肖福坤， 马红涛， 刘 刚

(黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨150022)

0 引 言

流变特性是岩石的重要特性之一，已有的研究成果表明，许多岩石都存在流变特性。矿山井下的煤岩在长期静载作用下，其变形也会随着时间的增长而加大，表现出流变特性，发生蠕变破坏，严重影响煤矿的安全生产。

许多学者研究了不同加载方式下岩石蠕变状况［1－3］，不同岩石的蠕变状况［4－6］和岩石自身某些因素［7－9］对其蠕变的影响。煤是一种具有特殊性质的岩石，在其内部存在大量的孔隙、节理和微裂隙。在对煤体进行加载过程中，煤体内部的孔隙被压密，原有微裂纹受压闭合。新裂纹的产生及扩展都会产生声发射信号［10］，因此，可以利用声发射设备监测荷载作用下煤体内部变化情况。

目前，对煤体蠕变研究多采用型煤，少有考虑煤体内部含有大量孔隙、节理及微裂隙的特殊性，与现场实际存在差距。有些文献的研究［11－16］，主要是单轴压缩破坏分析和分级加载蠕变破坏分析，与现场实际也有一定差距，缺少对原煤恒定加载的分析。

笔者利用原煤试样，充分考虑其内部存在大量的孔隙、节理和微裂隙，以及长期承受静载作用的实际情况，进行煤体恒定加载蠕变损伤研究。通过分析煤体变形情况和声发射信息，研究煤体蠕变过程中变形情况以及新微裂隙的生成、扩展情况，探究煤体蠕变过程中内部的损伤演化状况。

1 实验装置及方案

1.1 实验装置

实验设备为TYJ－500KN 电液伺服岩石流变实验系统和SH －II 型声发射系统。TYJ-500KN 电液伺服岩石流变实验系统可以施加的最大轴向载荷为500 kN，根据实验需要可采用荷载、位移、轴向应变等多种加载控制方式。为了准确记录煤样轴向、径向变形情况，实验时添加了引伸计装置。因此，可以记录煤样在实验过程中煤样受力－ 时间曲线、应力－应变曲线、轴向变形－ 时间曲线和径向变形－时间曲线。SH －II 型声发射系统可以采集煤样在实验过程中能量、幅值、撞击等数据。根据实验需要，对声发射设备进行采集设置，只采集所需数据。利用声发射设备重放功能，观察煤体在不同时间段的声发射信息状况，有利于对煤体破坏过程进行分析。

1.2 实验方案

煤样选用工作面刚采下无风化的、表面无大裂纹、体积较大的煤块，用保鲜膜在井下进行包装，升井后立刻进行蜡封，然后运回实验室，切割成50 mm ×50 mm×100 mm 的试件。

为了确保实验的准确性，选取16 个试样分别进行实验。实验之前对每个煤体的六个面进行拍照，记录其主要裂隙情况。将声发射探头置于试样四个截面上，三个在试样中部，一个靠近试样下部。为了使声发射设备在采集信息过程中不受外界环境的影响，对声发射系统门槛值进行多次调整，最后设定为40 dB。按照四个探头在煤体的具体位置，在声发射设备定位中输入四个探头的坐标值。为了得到荷载对煤体变形的影响，在压缩实验时采用荷载控制加载方式，加载速率为0.2 kN/s，最终荷载设定为15 kN。同时，开始监测煤体的轴向变形、径向变形和应变随时间的变化情况，以及能量、幅值、撞击和声发射事件产生等声发射信息随时间的变化情况。

1.3 实验数据选取

在16 个实验中，每个煤体的蠕变特性实验曲线和声发射信息变化趋势大致相同，选取表面具有明显裂隙并且声发射信息明显的试样作为分析对象，在其表面标出主要裂隙，如图1 所示。

图1 煤体表面照片Fig．1 Coal surface photos

由图1 可知，煤样表面含有大小不同的裂隙。煤体属于非均匀性物质，本身内部含有大量微裂隙和节理。相对于大的比较明显的裂隙而言，微裂隙可以看作煤体自身的强度材料，忽略它的影响，只考虑大裂隙对煤体强度的影响。在图1 中已用线圈和数字标出了煤体大裂隙。从图1 可见，煤体有八条大裂隙，这些裂隙大多分布在所在面的中间部位，而且均沿垂直方向生成。

2 实验数据

2.1 煤体蠕变特性数据

根据实验结果，得出煤体在0～2．653 4 ×105s时间段的蠕变特性曲线。

由图2a 可见，在0～75 s 时间段荷载匀速增加，75 s 时达到15 kN，进入恒定荷载阶段，如图2b 所示。

图2 荷载－时间曲线Fig．2 Load-time curve

由图3a 和图4a 可见，在达到恒定荷载之前，即0～75 s 阶段，煤样纵向变形sz和横向变形sh均逐渐增大。随着荷载的逐渐增加，纵向变形速率和横向变形速率均逐渐减少。由图3b 和图4b 可知，75 s以后，荷载达到15 kN，即进入恒定荷载阶段，煤样纵向变形和横向变形均以恒定速率缓慢增长。

由图5a 可见，随着荷载的逐渐增加，煤样纵向应变的增加速率逐渐变小，75 s 以后，即进入恒定荷载阶段后，煤样纵向应变开始以较小速率稳定增加。同时，由图5b 可见，随着荷载的逐渐增加，煤样横向应变以稳定速率逐渐增加，75 s 以后，即进入恒定荷载阶段后，煤样横向应变以较小速率稳定增加。

图3 纵向变形－时间曲线Fig．3 Longitudinal deformation-time curve

图4 横向变形－时间曲线Fig．4 Lateral deformation-time curve

图5 应力－应变曲线Fig．5 Stress-strain curve

2.2 煤体蠕变过程中声发射数据

在煤体蠕变声发射实验中，主要采集了能量E、幅值和撞击随加载时间的变化情况。

由图6a～8a 可见，在开始实验时，能量E、幅值E 和撞击次数n 均随着时间的增加逐渐增加，在75 s左右时达到峰值后均开始减少，稳定在一定数值后保持不变。由图6b～8b 可见，进入恒定荷载阶段以后，随着时间的增加，能量、幅值和撞击均大致保持在恒定值。

图6 能量－时间变化Fig．6 Energy-time change

图7 幅值－时间变化Fig．7 Amplitude-time change

图8 撞击曲线Fig．8 Impact curve

由图9 可见，随着开始实验时荷载的逐渐增加以及进入恒定荷载阶段后随着时间的增加，煤样内部的大量孔隙、节理和微裂隙被压密和扩展，以及表面裂隙端部产生新裂隙，导致煤样内部受压发生破坏，致使煤样内部产生声发射事件。随着稳定荷载作用时间的增加，煤样内部声发射产生数量也在增加，而且不同时间阶段声发射事件产生数量和产生位置均有所不同。

图9 不同时间段声发射事件产生总数Fig．9 Number of AE events generation at different time periods

3 煤体稳定蠕变破坏分析

结合煤体蠕变过程中蠕变特性实验和声发射特性实验所得数据可知，煤体变形情况和内部破坏情况可以大概分为三个阶段，0～75 s 内煤体变形曲线和声发射信息强度上升阶段、75～150 s 内煤体变形曲线和声发射信息强度下降阶段、150～2．653 4 ×105s 内煤样变形曲线和声发射信息强度稳定阶段。

3.1 上升阶段

由荷载－ 时间曲线(图2a)、能量－ 时间(图6a)、幅值－时间(图7a)和撞击曲线(图8a)可知，随着荷载的匀速增大，声发射能量、振幅和撞击均呈现出增强的趋势。煤体内部含有大量节理、孔隙、微裂隙，而且在煤体表面有大裂隙。当煤体受到荷载作用时，煤体内部的孔隙、微裂隙会逐渐被压密，大裂隙端部在荷载达到一定时发生扩展。由于煤体承受荷载的逐渐增大，煤体内部的孔隙被进一步压密，原有的微裂隙产生扩展，大裂隙端部产生新的微裂隙，导致煤体内部破坏程度增大，所以声发射设备测得的能量、振幅和撞击均呈现出增强的趋势。在75 s时，荷载达到最大值15 kN，此时煤体内部破坏程度也达到最大，声发射能量、振幅和撞击均应达到最大值。由声发射事件产生总数(图9a)可知，在此阶段，煤样中部有少量声发射事件产生，大约20 个，靠近煤体上下两端也有几个声发射事件产生，而且产生速率呈逐渐增大趋势。由此可知，此时煤体破坏主要集中在中部，上下两端破坏较小，而且破坏在加速进行。由煤体照片(图2)可知，煤体前面和后面的中间均有大裂隙，而且向煤体中部延伸。可以认为，在轴压作用下，裂隙端部会首先发生破坏，产生小裂隙，此煤体前后面裂隙的端部在煤体中部。通过声发射事件产生位置可以推断裂隙在煤体内部的分布情况。

3.2 下降阶段

煤体在75～150 s 阶段，荷载恒定为15 kN。由荷载－时间曲线(图2a)、能量－时间(图6a)、幅值－时间(图7a)和撞击曲线(图8a)可知，声发射能量、振幅和撞击均开始下降，直至降到稳定状态，而且声发射事件产生速率也降低，大约产生15 个。在此阶段，荷载恒定不变，煤体内部相邻孔隙扩展贯通速率、微裂隙产生速率和大裂隙破坏速率均降低，随着时间的增长逐渐达到稳定的破坏速率，即将进入稳定蠕变阶段。在此阶段，纵向变形速率逐渐降低直至稳定速率，声发射事件产生速率降低。大多声发射事件产生位置仍然集中在煤体中部，产生沿纵向方向。在靠近煤样上下两端位置产生新声发射事件，与上阶段声发射事件产生位置比较接近。煤样中间和上下端声发射事件均沿着纵向方向产生。由此可知，当轴力稳定时，煤体裂隙端部生成的微裂隙继续扩展，扩展方向与其受力方向一致，新裂隙生成速度逐渐降低直至稳定速度。

3.3 稳定阶段

由纵向变形－时间曲线(图3)，横向变形－时间曲线(图4)，能量－时间(图6)，幅值－时间(图7)，撞击曲线(图8)可知，150 s 以后，煤体纵向变形速率、横向变形速率、能量、幅值和撞击均比较稳定，煤体进入稳定蠕变阶段。进入稳定阶段后，声发射事件产生速度明显降低。通过重放声发射采集过程，由声发射事件产生总数(图9c)可知，在1．296 ×105s 时，声发射总数达到60 个左右，由此在150～1．296×105s阶段，声发射事件大约产生25 个。由声发射事件产生总数(图9d)可知，在2．653 4 ×105s时声发射总数达到约85 个，由此，在1．296 ×105～2．653 4 ×105s 阶段，声发射事件大约产生25 个。可以推断，在稳定蠕变阶段，煤体声发射事件产生的速率大约是一个稳定值。由纵向变形－时间曲线(图3b)、横向变形－时间曲线(图4b)、应力－应变曲线(图5)和撞击曲线(图8b)可知，煤体纵向变形、横向变形、应变和撞击均呈稳定速率增长。此阶段煤体内部损伤随时间稳定进行，煤体内部微裂隙稳定扩展。由不同时间段声发射事件产生总数(图9)可知，在蠕变稳定阶段，声发射事件主要产生在煤体中部，且沿纵向方向增加。由此可知，煤体破坏发生在裂隙的端部，且沿着受力方向向煤体中间方向扩展。

4 结 论

(1)在煤体蠕变过程中，声发射活动随加载时间的变化表现出不同的特征。在达到设定的恒定荷载15 kN 之前，由于内部含有大量节理、孔隙和微裂隙的的煤体被压密，声发射幅值、撞击和能量均呈增长趋势，声发射事件生成速率也呈增加趋势。达到15 kN 以后，声发射事件产生速率逐渐降低，最后达到稳定速率，进入稳定蠕变状态。

(2)声发射事件先在煤体内部中间部分产生，随着加载时间的增长，声发射事件沿着纵向增加，主要集中在煤体内部中间部位。可以认为煤体表面大裂隙的端部在煤体中间部位。通过声发射事件产生位置得出煤体表面裂隙在煤体内部分布情况，以及蠕变过程中裂隙扩展方向和扩展速率。

(3)声发射事件产生的位置、速率，可以直观地反映煤体表面裂隙在煤体内部发育状况，以及蠕变过程中煤体内部裂隙的扩展置位及方向。该研究对预测煤体蠕变破坏位置意义重大。

［1］王芝银，艾传志，唐明明．不同应力状态下岩石蠕变全过程［J］．煤炭学报，2009，34 (2):169 －173．

［2］赵延林，曹 平，陈沅江，等．分级加卸载下节理软岩流变实验及模型［J］．煤炭学报，2008，33(7):745 －753．

［3］李 铀，朱维申，彭 意，等．某地红砂岩多轴受力状态蠕变松弛特性实验研究［J］．岩土力学，2006，27(8):1248－1252．

［4］李 萍，邓金根，孙 焱，等．川东气田盐岩、膏盐岩蠕变特性实验研究［J］．岩土力学，2012，33(2):444 －448．

［5］曹树刚，刘延保，张立强，等．突出煤体单轴压缩和蠕变状态下的声发射对比实验［J］．煤炭学报，2007，32(12):1264 －1268．

［6］张周鑫，刘丽红．深部巷道围岩蠕变的数值模拟［J］．黑龙江科技学院学报，2013，23(6):519 －522．

［7］佘成学，崔 旋．高孔隙水压力对岩石蠕变特性的影响［J］．岩石力学与工程学报，2010，29(8):1603 －1609．

［8］杨彩红，王永岩，李剑光，等．含水率对岩石蠕变规律影响的实验研究［J］．煤炭学报，2007，32(7):695 －699．

［9］胡其志，冯夏庭，周 辉．考虑温度损伤的盐岩蠕变本构关系研究［J］．岩土力学，2009，30(8):2245 －2248．

［10］肖福坤，樊慧强，刘 刚，等．三轴压缩下含瓦斯煤样破坏过程的声发射特性［J］．黑龙江科技学院学报，2013，23(1):10 －15．

［11］杨永杰，陈绍杰，韩国栋．煤样压缩破坏过程的声发射实验［J］．煤炭学报，2006，31(5):562 －565．

［12］赵玉成，林 斌，唐兴宜，等．单轴压缩下煤体声发射特征及损伤演化过程分析［J］．山东科技大学学报:自然科学版，2013，32(5):1 －7．

［13］刘春生，任春平，李德根．修正离散正则化算法的截割煤岩载荷谱的重构与推演［J］．煤炭学报，2014，39(5):981－986．

［14］苏承东，郭保华，唐 旭．漳村煤矿两种尺度煤样单轴压缩声发射特征的实验研究［J］．煤炭学报，2013，38(Z1):12－18．

［15］曹树刚，刘延保，张立强，等．突出煤体单轴压缩和蠕变状态下的声发射对比实验［J］．煤炭学报，2007，32(12):1264 －1268．

［16］杨永杰，王德超，赵楠楠，等．煤岩蠕变声发射特征实验研究［J］．应用基础与工程科学学报，2012，21(1):159 －165．