坏；前兆特征中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，；，）：，“”，：；引 言煤炭是中国的主体能源和重要的工业原料，长期以来为经济发展和社会稳定提供了有力保障。煤层采掘过程将不可避免地破坏煤岩体的原始应力状态，导致煤岩体发生动力破坏甚至诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害。随着煤炭开采深度逐步加深，“三高一扰动”的影响突出，煤岩动力灾害的威胁更加严峻。因此研究煤岩动力灾害的孕育发展过程及其灾变特征十分重要，是实现对煤岩动力灾害监测预警与精准防控的基础和前提。通常认为，煤岩体发生变形破坏是内部积聚的能量耗散与释放综合作用的结果。其中，外部载荷对煤岩体做功并输入能量，输入的能量在煤岩体内不断积聚，是导致煤岩体发生破坏的源头。煤岩体受载变形过程会向外界耗散能量，能量的耗散使得煤岩体发生不可逆的塑性损伤，并导致材料性能的劣化与强度的丧失。当煤岩体积聚的能量达到极限状态时，在外部扰动的作用下发生能量的大量且突然释放，这是引发煤岩体动力性破坏的内在原因。谢和平等建立了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放能量的岩体整体破坏准则。刘晓辉等认为冲击荷载下的煤岩破坏过程能量释放具有滞后效应，并提出了能反映岩石破碎效果的能量指标。等基于线性储能定律提出了剩余弹性能指数，其较其他判据来判断岩石材料的岩爆倾向性具有更准确、科学的特性。等基于能量演化提出了一种利用峰前指标和峰后指标反映岩石脆性的方法。等提出了一种基于受压岩石全应力应变行为能量转换的脆性评价方法，并揭示了峰前区域的塑性能量耗散机制。等认为较脆的岩石具有较短的不稳定裂纹扩展阶段和较低的裂纹损伤阈值诱导损伤，并进一步提出了失效强度指数。赵毅鑫等通过研究冲击地压孕育过程中的能量耗散特征，初步建立了冲击地压失稳判断方法。等基于能量耗散的损伤本构模型提出了一种新的描述岩石在循环荷载下的损伤行为。上述研究成果为从能量角度研究煤岩体损伤演化过程、揭示其失稳破坏特征奠定了坚实的基础。然而前人多基于常规能量指标研究煤体损伤演化过程，利用应力 应变曲线判识煤体失稳破坏信息，难以对煤岩体发生破坏的前兆信息进行精细判识，这制约了从能量驱动角度监测预警煤岩动力灾害的应用。煤岩动力灾害的孕育发展过程在实验室条件下可简化为单轴压缩过程。基于此，文中进行煤体试样单轴压缩试验，通过构建煤岩体能量耗散与能量释放指标，研究煤体受载破 西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘应科，等：煤体受载损伤过程能量演化规律与破坏特征试验坏过程的能量演化规律，揭示煤体失稳破坏的能量演化特征与前兆信息，为煤岩动力灾害的超前预警奠定研究基础。研究方案 试验方案文中采用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 电液伺服岩石多功能加载试验系统对试样进行单轴压缩加载。该系统由加载系统、控制器和计算机系统组成，能够实时测试煤体加卸载破坏过程应力、轴向与径向应变等数据，其压缩负载最大值为 ，最大行程为 。图 煤体试样加载破坏试验系统 煤体试样取自安徽省淮北市杨庄煤矿回采工作面，将大块完整煤体自井下获取后输运至地面，研制成高 ，底面直径 的圆柱体标准试样。选取均质度高且物理力学性质基本一致的试样进行试验。加载方式为单轴线性加载，加载速度为 ，直至煤体失稳破坏。能量指标计算 三能量指标煤岩体受载破坏全过程中，外部应力对应变的积分可记为输入能，记其中的弹性能为，耗散能为。如图 所示，在单调加载模式下，能量指标的计算方法见式（）。加载曲线|（）式中 ，为不同主应力方向的应力与应变；，为煤岩体输入能对应的总应变、耗散能对应的塑性应变部分、弹性能对应的弹性应变部分；，为煤岩体试样的长度和横截面积；为煤岩体弹性模量。图 煤岩体单调加载模式下能量指标计算示意 与 能量指标单轴压缩加载模式下，满足 ，则煤岩体的弹性能可表示为（）定义试样能量演化过程中的能量释放率 与能量耗散率，计算方法见式（）。为单位应变 吸收的弹性能，为单位应变 造成的不可恢复变形的耗散能。两者的演化规律能够揭示试样的变形与损伤机制。|（）试验结果 煤体受载破坏过程选取有代表性的煤体试样试验结果进行分析。图 为试样受载破坏过程的应力应变曲线。结果表明试样受载破坏过程呈显著的非线性特征。随着应力的增加煤体损伤程度不断升高，并在局部时刻呈剧烈损伤，最后发生了失稳断裂破坏。根据应力应变曲线，试样受载破坏全过程可分为以下几个阶段。）段为压密变形阶段，该阶段以原生裂隙及孔隙的压密闭合与变形为主。随着应变的增加，应力增加缓慢，而增速呈上升趋势。）试样经历了较长时间才进入线弹性变形阶段 段，且与压密阶段的连贯性较好，其临界点不易区分。）试样在 点出现了应力的小幅突降，可视为局部剧烈损伤时刻，随后应力又逐渐回升。段可视为弹性变形阶段的延续。）试样在 点达到应力峰值，标志着试样达到了弹性能的存储极限，无法再承受更高的应力水平。随后试样进入显著塑性变形的 段，进入了失稳破坏的临界阶段。）点后，应力大幅且快速降低，试样失去了原有的承载能力，进入失稳破坏阶段（段）。点是试样所能够承受的应力最大值的点，可视为试样受载的临界点；继续对试样加载，试样的内部结构将逐渐失去承载能力，并在 点出现应力的大幅降低，因此 点可视为试样的失稳点；随着载荷的继续增加，试样将在 点失去残余承载能力，出现了动力性的破坏，并向外界弹射崩落的块体，应力曲线表现为近似“垂直”骤降，因此 点可视为试样的破坏点。）点后，试验结束。基于上述试验结果，可对煤体失稳破坏过程中的特征点作如下定义，临界点：煤体的弹性能达到储存极限，无法承受更高应力所对应的点；失稳点：煤体无法保持承载能力，应力开始在极短的时间内大幅下降且不会回升的点；破坏点：煤体完全丧失承载能力，并发生动力性破坏对应的点。图 煤体受载破坏全过程应力随应变的变化结果 三能量指标演化规律图 为试样输入能、弹性能与耗散能指标的计算结果。定义同一受载阶段试样的耗散能与弹性能的比值为“耗弹比”。由于弹性能是可恢复的，并不会对试样造成不可逆的损伤破坏，因此该值可以反映能量的分配规律。对应地，能量指标的变化特征分为以下几个阶段。）段，应力水平较低，外部载荷对试样输入的总能量、试样积聚的弹性能及试样为克服外载做功所耗散的能量均处于较低水平。该阶段耗弹比波动较大，但总体处于高值水平，这主要是由于试样的变形以裂纹的闭合、压密与滑移为主，该过程的实际弹性模量远低于弹性模量的理论值，属于“边际效应”。该阶段不影响试样的失稳破坏时刻的研究，不是文中分析试样失稳破坏的分析重点。图 煤体受载破坏过程能量指标随应变的变化结果 ）段，随着应力水平的增加，试样逐渐进入线弹性变形阶段，输入能与弹性能快速增加，耗弹比迅速降低后保持在较低水平。这是由于试样压密阶段的边际效应快速递减，该阶段的输入能主要转化为弹性能，且两者呈并行增长趋势，弹性能得以快速积累，而耗散能增加相对缓慢。）段的变化趋势与 段总体一致，并在 点出现了耗散能的小幅突增。说明试样在该点出现了局部剧烈损伤，且是不可恢复的，输入的弹性能快速转变为耗散能、弹性能小幅突降。）段，能量指标在临界点（点）出现了异 西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘应科，等：煤体受载损伤过程能量演化规律与破坏特征试验常，此时输入能继续增加，而弹性能到达峰值后不再增加，耗散能反而快速增加，随后该趋势特征不断增强。）段，能量指标在失稳点（点）呈现出弹性能快速下降，耗散能快速上升的现象，在破坏点（点）表现最为突出，此时弹性能骤减而耗散能骤增，导致耗弹比出现了“阶跃”式突变。总体上，煤体能量指标的变化规律能够揭示内部损伤非线性演化过程。相比应力应变曲线，能量指标特别是耗弹比对煤体局部剧烈损伤的异常响应特征更加突出。如图（）所示，煤体发生动力破坏时，耗弹比具有显著的“阶跃式”突变特征，弹性能得到大量且快速的释放，耗散能急剧增高。能量释放率与能量耗散率失稳破坏特征图（）为试样能量释放率（）与能量耗散率（）的计算结果。与 指标整体上呈先稳定后波动的趋势，且两者近似对称。对应地，与 指标的变化特征分为以下几个阶段。图 煤体受载破坏过程 与 指标变化 ）阶段，与 均处于低值水平，虽有波动但幅度较小，相比之下，的值却波动剧烈，这同样是受到了压密阶段边界效应的影响。）阶段，与 同时出现剧烈波动；两者的变化呈上下对称的特征最为显著，而 无明显变化，说明弹性能与耗散能的演化过程规律性较强。）阶段，试样进入塑性变形阶段，期间试样发生了非连续的塑性损伤，弹性能与耗散能的变化并不稳定，呈现显著的波动。）点后，与 的波动趋势更加显著。临界点 出现时，与 均表现出由周期性波动突变为相对稳定波动；如图 所示，失稳点 出现时，由稳定波动迅速转变为下降趋势，由稳定波动迅速转变为上升趋势；破坏点 出现时，由稳定波动逐渐转变为下降趋势，由稳定波动逐渐转变为上升趋势。同时，如图（）所示，在临界点、失稳点与破坏点均出现了不同程度的突变，其中以破坏点处最为显著，这与试样的局部剧烈损伤程度有关。与上述指标不同的是，与在此 点处均出现了异常响应的前兆信息，在破坏前兆点 处，表现出小幅增长，其增幅不如破坏点处显著；在失稳前兆点 处，呈现出相同趋势，均由稳定波动转为突然下降；在临界前兆点 处，呈现突增趋势，均呈现先下降后上升的趋势。图 煤体失稳、破坏时 与 指标变化 上述结果表明，与常规能量指标相比，能量释放率与能量耗散率随应变变化的时间效应较为突出，能够更好地揭示煤体能量非线性演化过程的时序瞬变特征。同时，与 指标更加精细地监测煤体能量演化过程的破坏特征与前兆信息，这 对于进一步研究煤体发生动力破坏的超前监测预警信息，是十分重要的。讨 论在煤体加载过程中，由外部载荷对煤体做功并输入能量。其中积聚的弹性能不断提高煤体的能量密度并趋近于其储能极限。当达到临界条件时，积聚的弹性能在很短的时间内大量的释放，导致煤体发生动力性破坏与失稳灾变。在弹性能的积聚过程中，煤体也会发生塑性变形与损伤，煤体内部裂纹不断萌生、扩展并趋向于贯通，并向外界释放能量。煤体能量相关指标的动态变化规律能够揭示内部损伤的非线性演化特征与失稳破坏的前兆信息。结合试验结果分析，当煤体处于压密变形阶段时，煤体能量耗散的机制及方式较为复杂，导致能量耗散效应较为显著且差异性较大，因而耗弹比较高且波动剧烈，与 指标的变化也较为无序。随着煤体逐渐进入弹性变形阶段，输入的能量大部分转化为可释放