摘要：沖擊荷載下煤巖損傷演化規(guī)律的認(rèn)識對動力學(xué)災(zāi)害防控至關(guān)重要。為了得到煤巖在沖擊荷載下的損傷演化特征，通過開展沖擊試驗，運用超聲波檢測裝置和聲發(fā)射儀器分別測量沖擊前后煤樣的波速變化與沖擊過程的聲發(fā)射特征，用波速和聲發(fā)射的變化反映煤樣內(nèi)部損傷特征。結(jié)果表明：沖擊荷載的作用次數(shù)、單次沖擊能量的大小和施加順序均會對煤樣內(nèi)部損傷演化造成影響;煤樣內(nèi)部損傷隨沖擊次數(shù)增加呈冪函數(shù)增長，與單次沖擊能量呈線性增長;沖擊能量由大到小進(jìn)行施加更容易使煤樣發(fā)生破壞。煤樣內(nèi)部損傷變化越劇烈，聲發(fā)射信號特征越明顯。用波速表征的煤樣內(nèi)部損傷變化與聲發(fā)射在每個階段監(jiān)測到的事件數(shù)和能率變化有較好的一致性。這為礦井開采動力災(zāi)害預(yù)報與控制提供了科學(xué)依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：沖擊荷載;損傷演化;超聲波;聲發(fā)射;動力災(zāi)害防控

　　《包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報》堅持為社會主義服務(wù)的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導(dǎo)，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結(jié)合的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)，傳播先進(jìn)的科學(xué)文化知識，弘揚(yáng)民族科學(xué)文化，促進(jìn)國際科學(xué)文化交流，探索高等職業(yè)教育、教學(xué)及管理諸方面的規(guī)律，活躍教學(xué)與科研的學(xué)術(shù)風(fēng)氣，為教學(xué)與科研服務(wù)。

　　O 引言

　　煤炭作為我國主體能源的格局在很長一段時期內(nèi)不會發(fā)生改變[1]，煤礦開采不可避免存在機(jī)組割煤、頂?shù)装迤茢唷⒈频葎虞d擾動。隨著深部開采、開采強(qiáng)度的加大，煤巖所處應(yīng)力狀態(tài)逐漸惡化，由強(qiáng)動載作用誘發(fā)的沖擊礦壓、礦震等動力災(zāi)害愈加頻繁[2-7]。煤巖體的破壞一般是累積損傷過程，物理上表現(xiàn)為微結(jié)構(gòu)變化的累積，力學(xué)上是宏缺陷的產(chǎn)生與擴(kuò)展的累積，工作面的回采、巷道的掘進(jìn)過程中，煤巖體的破壞大多是由動載荷引起。研究動載荷尤其沖擊荷載作用下煤巖體的損傷演化規(guī)律對于動力災(zāi)害防控具有重要意義。

　　目前，許多學(xué)者在沖擊荷載下巖石的損傷擴(kuò)展方面做了大量研究。陳俊樺等基于爆破模型建立了包含初始損傷變量、巖體完整性指數(shù)和聲波波速間關(guān)系的爆破損傷模型[8];金解放等基于動靜組合加載實驗裝置，對靜載荷與循環(huán)沖擊作用下巖石損傷變量定義方法的選擇進(jìn)行了詳細(xì)研究[9];來興平等對不同加載模式下煤樣損傷與變形聲發(fā)射特征進(jìn)行了對比分析[10];劉少虹等對動靜加載下煤的破壞特性及機(jī)制進(jìn)行了試驗研究[11];趙洪寶等對沖擊荷載下煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化規(guī)律進(jìn)行了研究[12]。

　　隨著現(xiàn)代無損檢測技術(shù)理論的成熟和其在實際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，沖擊荷載作用下，煤巖損傷破壞過程中聲發(fā)射、超聲波波速聯(lián)合測量來揭示煤巖損傷演化規(guī)律的研究較少。為了弄清煤巖在沖擊荷載作用下基于超聲波波速表征的損傷演化規(guī)律和聲發(fā)射測量的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化及其耦合特征。文中開展沖擊荷載試驗，改變沖擊能量大小、施加順序等，以沖擊前、后煤樣中波速的變化來反映煤樣內(nèi)部損傷變化特征，用聲發(fā)射監(jiān)測分析沖擊過程中煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化過程，通過分析豐富的煤樣內(nèi)部損傷演化信息為圍巖動力災(zāi)害防控提供理論指導(dǎo)。

　　1 試驗設(shè)計

　　1.1 煤樣內(nèi)部損傷定量化描述

　　損傷理論[13 -17]認(rèn)為，煤巖的破壞起始于煤巖在受荷載前已存在的初始損傷——裂隙或微裂縫，煤巖在外荷載作用下，內(nèi)部的微裂隙或微裂縫會由于應(yīng)力集中的作用而不斷擴(kuò)展，微裂縫或微裂隙不斷擴(kuò)展的結(jié)果導(dǎo)致煤巖體宏觀力學(xué)性能的劣化，因此煤巖的破壞是一個漸進(jìn)破壞的過程。目前，對損傷變量可以有很多定義[18 -21]，一方面，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化引起了材料的損傷，因此，可以用材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化的程度來定義損傷變量;另一方面，材料微結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致的損傷總是以宏觀力學(xué)現(xiàn)象表現(xiàn)出來，如材料彈性常數(shù)等，因此也可以用這些宏觀量來對材料的損傷進(jìn)行定義。所以，煤巖的損傷可以從宏觀和微觀2個方面進(jìn)行度量。微觀方面，可以選用孔隙數(shù)目、面積、體積等;宏觀方面，可以選用彈性常數(shù)、密度、超聲波波速等。

　　當(dāng)煤巖受損傷以后，由于其微觀結(jié)構(gòu)的變化，便會引起在材料內(nèi)部傳播的彈性波速的變化，因此可定義煤巖的累積損傷變化量為[22]

　　D=l - V2/V0

　　(l)式中D為煤巖的累積損傷變化量;V0分別為煤巖初始損傷的彈性波速，m/s;Vi為第i次損傷后的彈性波速，m/s.

　　定義第i次沖擊煤巖內(nèi)部損傷變化量[22]為

　　Di=(Vi-1/Vo)2一(Vi/VO)2

　　(2)式中Di為第i次沖擊材料內(nèi)部損傷變化量;Vi為第i次沖擊荷載后的內(nèi)部彈性波速，m/s;Vi-1為材料承受第Vi-1/sub>，次沖擊荷載后內(nèi)部彈性波速，m/s.

　　由于煤巖破壞過程中聲發(fā)射的測量、超聲波速度的測量都可以很好反映煤巖內(nèi)部損傷的變化。本試驗擬以沖擊前、后煤樣超聲波波速的變化，來反映煤樣內(nèi)部損傷的變化，用聲發(fā)射監(jiān)測分析沖擊過程中煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化過程。

　　1.2 樣的制備

　　試驗所用煤樣為二次加工制得，煤樣加工時，將煤粉在粉碎機(jī)上二次粉碎，利用孔徑為1.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)檢驗篩對煤粉和河沙進(jìn)行篩選，然后將采用粒度為1 mm以下的河沙、石膏、大白粉、煤粉、水按照2.1：0.1：0.5：2.1：0.6的比例進(jìn)行充分混合，放入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm普通鑄鐵三聯(lián)模具壓實，靜置10 min后脫模而成煤樣試件，試驗煤樣如圖1所示，隨后在自然室溫下放置28d.煤樣形狀為方形，尺寸為70 mm×70 mm×70mm，質(zhì)量為400g.

　　1.3 試驗裝置

　　1.3.1 單向沖擊試驗裝置

　　試驗在單向沖擊荷載試驗裝置(圖2)上進(jìn)行。該裝置由固定架、沖擊落球等組成，利用懸吊在煤樣垂直上方的落球自由下落對煤樣產(chǎn)生沖擊荷載，通過調(diào)節(jié)落球下落高度以及更換重量產(chǎn)生不同大小的沖擊能量。

　　沖擊落球為球體，為了保證沖擊能量有較大的取值范圍，準(zhǔn)備的沖擊落球的質(zhì)量有50，100，150，200 ，400g 4個質(zhì)量梯次，具體的規(guī)格見表1.

　　假定沖擊落球與煤樣碰撞時，沖擊落球作用在煤樣的沖擊能量為E1，忽略空氣阻力，由于沖擊落球的彈性模量遠(yuǎn)大于煤樣的楊氏模量，則作用在煤樣上的沖擊能量E1為

　　El=mgh

　　(3)式中E1為沖擊落球作用在煤樣的沖擊能量，J;m為沖擊落球質(zhì)量，kg;h為沖擊落球的下落高度，m.

　　1.3.2 基于聲發(fā)射的煤巖內(nèi)部損傷過程監(jiān)測裝置

　　試驗之前，設(shè)置聲發(fā)射幅度門限，使聲發(fā)射信號剛好出現(xiàn)，將聲發(fā)射探頭與煤樣之間用凡士林進(jìn)行耦合。實時監(jiān)測煤樣在沖擊過程中幅度、振鈴計數(shù)、能量指標(biāo)。

　　1.3.3 基于波速表征的煤巖內(nèi)部損傷檢測裝置

　　用超聲波檢測裝置對煤樣沖擊前后波速進(jìn)行測量。每一次沖擊前后沿沖擊方向、左右垂直沖擊方向、前后垂直沖擊3個方向進(jìn)行波速檢測，每個方向測量3次，記錄并求其平均波速值，探頭與煤樣之間用凡士林進(jìn)行耦合。

　　2 試驗過程

　　2.1 煤樣的初始波速檢測

　　為了減小因為煤樣差異性對試驗結(jié)果的影響，沖擊試驗開展之前對所有的煤樣進(jìn)行初始波速測試，每個方向測量3次并求其平均值，將波速明顯異常的試樣進(jìn)行剔除，最終確定進(jìn)行試驗的煤樣初始波速見表2.

　　為了盡可能減小試驗誤差，保證試驗煤樣盡可能相同，計算煤樣3個方向波速的標(biāo)準(zhǔn)差、相對標(biāo)準(zhǔn)差，分析煤樣離散性。波速分布特點見表3，煤樣3個方向的波速分布非常相似，其較小的差異可能是由于煤樣加工、波速檢測等引起的。可以認(rèn)為，煤樣在開展試驗前各個方向的波速是相同的，反映出其初始損傷在各個方向上也是相同的。煤樣初始波速相對標(biāo)準(zhǔn)差最大為3.91%，說明煤樣波速分布集中，離散性不明顯。

　　2.2 試驗實施

　　試驗共分為8組，為了模擬0.1，0. 15，0.2，0. 25 J的沖擊能量，試驗用100 9的沖擊落球下落高度設(shè)置為10 - 25 cm共4個水平。用200 9沖擊落球下落高度設(shè)置為15，20 cm分別模擬沖擊能量為0.3和0.4 J.高度分別對應(yīng)的作用在煤樣上沖擊能量大小，見表4.

　　試驗前6組每組采用同一高度循環(huán)沖擊，直至煤樣破裂。為探究沖擊能量施加順序?qū)γ簶觾?nèi)部損傷的影響，第7組先采用由小到大進(jìn)行沖擊，沖擊能量施加順序具體為：第1次0. 05 J，第2次0.1J，第3次0.2 J，第4次0.3 J，第5次0.4 J.第8組采用采用由大到小進(jìn)行沖擊，沖擊能量施加順序具體為：第1次0.4 J，第2次0.3 J，第3次0.2 J，第4次0.1 J，第5次0.1 J，以上每次沖擊試驗前、后均測定煤樣波速，且每次均在沿沖擊方向上與垂直沖擊方向上進(jìn)行波速測量。在沖擊過程中全程監(jiān)測聲發(fā)射特征。

　　3 試驗結(jié)果與分析

　　3.1 基于波速表征的煤樣內(nèi)部損傷演化規(guī)律

　　3.1.1 沖擊次數(shù)對煤樣內(nèi)部損傷的影響

　　以沖擊能量為0.1 J的C18煤樣為例進(jìn)行分析，沖擊次數(shù)與煤樣內(nèi)部累積損傷變化量D的關(guān)系如圖3所示。從整體變化趨勢來看，煤樣累積損傷變量D隨著沖擊次數(shù)的增加呈遞增趨勢，說明沖擊荷載對煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了顯著破壞。D呈近似的倒S型曲線變化，經(jīng)歷快速發(fā)展、平緩發(fā)展和急速發(fā)展3個階段。這與趙紅寶的結(jié)論相符[12]。通過Origin軟件擬合各個方向的增長趨勢，煤巖內(nèi)部損傷與沖擊次數(shù)呈冪函數(shù)增長趨勢，3個方向擬合曲線的相關(guān)系數(shù)平方最低為0. 887 38，最高達(dá)到0.965 67，說明該擬合方程擬合度較高。沖擊荷載對煤樣造成了顯著破壞，煤樣內(nèi)部損傷隨沖擊次數(shù)的增加呈遞增趨勢，且3個方向上的D隨著沖擊次數(shù)的增加呈冪函數(shù)增長。

　　3.1.2 不同沖擊方向的內(nèi)部損傷演化區(qū)別

　　對比分析不同沖擊能量下3個方向上煤樣內(nèi)部累積損傷變量D隨沖擊次數(shù)的變化趨勢，從圖3可以看出，3個方向上內(nèi)部損傷演化差異化明顯。從數(shù)值大小上看，垂直沖擊方向的D大，說明沖擊荷載在垂直沖擊方向上對煤樣內(nèi)部造成的損傷顯著。這可能與垂直沖擊方向的初始損傷有關(guān)，在沖擊荷載作用下，裂紋更易在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展與發(fā)育。其次，由于沿沖擊方向煤樣底面受到支撐，形成約束，加之受重力影響，而垂直沖擊方向上是自由面，裂紋擴(kuò)展和損傷更容易向著約束小的地方發(fā)育。

　　3.1.3 單次沖擊能量大小與煤巖損傷演化的關(guān)系

　　當(dāng)沖擊能量為0.4 J時，煤樣經(jīng)歷一次沖擊后就發(fā)生破碎，用0.3 J的能量進(jìn)行沖擊時，一個煤樣承受3次沖擊后即完全破裂，選用變化相對規(guī)律的煤樣作為分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此選前3次沖擊為研究對象，分析0.1 J到0.3 J的5個沖擊能量梯度。煤樣第1次沖擊后，煤樣內(nèi)部累積損傷變量D與沖擊能量關(guān)系如圖4(a)所示。從總變化趨勢來看，沖擊能量越大，對煤樣造成的內(nèi)部損傷越嚴(yán)重;用直線擬合煤樣內(nèi)部損傷隨沖擊能量的變化趨勢，3個方向的線性相關(guān)系數(shù)的平方均超過0.92，說明線性增長趨勢非常明顯。

　　第2次沖擊后，得到煤樣內(nèi)部累積損傷D與沖擊能量關(guān)系如圖4(b)所示，試驗曲線呈非線性增長變化，可以推斷，當(dāng)沖擊能量達(dá)到一定程度時，隨著每次沖擊，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)迅速變化，而且損傷呈現(xiàn)不均勻、不規(guī)則變化。第3次沖擊后，得到的D與沖擊能量關(guān)系如圖4(c)所示，3個方向上的D均隨著沖擊能量的增加非常明顯，幾乎呈線性函數(shù)關(guān)系，與第1，2次沖擊相比，變化趨勢更具有規(guī)律性。從單獨的左右垂直沖擊方向或前后垂直沖擊方向來看，呈現(xiàn)不規(guī)則的增長曲線，但在垂直沖擊方向看，幾乎是沿著一條直線增長。用線性擬合這種變化趨勢，3個方向的線性相關(guān)系數(shù)的平方均超過0. 89，說明線性增長趨勢明顯。呈現(xiàn)這種規(guī)律的變化可能經(jīng)歷前2次沖擊，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過調(diào)整，沖擊能量越大對煤樣造成的損傷越嚴(yán)重。