含水煤体循环荷载下变形特性与损伤演化的声发射监测研究

为解决深部煤矿开采中围岩受循环扰动和水力耦合作用导致的稳定性问题，研究人员通过三轴试验结合声发射(AE)监测技术，系统研究了含水煤体在不同循环应力路径下的变形损伤特性。研究发现含水率变化对煤体力学性能影响最大(峰值应力降低9.159 MPa)，建立了考虑时间效应的AE损伤演化模型，为深部煤岩工程稳定性评估提供理论依据。

　　

在深部煤矿开采过程中，围岩长期承受着来自采动压力、顶板垮落和构造运动的循环荷载，同时水力压裂等工程措施又显著增加了煤层的含水率。这种"水-力"耦合作用使得煤岩体的变形破坏机制变得异常复杂，传统力学参数难以捕捉单次循环中的微观损伤累积过程。更棘手的是，现有研究多关注超过煤体"阈值"的高应力循环破坏，而对实际工程中普遍存在的"亚阈值"循环扰动损伤机制认识不足。

针对这一科学难题，山西某煤矿科研团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究成果。研究采用自主研发的电液伺服岩石三轴试验系统，结合声发射(AE)动态监测技术，对8#煤层试样开展多变量控制实验。通过设计5种循环应力路径(5-10MPa至5-20MPa)和3种含水梯度(0%、7.2%、12.5%)，系统分析了"亚阈值"循环条件下含水煤体的损伤累积规律。

关键技术包括：1)负压吸附法制备不同含水率标准试样(?50mm×100mm)；2)5MPa围压下开展分级循环加载试验；3)同步采集应力-应变曲线和AE参数(瞬时计数与累积计数)；4)基于不可逆应变和AE特征建立损伤模型。每组实验设置3个独立重复样本，通过异常值筛选确保数据有效性。

【不可逆应变分析】
研究发现循环加载产生的不可逆应变呈现"先快后慢"的累积特征，首循环应变增量占总累积应变的40%-64.5%。含水率变化对力学性能影响最为显著，使峰值应力降低达9.159MPa，其影响程度排序为：含水率>循环应力幅值>循环应力下限。建立的对数模型ε_n=ε_mln(b_nx+1)能准确描述应变累积规律(R2>0.96)。

【声发射特征】
AE信号演化呈现"渐进增长-波动增长-陡增"三阶段特征。高应力循环(如Path5)虽在循环阶段产生更多AE计数(较Path1增加28.3%)，但峰值阶段累计计数反而降低7.7%，表明高应力会抑制AE事件的长期积累。饱和煤样的AE峰值计数仅为干燥煤样的1/3，证实水分子对弹性波传播的衰减作用。

【损伤演化模型】
创新性构建的时间依赖型AE损伤模型D=1-(1-t/t_F)^1/(1+β)显示：含水率增加使参数β从0.23074(干燥)升至0.37581(饱和)，延缓了损伤进程。模型成功捕捉到煤体破坏前损伤的"突发性"特征，即当应力接近峰值时损伤度呈指数级增长。

该研究首次系统揭示了"亚阈值"循环条件下含水煤体的损伤累积机制，建立的AE损伤模型实现了从微观破裂到宏观变形的跨尺度关联。实践意义在于：1)为评估水力压裂影响区的煤柱稳定性提供量化工具；2)指出含水区域应避免循环扰动的重要工程原则；3)开发的监测方法可应用于矿山动力灾害预警。未来研究可进一步探讨温度-水-力多场耦合效应，以更全面服务深部资源开发需求。