基于MTS-AE单轴压缩下的煤岩损伤特征
来兴平1,2 吴学明1,2 高喜才1,2 伍永平1,2
(1.西安科技大学能源学院,陕西西安710054；2.教育部西部矿并开采及灾害防治重点实验室,陕西西安710054)
摘要:基于MTS-AE单轴压缩条件下，对煤岩损伤、变形与破裂过程进行了测试；运用损伤变量理论，分析单轴压条件下煤样损伤破裂阶段的声发射能量一应力/应变参数与损伤变量之间的内在联系与特征规律。研究结果可对现场安全开采提供一定的理论指导。
关键词: MTS-AE；煤岩损伤；单轴压缩；声发射能量
中图分类号：TD 311 文献标识码：A
0引言
煤和岩石材料在受载荷变形与破坏过程中产生微破裂时伴有声发射(acousticenission,AE)现象。顶煤破裂的程度与裂隙发育、块度分布和损伤状态有关[1],从热力学角度上讲，能量转化是物质物理过程的本质特征，物质破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象。在放顶煤开采过程中，顶煤的破裂变形分为强度丧失和整体破坏2部分，其释放的总能量为单元存储能的可释放应变能和单元卸载后释放的弹性应变能之和[2]。煤岩的动态损伤、破裂并演化致失稳过程预报是灾害控制的前提之一。顶煤作为连续介质,与松散介质之间的似连续介质，在支承压力作用下的破裂过程为静压破煤过程[3]，因此从弹性变形进人塑性变形直至整体破坏是一个损伤演化破坏动力学过程。文中基于损伤理论中的损伤参量(D) ，结合：煤岩在单轴压缩破裂阶段的声发射能量,建立煤岩损伤变量—应力/应变的关系模式，利用损伤理论探索煤岩破裂声发射参量对急斜煤层(64~69°)顶煤破裂的影响。选取苇湖梁煤矿B1+2煤样，利用MTS-815电液伺服压力试验机进行单轴压缩下煤岩损伤与破裂特征,为工程现场提供理论依据。
1 损伤变量及其内涵
损伤力学中定义损伤为岩体裂隙的出现和扩展。一般在外加载荷应力作用下的变形损伤用损伤变量D来衡量材料损伤程度。如果D=0，则认为材料没有损伤；D=1 ,表示材料内部损伤发展到极限状态。损伤变量的物理量有微观物理量和宏观物理量[5],而声发射、屈服应力、拉伸强度、弹性模量则属于宏观物理量。不难看出，岩石的损伤变量越大，声发射特征越明显；屈服应力、拉伸强度越大，其产生的损伤裂隙变形越明显；而损伤裂隙越发育说明岩石的损伤程度越高，损伤参量也就越大。因此，损伤变量可作为急斜煤层放顶煤开采支承压力作用下的煤体裂隙程度的唯一指标。 岩石材料由于自身的岩性和本身存。在或多或少尺度裂隙，其产生的力学性质也不一样[6]。岩体往往具有较强的非线性力学特征，文献[1]已经对顶煤在受力过程中的损伤变量D做了推导,表达式为
