來(lái)興平，方賢威，崔 峰，單鵬飛

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054；

2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054）

0 引 言

煤炭作為我國(guó)主體能源的格局在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變［1］，煤礦開(kāi)采不可避免存在機(jī)組割煤、頂?shù)装迤茢?、爆破等?dòng)載擾動(dòng)。隨著深部開(kāi)采、開(kāi)采強(qiáng)度的加大，煤巖所處應(yīng)力狀態(tài)逐漸惡化，由強(qiáng)動(dòng)載作用誘發(fā)的沖擊礦壓、礦震等動(dòng)力災(zāi)害愈加頻繁［2-7］。煤巖體的破壞一般是累積損傷過(guò)程，物理上表現(xiàn)為微結(jié)構(gòu)變化的累積，力學(xué)上是宏缺陷的產(chǎn)生與擴(kuò)展的累積，工作面的回采、巷道的掘進(jìn)過(guò)程中，煤巖體的破壞大多是由動(dòng)載荷引起。研究動(dòng)載荷尤其沖擊荷載作用下煤巖體的損傷演化規(guī)律對(duì)于動(dòng)力災(zāi)害防控具有重要意義。

目前，許多學(xué)者在沖擊荷載下巖石的損傷擴(kuò)展方面做了大量研究。陳俊樺等基于爆破模型建立了包含初始損傷變量、巖體完整性指數(shù)和聲波波速間關(guān)系的爆破損傷模型［8］；金解放等基于動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)靜載荷與循環(huán)沖擊作用下巖石損傷變量定義方法的選擇進(jìn)行了詳細(xì)研究［9］；來(lái)興平等對(duì)不同加載模式下煤樣損傷與變形聲發(fā)射特征進(jìn)行了對(duì)比分析［10］；劉少虹等對(duì)動(dòng)靜加載下煤的破壞特性及機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究［11］；趙洪寶等對(duì)沖擊荷載下煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化規(guī)律進(jìn)行了研究［12］。

隨著現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)理論的成熟和其在實(shí)際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，沖擊荷載作用下，煤巖損傷破壞過(guò)程中聲發(fā)射、超聲波波速聯(lián)合測(cè)量來(lái)揭示煤巖損傷演化規(guī)律的研究較少。為了弄清煤巖在沖擊荷載作用下基于超聲波波速表征的損傷演化規(guī)律和聲發(fā)射測(cè)量的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化及其耦合特征。文中開(kāi)展沖擊荷載試驗(yàn)，改變沖擊能量大小、施加順序等，以沖擊前、后煤樣中波速的變化來(lái)反映煤樣內(nèi)部損傷變化特征，用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)分析沖擊過(guò)程中煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化過(guò)程，通過(guò)分析豐富的煤樣內(nèi)部損傷演化信息為圍巖動(dòng)力災(zāi)害防控提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 煤樣內(nèi)部損傷定量化描述

損傷理論［13-17］認(rèn)為，煤巖的破壞起始于煤巖在受荷載前已存在的初始損傷——裂隙或微裂縫，煤巖在外荷載作用下，內(nèi)部的微裂隙或微裂縫會(huì)由于應(yīng)力集中的作用而不斷擴(kuò)展，微裂縫或微裂隙不斷擴(kuò)展的結(jié)果導(dǎo)致煤巖體宏觀力學(xué)性能的劣化，因此煤巖的破壞是一個(gè)漸進(jìn)破壞的過(guò)程。目前，對(duì)損傷變量可以有很多定義［18-21］，一方面，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化引起了材料的損傷，因此，可以用材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化的程度來(lái)定義損傷變量；另一方面，材料微結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致的損傷總是以宏觀力學(xué)現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)，如材料彈性常數(shù)等，因此也可以用這些宏觀量來(lái)對(duì)材料的損傷進(jìn)行定義。所以，煤巖的損傷可以從宏觀和微觀2個(gè)方面進(jìn)行度量。微觀方面，可以選用孔隙數(shù)目、面積、體積等；宏觀方面，可以選用彈性常數(shù)、密度、超聲波波速等。

當(dāng)煤巖受損傷以后，由于其微觀結(jié)構(gòu)的變化，便會(huì)引起在材料內(nèi)部傳播的彈性波速的變化，因此可定義煤巖的累積損傷變化量為［22］

式中D為煤巖的累積損傷變化量；V0分別為煤巖初始損傷的彈性波速，m/s；Vi為第i次損傷后的彈性波速，m/s.

定義第i次沖擊煤巖內(nèi)部損傷變化量［22］為

式中Di為第i次沖擊材料內(nèi)部損傷變化量；Vi為第i次沖擊荷載后的內(nèi)部彈性波速，m/s；Vi-1為材料承受第Vi-1次沖擊荷載后內(nèi)部彈性波速，m/s.

由于煤巖破壞過(guò)程中聲發(fā)射的測(cè)量、超聲波速度的測(cè)量都可以很好反映煤巖內(nèi)部損傷的變化。本試驗(yàn)擬以沖擊前、后煤樣超聲波波速的變化，來(lái)反映煤樣內(nèi)部損傷的變化，用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)分析沖擊過(guò)程中煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化過(guò)程。

1.2 煤樣的制備

試驗(yàn)所用煤樣為二次加工制得，煤樣加工時(shí)，將煤粉在粉碎機(jī)上二次粉碎，利用孔徑為1.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩對(duì)煤粉和河沙進(jìn)行篩選，然后將采用粒度為1 mm以下的河沙、石膏、大白粉、煤粉、水按照2.1∶0.1∶0.5∶2.1∶0.6的比例進(jìn)行充分混合，放入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm普通鑄鐵三聯(lián)模具壓實(shí)，靜置10 min后脫模而成煤樣試件，試驗(yàn)煤樣如圖1所示，隨后在自然室溫下放置28 d.煤樣形狀為方形，尺寸為70 mm×70 mm×70 mm，質(zhì)量為400 g.

1.3 試驗(yàn)裝置

1.3.1 單向沖擊試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在單向沖擊荷載試驗(yàn)裝置（圖2）上進(jìn)行。該裝置由固定架、沖擊落球等組成，利用懸吊在煤樣垂直上方的落球自由下落對(duì)煤樣產(chǎn)生沖擊荷載，通過(guò)調(diào)節(jié)落球下落高度以及更換重量產(chǎn)生不同大小的沖擊能量。

圖1 試驗(yàn)煤樣Fig.1 Test coal samples

圖2 單向沖擊荷載試驗(yàn)裝置和波速、聲發(fā)射檢測(cè)裝置Fig.2 Unidirectional impact load test equipment and wave velocity，acoustic emission testing equipment

沖擊落球?yàn)榍蝮w，為了保證沖擊能量有較大的取值范圍，準(zhǔn)備的沖擊落球的質(zhì)量有50，100，150，200，400 g 4個(gè)質(zhì)量梯次，具體的規(guī)格見(jiàn)表1.

表1 沖擊落球的參數(shù)規(guī)格Table 1 Specifications of impact ball drop

假定沖擊落球與煤樣碰撞時(shí)，沖擊落球作用在煤樣的沖擊能量為E1，忽略空氣阻力，由于沖擊落球的彈性模量遠(yuǎn)大于煤樣的楊氏模量，則作用在煤樣上的沖擊能量E1為

式中E1為沖擊落球作用在煤樣的沖擊能量，J；m為沖擊落球質(zhì)量，kg；h為沖擊落球的下落高度，m.

1.3.2 基于聲發(fā)射的煤巖內(nèi)部損傷過(guò)程監(jiān)測(cè)裝置

試驗(yàn)之前，設(shè)置聲發(fā)射幅度門(mén)限，使聲發(fā)射信號(hào)剛好出現(xiàn)，將聲發(fā)射探頭與煤樣之間用凡士林進(jìn)行耦合。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤樣在沖擊過(guò)程中幅度、振鈴計(jì)數(shù)、能量指標(biāo)。

1.3.3 基于波速表征的煤巖內(nèi)部損傷檢測(cè)裝置

用超聲波檢測(cè)裝置對(duì)煤樣沖擊前后波速進(jìn)行測(cè)量。每一次沖擊前后沿沖擊方向、左右垂直沖擊方向、前后垂直沖擊3個(gè)方向進(jìn)行波速檢測(cè)，每個(gè)方向測(cè)量3次，記錄并求其平均波速值，探頭與煤樣之間用凡士林進(jìn)行耦合。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 煤樣的初始波速檢測(cè)

為了減小因?yàn)槊簶硬町愋詫?duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，沖擊試驗(yàn)開(kāi)展之前對(duì)所有的煤樣進(jìn)行初始波速測(cè)試，每個(gè)方向測(cè)量3次并求其平均值，將波速明顯異常的試樣進(jìn)行剔除，最終確定進(jìn)行試驗(yàn)的煤樣初始波速見(jiàn)表2.

表2 煤樣初始波速Table 2 Initial wave velocity of coal sample m·s-1

為了盡可能減小試驗(yàn)誤差，保證試驗(yàn)煤樣盡可能相同，計(jì)算煤樣3個(gè)方向波速的標(biāo)準(zhǔn)差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，分析煤樣離散性。波速分布特點(diǎn)見(jiàn)表3，煤樣3個(gè)方向的波速分布非常相似，其較小的差異可能是由于煤樣加工、波速檢測(cè)等引起的?？梢哉J(rèn)為，煤樣在開(kāi)展試驗(yàn)前各個(gè)方向的波速是相同的，反映出其初始損傷在各個(gè)方向上也是相同的。煤樣初始波速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差最大為3.91%，說(shuō)明煤樣波速分布集中，離散性不明顯。

2.2 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)共分為8組，為了模擬0.1，0.15，0.2，0.25 J的沖擊能量，試驗(yàn)用100 g的沖擊落球下落高度設(shè)置為10～25 cm共4個(gè)水平。用200 g沖擊落球下落高度設(shè)置為15，20 cm分別模擬沖擊能量為0.3和0.4 J.高度分別對(duì)應(yīng)的作用在煤樣上沖擊能量大小，見(jiàn)表4.

表3 加載前煤樣初始波速分布特征Table 3 Characteristics of initial wave velocity distribution of coal samples before loading m·s-1

表4 沖擊能量與落球下落質(zhì)量、高度的關(guān)系Table 4 Relationship between impact energy and drop quality and height

試驗(yàn)前6組每組采用同一高度循環(huán)沖擊，直至煤樣破裂。為探究沖擊能量施加順序?qū)γ簶觾?nèi)部損傷的影響，第7組先采用由小到大進(jìn)行沖擊，沖擊能量施加順序具體為：第1次0.05 J，第2次0.1 J，第3次0.2 J，第4次0.3 J，第5次0.4 J.第8組采用采用由大到小進(jìn)行沖擊，沖擊能量施加順序具體為：第1次0.4 J，第2次0.3 J，第3次0.2 J，第4次0.1 J，第5次0.1 J，以上每次沖擊試驗(yàn)前、后均測(cè)定煤樣波速，且每次均在沿沖擊方向上與垂直沖擊方向上進(jìn)行波速測(cè)量。在沖擊過(guò)程中全程監(jiān)測(cè)聲發(fā)射特征。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 基于波速表征的煤樣內(nèi)部損傷演化規(guī)律

3.1.1 沖擊次數(shù)對(duì)煤樣內(nèi)部損傷的影響

以沖擊能量為0.1 J的C18煤樣為例進(jìn)行分析，沖擊次數(shù)與煤樣內(nèi)部累積損傷變化量D的關(guān)系如圖3所示。從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，煤樣累積損傷變量D隨著沖擊次數(shù)的增加呈遞增趨勢(shì)，說(shuō)明沖擊荷載對(duì)煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了顯著破壞。D呈近似的倒S型曲線變化，經(jīng)歷快速發(fā)展、平緩發(fā)展和急速發(fā)展3個(gè)階段。這與趙紅寶的結(jié)論相符［12］。通過(guò)Origin軟件擬合各個(gè)方向的增長(zhǎng)趨勢(shì)，煤巖內(nèi)部損傷與沖擊次數(shù)呈冪函數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，3個(gè)方向擬合曲線的相關(guān)系數(shù)平方最低為0.887 38，最高達(dá)到0.965 67，說(shuō)明該擬合方程擬合度較高。沖擊荷載對(duì)煤樣造成了顯著破壞，煤樣內(nèi)部損傷隨沖擊次數(shù)的增加呈遞增趨勢(shì)，且3個(gè)方向上的D隨著沖擊次數(shù)的增加呈冪函數(shù)增長(zhǎng)。

圖3 C18煤樣沖擊次數(shù)與內(nèi)部累積損傷變量D的關(guān)系Fig.3 Relationship between impact times of C18 coal sample and internal cumulative damage variable D

3.1.2 不同沖擊方向的內(nèi)部損傷演化區(qū)別

對(duì)比分析不同沖擊能量下3個(gè)方向上煤樣內(nèi)部累積損傷變量D隨沖擊次數(shù)的變化趨勢(shì)，從圖3可以看出，3個(gè)方向上內(nèi)部損傷演化差異化明顯。從數(shù)值大小上看，垂直沖擊方向的D大，說(shuō)明沖擊荷載在垂直沖擊方向上對(duì)煤樣內(nèi)部造成的損傷顯著。這可能與垂直沖擊方向的初始損傷有關(guān)，在沖擊荷載作用下，裂紋更易在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展與發(fā)育。其次，由于沿沖擊方向煤樣底面受到支撐，形成約束，加之受重力影響，而垂直沖擊方向上是自由面，裂紋擴(kuò)展和損傷更容易向著約束小的地方發(fā)育。

3.1.3 單次沖擊能量大小與煤巖損傷演化的關(guān)系

圖4 沖擊能量大小與內(nèi)部累積損傷變量D關(guān)系Fig.4 Relationship between impact energy and internal cumulative damage variable D

當(dāng)沖擊能量為0.4 J時(shí)，煤樣經(jīng)歷一次沖擊后就發(fā)生破碎，用0.3 J的能量進(jìn)行沖擊時(shí)，一個(gè)煤樣承受3次沖擊后即完全破裂，選用變化相對(duì)規(guī)律的煤樣作為分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此選前3次沖擊為研究對(duì)象，分析0.1 J到0.3 J的5個(gè)沖擊能量梯度。煤樣第1次沖擊后，煤樣內(nèi)部累積損傷變量D與沖擊能量關(guān)系如圖4（a）所示。從總變化趨勢(shì)來(lái)看，沖擊能量越大，對(duì)煤樣造成的內(nèi)部損傷越嚴(yán)重；用直線擬合煤樣內(nèi)部損傷隨沖擊能量的變化趨勢(shì)，3個(gè)方向的線性相關(guān)系數(shù)的平方均超過(guò)0.92，說(shuō)明線性增長(zhǎng)趨勢(shì)非常明顯。

第2次沖擊后，得到煤樣內(nèi)部累積損傷D與沖擊能量關(guān)系如圖4（b）所示，試驗(yàn)曲線呈非線性增長(zhǎng)變化，可以推斷，當(dāng)沖擊能量達(dá)到一定程度時(shí)，隨著每次沖擊，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)迅速變化，而且損傷呈現(xiàn)不均勻、不規(guī)則變化。第3次沖擊后，得到的D與沖擊能量關(guān)系如圖4（c）所示，3個(gè)方向上的D均隨著沖擊能量的增加非常明顯，幾乎呈線性函數(shù)關(guān)系，與第1，2次沖擊相比，變化趨勢(shì)更具有規(guī)律性。從單獨(dú)的左右垂直沖擊方向或前后垂直沖擊方向來(lái)看，呈現(xiàn)不規(guī)則的增長(zhǎng)曲線，但在垂直沖擊方向看，幾乎是沿著一條直線增長(zhǎng)。用線性擬合這種變化趨勢(shì)，3個(gè)方向的線性相關(guān)系數(shù)的平方均超過(guò)0.89，說(shuō)明線性增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。呈現(xiàn)這種規(guī)律的變化可能經(jīng)歷前2次沖擊，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)調(diào)整，沖擊能量越大對(duì)煤樣造成的損傷越嚴(yán)重。

3.1.4 沖擊能量施加順序與煤巖損傷演化的關(guān)系

為探究沖擊能量施加順序?qū)γ簶觾?nèi)部損傷的影響，沖擊能量從小到大施加與煤樣內(nèi)部累積損傷變量D的關(guān)系如圖5所示?？傮w趨勢(shì)來(lái)看，隨著沖擊能量由小到大施加，煤樣內(nèi)部累積損傷變化趨勢(shì)呈冪函數(shù)遞增。這種變化趨勢(shì)是由于沖擊荷載作用下，煤樣內(nèi)部損傷快速發(fā)育，前一次沖擊造成煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)量與尺度的調(diào)整，后一次作用在煤樣的部分沖擊能量被內(nèi)部微結(jié)構(gòu)吸收，剩余的能量用于內(nèi)部新裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，用曲線擬合煤樣內(nèi)部累積損傷增長(zhǎng)趨勢(shì)，3個(gè)方向相關(guān)系數(shù)的平方均超過(guò)0.91.說(shuō)明隨著沖擊能量從小到大施加，內(nèi)部累計(jì)損傷呈冪函數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖5 沖擊能量由小到大進(jìn)行施加的沖擊能量與D的關(guān)系Fig.5 Relationship between the impact energy applied from small to large and D

當(dāng)用0.4 J的能量進(jìn)行沖擊時(shí)，3個(gè)煤樣均破碎嚴(yán)重，波速無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，為探究單次沖擊能量由大到小的詳細(xì)規(guī)律，以C11煤樣沖擊能量由大到小進(jìn)行施加，3次沖擊后發(fā)生破壞為例，得到的沖擊能量從大到小單次沖擊能量與D的關(guān)系如圖6所示。從圖6可知，煤樣內(nèi)部累積損傷變量D大致呈線性增長(zhǎng)，煤樣內(nèi)部損傷顯著變化。

對(duì)比不同施加順序煤樣破壞效果，沖擊能量由大到小而進(jìn)行施加對(duì)煤樣內(nèi)部損傷影響更大，煤樣更加容易破壞。在煤礦的動(dòng)力災(zāi)害防治過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)和緩和災(zāi)害源頭的釋放能量，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

圖6 沖擊能量由大到小進(jìn)行沖擊下D的變化Fig.6 Change in impact energy from large to small impact D

3.1.5 煤樣破壞過(guò)程與內(nèi)部損傷演化的關(guān)系

以沖擊能量為0.25 J進(jìn)行沖擊的一個(gè)煤樣為例進(jìn)行分析，隨著沖擊次數(shù)的不斷增加，其破壞過(guò)程如圖7所示。沖擊初期，煤樣內(nèi)部損傷迅速增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速調(diào)整，煤樣表面產(chǎn)生一條微小的橫向裂紋；沖擊中期，煤樣內(nèi)部損傷快速增加，煤樣表面宏觀裂紋數(shù)目增多；沖擊后期，煤樣內(nèi)部損傷發(fā)展較平緩，表面裂紋出現(xiàn)貫通，寬度增加；沖擊末期，內(nèi)部損傷急速增大，煤樣表面的裂紋寬度與長(zhǎng)度均急速增大，可見(jiàn)裂紋交叉、貫通，達(dá)到破壞。煤樣破壞過(guò)程中，變形開(kāi)裂首先出現(xiàn)在沖擊位置，進(jìn)而向煤樣邊緣發(fā)展。沖擊點(diǎn)和煤樣邊緣變形的不協(xié)調(diào)造成煤樣的拉伸破壞。

圖7 煤樣破壞過(guò)程Fig.7 Failure process of coal sample

3.2 煤樣內(nèi)部損傷演化過(guò)程的聲發(fā)射特征

以0.1 J的能量進(jìn)行沖擊的C18煤樣為例進(jìn)行分析，圖8描繪了C18煤樣沖擊過(guò)程中聲發(fā)射事件數(shù)、能率與沖擊次數(shù)的關(guān)系。第1次沖擊，煤樣內(nèi)部的初始損傷快速擴(kuò)展，次生裂紋迅速產(chǎn)生，內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速調(diào)整，此過(guò)程產(chǎn)生了2 908個(gè)聲發(fā)射事件，能率達(dá)到17 296.877 9 mV·us/s，第2次沖擊，原有的微結(jié)構(gòu)進(jìn)入一個(gè)調(diào)整階段，此過(guò)程產(chǎn)生的事件數(shù)和能率保持在較高水平；隨著第3次沖擊，煤樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)繼續(xù)擴(kuò)展，但由于部分沖擊能量被內(nèi)部裂紋吸收，次生裂隙發(fā)育放緩，這個(gè)階段聲發(fā)射信號(hào)處于較低水平；第4次沖擊，煤樣內(nèi)部損傷發(fā)育處于平緩發(fā)展階段，這個(gè)過(guò)程中的聲發(fā)射事件數(shù)平穩(wěn)發(fā)展，但由于裂隙發(fā)生貫通，能率增幅明顯，數(shù)值達(dá)到峰值，說(shuō)明這階段有大事件發(fā)生；隨著最后一次的沖擊，煤樣內(nèi)部損傷急速增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速調(diào)整，煤樣發(fā)生破裂失穩(wěn)，這個(gè)階段的總事件數(shù)達(dá)到峰值，能率也一直保持較高水平。沖擊過(guò)程產(chǎn)生的事件數(shù)和能率經(jīng)歷了一個(gè)快速增加、緩慢增加、增幅迅速增大的變化過(guò)程。

圖8 0.1 J能量沖擊C18煤樣內(nèi)部損傷過(guò)程的聲發(fā)射特征Fig.8 Acoustic emission characteristics of internal damage process of C18 coal sample with impact energy of 0.1 J

3.3 損傷變化量與聲發(fā)射耦合特征分析

根據(jù)式（2）計(jì)算出每1次沖擊煤樣3個(gè)方向的內(nèi)部損傷變化量，求其平均值，并和沖擊過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行耦合分析。沖擊能量為0.1 J的C18煤樣破壞過(guò)程的損傷變化量和聲發(fā)射耦合特征如圖9所示，當(dāng)?shù)?次沖擊，煤樣的初始損傷快速擴(kuò)張，煤巖內(nèi)部微結(jié)構(gòu)數(shù)目迅速增加，內(nèi)部產(chǎn)生0.072 06的損傷，這一階段的累積產(chǎn)生了2 908個(gè)聲發(fā)射事件，累積能率為17 296.877 9 mV·us/s，這可能是第1次沖擊，內(nèi)部初始損傷開(kāi)始擴(kuò)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，釋放出能量，使聲發(fā)射信號(hào)增加；第2次沖擊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)入一個(gè)調(diào)整階段，此階段煤樣內(nèi)部損傷繼續(xù)保持較高增幅，此過(guò)程產(chǎn)生的事件數(shù)和能率也保持在較高水平。隨著第3次沖擊，煤樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)繼續(xù)擴(kuò)展，但由于部分沖擊能量被裂紋吸收，次生裂隙發(fā)育放緩，這個(gè)階段損傷變化量為全過(guò)程最低值，聲發(fā)射信號(hào)處于較低水平；第4次沖擊，煤樣內(nèi)部損傷發(fā)育處于平緩發(fā)展階段，損傷變化量數(shù)值變化較小，這個(gè)過(guò)程的聲發(fā)射總事件數(shù)也平穩(wěn)發(fā)展，但由于裂隙發(fā)生貫通，能率增幅明顯，數(shù)值達(dá)到峰值，說(shuō)明這階段有大事件發(fā)生；隨著最后一次的沖擊，煤樣內(nèi)部損傷急速增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速調(diào)整，煤樣發(fā)生破裂失穩(wěn)，這個(gè)階段的損傷變化量增幅較大，聲發(fā)射總事件數(shù)達(dá)到峰值，能率也一直保持較高水平。從整體來(lái)說(shuō)，用波速表征的煤樣內(nèi)部損傷變化量與聲發(fā)射在每個(gè)階段監(jiān)測(cè)到的事件數(shù)和能率變化有較好一致性。煤樣內(nèi)部損傷快速擴(kuò)展的過(guò)程也是損傷變化量增加、聲發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)的過(guò)程。

圖9 煤樣損傷變化量與聲發(fā)射耦合特征Fig.9 Coupling characteristics of damage variation and acoustic emission of coal samples

4 結(jié) 論

1）沖擊荷載的作用次數(shù)、單次沖擊能量大小、沖擊能量施加順序均會(huì)對(duì)煤樣內(nèi)部損傷演化造成影響。煤樣內(nèi)部損傷對(duì)沖擊次數(shù)具有累積效應(yīng)，經(jīng)歷了快速、平緩和急速發(fā)展3個(gè)階段，且隨沖擊次數(shù)增加呈冪函數(shù)增長(zhǎng)（煤樣3個(gè)方向的R2均超過(guò)0.88）；煤樣內(nèi)部損傷與單次沖擊能量呈線性增長(zhǎng)；沖擊能量由大到小進(jìn)行施加更容易使煤樣發(fā)生破壞。在煤礦的動(dòng)力災(zāi)害防治過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)和緩和災(zāi)害源頭的釋放能量，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

2）沖擊荷載下，煤樣各個(gè)方向上的內(nèi)部損傷演化差異化明顯，煤樣內(nèi)部累積損傷變化量D表現(xiàn)為垂直沖擊方向＞沿沖擊方向，垂直沖擊方向比沿沖擊方向的損傷發(fā)展更為迅速。煤樣內(nèi)部累積損傷值的增大即對(duì)應(yīng)著煤樣宏觀破壞的過(guò)程，煤樣變形開(kāi)裂首先出現(xiàn)在沖擊位置，進(jìn)而向煤樣邊緣發(fā)展。沖擊點(diǎn)和煤樣邊緣變形的不協(xié)調(diào)造成了煤樣的拉伸破壞。

3）沖擊作用下，煤樣內(nèi)部損傷變化越劇烈，聲發(fā)射信號(hào)特征越明顯。沖擊過(guò)程產(chǎn)生的事件數(shù)和能率經(jīng)歷了一個(gè)快速增加、緩慢增加、增幅迅速增大的變化過(guò)程。用波速表征的煤樣內(nèi)部損傷變化量與聲發(fā)射在每個(gè)階段監(jiān)測(cè)到的事件數(shù)和能率變化有較好的變化一致性。損傷變化量增加的過(guò)程也是聲發(fā)射信號(hào)增加的過(guò)程。