摘要

煤層開采過程中頻繁采掘擾動(dòng)或遠(yuǎn)場(chǎng)頂板周期性破斷會(huì)產(chǎn)生多次的震動(dòng)載荷，震動(dòng)載荷對(duì)于煤樣微觀孔裂隙結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)行為具有重要影響。為探索震動(dòng)載荷下煤樣孔裂隙結(jié)構(gòu)演化特征，選取煙煤煤樣，利用霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)系統(tǒng)開展了多次震動(dòng)載荷沖擊煤樣試驗(yàn)，借助低場(chǎng)核磁共振分析儀測(cè)試了每次沖擊后煤樣T2譜，并通過核磁共振成像(MRI)分析了煤樣孔裂隙分布及其損傷演化特征。

研究背景

煤炭是我國(guó)能源的主體，隨著煤礦開采深度逐漸增加，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，煤層開采過程中常伴隨礦震、爆破及采掘活動(dòng)等擾動(dòng)因素，頻繁對(duì)煤體施加震動(dòng)載荷，持續(xù)破壞煤體的孔裂隙結(jié)構(gòu)，形成累積損傷效應(yīng)甚至造成大規(guī)模動(dòng)力破壞，導(dǎo)致煤巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)手段，對(duì)沖擊載荷下煤體損傷、破壞規(guī)律進(jìn)行大量研究，尤其是SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)在煤體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究中已被廣泛運(yùn)用，相關(guān)研究主要聚焦于煤體沖擊載荷下的宏觀破壞，尤其是表面破壞形態(tài)，未涉及煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)損傷、破壞特征。部分學(xué)者引入3D輪廓掃描、掃描電鏡(SEM)、CT斷層掃描等分析技術(shù)，研究沖擊載荷作用下煤體微觀結(jié)構(gòu)損傷特征。核磁共振(NMR) 是一種精度高、無(wú)損的孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)，可用于分析煤巖體孔裂隙結(jié)構(gòu)的演化特征。

筆者針對(duì)震動(dòng)載荷多次沖擊作用下煤體孔隙結(jié)構(gòu)的演化特征，利用霍普金森 (SHPB) 試驗(yàn)系統(tǒng)開展了震動(dòng)載荷沖擊煤體試驗(yàn)，借助低場(chǎng)核磁共振分析儀，測(cè)試了每次沖擊后煤體的T2譜、孔隙率，并進(jìn)行了MRI成像，分析了煤體孔隙分布及MRI成像中的信號(hào)演化規(guī)律，得到了煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)演化特征和損傷演化機(jī)制。研究揭示了震動(dòng)載荷頻繁沖擊作用下煤 巖體破壞機(jī)理，研究成果有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)采場(chǎng)動(dòng)載誘發(fā)煤巖復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理，為深部復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害防控提供科學(xué)理論支撐。

實(shí)驗(yàn)信息

煤樣制備

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)會(huì)(ISRM)推薦標(biāo)準(zhǔn)，將煤樣進(jìn)行了切割、取心和打磨，得到了50mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)煤樣，煤樣的端面不平行度小于0.02mm， 最大偏差度不超過0.25°，兩端面垂直煤樣軸線，如圖一所示。

圖一 煤樣

震動(dòng)載荷沖擊試驗(yàn)：

震動(dòng)載荷沖擊試驗(yàn)采用SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括：軸向加載裝置、壓桿裝置、沖擊子彈驅(qū)動(dòng)裝置、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和激光測(cè)速儀，如圖二所示。

圖二 SHPB 壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)開始前，對(duì)煤樣進(jìn)行試沖測(cè)試，確定沖擊氣壓為0.30MPa，將應(yīng)變片粘貼在入射桿和透射桿中端獲取震動(dòng)沖擊產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集 記錄該信號(hào)，用于檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)的性能。

在煤體受到震動(dòng)載荷沖擊后，入射波應(yīng)力和反射波應(yīng)力之和與透射波應(yīng)力近似相等，能夠較好地滿足應(yīng)力平衡條件，證實(shí)了煤樣在震動(dòng)載荷作用過程中符合應(yīng)力均勻性的假設(shè)，如圖三所示。

圖三 煤樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡曲線

當(dāng)外部輸入的累積能量超過煤樣自身的臨界破壞值時(shí)，煤樣出現(xiàn)宏觀裂紋，導(dǎo)致煤樣逐步破壞、失效。筆者聚焦煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)逐步損傷、破壞的過程，因此在煤樣表面出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)即停止試驗(yàn)。

核磁信號(hào)測(cè)試:

將震動(dòng)載荷作用后飽水處理的煤樣，進(jìn)行核磁信號(hào)測(cè)試，獲取煤樣的T2譜，并進(jìn)行MRI成像。試驗(yàn)采 用中尺寸核磁共振巖心分析系統(tǒng)(生產(chǎn)商：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司、型號(hào)：MecroMR12-150H-VTHP)進(jìn)行核磁信號(hào)測(cè)試，如圖四所示。

圖四 核磁共振分析儀

煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)演化特征分析：

通過對(duì)震動(dòng)載荷作用后煤樣開展核磁共振測(cè)試，分析其孔裂隙演化特征，根據(jù)T2譜孔隙分類方法，煤樣孔隙可分為微小孔（T2＜3.33ms）、中孔（3.33ms≤T2＜344ms）和大孔（344ms≤T2），微小孔也可稱為吸附孔，中大孔可統(tǒng)稱為滲流孔。根據(jù)T2譜中各譜峰對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系，震動(dòng)載荷多次沖擊作用后煤樣孔裂隙結(jié)構(gòu)演化過程可劃分為4個(gè)階段。

（1）吸附孔激增階段，T2譜呈現(xiàn)明顯的雙峰形態(tài)，煤樣內(nèi)部連通性不佳，各譜峰相互獨(dú)立，吸附孔的譜面積增幅明顯。初次震動(dòng)載荷沖擊后吸附孔譜面積相對(duì)初始狀態(tài)增幅約5.0倍，煤樣主要表現(xiàn)出煤基質(zhì)的損傷，形成了大量新的吸附孔。

圖五 吸附孔激增階段煤樣T2譜演化曲線

（2）孔隙穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，該階段T2譜表現(xiàn)三峰分布形態(tài)，各譜峰仍相對(duì)獨(dú)立，起初煤樣內(nèi)部連通性仍然較差，微裂隙尚未出現(xiàn)，在震動(dòng)載荷多次沖擊作用下，滲流孔發(fā)育，譜峰出現(xiàn)右移，弛豫時(shí)間增加，中孔與大孔間譜峰出現(xiàn)“靠攏”趨勢(shì)，滲流孔連通趨勢(shì)開始顯現(xiàn)。

圖六 孔隙穩(wěn)定增長(zhǎng)階段煤樣T2譜演化曲線

（3）微裂隙形成階段，該階段中孔向大孔、微裂隙發(fā)育，使得138～344ms內(nèi)各孔徑孔隙均有分布，煤樣連通性得到一定的改善，中大孔譜峰出現(xiàn)“合并”現(xiàn)象，微裂隙初步成形但受震動(dòng)波擾動(dòng)影響較大。

圖七 裂隙形成階段煤樣T2譜演化曲線

（4）裂隙連通階段，一方面滲流孔中的中孔繼續(xù)向大孔演化并逐步形成新的裂隙，另一方面煤樣內(nèi)在前期震動(dòng)載荷作用下形成的各類孔裂隙結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)育、連通，滲流孔體積快速增大，滲流孔連通性顯著增強(qiáng)，直至煤樣表面出現(xiàn)宏觀裂紋，使得峰值應(yīng)力跌落。

圖八 裂隙連通階段煤樣T2譜演化曲線

煤樣微觀損傷演化的MRI表征：

利用核磁共振儀測(cè)試分析整個(gè)煤樣內(nèi)部的空間水分分布信息，并將其進(jìn)行二維投影，反演得到煤樣的 MRI圖像。由于滲流孔積聚了更多的水分，因而MRI圖像中信號(hào)顯著增強(qiáng)的區(qū)域，對(duì)應(yīng)著滲流孔體積大幅增長(zhǎng)的區(qū)域。滲流孔體積的增長(zhǎng)，可一定程度反映出煤樣的損傷變化。因此，可以利用MRI圖像對(duì)煤樣內(nèi)的損傷區(qū)域進(jìn)行分析。

對(duì)比分析多次震動(dòng)載荷沖擊后煤樣內(nèi)MRI二維 圖像的變化，可直觀得到煤樣損傷的區(qū)域分布與發(fā)展特征。

圖九 震動(dòng)載荷沖擊作用后煤樣MRI圖像

階段Ⅰ，由于煤樣較為致密，孔隙率較低，初始階段煤樣內(nèi)部各區(qū)域信號(hào)響應(yīng)非常微弱，如圖九(a)～ (c) 所示。震動(dòng)載荷沖擊產(chǎn)生的震動(dòng)波從高波阻抗的桿件傳入低波阻抗的煤樣，波形發(fā)生多次偏轉(zhuǎn)，在此過程中煤基質(zhì)產(chǎn)生破壞形成新的吸附孔，煤樣內(nèi)形成少量損傷區(qū)域，呈現(xiàn)點(diǎn)狀分散分布。

階段Ⅱ，隨著震動(dòng)載荷沖擊次數(shù)的增加，滲流孔開始逐步增多，損傷區(qū)域信號(hào)響應(yīng)增強(qiáng)，并出現(xiàn)由點(diǎn)狀分散分布向條狀集中分布的趨勢(shì)，如圖九(d)～(g)所示。 

階段Ⅲ，各損傷區(qū)域內(nèi)響應(yīng)信號(hào)開始由點(diǎn)狀分散分布向條狀集中分布轉(zhuǎn)變，如圖九(h)～(l) 所示。一 方面震動(dòng)波所攜帶的能量用于使得中孔擴(kuò)展，部分中孔在擴(kuò)展過程中溝通其他孔隙結(jié)構(gòu)形成裂隙，另一方 面應(yīng)力波傳播過程中的反射、拉伸使得大孔、裂隙破裂，能量不能完全用于發(fā)育已經(jīng)形成的裂隙，煤樣內(nèi)部裂隙連通性非穩(wěn)定上升，直至第18次震動(dòng)載荷沖擊后，裂隙出現(xiàn)相互交織趨勢(shì)，MRI圖像出現(xiàn)明顯的條狀損傷區(qū)域。

階段Ⅳ，各條狀損傷區(qū)出現(xiàn)復(fù)雜的條狀形態(tài)，如圖13(m)～(r)所示。震動(dòng)載荷沖擊使得裂隙持續(xù)連通，圖中原有信號(hào)聚集區(qū)域顏色愈深，范圍愈廣，多次震動(dòng)載荷沖擊持續(xù)擴(kuò)展并連通煤樣內(nèi)部各類孔隙和裂隙，最終煤樣表面出現(xiàn)宏觀裂紋。

相關(guān)結(jié)論

1、利用霍普金森壓桿 (SHPB) 試驗(yàn)系統(tǒng)開展了震動(dòng)載荷多次作用下煙煤孔裂隙結(jié)構(gòu)演化特征試驗(yàn)研究 1891 震動(dòng)載荷多次沖擊煤樣試驗(yàn)，借助低場(chǎng)核磁共振系統(tǒng)測(cè)試分析了煤樣孔隙分布及其變化規(guī)律，研究了震動(dòng)載荷多次作用過程中煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的損傷演化特征。

2、煤樣在震動(dòng)載荷多次作用下，隨著震動(dòng)載荷作用次數(shù)增加，煤樣峰值應(yīng)力與動(dòng)態(tài)彈性模量均呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，表明震動(dòng)載荷沖擊效應(yīng)使得煤樣承載和抵抗變形能力顯著弱化。

3、震動(dòng)載荷多次沖擊作用下，煤樣從初次加載至最終出現(xiàn)宏觀破裂，孔隙率相比原始煤樣增長(zhǎng)了6倍。在此過程中，煤樣孔隙結(jié)構(gòu)演化過程可分為4個(gè)階段，分別為吸附孔激增階段、孔隙穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、微裂隙 形成階段和裂隙連通階段。

4、結(jié)合MRI成像和孔隙分形維數(shù)結(jié)果，震動(dòng)載荷多次作用使得煤樣損傷區(qū)域由點(diǎn)狀散布形態(tài)向復(fù)雜條狀交織形態(tài)轉(zhuǎn)變，孔隙分形維數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，煤樣孔隙網(wǎng)絡(luò)連通性提高，損傷程度加重。

推薦設(shè)備

中尺寸核磁共振成像分析儀

參考文獻(xiàn)

[1]馬衍坤, 黃勤豪, 孔祥國(guó), 等. 震動(dòng)載荷多次作用下煙煤孔裂隙結(jié)構(gòu)演化特征試驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2024,49(4)：1882-1893.