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·