含裂纹煤体破坏特征及声发射响应数值研究.pdf

第 4 4卷 第 1期 2 0 1 8年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo1 ． 4 4 NO ．1 J a n ．2 0 1 8 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 1 0 0 5 5 0 9 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 0 7 0 0 6 3 含裂纹煤体破坏特征及声发射响应数值研究 陈盼 ， 李德 行 1 ． 昆明理工大学 管理与经济学院，云南 昆明 6 5 0 0 9 3 ； 2 ． 中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 为研 究裂纹倾 角对煤体破坏特征及声发射响应特征 的影响 ， 利用 RF P A2 D数值模拟软件对单轴 压缩下含不同预制裂纹倾角的煤样进行模拟 ， 分析裂纹倾角对试样裂纹扩展模式 、 力学性能和声发射响应特 征 的影响。结果表明， 当预制裂纹倾角 a为 0 。 时， 主破裂沿垂直于预制裂纹 中间位置的方向扩展 ； 对于 为 1 5 ， 3 0 ， 4 5 ， 6 0 ， 7 5 。 的试 样 ， 其 主 裂纹扩 展模 式 为典 型 的翼 裂纹 ， 或 者是 翼 裂 纹基 础 上发 展 而 来 的“ Y” 形 裂 纹 ； 而 a为 9 0 。 的试 样 和 完整 试样 ， 其 主 裂纹分 布存 在 随机 性 。裂 纹 的存在 降低 了煤体 的峰 值 强 度和 弹性 模 量 ， 且峰 值 强度和 弹性模 量 随 裂纹倾 角的增 加 而 增 加 ， 前 者 呈二 次 函数 的 关 系增 加 ， 后 者 呈倾 斜 的“ S ” 形 增加 。 此外 ， 随着预制裂纹倾角的增加， 煤样 由延性破坏逐渐向脆性破坏过渡。破裂时声发射瞬时计数存在阶段性 增长 ， 即 a为 O ～4 5 ， 6 O ～7 5 ， 9 0 。 和 完整试样 ， 此 3个阶段的试样破裂时瞬时声发射计数依次递增。 关键词 含裂纹煤体 ；裂纹倾角； 破坏特征 ；力学性能；声发射响应 中图分 类号 TD 3 1 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 1 2 1 4 1 3 2 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 1 2 1 3 ． 1 3 4 1 ． 0 0 6 ． h t m1 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n d a ma ge c ha r a c t e r i s t i c s a nd a c o us t i c e mi s s i o n r e s p o n s e o f c o a l wi t h p r e e x i s t e d c r a c k s CHEN Pa n ，LI De x i ng 。 1 ． F a c u l t y o f M a n a g e me n t a n d E c o n o mi c s ，Ku n mi n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Kun m i n g 65 0 0 93，Chi na；2． S c ho o l o f Sa f e t y En gi n e e r i n g，Chi n a Uni v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o r e s e a r c h i n f l ue n c e s o f c r a c k i nc l i n a t i o n a n gl e o n da ma g e c ha r a c t e r i s t i c s a n d a c o u s t i c e mi s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o a l ，n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f c o a l wi t h p r e e x i s t e d c r a c k s o f d i f f e r e n t i n c l i n a t i o n a n g l e s u n d e r u n i a x i a 1 c o mp r e s s i o n wa s c o n d u c t e d u s i n g RFP A2 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n s o f t wa r e ，a n d c r a c k p r o p a g a t i o n mo d e ，me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d a c o u s t i c e mi s s i o n r e s p o n s e i n f l u e n c e d b y c r a c k a ng e l we r e a na l yz e d． The a na l ys i s r e s ul t s s ho w t ha t t h e m a i n f r a c t u r e e xt e nd s i n t h e di r e c t i o n p e r p e n d i c u l a r t o t h e mi d d l e o f t h e p r e e x i s t e d c r a c k wh e n p r e e x i s t e d c r a c k a n g l e a i s 0 。 ．Fo r s p e c i me n s wi t h a o f 1 5 ， 3 0 ， 4 5 ， 6 0， 7 5 。 ，t h e ma i n c r a c k p r o p a g a t i o n mo d e a r e t y p i c a l wi n g c r a c k，o r Y s h a p e d c r a c k p r o p a g a t i o n mo d e d e v e l o p e d f r o m wi n g c r a c k．Ho we v e r ，t h e r e i s r a n d o mn e s s i n t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e ma i n c r a c k s o f t h e s p e c i me n wi t h c r a c k a n g e l o f 9 0 。a n d t h e i n t a c t s p e c i me n．Th e e x i s t e n c e o f c r a c k s r e d u c e s t h e p e a k s t r e n g t h a n d mo d u l u s o f e l a s t i c i t y o f t h e c o a l ，a n d t h e p e a k s t r e n g t h a n d mo d u l u s o f 收 稿 日期 作者简介 引用格式 2 0 1 7 - 0 7 2 4 ； 修回 日期 2 0 1 7 1 1 2 0 ； 责任编辑 胡娴 。 陈盼 1 9 9 2 一 ， 女 ， 安徽 宿州人 ， 硕 士研究 生 ， 主 要研 究方 向为 矿 山经济 与矿 山安 全 ， E - ma i l C h e n p a n 3 1 4 1 2 6 ． c o m。通 信作者 李 德行 1 9 9 2 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 博士研究生 ， 主要研究方 向为煤 岩动力灾 害监 测预警 、 声 发射 、 电磁 辐射技术 ， E - ma i l l i b o r u i 3 1 8 0 1 2 6 ． c o m。 陈盼 ， 李 德行． 含裂 纹煤体破坏特征及声发射响应数值研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 1 5 5 6 3 ． CHEN Pa n，LI De x i n g ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n d a ma g e c h a r a c t e r i s t i c s a n d a c o u s t i c e mi s s i o n r e s p on s e o f c o a [wi t h p r e - e x i s t e d c r a c k s [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 8 ， 4 4 I 5 5 6 3 ． 5 6 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 e l a s t i c i t y b ot h i nc r e a s e wi t h pr e e x i s t e d c r a c k a ng e l ， t he f o r me r i nc r e a s e s wi t h t h e r e l a t i on o f qu a d r a t i c f un c t i on，a n d t h e l a t t e r i n c r e a s e s a s i nc l i ne d ” S”．I n a dd i t i on，wi t h t he i n c r e a s e o f t h e i n c l i n a t i on a n gl e， t h e s p e c i me n s g r a d u a l l y t r a n s f o r m f r o m d u c t i l e f a i l u r e t o b r i t t l e f r a c t u r e ．W h e n ma i n f r a c t u r e O c c u r s t h e i ns t a nt a ne ou s a c o us t i c e mi s s i o n c o u nt ha s a p e r i od i c i nc r e a s e，n a me l y t he i n s t a nt a ne ou s a c ou s t i c e mi s s i o n c ou nt i n c r e a s e s i n t u r n a t t hr e e s t a ge s whe n i s 0 - 45，6 0 75，9 0 。a n d t h e i nt a c t s pe c i m e n． Ke y wo r d s c o a l wi t h pr e e x i s t e d c r a c ks ； c r a c k a ng e l ； d a ma ge c h a r a c t e r i s t i c； m e c ha n i c a l pr o pe r t y； a c o us t i c e m i s s i o n r e s po ns e 0 引言 中国煤矿逐渐向深部开采过渡， 诸如矿井冲击 地压和煤与瓦斯突出等矿井灾害事故 日益严重l_ 1 ] 。 研究 表 明 ， 外载作 用 下赋 含 断续 结 构 宏 观 裂 纹 煤 岩体 的物 理力学 响应 与变形 破坏行 为是 导致 围岩应 力场时空演化规律多变的内在原因， 且煤岩体宏观 裂纹倾角对其外载作用 下的力学特征具有显著影 响_ 3 ] 。此外 ， 材料在受力变形过程中以弹性波释放 出应变能的现象称为声发射 ] ， 它蕴含着煤岩破裂 过程 中微 裂纹 时空活 动 的丰 富信 息 。通 过对 煤岩 的 声发射信号的分析和研究 ， 可推断煤岩 内部的性态 变化 ， 反演 岩石 的破 坏 机 制 ， 因 此 ， 这种 方 式 逐 渐成 为研究岩石力学特性和损伤演化规律 的重要途径 ， 越来越为人们所重视[ 5 ] 。矿山的采场冒落 、 冲击地 压 、 煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的发生， 本质上是 煤岩体内部裂纹形成 、 扩展、 贯通直至发生宏观破坏 的过 程l 8 ] 。因此 ， 研究煤 岩宏 观裂纹 倾角 的力 学特 性 和声发 射响应 特 征 ， 有助 于 深 入 了解 煤 巷 和工 作 面 围岩应 力变化 的 声 发射 响 应 规律 ， 对 于 矿 井煤 岩 动力 灾害 的 监 测 预 警 具 有 重 要 的 理 论 价 值 和 实 践 意义 。 由于 原 生裂 纹 分 布 的随机 性 ， 很 难通 过 煤 岩 的 原生 裂纹来 研究 裂 纹倾 角 对 宏 观破 裂 模 式 的影 响 ， 所 以 ， 许多 学者使 用 控 制性 较 强 的 预制 裂 纹 的方 法 进行试验研究。李银 平等[ 1 对含 预制裂纹大理岩 进行单轴压缩试验， 研究了单轴加载下岩石裂纹扩 展和 裂纹搭 接特性 ， 结果 表 明 ， 岩桥 尺寸对 翼裂 纹 的 萌生 和扩 展影 响显著 ， 使试 件 出现 完全 不 同 的破坏 方式 。周建 超 等口 通 过对 含 预制 裂 纹 的花 岗岩 进 行单轴压缩试验 ， 研究 了预制裂纹倾角 a对脆性岩 石渐进 性 破 坏过 程 的影 响 。杨 圣 奇 等 _ 1 ] 在 粗 晶大 理岩中预制 2条断续裂纹， 并进行单轴压缩试验， 采 用 C o u l o mb和 Ho e k - B r o w n强度 准则 ， 获得 了断续 预制裂纹粗晶大理岩的强度参数 ， 并最终确定了该 准则 用 于 断 续 预 制 裂 纹 岩 样 强 度 分 析 的 可 行 性 。 左 建平 等 。 对单 体岩石 、 单 体煤 和煤 岩 组合 体 进 行 单轴试验下的声发射测试 ， 发现声发射 的空间分 布 主要受煤岩体结构及裂纹的影响。虽然含宏观裂纹 煤岩体的力学特性和声发射特征在试验研究方面取 得了一定成果 ， 但是， 煤岩体一般很坚硬 ， 在上面预 制 裂纹 较为 困难 ， 要耗 费 大 量 的人 力 、 物 力 和 财力 。 随着数值模拟技术 的快速发展 ， 国内外越来越多的 学者采用数值模拟方法研究煤岩体破裂过程及裂纹 扩展机理。唐春安[ 1 ] 基于损伤和统计学理论 ， 开发 了 岩 石 破 裂 过 程 分 析 R o c k F a i l u r e P r o c e s s An a l y s i s ， R F P A 软 件 ， 能 够很好 地模 拟岩 石破 裂 过 程 中的裂纹扩 展 。王 元汉 等【 1 ] 基 于 R F P A2 D 对 预 制裂隙大理岩的压剪破坏进行数值模拟 ， 模拟 中的 裂纹扩展 过程与试 验结果相吻合。朱 万成等【 】 。 ] 利 用 R F P A研 究 了含 有 不 同倾 角 预 制 裂 纹 的 岩 样 在动载作用下的破坏过程， 以及含不 同倾 角巴西圆 盘在加 载过程 中的破 裂模 式 。以上研 究取得 了丰 硕 的成果 ， 但是 ， 煤体与岩石无论在均质度 、 力学性能 还是破坏模式上仍然存在一定的差异。此外， 前人 的研究主要集 中于煤岩试样破坏过程 中的裂纹扩展 模式和机理 ， 鲜有学者 系统地研究含裂隙煤体的力 学性能 、 破坏模 式 和声发 射特征 之 间的联 系 。 本 文拟采 用 数 值模 拟软 件 R F P A2 D 模 拟 含 不 同倾角预制裂纹煤体在单轴加载下的破坏过程 ， 分 析裂纹倾角对于煤体力学参数 、 裂纹扩展模式和声 发射响应规律的影响， 并对模拟结果进行对 比讨论 。 1 数值 模型 和计算 参数 本 文 中的试 验煤 样 取 自京 煤集 团大 安 山煤 矿 ， 形 状为 长方 体 ， 尺 寸为 1 0 0 mmX 5 O mm2 5 mm。 计算模型及几何尺寸如图 1 所示 ， 模型高 1 0 0 mm， 宽 5 O mm， 划分为 2 0 0 1 0 0个 网格。预制裂纹 置 于试样 中 心 ， 裂 纹 长 2 0 mm， 宽 2 mm， 裂 纹 倾 角 a 是 裂纹 与水平 方 向夹 角 ， 模 拟 过 程 中分 别 取 0 ， 1 5 ， 3 O ， 4 5 ， 6 0 ， 7 5 ， 9 0 。 ， 试 样 编号 分别 为 1 7 。另 外 ， 以 不含裂纹的完整试样作 为对 比， 编号 为 8 。数值模 2 0 1 8年 第 1 期 陈盼等 含 裂纹煤 体破 坏特 征及 声 发射 响应 数值 研 究 5 7 拟采 用平 面应 变模 型 ， 试样 下端 同定 ， 在 f 表 而施 J J 【 】 轴 向常位 移 ， 加载 速率 为0 ． 0 0 2 ram／ 步 ． 额定 』 J 【 】 载 步 设置 为 1 0 0 0步 。 、 】 ln ， I a 几何尺寸 I 计算模型 图 1数 值 计 算 模 型 Fi g．1 N umer i c a l mode l 在 中国矿业 大学 煤矿 安 全 国家重 点实验 窒 采用 YAW4 3 0 6电伺 服试 验 系统 对 完 整试 样 进 行单 轴 压 缩试 验 ， 得 到试样 的宏 观 力学 参数 ， 并绘 制 其 应 力一 应 变 曲线 。在 R F P A 中建立 相 同尺 寸 的试 样 模 型 ， 不断 调整 模 型的 均 质 度 、 强 度 、 弹性 模 量 等 参 数 ， 然 后进 行单 轴 压 缩 ， 直 至数 值 模 拟 所 得 的 应 力一应 变 曲线 与 真实 试 样 的 应 力 一应 变 曲 线 基 本 吻 合 ， 则 认 为数 值模 型参 数选 择合 理 ， 其设 定参 数 见表 l 。 表 1 计算模 型输 人参数值 Ta bl e 1 I np ut pa r a me t e r s of c a l c ul a t i on mode l 2结 果 与分析 2 ． 1 裂 纹倾 角对 裂纹 扩展模 式 的影 响 图 2为预 制裂纹 倾 角不 同的煤 样 在 单轴加 载下 的损伤 演化 ， 每 幅 图都 是 从 试 样 破 坏过 程 中 的关 键 步 中提 取 出来 的 。其 中 ， 颜色 越浅 代表 应 力越 大 ， 黑 色 部分 表示 该处 的微 单 元 已 经被 破 坏 ， 出 现 空 隙或 宏 观裂 纹 。从 图 2可 以看 出 ， 预 制 裂纹 的存 在 对 试 样 的损 伤演 化模 式影 响显 著 ， 且裂 纹倾 角不 同 。 试 样 的损伤 模式 也 不尽相 同。 图 2 a 为 预制 裂纹倾 角 C t 一0 。 的损伤 演 化过 程 霪 f 一 7 5 。 e n 0 、 琏 1 l 、 ； ； ≯ 0 0 I 一 。 l ， l 。 j 、、0 0 。 ■’ 【 ． 夏 。 l l J 0 } 1 完 整 煤 样 图 2 琐 制 裂 纹 倾 角 不 l司的试 样 在单 轴 加 载 F的 损 伤 演 化 Fi g ．2 Da ma ge e v ol ut i on of c oa l s wi t h di f f e r en t p r e e x i s t e d c r a c k a n ge l s u nd e r un i ax i al c ompr e s s i o n 图 。在 加 载 进 行 到 S t e p 1 O 0时 ， 在 轴 向 载 荷 作 用 下 ， 预 制裂 纹逐 渐 闭合 ， 且 预制 裂纹 中间上 下两 边 出 现 零散 的 黑 点 ， 表 明 该 处 的微 单 元 开 始 发 生 破 坏 。 随着 载 荷 的增 加 ， 进 行 到 S t e p 1 5 0时 ， 破 坏 的 微 单 元逐 渐 汇聚 ， 出现 了垂 直 于预 制裂纹 的宏 观 裂纹 ， 并 最终 在 S t e p 2 4 0后 贯 通 ， 试 样 破 坏 失 稳 ， 主 裂 纹 呈 平行 于 加 载 方 向 的 “ l ” 形 。对 于 a 一 1 5 。 的 试 样 ， 由 图 2 b 可 以看 出 ， 在 加 载 进 行 到 S t e p 1 ] 时 ， 预 制 裂纹 同样开始闭合 ， 但与图 2 a 不同的是， 应力集 中在 预制 裂纹 两 端 ， 且 微 单 元 的 破坏 也 首 先 集 中在 该 区域 。随 着加 载 继续 进 行 ， 预 制 裂纹 两 端 的破 坏 越来 越 明显 ， 在 S t e p 1 5 0时形 成 了类 似 于对 称 的双 曲线 形 裂纹 ， 在此 基 础 ， 翼 裂 纹 继 续 扩 展 贯 通 ， 最 终形 成 了 S t e p 2 5 0所 示 的倒 “ Y” 形 主破坏 模式 。再 观察 图 2 c 和图 2 d ， 在 预制 裂 纹闭 合阶段 和翼 裂 纹形 成 、 扩展 阶段 ， 均 与 图 2 b 中 的损 伤 演 化 模 式 相 同 ， 但 是 为 3 O 。 和 4 5 。 的试 样最 终 的破 坏 模 式 为 “ Y” 形 。而 在 图 2 e 中， a为 6 0 。 的试 样则 是 典 型 的 翼形 裂 纹 。与 前 面 各 试 样不 同 的是 ， 7 5 。 的 试样 在整个加载过程中预制裂纹都未闭合， 且在加载初 期 ， 预制 裂纹 两端 的翼 裂纹 起裂 、 延 伸时 均不 是 与预 藿熏 誊 一 ≯ 。 ， 。 ． 囊一 下 ● ， - 叫 5 8 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 制裂纹呈较大的夹角 ， 而是基本上沿平行预制裂纹 方 向扩展， 直到试样最终破坏 ， 如图 2 f S t e p 3 4 5所 示 ， 主裂纹呈“ ／ ” 形。对于 a 一9 0 。 的试样 ， 加载初期 预 制裂 纹端部 并没 有 出现应 力 集 中， 微单 元 也 没 有 在 端部 开始破 裂 ， 微 单 元 的破坏 随机 分 布在 试 样 表 面 ， 直 到加 载进 行 到 S t e p 4 4 0时 ， 才 在试 样 的 右 边 界 出现 杂乱 的宏观 裂 纹 ， 最 终在 应 力 作用 下 破 坏 失 稳 。这与图 2 h 所示 的完整试样 的破坏模式基本 相 同， 均是微单元先 出现随机破坏 ， 最终在微单元破 坏较多的区域形成宏观裂纹 。出现此现 象的原 因 是 ， 煤岩材料在微观 、 细观 、 宏观上均存在非均质性 ， 而 RF P A数值 模 拟 是 在 此 基 础 上 假 设 煤 岩 材 料 离 散 后 的微 单 元 的力 学 特性 服从 We i b u l 1 分布 ， 因此 ， 对于完整煤样而言， 破裂也就存在随机性 。此外 ， 从 上 述分 析 中还可 以发 现 ， 当 预制 裂 纹倾 角 为 9 0 。 时 ， 试 样破 坏模 式基本 不 受 预制 裂 纹 的影 响 ， 基 本 与 完 整试样 相 同 。 2 ． 2 力 学参数 与裂纹倾 角的关 系 由于本 试验采 用位 移加 载方式 ， 所 以 ， 可 以通过 位移一 加载步和应力一 加载步数据绘制 出不 同预制 裂纹倾角试样单轴加载过程 中的应力一应变曲线， 如 图 3 所示 。根据应力一 应变曲线计算各试样的弹 性模量 ， 并绘制峰值应力 、 残余应力和弹性模量随预 制裂纹 倾角 的变化 曲线 ， 如 图 4所示 。 1 ～ a 一 0 ； 2 一 d l 5 ； 3 一 a 一 3 0 ； 4一 d一 4 5 ； 5 一a 一6 0 。 ； 6 一a 7 5 。 ； 7 一a 一9 0 。 ； 8 一完整试样 图 3 不 同预制裂纹倾角试样在单轴压缩 下 的应力 一 应变 曲线 Fi g ． 3 S t r e s s s t r a i n c u r v e s o f c o a l s wi t h d i f f e r e n t c r a c k i n c l i n a t i o n a n g l e s u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i o n 由图 3可以看 出， 各试样在单轴加载过程 中均 先后 经历 了弹性变形 阶段 、 裂纹 萌生 和发展 阶段 、 裂 纹贯通阶段 ， 数值模拟结果与试验具有较高 的一致 性 。预制 裂纹 的存 在 降低 了煤 样 的峰 值 强 度 ， 含 预 制裂 纹试 样 的峰 值 强 度 均 小 于 完 整 试 样 峰 值 强 度 2 0 MP a ， 且 裂纹 倾 角对 峰值 强度 的影 响也较 为 显 山 0 栅 趔 融 图 4 不 同预制裂纹倾角试样 的峰值应力 、 残余 应力 、 弹性模量 曲线 Fi g ．4 Cur v e s o f pe a k s t r e s s，r e s i d ua l s t r e s s a n d mo du l us o f e l a s t i c i t y wi t h d i f f e r e n t c r a c k i n c l i n a t i o n a n g l e s 著 ， 随着裂纹倾角的增大， 峰值强度也逐渐增大 。但 是试 样 2的峰值 强度 为 9 ． 4 4 MP a ， 稍微 低于 试样 1 峰值强度为 9 ． 8 5 MP a 。分析其原因可以发现， 试 样 2的应 力一 应变 曲线 在达 到 峰值 应 力 的 时候 出现 了明显的波动 ， 即存在 2个数值相近的峰值 ， 这就在 一 定 程度 上 降低 了该 试 样 的 强 度 。对 比试 样 3 峰 值强度为 1 0 ． 4 4 MP a 可知， 试样 2峰值前的波动对 其峰值强度的影响不超过 1 MP a 。 从 图 4可 以看 出， 试 样 的残余 强 度 在 3 ． 6 MP a 上下 波动 ， 基本 不受预 制裂 纹倾角 的影 响 。此 外 ， 预 制裂纹倾角不仅影响试样的峰值强度 ， 还影响其破 坏速 度 。 由图 3可 看 出 ， 试 样 发 生 破坏 时 的峰值 应 变 随着 预 制 裂 纹 倾 角 的不 同而 变 化 ， 试 样 1 8的 峰值应 变分 别 为 5 ． 2 8 ， 4 ． 9 ， 5 ． 3 8 ， 6 ． 3 ， 6 ． 2 8 ， 7 ． 7 2 ， 8 ． 9 2 ， 8 ． 9 8 。除 了试 样 2的峰 值应变略低于试样 1 与上述分析相吻合 ， 峰值应 变基本是随着预制裂纹倾角的增大而逐渐增加 。此 外 ， 如图 4所示 ， 试样 的弹性 模量 随着倾 角增加 而呈 现 出升高 趋势 ， 且呈倾 斜 的“ S ” 形 变 化 。在 为 0 ～ 3 O 。 时 ， 弹性模 量升 高 较 为 平缓 ； 在 O t 为 3 O ～ 6 0 。 时 ， 弹性模 量则 急剧 上 升 ； 当倾 角大 于 6 0 。 时 ， 弹性 模 量 上升 趋势 又逐渐 趋于平 缓 。这说 明弹性模 量 随预制 裂纹倾 角 的变化 存在 阶段性 变化 特征 。 为了定量研究在该条件下试样的峰值强度与预 制裂纹倾角之 间的关系 ， 对峰值应力一 倾角 曲线进 行拟合 ， 拟合结果如图 4所示 ， 拟合方程为 一 9 ． 5 7 6 1 9 0 ． 0 0 5 3 1 a 4 - 0 ． 0 0 1 2 6 a 1 式 中 为 试样 峰值应 力 ， MP a 。 当预 制裂 纹 倾 角 为 0 ～ 4 5 。 时 ， 试 样 1 4的应 力一 应变曲线存在较大的波动性 ， 经过多次破裂后 最终维 持 在 残 余 应 力 阶段 。而 对 于 试 样 5 8 ， 应 力一 应变曲线明显要 光滑许多， 表明破坏 的过程相 2 0 1 8年 第 1期 陈盼等 含裂纹煤体破坏特征及声发射响应数值研 究 5 9 对直 接 。但是 相 对 于 试 样 5和 6 ， 试 样 7和 8破 坏 时的曲线更为陡直 ， 基本是典型的脆性破坏， 破坏瞬 间完 成 。 因此 ， 随 着预 制裂 纹倾 角 的增加 ， 试样 由延 性破坏逐渐向脆性破坏过渡。且预制裂纹 为 9 O 。 的 试样的峰值强度 、 弹性模量 、 应力 一 应变 曲线和破坏 方式基本与完整试样一致， 说 明 a 为 9 O 。 时裂纹对试 、、 应变／ ％ a a一 0 。 应变／ ％ c a 一 3 0 。 赫 杂 忆 搽 摇 扭 应变／ ％ e q 一 6 0 。 糕 接 缸 样 的力 学性 能影 响很 小 。 2 ． 3 不 同裂纹倾 角试样 声发 射计 数特 征 研究 表 明[ 1 引， 煤岩 单轴 压缩 过 程 大 致 分 为 4个 阶段 初始压密阶段 、 弹性变形 阶段 、 塑性变形 阶段 和峰后阶段。不 同预制裂纹倾 角试样 的声 发射计 数 、 应力～ 应变曲线如图 5 所示。 应 变／ ％ b q 一 1 5 。 应变／ ％ d a 一 4 5 。 } 一一 - 应变／ ％ f a 一 75 。 籁 按 救 妊 摇 救 g a 一9 0 。 h 完 整煤样 图 5 不 同预制裂纹倾角试样 的声发射计数 、 应 力一 应变曲线 F i g ． 5 Ac o u s t i c e mi s s i o n c o u n t a n d s t r e s s ～ s t r a i n c u r v e s o f s a mp l e s wi t h d i f f e r e n t p r e c r a c k i n g a n g e l s 擦 缸 0 8 6 4 2 O 日 鲁R翅 2 0 8 6 4 2 0 d 皇 ＼ 4 2 O 8 6 4 2 0 d d ． ～ 组 一 计 ／U- 射 ／● ． _ _ ■ 力发 ／ ‰ 6 2 8 4 O B d ＼ 值 6 2 8 4 0 B d ＼ R通 6 0 工矿 自动化 2 0 1 8年第 4 4卷 由图 5可看 出 ， 声 发 射计 数 的变 化 与应 力 的 变 化具 有较 好 的一致 性 ， 声 发射 计 数 的 变化 能 够 反 映 试样所处的应力水平 。在初始压密阶段 ， 除 了预制 裂纹倾角较小的几个试样存在极少 的声发射事件 ， 其余几乎没有声发射 ， 且随着预制裂纹倾角的增加， 声发射信号所对应的应变越来越大， 由于加载方式 是 位移 控 ， 即所 用 的时 间越 长 。在弹性 变性 阶段 ， 随 着 载荷 的增加 ， 微元 体开 始破裂 ， 声发 射逐 渐呈现 出 上升 的趋势 。在 塑性 变 形 阶段 ， 由于 宏 观裂 隙的 产 生， 声发射数据急剧上升 ， 特别是在主破裂产生的时 候， 由于能量突然释放 ， 声发射计数也达到最大值。 由图 5可见 ， 当应力突然降低时， 声发射计数会突然 达到 峰值 。但 是 ， 对 于试 样 1 6 ， 由于 破 裂 不 是 一 次性完成的， 其应力一 应变 曲线也表现 出波动性和 曲折性 ， 所以， 声发射计数也存在多个峰值 。而试样 7和 8 ， 由于试样的均匀性较强 ， 峰值应力也较大， 所 以 ， 表 现 出很强 的脆性 破坏 ， 在主破 坏发 生之前 其声 发射处于缓慢上升的趋势 ， 直至破坏 发生时才急剧 上升 。此外 ， 在 试样 发 生 破 坏 时 ， 试 样 1 4的声 发 射 瞬时最 大值 分 别 为 5 O ， 3 8 ， 3 4 ， 4 4 ， 相 差 不 大 。 当 预制 裂纹倾 角升 至 6 0 。 和 7 5 。 时 ， 试 样 破坏 时 的 瞬 时 声发射可达 8 o多 ， 而对于 9 0 。 倾角裂纹和完整试样 ， 其瞬时声发射高达 1 3 0左右 。可见 ， 预制裂纹倾 角 会影 响试样 的力 学 性 能和 破 坏 过程 ， 进 而 影 响声 发 射的变化趋势。在峰后 阶段 ， 应力和声发射逐渐归 于平 稳 ， 试 样 1 6仍 连续 存 在着 少 许声 发 射 ， 说 明 此 时仍然 有部 分微小 裂 隙 产 生 ， 而试 样 7和 8则 几 乎没 有声 发射 产生 ， 说 明这 2个 试样破 坏较 为完全 。 3讨论 文献口9 ] 对煤岩进行单轴压缩声发射试验 ， 将 单轴压缩下煤岩损伤演化分为 3 个 阶段 初始损 伤 阶段 、 损伤稳定演化 和发展 阶段 、 损伤加速发展 阶 段 ， 分别对应裂纹的萌生与演化 、 宏观裂纹的出现及 裂纹扩展至破坏的过程。文献[ 2 0 ] 研究了岩石破坏 过程中的损伤演化特征， 将岩石 的损伤演化过程划 分为初始损伤阶段 、 损伤稳定发展阶段 、 损伤加速发 展阶段和损伤破坏阶段。文献[ 2 1 ] 从受压上将声发 射振铃计数分为 4个 阶段 平静阶段 、 活跃阶段、 破 坏 阶段 和峰后 阶段 。而本 文 的研 究 结果与 上述结 果 具 有较 好 的一 致性 。 文献[ 1 1 ] 利用电液伺服万能材料试验机对含不 同预制裂纹倾角的花 岗岩试样进行单轴压缩试验， 结果表明， 预制裂纹倾角对脆性岩石的应力 门槛值 和峰值 应力 影响显 著 ， 二 者 均 随着 裂 纹倾 角 的增 加 而增加。特别当倾角 a为 9 0 。 时 ， 预制裂纹对岩石 的峰 值强 度 几 乎 没 有影 响 ， 与本 文 模 拟 结 果 相 同 。 文献[ 2 1 ] 通过对含表面裂纹岩石试样进行单轴压缩 试验 ， 发现 非穿