循环荷载作用下煤样疲劳特性的试验研究

孙 达

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建第一分公司，山西 太原 030022）

1 引言

本文以西山煤电官地矿南翼上组回风巷煤样为研究对象，对煤样在不同幅值扰动荷载作用下的疲劳特性进行研究。所得结论为该回风巷煤柱的稳定性提供了一定的指导作用。从而确保该回风巷在服务工作面开采期间的安全有效运行。

2 工程背景

西山煤电官地矿的煤岩层整体呈向斜构造，轴向倾角约133°，两翼倾角约3°，工作面2#煤层上覆砂岩弱含水层，施工至局部低洼处及顶板破碎带时，会出现岩层渗水现象。南翼上组煤回风巷的地面位置处于黄冶沟的老虎窝沟西侧，盖山厚度349～500m。该回风巷穿越砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、中粒砂岩、2#煤、炭质泥岩等层位。巷道掘进过程中穿越煤层、砂岩、泥质砂岩及砂质页岩等脆性易碎的岩层时，应加强巷道顶板管理。

3 试验方法

3.1 样品准备

本次试验以西山煤电官地矿南翼上组回风巷的煤体作为研究对象，该煤样中含有白色条纹状的杂质，平均密度为1.42g/m3，纵波波速为2544m/s，平均孔隙度为7.8%，平均强度为16.2MPa。

为了尽可能地降低煤样的离散性，挑选了同一个工作面的几块煤样，打包运至实验室，然后进行取芯、切割及磨平等工序，最终加工成直径50mm，高度100mm的圆柱体试样。所有煤样品均严格按照《国际岩石力学学会》的标准，使得试样的平整度及断面平行度处于误差范围之内[4]。

3.2 试验装置

本文借助MTS 815岩石力学伺服试验机，煤样强度测试采用加载速率为0.05mm/min，循环荷载加载过程中采用恒定频率进行不同振幅的加载。

3.3 测试步骤

首先，对煤样的单轴抗压强度以及试件的离散性进行测定，单轴压缩试验的加载速率为0.05mm/min。然后，进行循环加载试验，加载波形为正弦波，频率为0.2Hz，振幅分别为单轴抗压强度的20%、40%、60%、80%，每种振幅下循环20次。

4 试验结果分析

4.1 煤样物理力学特性结果分析

图1为煤样单轴抗压强度测试结果示意图。

图1 煤样应力-应变曲线

从图1可以看出，煤样在单轴压缩作用下主要发生劈裂拉伸破坏。由于煤岩非均质性较大的客观因素，即使在同一块体上取出的试样，在相同的试验条件下，得到的结果也存在一定的离散性。

4.2 不同峰值应力振幅煤样应力-应变曲线

煤矿井下煤柱常常受相邻工作面开采、放炮振动以及顶板周期来压等不同大小荷载的扰动作用。经过长期的扰动荷载后会使煤柱的服务年限及寿命降低。因此，对不同荷载作用下煤样的疲劳损伤进行研究显得非常必要。通过对煤样施加不同振幅的峰值应力，得到不同应力振幅作用下煤样疲劳损伤的演化规律。不同峰值应力振幅作用煤应力-应变曲线如图2所示。

从图2可以看出，随着应力振幅的增加，煤的轴向应变逐渐增大，并且循环加载过程中煤样的滞回环面积逐渐增加。当应力振幅从20%增至80%时对应的最大轴向应变依次为0.00143、0.00204、0.00273、0.00319。能够间接地说明随着应力振幅的增加，循环加载过程中煤的疲劳损伤程度逐渐变大。另外，从图中还可得知，应力振幅较低时，应力-应变曲线滞回环的形状呈现“尖叶状”，能够进一步说明循环加卸载交替处煤的变形响应较快。

图2 不同应力幅值煤样应力-应变曲线

4.3 不同峰值应力振幅弹性模量的演化规律

弹性模量是反应岩石力学参数的一个非常重要的指标，弹性模量的大小也能间接表明煤岩体在受载荷作用下抵抗变形性能的程度。因此，研究煤弹性模量的演化规律对煤体的变形破坏起到了重要的作用。不同应力振幅弹性模量的演化规律如图3所示。图中a组、b组、c组、d组依次对应20%、40%、60%、80%的应力振幅。

图3 不同振幅煤样弹性模量演化曲线

从图3可以看出，随着应力振幅的增加，煤弹性模量也呈现出不同程度的增加。弹性模量均从第二圈开始变得平稳，由于原始煤样中存在大量的微孔隙及孔洞，当煤样处于低振幅荷载作用时，会导致大量的孔隙裂隙闭合，煤样抵抗变形能力的程度较低，因此，煤的弹性模量相对较小。随着应力振幅的增加，煤在加载过程中抵抗自身变形的能力逐渐增强，因此，对应的弹性模量增大。但当外部荷载超过煤自身的变形强度极限后，弹性模量突然出现下降的趋势。

4.4 不同应力振幅煤样泊松比的演化规律

泊松比对于描述煤岩变形特性起到了重要的作用，是反应材料本身变形特性的参数指标。随着材料强度的增加，其泊松比会相应的增加。不同振幅作用下煤样泊松比的演化规律如图4所示。图中a组、b组、c组、d组依次对应20%、40%、60%、80%的应力振幅。

由图4可知，总体来说，随着应力振幅水平的增加，其煤的泊松比会出现相应的增大现象，并且还发现，当煤样处于低振幅水平加载时，随着循环次数的增加，其泊松比变化较平稳。但当应力振幅增至80%时，泊松比随着循环圈数的增加呈现出逐渐增大的趋势。从而能够得知，该煤疲劳损伤门槛值大约在单轴强度的80%左右。

图4 不同振幅煤样泊松比演化曲线

4.5 不同应力振幅加卸载响应比的演化规律

文献[5]利用损伤力学的原理，通过对加卸载响应比的参量进行赋值，重新定义损伤变量，从而描述岩石的损伤演化过程。因此，基于提出的加卸载响应比理论，结合线弹性本构关系，得到相应关系式为：

对应的加卸载响应比值：

式中：

N-响应量，N+和N-分别为加载和卸载时的响应量；

E-弹性模量，E+和E-分别为加载和卸载时的弹性模量。

图5 不同振幅煤样加卸载响应比演化曲线

从图5可以看出，随着应力振幅的增加，煤的加卸载响应比总体变化趋势在同一应力振幅下保持稳定变化，个别循环加载下产生轻微的波动。但随着应力振幅的增加，加卸载响应比也出现了阶梯型的变化趋势。从图3加载段的弹性模量分析可知，整个循环加载过程中变化较平缓。图4分析得知，加卸载响应比均大于1，间接地说明了随着应力振幅的增加，卸载阶段的弹性模量均大于加载段。

5 结论

本文基于MTS815岩石力学伺服试验机配套AE声发射仪对西山煤电官地矿南翼上组回风巷试验，以及核磁共振无损检测分析仪，进行不同应力振幅损伤演化机制的研究，得到以下结论：

（1）随着应力振幅的增加，煤的轴向应变逐渐增大，同时滞回环的面积逐渐增加，说明应力振幅与煤损伤程度呈现出一定的正比例关系。

（2）随着应力振幅的增加，煤的弹性模量呈现出阶梯状的增加趋势，随后弹性模量保持恒定。然而，煤的泊松比在前三个应力振幅下与弹性模量呈现相同的变化趋势，在第四个应力振幅时，泊松比与循环次数呈现出缓慢增加的变化趋势。也预示了疲劳损伤的门槛值大约为单轴强度的80%。

（3）随着应力振幅的增加，煤的加卸载响应比总体变化趋势在同一应力振幅下保持稳定变化，个别循环加载过程中产生轻微的波动。