【文献解读】安徽理工大学马衍坤教授团队《煤炭学报》：震动载荷多次作用下烟煤孔裂隙结构演化特征试验研究

摘要

煤层开采过程中频繁采掘扰动或远场顶板周期性破断会产生多次的震动载荷，震动载荷对于煤样微观孔裂隙结构和宏观力学行为具有重要影响。为探索震动载荷下煤样孔裂隙结构演化特征，选取烟煤煤样，利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展了多次震动载荷冲击煤样试验，借助低场核磁共振分析仪测试了每次冲击后煤样T2谱，并通过核磁共振成像(MRI)分析了煤样孔裂隙分布及其损伤演化特征。

研究背景

煤炭是我国能源的主体，随着煤矿开采深度逐渐增加，采场结构越发复杂，煤层开采过程中常伴随矿震、爆破及采掘活动等扰动因素，频繁对煤体施加震动载荷，持续破坏煤体的孔裂隙结构，形成累积损伤效应甚至造成大规模动力破坏，导致煤岩动力灾害的发生，严重威胁煤矿安全生产。

国内外学者采用实验室试验手段，对冲击载荷下煤体损伤、破坏规律进行大量研究，尤其是SHPB试验系统在煤体动力学试验研究中已被广泛运用，相关研究主要聚焦于煤体冲击载荷下的宏观破坏，尤其是表面破坏形态，未涉及煤体孔裂隙结构损伤、破坏特征。部分学者引入3D轮廓扫描、扫描电镜(SEM)、CT断层扫描等分析技术，研究冲击载荷作用下煤体微观结构损伤特征。核磁共振(NMR) 是一种精度高、无损的孔隙结构测试技术，可用于分析煤岩体孔裂隙结构的演化特征。

笔者针对震动载荷多次冲击作用下煤体孔隙结构的演化特征，利用霍普金森 (SHPB) 试验系统开展了震动载荷冲击煤体试验，借助低场核磁共振分析仪，测试了每次冲击后煤体的T2谱、孔隙率，并进行了MRI成像，分析了煤体孔隙分布及MRI成像中的信号演化规律，得到了煤体孔裂隙结构演化特征和损伤演化机制。研究揭示了震动载荷频繁冲击作用下煤 岩体破坏机理，研究成果有助于进一步认识采场动载诱发煤岩复合动力灾害机理，为深部复合动力灾害防控提供科学理论支撑。

实验信息

煤样制备

根据国际岩石力学与岩石工程学会(ISRM)推荐标准，将煤样进行了切割、取心和打磨，得到了50mm×50mm的标准煤样，煤样的端面不平行度小于0.02mm， 最大偏差度不超过0.25°，两端面垂直煤样轴线，如图一所示。

图一 煤样

震动载荷冲击试验：

震动载荷冲击试验采用SHPB试验系统，该系统主要包括：轴向加载装置、压杆装置、冲击子弹驱动装置、动态应变仪和激光测速仪，如图二所示。

图二 SHPB 压杆试验系统结构示意

试验开始前，对煤样进行试冲测试，确定冲击气压为0.30MPa，将应变片粘贴在入射杆和透射杆中端获取震动冲击产生的脉冲信号，利用动态应变仪采集 记录该信号，用于检测试验系统的性能。

在煤体受到震动载荷冲击后，入射波应力和反射波应力之和与透射波应力近似相等，能够较好地满足应力平衡条件，证实了煤样在震动载荷作用过程中符合应力均匀性的假设，如图三所示。

图三 煤样动态应力平衡曲线

当外部输入的累积能量超过煤样自身的临界破坏值时，煤样出现宏观裂纹，导致煤样逐步破坏、失效。笔者聚焦煤体孔裂隙结构逐步损伤、破坏的过程，因此在煤样表面出现宏观裂纹时即停止试验。

核磁信号测试:

将震动载荷作用后饱水处理的煤样，进行核磁信号测试，获取煤样的T2谱，并进行MRI成像。试验采 用中尺寸核磁共振岩心分析系统(生产商：半岛网页版、型号：MecroMR12-150H-VTHP)进行核磁信号测试，如图四所示。

图四 核磁共振分析仪

煤体孔裂隙结构演化特征分析：

通过对震动载荷作用后煤样开展核磁共振测试，分析其孔裂隙演化特征，根据T2谱孔隙分类方法，煤样孔隙可分为微小孔（T2＜3.33ms）、中孔（3.33ms≤T2＜344ms）和大孔（344ms≤T2），微小孔也可称为吸附孔，中大孔可统称为渗流孔。根据T2谱中各谱峰对应的位置关系，震动载荷多次冲击作用后煤样孔裂隙结构演化过程可划分为4个阶段。

（1）吸附孔激增阶段，T2谱呈现明显的双峰形态，煤样内部连通性不佳，各谱峰相互独立，吸附孔的谱面积增幅明显。初次震动载荷冲击后吸附孔谱面积相对初始状态增幅约5.0倍，煤样主要表现出煤基质的损伤，形成了大量新的吸附孔。

图五 吸附孔激增阶段煤样T2谱演化曲线

（2）孔隙稳定增长阶段，该阶段T2谱表现三峰分布形态，各谱峰仍相对独立，起初煤样内部连通性仍然较差，微裂隙尚未出现，在震动载荷多次冲击作用下，渗流孔发育，谱峰出现右移，弛豫时间增加，中孔与大孔间谱峰出现“靠拢”趋势，渗流孔连通趋势开始显现。

图六 孔隙稳定增长阶段煤样T2谱演化曲线

（3）微裂隙形成阶段，该阶段中孔向大孔、微裂隙发育，使得138～344ms内各孔径孔隙均有分布，煤样连通性得到一定的改善，中大孔谱峰出现“合并”现象，微裂隙初步成形但受震动波扰动影响较大。

图七 裂隙形成阶段煤样T2谱演化曲线

（4）裂隙连通阶段，一方面渗流孔中的中孔继续向大孔演化并逐步形成新的裂隙，另一方面煤样内在前期震动载荷作用下形成的各类孔裂隙结构持续发育、连通，渗流孔体积快速增大，渗流孔连通性显著增强，直至煤样表面出现宏观裂纹，使得峰值应力跌落。

图八 裂隙连通阶段煤样T2谱演化曲线

煤样微观损伤演化的MRI表征：

利用核磁共振仪测试分析整个煤样内部的空间水分分布信息，并将其进行二维投影，反演得到煤样的 MRI图像。由于渗流孔积聚了更多的水分，因而MRI图像中信号显著增强的区域，对应着渗流孔体积大幅增长的区域。渗流孔体积的增长，可一定程度反映出煤样的损伤变化。因此，可以利用MRI图像对煤样内的损伤区域进行分析。

对比分析多次震动载荷冲击后煤样内MRI二维 图像的变化，可直观得到煤样损伤的区域分布与发展特征。

图九 震动载荷冲击作用后煤样MRI图像

阶段Ⅰ，由于煤样较为致密，孔隙率较低，初始阶段煤样内部各区域信号响应非常微弱，如图九(a)～ (c) 所示。震动载荷冲击产生的震动波从高波阻抗的杆件传入低波阻抗的煤样，波形发生多次偏转，在此过程中煤基质产生破坏形成新的吸附孔，煤样内形成少量损伤区域，呈现点状分散分布。

阶段Ⅱ，随着震动载荷冲击次数的增加，渗流孔开始逐步增多，损伤区域信号响应增强，并出现由点状分散分布向条状集中分布的趋势，如图九(d)～(g)所示。 

阶段Ⅲ，各损伤区域内响应信号开始由点状分散分布向条状集中分布转变，如图九(h)～(l) 所示。一 方面震动波所携带的能量用于使得中孔扩展，部分中孔在扩展过程中沟通其他孔隙结构形成裂隙，另一方 面应力波传播过程中的反射、拉伸使得大孔、裂隙破裂，能量不能完全用于发育已经形成的裂隙，煤样内部裂隙连通性非稳定上升，直至第18次震动载荷冲击后，裂隙出现相互交织趋势，MRI图像出现明显的条状损伤区域。

阶段Ⅳ，各条状损伤区出现复杂的条状形态，如图13(m)～(r)所示。震动载荷冲击使得裂隙持续连通，图中原有信号聚集区域颜色愈深，范围愈广，多次震动载荷冲击持续扩展并连通煤样内部各类孔隙和裂隙，最终煤样表面出现宏观裂纹。

相关结论

1、利用霍普金森压杆 (SHPB) 试验系统开展了震动载荷多次作用下烟煤孔裂隙结构演化特征试验研究 1891 震动载荷多次冲击煤样试验，借助低场核磁共振系统测试分析了煤样孔隙分布及其变化规律，研究了震动载荷多次作用过程中煤样孔隙结构的损伤演化特征。

2、煤样在震动载荷多次作用下，随着震动载荷作用次数增加，煤样峰值应力与动态弹性模量均呈现线性下降趋势，表明震动载荷冲击效应使得煤样承载和抵抗变形能力显著弱化。

3、震动载荷多次冲击作用下，煤样从初次加载至最终出现宏观破裂，孔隙率相比原始煤样增长了6倍。在此过程中，煤样孔隙结构演化过程可分为4个阶段，分别为吸附孔激增阶段、孔隙稳定增长阶段、微裂隙 形成阶段和裂隙连通阶段。

4、结合MRI成像和孔隙分形维数结果，震动载荷多次作用使得煤样损伤区域由点状散布形态向复杂条状交织形态转变，孔隙分形维数呈现下降趋势，煤样孔隙网络连通性提高，损伤程度加重。

推荐设备

中尺寸核磁共振成像分析仪

参考文献

[1]马衍坤, 黄勤豪, 孔祥国, 等. 震动载荷多次作用下烟煤孔裂隙结构演化特征试验研究[J]. 煤炭学报, 2024,49(4)：1882-1893.