三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性

D0L:10.13374h.issn1001-053x.2011.06.007 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性 李玉寿1,2)回杨永杰2) 杨圣奇1》马占国) 1)中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州221008 2)山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室，青岛266510 3)中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州221008 ☒通信作者，E-mail:li_yushou@163.com 摘要在MTS815.02岩石力学试验系统上进行了煤的单轴压缩、三轴压缩及孔隙水作用下全应力应变试验及声发射检测. 结果表明：煤的三轴强度、残余强度随围压增高而增大，随孔隙水压增高而降低：在低围压试验范围内，煤的弹性模量不随围 压变化。煤在不同试验条件下呈现的声发射特征有显著差异性：单轴试验时各个阶段均有声发射事件产生，三轴及孔隙水试 验条件下煤样屈服之前声发射事件较少，而屈服之后声发射趋于活跃：单轴试验时煤的声发射能量最大，随孔隙水压增大，煤 样变形过程释放的声发射能量逐渐减小。 关键词煤：变形；声发射：压缩试验：孔隙水压 分类号TD325.4:TU458.3 Deformation and acoustic emission behaviors of coal under triaxial compression and pore water pressure LI Yu-shou2☒，YANG Yongji2,YANG Shengi),MA Zhan-guo》 1)State Key Laboratory for Geomechanies Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China 2)Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China 3)School of Mechanics Civil Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China Corresponding author,E-mail:li_yushou@163.com ABSTRACT Full stress-strain tests and acoustic emission measurements under uniaxial compression,triaxial compression and pore water pressure were carried out on coal samples with an MTS815.02 rock mechanics test system.It is shown that the triaxial strength and residual strength increase with the increase of confining pressure but reduce with the increase of pore water pressure.In the testing range of low confining pressure,the elastic modulus has great change with confining pressure.Under different testing conditions,the acoustic emission behaviors of coal samples have great differences.Under uniaxial compression test,there are all acoustic emission events at each stage,but under triaxial compression and pore water pressure,the acoustic emission events are smaller before yielding and tend to be active after yielding.The acoustic emission energy of coal samples under uniaxial compression is the largest.With the increase of pore water pressure,the released acoustic emission energy decreases step by step in the process of deformation. KEY WORDS coal;deformation:acoustic emissions:compression testing:pore water pressure 在煤炭开采等地下工程中，煤岩体常常受到 了大量的研究结果-，而对于煤在孔隙水作用下 带压地下水的作用，从而导致煤岩体强度与力学 的变形及声发射特性的实验研究资料尚少.文献 特性的变化.在煤炭开采过程中，通过人工注水的 5]研究了煤在单轴受压破坏过程中的声发射特 措施，可以减轻煤与瓦斯突出和冲击矿压的危害. 性.文献6]的研究结果表明，水对煤的强度影响 实验室内针对煤岩的单轴及常规三轴试验己经有 较大，含水量越大，其变形破坏的塑性特征越明 收稿日期：2010-07-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50709008:No.51074163):教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(No.NCET080837):山东 科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室开放基金资助项目(No.MDPC0803)

第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性 李玉寿1，2) 杨永杰2) 杨圣奇1，3) 马占国1，3) 1) 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221008 2) 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室，青岛 266510 3) 中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州 221008 通信作者，E-mail: li_yushou@ 163． com 摘 要 在 MTS815． 02 岩石力学试验系统上进行了煤的单轴压缩、三轴压缩及孔隙水作用下全应力应变试验及声发射检测． 结果表明: 煤的三轴强度、残余强度随围压增高而增大，随孔隙水压增高而降低; 在低围压试验范围内，煤的弹性模量不随围 压变化． 煤在不同试验条件下呈现的声发射特征有显著差异性: 单轴试验时各个阶段均有声发射事件产生，三轴及孔隙水试 验条件下煤样屈服之前声发射事件较少，而屈服之后声发射趋于活跃; 单轴试验时煤的声发射能量最大，随孔隙水压增大，煤 样变形过程释放的声发射能量逐渐减小． 关键词 煤; 变形; 声发射; 压缩试验; 孔隙水压 分类号 TD325 + . 4; TU458 + . 3 Deformation and acoustic emission behaviors of coal under triaxial compression and pore water pressure LI Yu-shou1，2) ，YANG Yong-jie 2) ，YANG Sheng-qi 1，3) ，MA Zhan-guo 1，3) 1) State Key Laboratory for Geomechanics ＆ Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China 2) Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China 3) School of Mechanics ＆ Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China Corresponding author，E-mail: li_yushou@ 163． com ABSTRACT Full stress-strain tests and acoustic emission measurements under uniaxial compression，triaxial compression and pore water pressure were carried out on coal samples with an MTS815． 02 rock mechanics test system． It is shown that the triaxial strength and residual strength increase with the increase of confining pressure but reduce with the increase of pore water pressure． In the testing range of low confining pressure，the elastic modulus has great change with confining pressure． Under different testing conditions，the acoustic emission behaviors of coal samples have great differences． Under uniaxial compression test，there are all acoustic emission events at each stage，but under triaxial compression and pore water pressure，the acoustic emission events are smaller before yielding and tend to be active after yielding． The acoustic emission energy of coal samples under uniaxial compression is the largest． With the increase of pore water pressure，the released acoustic emission energy decreases step by step in the process of deformation． KEY WORDS coal; deformation; acoustic emissions; compression testing; pore water pressure 收稿日期: 2010--07--26 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No． 50709008; No． 51074163) ; 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目( No． NCET--08--0837) ; 山东 科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室开放基金资助项目( No． MDPC0803) 在煤炭开采等地下工程中，煤岩体常常受到 带压地下水的作用，从而导致煤岩体强度与力学 特性的变化． 在煤炭开采过程中，通过人工注水的 措施，可以减轻煤与瓦斯突出和冲击矿压的危害． 实验室内针对煤岩的单轴及常规三轴试验已经有 了大量的研究结果［1--4］，而对于煤在孔隙水作用下 的变形及声发射特性的实验研究资料尚少． 文献 ［5］研究了煤在单轴受压破坏过程中的声发射特 性． 文献［6］的研究结果表明，水对煤的强度影响 较大，含 水 量 越 大，其变形破坏的塑性特征越明 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.007

第6期 李玉寿等：三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性 ·659· 显，且含水可以降低煤的冲击倾向性.文献7]通 (三轴孔隙水试验需在试样两端加透水板)，将耐高 过数值模拟的手段比较了有孔隙水作用和不加孔 压声发射传感器耦合于压头底座上，如图1所示. 隙水条件下岩样破坏的声发射特征.文献8]的 试验开始时，同时给试样施加围压和孔隙水压，孔隙 数值模拟结果认为，孔隙压力较低时岩样的破坏 水压的加载速率应略小于围压，以避免瞬时水压大 模式不随孔隙压力增加而改变，随孔隙压力增加， 于围压而引起密封失效，本文围压和孔隙水压分别 岩样的应力峰值及轴向应变、体积应变、侧向应变 按0.05和0.04MPa·s1的速率加载到各自的设定 均降低 值.在围压和孔隙水压保持恒定的条件下，采用位 文献B]的试验是将声发射探头置于三轴室的 移控制模式，以0.002mm·s-1的变形速率施加轴力 外面，由于三轴缸及油体的阻隔使得煤岩破裂过程 至煤样破坏为止，同步进行声发射参数记录 的声发射信息大幅衰减，而且接收信号中夹杂有大 量的干扰信息，不利于信号的真实处理. 本文通过对MTS815.02岩石力学试验系统加 以改造，进行了煤在单轴压缩、三轴压缩及孔隙水作 用下的三轴试验.将声发射传感器置于MTS815.02 系统三轴室内部，通过底盘将信号线引出三轴室并 连接到声发射检测仪上.这样，可以完成在有围压 和孔隙水压力作用下煤岩破坏过程的声发射试验. 结合设备原有功能，可以研究煤岩变形过程与声发 射之间的关系 图1煤的三轴孔隙水试验 Fig.1 Triaxial test of coal samples under pore water pressure 1煤的三轴孔隙水试验 (2)煤样制备.煤本身是一种非均质材料，各 1.1试验设备 种微孔隙、裂隙较多，层理、节理非常发育，煤样的制 试验在MTS815.02型电液伺服岩石力学试验 取十分困难回，一般很难加工成标准试样.本次试 系统上进行.该设备具有三套独立闭环伺服控制加 验的煤样取自山东济宁2号井，为尽量减少煤的离 载系统，其主要技术参数为轴力≤2700kN,围 散性对试验结果的影响，试样取自同一块完整性很 压≤50MPa,孔隙水压≤50MPa.设备全程采用计 好的煤块，按照岩石力学试验规程将煤样加工成直 算机控制，自动数据采集.声发射信号的检测采用 径为50mm、高100mm标准试样，且两端面用专用 AE21C双通道声发射检测系统，该系统可全自动高 磨石机磨平. 速采样、记录声发射信息，可直接统计单位时间内的 为研究煤在单轴应力以及不同围压和孔隙水压 声发射振铃计数率、事件计数率和能量计数率等声 下的变形及声发射特征，在有限数量的煤样条件下， 发射指标.试验系统经改进后，声发射探头与试样 选取完整性较好、表面无明显缺陷的10块煤样参与 之间直接耦合，避免了信号受缸体和缸内油液引起 本次试验.其中，1号样为单轴试验，2~6号样为三 的信号幅度衰减和噪声干扰 轴试验，围压选取5、8和12MPa,7~9号样为三轴 1.2试验方法及煤样制备 加孔隙水试验，围压取8MPa,孔隙水压分别取1、3 (1)试验方法.将密封的煤样置于三轴室内 和5MPa,10号样作为补充，试验结果见表1. 表1煤样试验结果 Table 1 Test results of coal samples 试验类型煤样编号围压/MPa孔隙水压/MPa 峰值应力/MPa 峰值应变/(mm'mm1) 弹性模量/GPa 残余强度/MPa 单轴 0 0 11.81 0.00260 5.00 0 2 5 0 85.30 0.00870 11.04 35.0 三轴 8 0 92.47 0.01140 9.12 45.0 6 12 0 108.3 0.01290 11.08 58.0 8 86.13 0.01025 8.13 45.5 三轴+孔隙水8 8 76.73 0.00799 9.21 38.0 9 8 5 61.25 0.00785 7.31 23.5

第 6 期 李玉寿等: 三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性 显，且含水可以降低煤的冲击倾向性． 文献［7］通 过数值模拟的手段比较了有孔隙水作用和不加孔 隙水条件下岩样破坏的声发射特征． 文献［8］的 数值模拟结果认为，孔隙压力较低时岩样的破坏 模式不随孔隙压力增加而改变，随孔隙压力增加， 岩样的应力峰值及轴向应变、体积应变、侧向应变 均降低． 文献［3］的试验是将声发射探头置于三轴室的 外面，由于三轴缸及油体的阻隔使得煤岩破裂过程 的声发射信息大幅衰减，而且接收信号中夹杂有大 量的干扰信息，不利于信号的真实处理． 本文通过对 MTS815. 02 岩石力学试验系统加 以改造，进行了煤在单轴压缩、三轴压缩及孔隙水作 用下的三轴试验． 将声发射传感器置于 MTS815. 02 系统三轴室内部，通过底盘将信号线引出三轴室并 连接到声发射检测仪上． 这样，可以完成在有围压 和孔隙水压力作用下煤岩破坏过程的声发射试验． 结合设备原有功能，可以研究煤岩变形过程与声发 射之间的关系． 1 煤的三轴孔隙水试验 1. 1 试验设备 试验在 MTS815. 02 型电液伺服岩石力学试验 系统上进行． 该设备具有三套独立闭环伺服控制加 载系 统，其主要技术参数为轴力 ≤2 700 kN，围 压≤50 MPa，孔隙水压≤50 MPa． 设备全程采用计 算机控制，自动数据采集． 声发射信号的检测采用 AE21C 双通道声发射检测系统，该系统可全自动高 速采样、记录声发射信息，可直接统计单位时间内的 声发射振铃计数率、事件计数率和能量计数率等声 发射指标． 试验系统经改进后，声发射探头与试样 之间直接耦合，避免了信号受缸体和缸内油液引起 的信号幅度衰减和噪声干扰． 1. 2 试验方法及煤样制备 ( 1) 试验方法． 将密封的煤样置于三轴室内 ( 三轴孔隙水试验需在试样两端加透水板) ，将耐高 压声发射传感器耦合于压头底座上，如图 1 所示． 试验开始时，同时给试样施加围压和孔隙水压，孔隙 水压的加载速率应略小于围压，以避免瞬时水压大 于围压而引起密封失效，本文围压和孔隙水压分别 按 0. 05 和 0. 04 MPa·s － 1 的速率加载到各自的设定 值． 在围压和孔隙水压保持恒定的条件下，采用位 移控制模式，以 0. 002 mm·s － 1 的变形速率施加轴力 至煤样破坏为止，同步进行声发射参数记录． 图 1 煤的三轴孔隙水试验 Fig． 1 Triaxial test of coal samples under pore water pressure ( 2) 煤样制备． 煤本身是一种非均质材料，各 种微孔隙、裂隙较多，层理、节理非常发育，煤样的制 取十分困难［9］，一般很难加工成标准试样． 本次试 验的煤样取自山东济宁 2 号井，为尽量减少煤的离 散性对试验结果的影响，试样取自同一块完整性很 好的煤块，按照岩石力学试验规程将煤样加工成直 径为 50 mm、高 100 mm 标准试样，且两端面用专用 磨石机磨平． 为研究煤在单轴应力以及不同围压和孔隙水压 下的变形及声发射特征，在有限数量的煤样条件下， 选取完整性较好、表面无明显缺陷的 10 块煤样参与 本次试验． 其中，1 号样为单轴试验，2 ～ 6 号样为三 轴试验，围压选取 5、8 和 12 MPa，7 ～ 9 号样为三轴 加孔隙水试验，围压取 8 MPa，孔隙水压分别取 1、3 和 5 MPa，10 号样作为补充，试验结果见表 1． 表 1 煤样试验结果 Table 1 Test results of coal samples 试验类型 煤样编号 围压/MPa 孔隙水压/MPa 峰值应力/MPa 峰值应变/( mm·mm － 1 ) 弹性模量/GPa 残余强度/MPa 单轴 1 0 0 11. 81 0. 002 60 5. 00 0 2 5 0 85. 30 0. 008 70 11. 04 35. 0 三轴 4 8 0 92. 47 0. 011 40 9. 12 45. 0 6 12 0 108. 3 0. 012 90 11. 08 58. 0 7 8 1 86. 13 0. 010 25 8. 13 45. 5 三轴 + 孔隙水 8 8 3 76. 73 0. 007 99 9. 21 38. 0 9 8 5 61. 25 0. 007 85 7. 31 23. 5 ·659·

·660· 北京科技大学学报 第33卷 在岩土工程中常采用Mohr-Coulomb准则解释 2三轴压缩下煤的变形及声发射特征分析 煤的强度特性，Mohr-Coulomb准则的表达式为o 2.1强度特性 1=k +o3 tan'a (1) 图2为煤样三轴压缩应力一应变曲线.图中，σ3 表示围压，σ，表示孔隙水压.煤的三轴残余强度随 式中，σ1为三轴强度，k =2Cco2,a=90°，+2，C和 1-sino 2 围压增大而增大：围压5MPa时残余强度为35MPa; P分别为岩石的内聚力和内摩擦角 用压12MPa时残余强度为58MPa,提高了65.7%. 图3(a)为煤样的极限莫尔应力圆，通过线性回 残余强度随孔隙水压增大而减小：当围压8MPa、孔 归可得 隙水压1MPa时，残余强度为45.5MPa;孔隙水压增 01=25.3+7.87σ3 (2) 大到5MPa时，残余强度降低到23.5MPa,降低了 即k=25.3,a=70.4°.因此，内摩擦角为p=2a- 48%. 90°=50.8°，内聚力为C=-si9k=4.50MPa 120 0,=12 MPa 0.=8 MPa 2coso .-0 MPa =0 MPa 由于煤样在单轴试验时并非剪切破坏而是张拉 100 G.=5 MPal ,=8 MPa =0 MPa =I MPa 破坏，试验得到的煤样单轴抗压强度明显低于k 80 0.=8 MPal 图3(b)给出了围压8MPa条件下煤样三轴强 =3 MPa 6 60 度σ，随孔隙水压σ。的变化关系，通过线性回归可 40 以得到 .=8 MPa 6,=0 MPa ,-5 MPa σ1=92.8-6.080p (3) =0 MPa 可见，随孔隙水压增大，煤的三轴强度呈线性减 0.005 000 0.015 0.020 轴向应变 小.这是因为煤是一种多孔介质材料，孔隙水的作 用使得煤中的孔隙和裂隙在煤样变形过程中发生变 图2济宁2号井煤样不同围压、孔隙水压下全应力应变曲线 化而消耗能量，而且孔隙水压越大，这种效应愈加 Fig.2 Complete stress-strain curves of coal samples under different con- fining pressures and porous water pressures 明显 60 100 Ib) 4 80 60 30 40 15 20 20406080 100 120 正应力MPa 孔隙水压MPa 图3煤样三轴强度与围压、孔隙水压的关系.(a)极限Mohr圆：(b)三轴压缩强度与孔压散点图 Fig.3 Relations between triaxial strength and confining pressure and between triaxial strength and porous pressure:(a)limit Mohr circles:(b) scatter diagram of triaial strength vs.pore water pressure 2.2变形特性 01 2.2.1煤样弹性模量与围压、孔隙水压的关系 △81=E 从图2可以看出，在弹性阶段，煤样的应力应变 或 呈近似直线关系.因此，可用广义Hooker定律描述 E、4g 应力应变，即 △81 =Eo1-u(,+o3)] (4) 在σ1一1曲线中，直线段的斜率即为弹性模 量.从表1结果中可看出，单轴试验得到的弹性模 由于在试验过程中围压σ3保持不变，故有 量为5MPa,三轴试验得到的弹性模量在11MPa左

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 2 三轴压缩下煤的变形及声发射特征分析 2. 1 强度特性 图 2 为煤样三轴压缩应力--应变曲线． 图中，σ3 表示围压，σp表示孔隙水压． 煤的三轴残余强度随 围压增大而增大: 围压 5 MPa 时残余强度为 35 MPa; 围压 12 MPa 时残余强度为 58 MPa，提高了 65. 7 % ． 残余强度随孔隙水压增大而减小: 当围压 8 MPa、孔 隙水压 1 MPa 时，残余强度为 45. 5 MPa; 孔隙水压增 大到 5 MPa 时，残余强度降低到 23. 5 MPa，降低了 48% ． 图 2 济宁 2 号井煤样不同围压、孔隙水压下全应力应变曲线 Fig． 2 Complete stress-strain curves of coal samples under different con￾fining pressures and porous water pressures 在岩土工程中常采用 Mohr-Coulomb 准则解释 煤的强度特性，Mohr-Coulomb 准则的表达式为［10］ σ1 = k + σ3 tan2 α ( 1) 式中，σ1 为三轴强度，k = 2Ccosφ 1 － sinφ ，α = 90° + φ 2 ，C 和 φ 分别为岩石的内聚力和内摩擦角． 图 3( a) 为煤样的极限莫尔应力圆，通过线性回 归可得 σ1 = 25. 3 + 7. 87σ3 ( 2) 即 k = 25. 3，α = 70. 4°． 因此，内摩擦角为 φ = 2α － 90° = 50. 8°，内聚力为 C = 1 － sinφ 2cosφ k = 4. 50 MPa． 由于煤样在单轴试验时并非剪切破坏而是张拉 破坏，试验得到的煤样单轴抗压强度明显低于 k ［11］． 图 3( b) 给出了围压 8 MPa 条件下煤样三轴强 度 σ1 随孔隙水压 σp 的变化关系，通过线性回归可 以得到 σ1 = 92. 8 － 6. 08σp ( 3) 可见，随孔隙水压增大，煤的三轴强度呈线性减 小． 这是因为煤是一种多孔介质材料，孔隙水的作 用使得煤中的孔隙和裂隙在煤样变形过程中发生变 化而消耗能量，而且孔隙水压越大，这种效应愈加 明显． 图 3 煤样三轴强度与围压、孔隙水压的关系． ( a) 极限 Mohr 圆; ( b) 三轴压缩强度与孔压散点图 Fig． 3 Relations between triaxial strength and confining pressure and between triaxial strength and porous pressure: ( a) limit Mohr circles; ( b) scatter diagram of triaxial strength vs． pore water pressure 2. 2 变形特性 2. 2. 1 煤样弹性模量与围压、孔隙水压的关系 从图 2 可以看出，在弹性阶段，煤样的应力应变 呈近似直线关系． 因此，可用广义 Hooker 定律描述 应力应变，即 ε1 = 1 E［σ1 － μ( σ3 + σ3 ) ］ ( 4) 由于在试验过程中围压 σ3 保持不变，故有 Δε1 = Δσ1 E 或 E = Δσ1 Δε1 ． 在 σ1 --ε1 曲线中，直线段的斜率即为弹性模 量． 从表 1 结果中可看出，单轴试验得到的弹性模 量为5MPa，三轴试验得到的弹性模量在11MPa左 ·660·

第6期 李玉寿等：三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性 ·661· 右，提高了1倍多.这是因为煤作为一种沉积岩类， 应变.由图4(a)可见，在常规三轴试验条件下，济 其微结构非常发育，单轴压缩试验使得煤样中的裂 宁2号井煤样峰值应变和围压呈线性正相关性，可 隙和缺陷不断张开导致煤样很快破裂而失去承载能 表示为81=0.00588w3+0.00610,相关系数R= 力：而在有围压作用时，煤中孔隙、裂隙被压密闭合 0.941.一般认为，松散介质材料的变形要比致密结 而使煤样刚度增大，导致煤样弹性模量大幅提高。 构材料对围压的敏感度高，煤是属于结构比较松散 在本试验中，围压变化较小，三轴试验得到的煤样弹 的一类材料.随着围压的增加，由于煤体中的原生 性模量差异不大，这与文献9]的结论并不矛盾.一 裂隙、孔隙被压密，煤样的承载能力提高，达到煤样 般认为，结构致密强度较高的岩石其弹性模量不随 破坏时的变形量也增大，因此峰值应变随围压增大 围压的变化而变化. 而增大 分析表1试验结果，孔隙水压使煤样弹性模量 图4()为煤样峰值应变随孔隙水压力的变化 有所降低，无孔隙水三轴试验得到的弹性模量平均 关系，曲线拟合过程考虑了无孔隙水压三轴试验结 值为10.41GPa,而有孔隙水三轴试验得到的弹性模 果（即无孔隙压力的试验结果当成σ。=0处理），用 量平均值为8.22GPa,降低了21%左右.表中，1、3 多项式可表示为：61=5.17×10-5σ-2.00× 和5MPa孔隙水压下煤样弹性模量分别为8.13、 10-4a2-1.00×10-3σ。-1.14×10-2.试验结果表 9.21和7.31GPa,说明在本文孔隙水压试验范围内 明，煤样的峰值应变随孔隙水压的增大是减小的 孔隙水压力的变化对煤样弹性模量的影响不很显 这可以解释为，煤样中原生裂隙以及在受载变形过 著.这是因为当孔隙压力较低时，煤样的破坏形式 程中产生的次生裂隙在孔隙水的作用下发生滑移和 不随孔隙水压力的增加而改变.试验结果与文 贯通，孔隙水压越大，这种滑移越剧烈，从而导致煤 献8]的研究结论相一致 样扩容，也就是说，σ。越高时，煤样体积膨胀越明 2.2.2煤样峰值应变与围压、孔隙水压的关系 显，在较小的轴向变形下达到峰值强度.这一结论 煤样达到应力强度极限时对应的应变称为峰值 与文献8]的数值模拟结果十分相符. 0.014 0.012r (a) 0.012 0.010 0.010 台0008 是0m6- 是0 0004 0.002 0.002 % 1215 2 34 周压/MP 孔腺水压MP 图4煤样峰值应变与围压、孔隙水压的关系.()峰值应变-围压散点图：(b)峰值应变-孔隙水压散点图 Fig.4 Relations between the peak strain and confining pressure and between peak strain and porous pressure:(a)scatter diagram of peak strain vs.confining pressure:(b)scatter diagram of peak strain vs.pore water pressure 2.3声发射特性 图5(a)是煤样单轴压缩试验时的声发射规律. 声发射是指材料受外力或内力作用产生变形或 在煤样压缩初期，由于其原生裂纹的压密闭合以及 断裂时，以弹性波的形式释放出应变能的现象 端部摩擦等伴随有少量声发射信息产生，进入弹性 表征材料声发射特征的参数通常有振铃计数率、能 阶段，声发射活动有所减少，有一个平静期.随应力 量计数率和撞击计数率等.应力一应变曲线反应的 增加，达到煤样屈服阶段，煤样开始损伤，内部裂纹 是煤样受载过程的宏观变形关系，而声发射信息则 逐渐产生，出现扩容现象，伴随有较强烈的声发射事 是以弹性波的形式反映煤样受载过程中单元间损伤 件产生.应力继续增加，煤样达到峰值强度，裂纹不 演化、裂纹扩展和失稳破裂的过程。图5列出了本 断扩展，直至失稳破坏，声发射达到最大值，每一次 次济宁2号井煤样在单轴压缩、三轴压缩以及三轴 主破裂都伴随有大量声发射事件产生.煤样进入峰 孔隙水试验条件下几组典型应力一应变曲线和对应 后区，主要是伴随裂纹的滑移、摩擦产生一些能量较 的声发射能量计数率曲线（由于篇幅所限只列出 小的声发射事件. 四组). 图5(b)为三轴压缩时煤样的声发射规律.由

第 6 期 李玉寿等: 三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性 右，提高了 1 倍多． 这是因为煤作为一种沉积岩类， 其微结构非常发育，单轴压缩试验使得煤样中的裂 隙和缺陷不断张开导致煤样很快破裂而失去承载能 力; 而在有围压作用时，煤中孔隙、裂隙被压密闭合 而使煤样刚度增大，导致煤样弹性模量大幅提高． 在本试验中，围压变化较小，三轴试验得到的煤样弹 性模量差异不大，这与文献［9］的结论并不矛盾． 一 般认为，结构致密强度较高的岩石其弹性模量不随 围压的变化而变化． 分析表 1 试验结果，孔隙水压使煤样弹性模量 有所降低，无孔隙水三轴试验得到的弹性模量平均 值为 10. 41 GPa，而有孔隙水三轴试验得到的弹性模 量平均值为 8. 22 GPa，降低了 21% 左右． 表中，1、3 和 5 MPa 孔隙水压下煤样弹性模量分别为 8. 13、 9. 21 和 7. 31 GPa，说明在本文孔隙水压试验范围内 孔隙水压力的变化对煤样弹性模量的影响不很显 著． 这是因为当孔隙压力较低时，煤样的破坏形式 不随孔隙水压力的增加而改变． 试 验 结 果 与 文 献［8］的研究结论相一致． 2. 2. 2 煤样峰值应变与围压、孔隙水压的关系 煤样达到应力强度极限时对应的应变称为峰值 应变． 由图 4( a) 可见，在常规三轴试验条件下，济 宁 2 号井煤样峰值应变和围压呈线性正相关性，可 表示为 ε1 = 0. 005 88σ3 + 0. 006 10，相关系数 R = 0. 941． 一般认为，松散介质材料的变形要比致密结 构材料对围压的敏感度高，煤是属于结构比较松散 的一类材料． 随着围压的增加，由于煤体中的原生 裂隙、孔隙被压密，煤样的承载能力提高，达到煤样 破坏时的变形量也增大，因此峰值应变随围压增大 而增大． 图 4( b) 为煤样峰值应变随孔隙水压力的变化 关系，曲线拟合过程考虑了无孔隙水压三轴试验结 果( 即无孔隙压力的试验结果当成 σp = 0 处理) ，用 多项 式 可 表 示 为: ε1 = 5. 17 × 10 － 5 σ3 p － 2. 00 × 10 － 4 σ2 p － 1. 00 × 10 － 3 σp － 1. 14 × 10 － 2 ． 试验结果表 明，煤样的峰值应变随孔隙水压的增大是减小的． 这可以解释为，煤样中原生裂隙以及在受载变形过 程中产生的次生裂隙在孔隙水的作用下发生滑移和 贯通，孔隙水压越大，这种滑移越剧烈，从而导致煤 样扩容，也就是说，σp 越高时，煤样体积膨胀越明 显，在较小的轴向变形下达到峰值强度． 这一结论 与文献［8］的数值模拟结果十分相符． 图 4 煤样峰值应变与围压、孔隙水压的关系． ( a) 峰值应变－围压散点图; ( b) 峰值应变－孔隙水压散点图 Fig． 4 Relations between the peak strain and confining pressure and between peak strain and porous pressure: ( a) scatter diagram of peak strain vs． confining pressure; ( b) scatter diagram of peak strain vs． pore water pressure 2. 3 声发射特性 声发射是指材料受外力或内力作用产生变形或 断裂时，以弹性波的形式释放出应变能的现象［12］． 表征材料声发射特征的参数通常有振铃计数率、能 量计数率和撞击计数率等． 应力--应变曲线反应的 是煤样受载过程的宏观变形关系，而声发射信息则 是以弹性波的形式反映煤样受载过程中单元间损伤 演化、裂纹扩展和失稳破裂的过程． 图 5 列出了本 次济宁 2 号井煤样在单轴压缩、三轴压缩以及三轴 孔隙水试验条件下几组典型应力--应变曲线和对应 的声发射能量计数率曲线( 由于篇幅所限只列出 四组) ． 图 5( a) 是煤样单轴压缩试验时的声发射规律． 在煤样压缩初期，由于其原生裂纹的压密闭合以及 端部摩擦等伴随有少量声发射信息产生，进入弹性 阶段，声发射活动有所减少，有一个平静期． 随应力 增加，达到煤样屈服阶段，煤样开始损伤，内部裂纹 逐渐产生，出现扩容现象，伴随有较强烈的声发射事 件产生． 应力继续增加，煤样达到峰值强度，裂纹不 断扩展，直至失稳破坏，声发射达到最大值，每一次 主破裂都伴随有大量声发射事件产生． 煤样进入峰 后区，主要是伴随裂纹的滑移、摩擦产生一些能量较 小的声发射事件． 图 5( b) 为三轴压缩时煤样的声发射规律． 由 ·661·

·662· 北京科技大学学报 第33卷 于围压的作用，使得煤中的原生裂隙被压密，煤样在 声发射活动的能量在降低.比较图5(a)、(b)、(c) 压缩初期及弹性段，声发射活动较少，煤样进入屈服 和()，如果用峰值时的最大声发射能量计数作比 区时，声发射活动开始剧烈.由于试验的围压较低， 较，（a)是(b)的1.156倍，是(c)的4.71倍，是(d) 煤样产生脆性破裂，瞬间声发射达到最大值，峰后残 的10.45倍，即单轴试验时煤样破裂瞬间释放的能 余强度段随裂纹扩展和滑移伴随有能量幅度较低的 量最大，其次是三轴试验.随孔隙水压的增加，煤样 声发射产生 破裂瞬间释放的声发射能量是递减的.这可以解释 图5(c)、(d)则是煤样在三轴及孔隙水作用下 为：由于孔隙水的作用，导致煤样发生软化，煤样受 的声发射规律。有孔隙水作用时，煤样峰值前的声 载时裂纹演化过程由脆性张裂向塑性滑移转化，其 发射活动规律同常规三轴试验区别不大，峰前及弹 破裂特征由脆性转为延性，从而使得煤样破裂过程 性段声发射活动不是很强烈：但随孔隙水压的增大， 声发射能量减弱 250000 250000 2000 200000 150000 150000 100000 100000 50000 50000 L 0.002 0.004 0.0040.0080.012 0.016 0.020 轴向应变 轴向应变 45000 60 25000 d 50 35000 2000 40 15000 30 15000 20 20 10 5000 5000 .LL 0.004 0.008 00120.016 0.0040.008 0.012 0.016 轴向应变 轴向应变 图5煤样应力-应变曲线与声发射检测结果.(a)单轴试验：(b)三轴试验(o3=5MPa,o。=0MPa):(c)三轴试验(3=8MPa,o,= 1MPa):(d)三轴试验(a3=8MPa,op=5MPa Fig.5 Stress-strain curves and acoustic emission results of coal samples:(a)uniaxial compression:(b)triaxial compression (=5 MPa,p= 0MPa):(c)triaxial compression (3=8 MPa,p=1 MPa):(d)triaxial compression (3=8 MPa,p=5 MPa) 3结论 小，试验煤样峰值应变和孔隙水压σ。的拟合关系可 表达为： (1)煤是一种多孔、微裂隙十分发育的沉积岩 s=5.17×10-5g2-2.00×10a2- 类材料，由于其结构的特殊性，在围压作用下，裂隙 被压密，强度随围压的增高而增加，在低围压范围内 1.00×10-3o。-1.14×10-2 弹性模量随围压变化不大，而三轴强度随孔隙水压 (3)在单轴压缩、三轴压缩及孔隙水试验条件 的增加而降低.济宁2号井煤样在围压8MPa时三 下，煤的声发射特征具有明显的差异性.单轴试验 轴强度和孔隙水压的回归关系可表示为σ1=92.8- 时各个阶段均有不同程度的声发射事件产生。三轴 6.O8σ。·煤的残余强度随围压增大而增大，随孔隙 及孔隙水试验时，由于煤中的孔隙、裂隙被压密，在 水压力增大而降低，残余强度对孔隙水的敏感度 煤样屈服前声发射事件较少，屈服后声发射才趋于 很高 活跃.单轴试验时煤的声发射能量最大，随孔隙水 (2)煤的峰值应变随围压的增大而增大，两者 压力的增大，煤样变形过程释放的声发射能量呈逐 呈正线性关系.峰值应变随孔隙水压的增大而减 渐减小的趋势

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 于围压的作用，使得煤中的原生裂隙被压密，煤样在 压缩初期及弹性段，声发射活动较少，煤样进入屈服 区时，声发射活动开始剧烈． 由于试验的围压较低， 煤样产生脆性破裂，瞬间声发射达到最大值，峰后残 余强度段随裂纹扩展和滑移伴随有能量幅度较低的 声发射产生． 图 5( c) 、( d) 则是煤样在三轴及孔隙水作用下 的声发射规律． 有孔隙水作用时，煤样峰值前的声 发射活动规律同常规三轴试验区别不大，峰前及弹 性段声发射活动不是很强烈; 但随孔隙水压的增大， 声发射活动的能量在降低． 比较图 5( a) 、( b) 、( c) 和( d) ，如果用峰值时的最大声发射能量计数作比 较，( a) 是( b) 的 1. 156 倍，是( c) 的 4. 71 倍，是( d) 的 10. 45 倍，即单轴试验时煤样破裂瞬间释放的能 量最大，其次是三轴试验． 随孔隙水压的增加，煤样 破裂瞬间释放的声发射能量是递减的． 这可以解释 为: 由于孔隙水的作用，导致煤样发生软化，煤样受 载时裂纹演化过程由脆性张裂向塑性滑移转化，其 破裂特征由脆性转为延性，从而使得煤样破裂过程 声发射能量减弱． 图 5 煤样应力--应变曲线与声发射检测结果． ( a) 单轴试验; ( b) 三轴试验( σ3 = 5 MPa，σp = 0 MPa) ; ( c) 三轴试验( σ3 = 8 MPa，σp = 1 MPa) ; ( d) 三轴试验( σ3 = 8 MPa，σp = 5 MPa) Fig． 5 Stress-strain curves and acoustic emission results of coal samples: ( a) uniaxial compression; ( b) triaxial compression ( σ3 = 5 MPa，σp = 0 MPa) ; ( c) triaxial compression ( σ3 = 8 MPa，σp = 1 MPa) ; ( d) triaxial compression ( σ3 = 8 MPa，σp = 5 MPa) 3 结论 ( 1) 煤是一种多孔、微裂隙十分发育的沉积岩 类材料，由于其结构的特殊性，在围压作用下，裂隙 被压密，强度随围压的增高而增加，在低围压范围内 弹性模量随围压变化不大，而三轴强度随孔隙水压 的增加而降低． 济宁 2 号井煤样在围压 8 MPa 时三 轴强度和孔隙水压的回归关系可表示为σ1 = 92. 8 － 6. 08σp ． 煤的残余强度随围压增大而增大，随孔隙 水压力增大而降低，残余强度对孔隙水的敏感度 很高． ( 2) 煤的峰值应变随围压的增大而增大，两者 呈正线性关系． 峰值应变随孔隙水压的增大而减 小，试验煤样峰值应变和孔隙水压 σp 的拟合关系可 表达为: ε1 = 5. 17 × 10 － 5 σ3 p － 2. 00 × 10 － 4 σ2 p － 1. 00 × 10 － 3 σp － 1. 14 × 10 － 2 ． ( 3) 在单轴压缩、三轴压缩及孔隙水试验条件 下，煤的声发射特征具有明显的差异性． 单轴试验 时各个阶段均有不同程度的声发射事件产生． 三轴 及孔隙水试验时，由于煤中的孔隙、裂隙被压密，在 煤样屈服前声发射事件较少，屈服后声发射才趋于 活跃． 单轴试验时煤的声发射能量最大，随孔隙水 压力的增大，煤样变形过程释放的声发射能量呈逐 渐减小的趋势． ·662·

第6期 李玉寿等：三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性 ·663· 参考文献 tions under different pore pressures.Chin J Geol Hazard Control, [1]Guo Z H,Zhu Z D,Yu X J,et al.Analysis of stress-strain rela- 2009,20(2):52 tionships for limestone by triaxial test.J Hehai Unig,2002,30 (王学滨，代树红，潘一山.孔隙水压力条件下含缺陷岩样破 坏过程及声发射模拟.中国地质灾害与防治学报，2009,20 (3):93 (2):52) (郭中华，朱珍德，余湘娟，等.灰岩强度特性的三轴压缩试 验分析.河海大学学报，2002,30(3)：93) 8]Wang X B.Effect of pore pressure on entire deformational charac- Yang S Q,Xu W Y,Su C D.Study on the deformation failure and teristics of rock specimen.J Shenyang Jianzhu Unir Nat Sci, 2005,21(6):625 energy properties of marble specimen under triaxial compression. (王学滨.孔隙压力对岩样全部变形特征的影响.沈阳建筑大 Eng4Mech,2007,24(1):136 (杨圣奇，徐卫亚，苏承东.大理岩三轴压缩变性破坏与能量 学学报：自然科学版，2005,21(6)：31) 特征和研究.工程力学，2007,24(1)：136) Yang Y J,Song Y,Chen S J.Test study of coal's strength and de- 3]Chen JT.Experimental study on triaxial compression deformation formation characteristics under triaxial compression.China Coal Sc,2006,31(2):150 and acoustic emission property of rock.Wuhan Unie Technol, 2008,30(2):94 (杨永杰，宋扬，陈绍杰.三轴压缩煤岩强度及变形特征的试 验研究.煤炭学报，2006,31(2)：150) (陈景涛.岩石变形特征和声发射特征的三轴试验研究.武汉 理工大学学报，2008,30(2)：94) [10]Yang S Q,Su C D,Xu W Y.Experimental investigation on 4]Wang JG.Liang B.Investigation on triaxial creep claystone under strength and deformation properties of marble under conventional pore pressure.J Shandong Univ Eng Sci,2009,39(3):135 triaxial compression.Rock Soil Mech,2005,26(3):475 (杨圣奇，苏承东，徐卫亚.大理岩常规三轴压缩下强度和变 (王俊光，梁冰.孔隙压力作用下泥岩三轴蠕变实验研究.山 东大学大学学报：工学版，2009,39(3)：135) 形特性的试验研究.岩土力学，2005,26(3)：475) [5]Yang YJ,Chen SJ,Han G D.Experimental on acoustic emission 11]You MQ.Strength and Deformation Failure Process of Rock Sam- during compression rupture procedure of coal sample.J Chind ple.Beijing:Geology Press,2000 Coal Soc,2006,31(5):562 (尤明庆.岩石试样的强度及变形破坏过程北京：地质出版 社，2000) (杨永杰，陈绍杰，韩国栋。煤样压缩破坏过程的声发射试 验.煤炭学报，2006,31(5)：562) [12]Su C D,Gao BB,Nan H,et al.Experimental study on acoustic [6]Qin Y H,Dou L M,Mu Z L.Laboratory measurement of effect of emission characteristics during deformation and failure processes water content to coal burst tendency.Jiangsu Coal,2004(1):15 of coal samples under different stress paths.Chin J Rock Mech Eng,2009,28(4):757 (秦玉红，窦林名，牟宗龙.含水对煤的冲击倾向性影响实验 (苏承东，高保彬，南华，等.不同应力路径下煤样变形破坏 室测定.江苏煤炭，2004(1)：15) Wang X B.Dai S H,Pan Y S.Numerical simulation of failure 过程声发射特征的试验研究.岩石力学与工程学报，2009， 28(4):757) processes and acoustic emissions of rock specimen with imperfec-

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