摘要

煤層開采過程中頻繁采掘擾動或遠場頂板周期性破斷會產生多次的震動載荷，震動載荷對于煤樣微觀孔裂隙結構和宏觀力學行為具有重要影響。為探索震動載荷下煤樣孔裂隙結構演化特征，選取煙煤煤樣，利用霍普金森壓桿(SHPB)試驗系統開展了多次震動載荷沖擊煤樣試驗，借助低場核磁共振分析儀測試了每次沖擊后煤樣T2譜，并通過核磁共振成像(MRI)分析了煤樣孔裂隙分布及其損傷演化特征。

研究背景

煤炭是我國能源的主體，隨著煤礦開采深度逐漸增加，采場結構越發復雜，煤層開采過程中常伴隨礦震、爆破及采掘活動等擾動因素，頻繁對煤體施加震動載荷，持續破壞煤體的孔裂隙結構，形成累積損傷效應甚至造成大規模動力破壞，導致煤巖動力災害的發生，嚴重威脅煤礦安全生產。

國內外學者采用實驗室試驗手段，對沖擊載荷下煤體損傷、破壞規律進行大量研究，尤其是SHPB試驗系統在煤體動力學試驗研究中已被廣泛運用，相關研究主要聚焦于煤體沖擊載荷下的宏觀破壞，尤其是表面破壞形態，未涉及煤體孔裂隙結構損傷、破壞特征。部分學者引入3D輪廓掃描、掃描電鏡(SEM)、CT斷層掃描等分析技術，研究沖擊載荷作用下煤體微觀結構損傷特征。核磁共振(NMR) 是一種精度高、無損的孔隙結構測試技術，可用于分析煤巖體孔裂隙結構的演化特征。

筆者針對震動載荷多次沖擊作用下煤體孔隙結構的演化特征，利用霍普金森 (SHPB) 試驗系統開展了震動載荷沖擊煤體試驗，借助低場核磁共振分析儀，測試了每次沖擊后煤體的T2譜、孔隙率，并進行了MRI成像，分析了煤體孔隙分布及MRI成像中的信號演化規律，得到了煤體孔裂隙結構演化特征和損傷演化機制。研究揭示了震動載荷頻繁沖擊作用下煤 巖體破壞機理，研究成果有助于進一步認識采場動載誘發煤巖復合動力災害機理，為深部復合動力災害防控提供科學理論支撐。

實驗信息

煤樣制備

根據國際巖石力學與巖石工程學會(ISRM)推薦標準，將煤樣進行了切割、取心和打磨，得到了50mm×50mm的標準煤樣，煤樣的端面不平行度小于0.02mm， 最大偏差度不超過0.25°，兩端面垂直煤樣軸線，如圖一所示。

圖一 煤樣

震動載荷沖擊試驗：

震動載荷沖擊試驗采用SHPB試驗系統，該系統主要包括：軸向加載裝置、壓桿裝置、沖擊子彈驅動裝置、動態應變儀和激光測速儀，如圖二所示。

圖二 SHPB 壓桿試驗系統結構示意

試驗開始前，對煤樣進行試沖測試，確定沖擊氣壓為0.30MPa，將應變片粘貼在入射桿和透射桿中端獲取震動沖擊產生的脈沖信號，利用動態應變儀采集 記錄該信號，用于檢測試驗系統的性能。

在煤體受到震動載荷沖擊后，入射波應力和反射波應力之和與透射波應力近似相等，能夠較好地滿足應力平衡條件，證實了煤樣在震動載荷作用過程中符合應力均勻性的假設，如圖三所示。

圖三 煤樣動態應力平衡曲線

當外部輸入的累積能量超過煤樣自身的臨界破壞值時，煤樣出現宏觀裂紋，導致煤樣逐步破壞、失效。筆者聚焦煤體孔裂隙結構逐步損傷、破壞的過程，因此在煤樣表面出現宏觀裂紋時即停止試驗。

核磁信號測試:

將震動載荷作用后飽水處理的煤樣，進行核磁信號測試，獲取煤樣的T2譜，并進行MRI成像。試驗采 用中尺寸核磁共振巖心分析系統(生產商：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司、型號：MecroMR12-150H-VTHP)進行核磁信號測試，如圖四所示。

圖四 核磁共振分析儀

煤體孔裂隙結構演化特征分析：

通過對震動載荷作用后煤樣開展核磁共振測試，分析其孔裂隙演化特征，根據T2譜孔隙分類方法，煤樣孔隙可分為微小孔（T2＜3.33ms）、中孔（3.33ms≤T2＜344ms）和大孔（344ms≤T2），微小孔也可稱為吸附孔，中大孔可統稱為滲流孔。根據T2譜中各譜峰對應的位置關系，震動載荷多次沖擊作用后煤樣孔裂隙結構演化過程可劃分為4個階段。

（1）吸附孔激增階段，T2譜呈現明顯的雙峰形態，煤樣內部連通性不佳，各譜峰相互獨立，吸附孔的譜面積增幅明顯。初次震動載荷沖擊后吸附孔譜面積相對初始狀態增幅約5.0倍，煤樣主要表現出煤基質的損傷，形成了大量新的吸附孔。

圖五 吸附孔激增階段煤樣T2譜演化曲線

（2）孔隙穩定增長階段，該階段T2譜表現三峰分布形態，各譜峰仍相對獨立，起初煤樣內部連通性仍然較差，微裂隙尚未出現，在震動載荷多次沖擊作用下，滲流孔發育，譜峰出現右移，弛豫時間增加，中孔與大孔間譜峰出現“靠攏”趨勢，滲流孔連通趨勢開始顯現。

圖六 孔隙穩定增長階段煤樣T2譜演化曲線

（3）微裂隙形成階段，該階段中孔向大孔、微裂隙發育，使得138～344ms內各孔徑孔隙均有分布，煤樣連通性得到一定的改善，中大孔譜峰出現“合并”現象，微裂隙初步成形但受震動波擾動影響較大。

圖七 裂隙形成階段煤樣T2譜演化曲線

（4）裂隙連通階段，一方面滲流孔中的中孔繼續向大孔演化并逐步形成新的裂隙，另一方面煤樣內在前期震動載荷作用下形成的各類孔裂隙結構持續發育、連通，滲流孔體積快速增大，滲流孔連通性顯著增強，直至煤樣表面出現宏觀裂紋，使得峰值應力跌落。

圖八 裂隙連通階段煤樣T2譜演化曲線

煤樣微觀損傷演化的MRI表征：

利用核磁共振儀測試分析整個煤樣內部的空間水分分布信息，并將其進行二維投影，反演得到煤樣的 MRI圖像。由于滲流孔積聚了更多的水分，因而MRI圖像中信號顯著增強的區域，對應著滲流孔體積大幅增長的區域。滲流孔體積的增長，可一定程度反映出煤樣的損傷變化。因此，可以利用MRI圖像對煤樣內的損傷區域進行分析。

對比分析多次震動載荷沖擊后煤樣內MRI二維 圖像的變化，可直觀得到煤樣損傷的區域分布與發展特征。

圖九 震動載荷沖擊作用后煤樣MRI圖像

階段Ⅰ，由于煤樣較為致密，孔隙率較低，初始階段煤樣內部各區域信號響應非常微弱，如圖九(a)～ (c) 所示。震動載荷沖擊產生的震動波從高波阻抗的桿件傳入低波阻抗的煤樣，波形發生多次偏轉，在此過程中煤基質產生破壞形成新的吸附孔，煤樣內形成少量損傷區域，呈現點狀分散分布。

階段Ⅱ，隨著震動載荷沖擊次數的增加，滲流孔開始逐步增多，損傷區域信號響應增強，并出現由點狀分散分布向條狀集中分布的趨勢，如圖九(d)～(g)所示。 

階段Ⅲ，各損傷區域內響應信號開始由點狀分散分布向條狀集中分布轉變，如圖九(h)～(l) 所示。一 方面震動波所攜帶的能量用于使得中孔擴展，部分中孔在擴展過程中溝通其他孔隙結構形成裂隙，另一方 面應力波傳播過程中的反射、拉伸使得大孔、裂隙破裂，能量不能完全用于發育已經形成的裂隙，煤樣內部裂隙連通性非穩定上升，直至第18次震動載荷沖擊后，裂隙出現相互交織趨勢，MRI圖像出現明顯的條狀損傷區域。

階段Ⅳ，各條狀損傷區出現復雜的條狀形態，如圖13(m)～(r)所示。震動載荷沖擊使得裂隙持續連通，圖中原有信號聚集區域顏色愈深，范圍愈廣，多次震動載荷沖擊持續擴展并連通煤樣內部各類孔隙和裂隙，最終煤樣表面出現宏觀裂紋。

相關結論

1、利用霍普金森壓桿 (SHPB) 試驗系統開展了震動載荷多次作用下煙煤孔裂隙結構演化特征試驗研究 1891 震動載荷多次沖擊煤樣試驗，借助低場核磁共振系統測試分析了煤樣孔隙分布及其變化規律，研究了震動載荷多次作用過程中煤樣孔隙結構的損傷演化特征。

2、煤樣在震動載荷多次作用下，隨著震動載荷作用次數增加，煤樣峰值應力與動態彈性模量均呈現線性下降趨勢，表明震動載荷沖擊效應使得煤樣承載和抵抗變形能力顯著弱化。

3、震動載荷多次沖擊作用下，煤樣從初次加載至最終出現宏觀破裂，孔隙率相比原始煤樣增長了6倍。在此過程中，煤樣孔隙結構演化過程可分為4個階段，分別為吸附孔激增階段、孔隙穩定增長階段、微裂隙 形成階段和裂隙連通階段。

4、結合MRI成像和孔隙分形維數結果，震動載荷多次作用使得煤樣損傷區域由點狀散布形態向復雜條狀交織形態轉變，孔隙分形維數呈現下降趨勢，煤樣孔隙網絡連通性提高，損傷程度加重。

推薦設備

中尺寸核磁共振成像分析儀

參考文獻

[1]馬衍坤, 黃勤豪, 孔祥國, 等. 震動載荷多次作用下煙煤孔裂隙結構演化特征試驗研究[J]. 煤炭學報, 2024,49(4)：1882-1893.