不同直径孔洞人造缺陷对煤样损伤破坏影响的实验研究

肖福坤， 孟 鑫， О.В.Бaшков， 包丰源， 吕 岚,4， 邢 乐

(1.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； 2.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 3.Комсомольский-на-Амуре государственный университет Материаловедение и технология новых материалов, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре, Россия 681013； 4.黑龙江科技大学 国际交流合作处，哈尔滨 150022)

0 引 言

深部矿井井下冲击地压发生较为频繁，给安全高效开采带来一系列挑战。面对这一情况，学者们通过研究提出了一些重要理论。基于这些理论，专家提出一些方法如：煤层注水、钻孔卸压、爆破，来弱化和减小煤层的冲击倾向性。其中，钻孔卸压因其效果明显、安全且适应性强，受到越来越多的青睐[1]。钻孔的本质是制造人工缺陷，钻孔卸压问题可以转化为对孔洞缺陷煤岩的研究。肖福坤等[2]利用声发射监测技术研究了孔洞因素对微裂纹扩展延伸路径的影响。崔嘉慧[3]采用岩石相似材料，分析了双孔类岩石的力学特性。来兴平等[4-5]进行了含孔洞煤样单轴压缩实验，分析了煤样的能量演化规律。单鹏飞等[6]通过两种常用卸压手段来研究煤样的损伤演化规律，发现注水卸压和钻孔卸压都可以很好地降低整体煤样的冲击倾向性。杨磊等[7]运用PFC颗粒流数值模拟软件，分析了不同冲击倾向性煤样单轴压缩下的能量演化规律。杨增福等[8]研究了煤样的声发射特征与破坏之间的关系。曾昭飞等[9]发现双孔洞和双裂隙缺陷显著弱化了岩石抗压承载的力学特性。

以上学者从多方面探究了孔洞因素对煤岩性质的影响，发现孔洞直径大小对煤岩性质不容忽视。但是学者们研究的重点主要停留在宏观破坏角度上，分析的手段也较为单一。笔者构造了完整及单孔10、20、30 mm煤样，从孔洞煤样的力学性质、破坏特征、能量转化角度进行综合分析，同时运用声发射监测技术，分析了加载过程中的声发射特征变化，探究了不同孔洞直径对煤样损伤破坏的影响规律，为钻孔卸压参数的选择、减少冲击地压灾害发生方面提供一定的帮助。

1 实验方案

将大块煤样加工成100 mm×100 mm×100 mm的正方体，分成两组，一组是完整试样；一组设置不同孔洞直径，孔径为10、20、30 mm。每种煤样制作3个，完整及孔洞如图1所示。

图1 完整及孔洞煤样Fig. 1 Complete and perforated coal samples

将制作好的煤样放置于压力机底板上，利用YJ-500 kN电液伺服岩石剪切流变试验机加载系统，在垂直于煤样孔洞轴方向，以加载位移0.01 mm/s对煤样进行加载实验。使用SH-II型声发射监测系统监测加载过程中的损伤信号，在上下左右4个区域各安置1个声发射监测探头，监测门槛设置为40 dB；使用摄像机全程记录。实验开始时，设备同时开启。加载系统如图2所示。

图2 实验系统Fig. 2 Experimental system

2 结果分析

2.1 力学性质

图3为煤样的应力-应变曲线。由图3可以看出，所有实验的煤样在加载过程中都经历了裂隙压密、弹性变形、塑性变形和破裂后阶段。完整煤样的应力-应变曲线光滑平整，达到峰值强度后，应力迅速跌落至0，破坏方式为典型的脆性破坏。孔洞煤样在加载过程中会出现不同程度的应力跌落，弹性加载阶段相应减少，塑性加载阶段相应增加。随着孔洞直径的增加，现象越来越明显。

图3 完整及不同孔洞直径煤样的应力-应变曲线Fig. 3 Stress-strain curves of complete coal samples with different hole diameters

将每组加工完成的3个试样进行单轴压缩实验，去除偶然因素影响煤样力学参数，取其结果平均值进行统计。由表1可以看出，完整煤体的最大抗压强度平均值为17.04 MPa，峰值应变为4.04%，弹性模量平均值为3.65 GPa。孔径10 mm煤样的抗压强度为14.60 MPa，相比于完整煤样强度下降了14.32%；峰值应变为2.78%，相比完整煤样下降了31.18%；弹性模量为4.02 GPa，相比完整煤样增加了10.13%。弹性模量大于完整煤样的原因可能是孔洞的影响范围有限，在一定程度上增加了弹性阶段煤样抵抗外力的能力。孔径为20 mm煤样的抗压强度为10.98 MPa，相比于完整煤样强度下降了35.56%，峰值应变为3.25%，相比完整煤样下降了19.55%，弹性模量为3.32 GPa，相比于完整煤样下降了9.04%。孔径为30mm煤样的抗压强度为8.39 MPa，相比于完整煤样强度下降了50.76%；峰值应变为3.61%，相比于完整煤样下降了10.64%，弹性模量为2.57 GPa，相比完整煤样下降了29.59%。

表1 完整及不同孔洞直径煤样的力学参数Table 1 Mechanical parameters of complete and coal samples with different hole diameters

孔洞煤样的强度、峰值应变、弹性模量普遍小于完整煤样。孔洞的存在削弱了煤样的力学性质，劣化了煤样破坏的峰值强度。随着孔洞直径的增加，煤样的峰值强度和弹性模量逐渐降低，峰值应变不断增加，说明孔洞直径越大，卸压效果越好。与完整煤样相比，单孔10、20、30 mm煤样降低的幅度为31.18%、19.55%、10.64%，说明随着孔洞直径的增加，强度下降的速度逐渐减缓。

2.2 裂纹扩展与破坏形态

煤样破坏形态如图4所示。图中的字母是为了区分裂隙扩展的顺序。

图4 煤样的破坏形态Fig. 4 Failure pattern of complete coal sample

由图4可知，完整煤样的破坏形态为典型的脆性破坏，首先在试样中间上下方各出现了一条初始张拉裂纹a和b，主要是局部拉应力集中超过承载极限所致，它们相向汇合后又继续扩展；随后上部c和下部d处表皮出现脱落，随着载荷加载，表皮脱落区域越来越多，宏观剪切裂纹逐渐形成；超过煤样承载极限时，试样发生剪切破坏。

单孔直径10 mm煤样的破坏方式为张拉和剪切混合破坏，从破坏形态看，煤样表面有4条宏观裂纹，左侧张拉裂纹b和由孔洞出发的3条剪切裂纹a、c、d；加载前期，煤样表面无明显变化，但内部的应力状态已发生改变，孔洞导致了能量的释放，致使孔洞周围应力集中产生微裂隙，微裂隙逐渐扩展、贯通，对煤样内部产生影响，由于孔洞直径较小，影响距离有限，孔洞远处的区域超过其抗拉强度，出现张拉裂纹，最后的破坏是由张拉和剪切力共同作用的,与应力-应变曲线形成良好的对应，到达峰值强度后应力跌落又再次上升。

直径20 mm煤样的破坏形态为剪切破坏，首先在孔洞上下方各出现了一条张拉裂纹a和b，它们从孔洞出发向边界方向逐渐扩展，随着载荷加载，张拉裂纹逐渐闭合，孔洞左右方各出现了一条剪切裂纹c和d，c裂纹向上方扩展，d裂纹向下方扩展。张拉裂纹闭合的原因是距离孔洞越远，受到的张拉应力越小，孔洞左右方的剪应力集中导致出现剪切裂纹，剪切裂纹的扩展又影响了张拉裂纹的扩展，接着在孔洞右侧又出现一条新的剪切裂纹e，向下方扩展，裂纹旁边出现了部分表皮脱落。随着载荷加载裂纹扩展越来越多，煤样发生剪切破坏，宏观裂纹为初始剪切裂纹扩展的方向。

直径30 mm煤样的破坏方式为剪切破坏，首先在孔洞上下方各出现一条张拉裂纹a和b，随后在加载过程中孔洞右侧上下各出现一条剪切裂纹c和d，张拉裂纹在加载过程中逐渐闭合。孔洞上方有粉末落下，伴随着轻烟生成。从右侧边缘又出现一条横向裂纹e，向孔洞方向扩展，随后煤样右侧出现大块剥离，可以听到噼啪声响，大的宏观裂纹出现，煤样发生破坏。宏观裂纹为初始裂纹c、d扩展并贯通形成。

完整煤样的破坏方式为剪切破坏，煤样破坏时比较剧烈。孔洞的存在改变了煤样的性质，一定程度上降低了煤样破坏的剧烈程度。当孔洞直径由10 mm增加到30 mm，煤样由张拉和剪切混合破坏逐渐向剪切破坏转化。孔洞煤样的初始裂纹往往从孔洞周围产生，宏观裂纹的方向往往由孔洞周围产生的剪切裂纹扩展形成。随着孔洞直径的增加，孔洞的作用越来越明显。

2.3 能量转化

煤样从加载到最后发生破坏都有能量的参与，煤样受载过程是一个能量不断转化的过程。峰前是煤样积聚能量的阶段，输入的能量一部分转化为弹性能，一部分转化为耗散能，通过对峰前阶段的能量转化进行分析，可以更好地探究不同孔洞直径对煤样损伤破坏的影响。

由表2和图5可知，完整煤样加载过程输入的总能量φt为263.88 kJ/m3，孔洞煤样加载过程中输入的总能量普遍小于200 kJ/m3，说明孔洞的存在劣化了煤样的性质。随着孔洞直径的增加，煤样输入的总能量呈现减小的趋势，劣化效果越来越好。完整煤样输入的总能量中，93.92%的能量转化为弹性变形能φSE储存在煤样内部，破坏时被释放出来;6.08%的能量转化为耗散能φD，用于煤样内部的裂纹萌发、裂隙扩展和塑性变形。单孔10 mm煤样输入总能量的91.04%转化为弹性变形能，8.96%的能量转化为耗散能。单孔20 mm煤样输入总能量的83.03%转化为弹性变形能，16.97%的能量转化为耗散能。单孔30 mm煤样输入总能量的76.45%转化为弹性变形能，23.55%的能量转化为耗散能。随着孔洞直径的增加，耗散能占比呈增加趋势。记弹性变形能转化比为k1,耗散能转化比为k2。

表2 完整及不同孔洞直径煤样的能量转化Table 2 Energy conversion of coal samples with complete and different hole diameters

图5 完整及不同孔洞直径煤样的能量转化Fig. 5 Energy conversion of complete coal samples with different hole diameters

随着孔洞直径的增加，输入总能量呈下降趋势。孔洞劣化了煤样的性质，使煤样积聚能量的能力减小。耗散能占比呈增加趋势，说明更多的能量用于煤样内部裂纹发育、扩展，发生破坏时突然释放的能量减小，孔洞达到了卸压的效果。孔径越大，卸压效果越好。

2.4 煤样声发射特征

煤岩加载过程中的声学信息蕴含着煤样的破裂信息，通过分析声发射特征参数变化，可以得到不同直径下孔洞煤样的损伤演化规律，如图6所示。

图6 煤样声发射特征信息Fig. 6 Acoustic emission characteristic information of coal sample

完整煤样初始加载阶段内部就有声发射信号出现，振铃计数随着载荷上升持续增加，最高达到2 500，但总体的振铃计数处于较低水平。加载中间多次出现声发射振铃计数激增，主要是由于内部应力集中所致。当载荷加载到峰值载荷的92%左右，振铃计数激增，累计振铃计数出现一个直线上升，最大振铃计数达到150 000，越过峰值后，载荷迅速降低至0，振铃计数维持在一个低水平。

单孔10 mm煤样在初始压密阶段，振铃计数维持在2 000左右，较完整煤样有所增加，进入弹性阶段之后，振铃计数逐渐增加，累计振铃计数呈现稳定的线性增长。期间出现两次信号突增，最大振铃计数为22 000。当载荷加载到峰值载荷的80%，煤样进入塑性阶段，声发射信号持续增加后出现一段时间平静期。临近峰值时刻，声发射信号激增，最大振铃计数为51 000，累计振铃出现了较大的增幅。峰后阶段，声发射信号先归于平静，当应力又重新增加时，声发射信号又归于活跃，振铃计数维持在51 000，累计振铃曲线呈75°增加，随后煤样发生破坏。出现这种现象的原因可能是孔洞影响的范围有限，煤样的破坏是由远场的张拉裂纹和由孔洞周围扩展的剪切裂纹共同作用的。煤样左侧发生张拉破坏，但煤样整体还有承载能力，所以应力在峰值后未快速跌落又出现上行，最后煤样发生破坏。

单孔20 mm煤样初始压密阶段，声发射信号逐步增加，50 s出现了多次声发射振铃计数激增，最大振铃计数为18 000，分析原因主要是煤样孔洞周围出现应力集中发生局部破坏所致。弹性变形阶段，振铃计数基本保持稳定，维持在2 200左右。当载荷加载到峰值载荷的55%左右，煤样进入塑性变形阶段。150～200 s之间，声发射振铃计数出现多次激增，振铃计数在15 000左右，之后经过一段平静期。加载时间到达240 s时，声发射信号重新活跃，保持高振铃计数值，累计振铃计数曲线呈现75°增加。临近峰值时，声发射振铃计数继续保持活跃，没有出现大的激增现象，煤样内部裂纹继续发育、扩展，逐渐形成宏观裂纹。越过峰值时刻，声发射信号归于平静，累计振铃计数基本保持不变。

单孔30 mm煤样初始压密阶段声发射振铃计数维持在2 500左右，80 s出现了声发射振铃计数激增，振铃计数为9 500左右，分析原因主要是由于加载过程中孔洞周边应力集中导致局部破损所致。弹性阶段，声发射信号基本保持稳定，煤样内部裂纹逐渐发育。当加载到峰值载荷的70%时，煤样进入塑性阶段，声发射振铃计数维持在25 000左右，累计振铃计数曲线呈现80°增加，煤样内部裂纹快速发育、扩展贯通，最后发生宏观破坏。

孔洞煤样的累计振铃计数远小于完整煤样。完整煤样振铃计数各个阶段较小，峰值时刻振铃计数突增，突增的原因是煤样随着载荷的加载，内部裂隙不断发育、扩展，当超越煤样承载极限时发生剪切崩坏，产生大量声发射振铃计数。孔洞煤样各个阶段声发射振铃计数大于完整煤样，峰值时刻振铃计数突增小于完整煤样。由于孔洞的存在，煤样受压时孔洞周围产生应力集中，发生局部破坏，此后裂纹的扩展又影响了煤样内部能量的积聚，当煤样内部裂纹还未发育完全时，由孔洞周围的裂纹经过不断扩展、贯通，逐渐形成了宏观裂纹，所以声发射振铃计数少于完整煤样。随着孔洞直径的增加，声发射活动逐渐减少，峰值时刻的振铃计数减小，说明孔洞直径的增加，相应降低了煤样破坏的剧烈程度，卸压效果也表现越来越好。

3 结 论

(1)孔洞煤样的强度、峰值应变、弹性模量普遍小于完整煤样。随着孔洞直径的增加，煤样的峰值强度和弹性模量逐渐降低。随着孔径的增大，抗压强度下降的速度逐渐减缓。

(2)孔洞煤样的初始裂纹往往从孔洞周围产生，宏观裂纹的方向往往由孔洞周围产生的剪切裂纹扩展形成，当孔洞直径不断增加时，煤样由张拉和剪切混合破坏逐渐向剪切破坏转化。

(3)孔洞煤样输入的总能量小于完整煤样。随着孔洞直径的增加，煤样输入的总能量呈现减小趋势，耗散能占比呈现增大趋势。

(4)煤样加载过程中振铃计数的变化关系体现了煤样损伤演化的过程。孔洞煤样声发射活动小于完整煤样。孔洞煤样各个阶段声发射振铃计数大于完整煤样，峰值时刻振铃计数突增小于完整煤样。随着孔洞直径的增加，煤样声发射活动逐渐减少，峰值时刻的振铃计数也减小。