單軸壓縮條件下沖擊煤巖聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究

寧 超,余 鋒,景麗崗

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南焦作 454000;2.江西省煤礦設(shè)計(jì)院,江西南昌 330029)

單軸壓縮條件下沖擊煤巖聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究

寧 超1,余 鋒2,景麗崗1

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南焦作 454000;2.江西省煤礦設(shè)計(jì)院,江西南昌 330029)

為了更深入地了解具有沖擊傾向性煤體聲發(fā)射特性,利用 RMT150B試驗(yàn)機(jī)對(duì)沖擊煤體在單軸壓縮條件下全過(guò)程聲發(fā)射特性進(jìn)行研究,得出煤巖體破壞時(shí)應(yīng)力、聲發(fā)射特性參數(shù)之間隨時(shí)間的變化曲線,并將整個(gè)過(guò)程分為 5個(gè)階段。研究發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射參數(shù)在試樣屈服階段出現(xiàn)了“平靜期”,標(biāo)志煤樣破壞前兆。通過(guò)比較不同彈性模量試樣的聲發(fā)射特性,發(fā)現(xiàn)隨著彈性模量的增加,聲發(fā)射特性的平均水平越高。煤巖在加、卸載時(shí),當(dāng)加載至彈性階段時(shí)卸載,煤樣在壓密階段的聲發(fā)射信號(hào)比相對(duì)應(yīng)的卸載階段明顯要強(qiáng),而在彈性階段聲發(fā)射基本相同。當(dāng)加載至屈服階段時(shí)卸載,聲發(fā)射在整個(gè)加載階段都要比卸載時(shí)強(qiáng),且越接近臨界載荷卸載越明顯。

單軸壓縮;沖擊傾向性;聲發(fā)射;加卸載

煤巖是一種具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均勻介質(zhì),在外載荷的作用下,煤內(nèi)部的微裂隙成核、擴(kuò)展以及相互之間的作用決定了煤巖的宏觀變形、破裂特性。煤巖從變形致破壞可以看作是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程,由變形、損傷直至發(fā)展到宏觀破壞,在這個(gè)過(guò)程中,以彈性波的形式釋放應(yīng)變能叫做聲發(fā)射。研究表明,聲發(fā)射信號(hào)特征可以推斷出受力巖石內(nèi)部性態(tài)的變化,從而可以反演出巖石的破壞機(jī)制。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤巖的聲發(fā)射特性做了一些研究,S.Masahiro等[1]通過(guò)對(duì)單軸壓縮煤樣的定位研究,指出聲發(fā)射源沿裂隙呈條帶分布;F.Satoshi等[2]對(duì)聲發(fā)射測(cè)試煤層壓力分布時(shí),對(duì)鉆孔直徑與聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系做了定量的研究;V.L.Shkuratnik[3]等研究了不同加載方式下煤巖受力破壞的聲發(fā)射特性。國(guó)內(nèi)曹樹剛等[4]對(duì)突出煤體變形破壞做了綜合分析,指出振鈴計(jì)數(shù)比更為準(zhǔn)確地反應(yīng)煤體變形破壞的聲發(fā)射;劉?？h等[5]對(duì)重塑煤樣單軸壓縮變形損傷及聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究,將聲發(fā)射特性分為 4個(gè)階段;王恩元等[6]對(duì)單軸壓縮煤體破裂過(guò)程中聲發(fā)射的頻譜特征進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)煤體聲發(fā)射的頻譜特征變化與煤體變形破裂過(guò)程密切相關(guān);竇林名等[7]對(duì)煤巖體變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射和電磁輻射的規(guī)律進(jìn)行分析研究,提出煤巖沖擊破壞的彈塑脆性模型;李庶林等[8]對(duì) 3種不同巖石單軸受壓巖石破壞全過(guò)程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行研究,得到了巖石破壞全過(guò)程力學(xué)特征和聲發(fā)射特征;徐濤等[9]應(yīng)用 RFPA巖石力學(xué)數(shù)值模擬軟件對(duì)孔隙壓力作用下煤巖的變形強(qiáng)度特性進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究。從上面的研究來(lái)看,對(duì)具有沖擊傾向性煤體聲發(fā)射特性研究很少,為此本文將對(duì)具有沖擊傾向性煤體單軸壓縮全過(guò)程的聲發(fā)射特性進(jìn)行分析,研究煤樣分別在加載到彈性和屈服階段卸載時(shí)聲發(fā)射特性,同時(shí)比較彈性模量對(duì)聲發(fā)射特性影響。

1 試樣的采集及實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)的煤樣采自平煤集團(tuán)八礦,為盡可能保持煤樣原有的狀態(tài),煤樣從工作面煤壁上選取比較完整大煤塊,煤樣按照規(guī)程的要求,沿垂直層理方向加工成直徑為 50mm,長(zhǎng)度為 100mm的圓柱體,煤樣兩端不平行度小于 0.05。

試驗(yàn)加載設(shè)備采用 RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)最大軸向加載載荷 1000kN,全數(shù)字計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制,采用位移控制方式,試驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)顯示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。聲發(fā)射測(cè)試采用北京科海恒生科技有限公司生產(chǎn)的 CDAE-1聲發(fā)射檢測(cè)與分析系統(tǒng),采樣頻率為 1.5MHz,門檻值為48。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)將聲發(fā)射傳感器耦合在試件上,為保證耦合效果,在探頭與試件接觸部位涂上一層黃油,再用膠布把探頭固定。為了減少斷面影響,將聲發(fā)射探頭放在試樣的中部。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

2.1 煤樣的沖擊傾向性

按照中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T174-2000《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)定方法》煤樣在 RMT-150B巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行沖擊傾向性實(shí)驗(yàn),得到八礦丁組、戊組煤樣的聲發(fā)射特性沖擊傾向指標(biāo),如表 1。

表1 八礦丁5-6與戊9-10煤層沖擊傾向性指標(biāo)

從表中可以看出丁5-6煤層為中等偏強(qiáng)沖擊傾向性煤層,而戊9-10煤層為中等沖擊傾向性煤層。

2.2 單軸壓縮條件下煤樣聲發(fā)射特性分析

反映聲發(fā)射特性的參數(shù)有多個(gè),本文采用聲發(fā)射計(jì)數(shù)率 (CNT)、聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)率 (簡(jiǎn)稱能率,ENE)、聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)及累計(jì)能量計(jì)數(shù)來(lái)分析煤樣壓縮過(guò)程中的聲發(fā)射特性。聲發(fā)射率為單位時(shí)間內(nèi)所觀測(cè)到的振鈴計(jì)數(shù),也稱振鈴計(jì)數(shù)率,聲發(fā)射率反映了聲發(fā)射發(fā)生的頻度,同時(shí)在一定程度上反映了聲發(fā)射信號(hào)的幅度,因而涉及聲發(fā)射能量;聲發(fā)射能率是指單位時(shí)間內(nèi)所觀測(cè)的全部事件的發(fā)射能的總和,與所觀測(cè)到的事件所在波形的幅度值的平方成正比,反映了聲發(fā)射的強(qiáng)弱。煤樣單軸壓縮破壞過(guò)程的聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果如圖 2,以丁5-6煤層編號(hào)A41試樣為例。

圖2 煤樣應(yīng)力、聲發(fā)射與時(shí)間關(guān)系

從圖 2看出,聲發(fā)射隨應(yīng)力變化可分為 5個(gè)階段,即壓密階段、彈性階段、塑性破壞階段、破壞后階段和殘余應(yīng)力階段。在壓密階段,煤巖的聲發(fā)射水平較弱,聲發(fā)射計(jì)數(shù)及能量都處于較低水平,累計(jì)計(jì)數(shù)及累計(jì)能量也較低,進(jìn)入彈性階段,聲發(fā)射水平有所增強(qiáng),在彈性階段的后期,聲發(fā)射水平增加較快,在該階段,斷續(xù)有些峰值,說(shuō)明煤巖是脆性破壞,其內(nèi)部有微小的破壞;當(dāng)單軸壓縮進(jìn)入彈塑性破壞階段,聲發(fā)射水平迅速增大,應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力的 85%～95%時(shí),聲發(fā)射能量及計(jì)數(shù)反而降低,進(jìn)入相對(duì)平靜期,這是因?yàn)槌跏剂鸭y形成之后,裂紋并不是隨著應(yīng)力或應(yīng)變的增加直接擴(kuò)展,而是需要吸收一部分能量,當(dāng)能量積蓄到一定程度時(shí)才進(jìn)行擴(kuò)展,即煤樣發(fā)生小破裂后,在下一個(gè)破裂前,其內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)尋求新的平衡,新的平衡之后裂紋才會(huì)擴(kuò)展,該時(shí)刻可以作為沖擊礦壓發(fā)生的前兆信息,在實(shí)踐中具有重要意義。在達(dá)到極限荷載時(shí),聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量達(dá)到最大值,在該階段累計(jì)計(jì)數(shù)和能量曲線曲率明顯增大,說(shuō)明在該階段增長(zhǎng)速度很快,煤巖在破壞后,并沒(méi)有完全喪失其強(qiáng)度,聲發(fā)射能量及計(jì)數(shù)仍有較大峰值,但累計(jì)計(jì)數(shù)和能量增長(zhǎng)放緩,主要是因?yàn)橹髌茐暮?繼續(xù)加載,發(fā)生地段破壞,在殘余應(yīng)力階段,聲發(fā)射水平很弱,累計(jì)計(jì)數(shù)和累計(jì)能量很難看出有增長(zhǎng)。

2.3 彈性模量對(duì)聲發(fā)射特性的影響

彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo),是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。本次試驗(yàn)比較八礦丁5-6和戊9-10煤體單軸壓縮條件下不同彈性模量聲發(fā)射平均計(jì)數(shù)和平均能量指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)時(shí),各組實(shí)驗(yàn)加載速度相同,結(jié)果如圖 3。

圖3 彈性模量與聲發(fā)射平均水平關(guān)系

從圖 3中可以看出,隨著彈性模量的增大,聲發(fā)射計(jì)數(shù)及能量的平均值相對(duì)也較高,這是因?yàn)閺椥阅Ａ看?抵抗變形能力就越強(qiáng),煤體破壞前吸收的能量就越高,破壞過(guò)程產(chǎn)生彈性應(yīng)力波就越強(qiáng),今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這方面定量的研究,為地音預(yù)測(cè)沖擊礦壓提供定量依據(jù)。

2.4 加卸載對(duì)煤聲發(fā)射的影響

2.4.1 加載至彈性階段卸載

將荷載加載至煤樣強(qiáng)度極限的 60%左右,保證沒(méi)有進(jìn)入屈服階段,加卸載過(guò)程應(yīng)力及聲發(fā)射水平如圖 4所示,在 143.8s時(shí)卸載,可以看出,聲發(fā)射在加載初期和相對(duì)應(yīng)的卸載末期差距較大,加載初期由于煤樣的原始裂隙的壓密,聲發(fā)射能量及計(jì)數(shù)都較高,而卸載末期聲發(fā)射水平較低,是由于這部分壓密部分為初始損傷,不能恢復(fù)原樣造成的。在彈性階段,加、卸載聲發(fā)射能量及計(jì)數(shù)并沒(méi)有明顯的差異,從圖 4中可以看出加載階段的總計(jì)數(shù)及總能量比卸載過(guò)程稍高,這是因?yàn)槊簶邮欠蔷|(zhì)性體,在壓密階段就有細(xì)微的損傷,這與煤樣卸載時(shí)卸載曲線不能和加載曲線重合相對(duì)應(yīng)。

圖4 加載至彈性階段聲發(fā)射特性參數(shù)隨時(shí)間變化

2.4.2 加載至屈服時(shí)卸載

將荷載加載到煤樣強(qiáng)度的屈服階段 (可以通過(guò)曲線的曲率來(lái)目測(cè)),然后卸載,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加、卸載速率相同,其聲發(fā)射時(shí)間累計(jì)效應(yīng)如圖5。在 98s時(shí)開始卸載,可以看出,剛開始卸載時(shí)聲發(fā)射能量及計(jì)數(shù)較大,并形成第 1個(gè)峰值,隨著載荷的不斷卸除,聲發(fā)射水平越來(lái)越低。在加載過(guò)程中,無(wú)論是相對(duì)應(yīng)瞬時(shí)計(jì)數(shù)還是總計(jì)數(shù)都明顯比卸載過(guò)程中要高,能量也具有相同的結(jié)果,這是因?yàn)槊簶釉诩虞d階段的損傷總是大于在卸載階段的損傷。本次試驗(yàn)加載過(guò)程總計(jì)數(shù)及能量大概是卸載過(guò)程 2倍左右,作者認(rèn)為,在一定極限范圍內(nèi),加載越接近強(qiáng)度極限,這個(gè)比值應(yīng)該越大。

圖5 加載至屈服極限聲發(fā)射特性參數(shù)隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

(1)通過(guò)煤樣的沖擊傾向性實(shí)驗(yàn),得出八礦丁5-6煤具有中等偏強(qiáng)沖擊危險(xiǎn),戊9-10煤為中等沖擊危險(xiǎn)。

(2)研究了沖擊煤巖單軸壓縮破壞時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射隨時(shí)間的累積效應(yīng),得出聲發(fā)射在整個(gè)破壞過(guò)程隨著應(yīng)力變化分為 5個(gè)階段,即壓密階段、彈性階段、屈服破壞階段、峰后階段和殘余變形階段。在屈服階段出現(xiàn)聲發(fā)射的 “平靜期”,可以為沖擊礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供依據(jù),具有重要的工程意義。

(3)比較不同彈性模量下煤體的聲發(fā)射平均能量及平均計(jì)數(shù),研究表明隨著彈性模量的增加,聲發(fā)射平均計(jì)數(shù)及平均能量也增加的結(jié)論。

(4)沖擊傾向性煤巖在加載至彈性階段時(shí)卸載,加卸載時(shí)聲發(fā)射特性在彈性階段基本相同,在壓密階段加載時(shí)聲發(fā)射比相對(duì)應(yīng)的卸載時(shí)高得多,加載過(guò)程聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)和累計(jì)能量比卸載時(shí)要稍高。加載至屈服階段時(shí)卸載,加載時(shí)聲發(fā)射無(wú)論是瞬時(shí)計(jì)數(shù)還是累計(jì)計(jì)數(shù)都明顯比卸載過(guò)程要高,能量也具有相同的結(jié)果。

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[責(zé)任編輯：李宏艷 ]

Experimental Research on Acoustic Emissions Characteristic of Coal and Rock with Bursting Liability under Uniaxial Compression

NING Chao1,YU Feng2,J INGLi-gang1
(1.Resources&Environment School,Henan University of Science&Technology,Jiaozuo 454000,China;2.Coal Mine Design Institute of Jiangxi Province,Nanchang 330029,China)

In order to understand acoustic emissions characteristic of coal and rock with bursting liability more deeply,RMT150B tester applied to researching acoustic emissions characteristic of coal with bursting liability under uniaxial compression,the paper obtained variation curve of stress and acoustic emissions parameter with ti me when coal failed.The whole procedure was divided into 5 phrases.Results showed that acoustic emissions parameter was stable at yield phrase which indicated portent of coal sample.With the elastic module larger,average level of acoustic emission was higher.When coal sample was firstly loaded into elastic phrase and then it was unloaded,acoustic emissions signals in compaction phrase were stronger than that in unloading phrase and basically same with that in elastic phrase.When it was firstly loaded into yield phrase and then was unloaded,acoustic emissions signals during the whole loading phrase were stronger than that in unloading phrase,and the nearer to the critical load,the signals stronger.

uniaxial compression;rock-burst liability;acoustic emissions;loading and unloading

TD315

A

1006-6225(2011)01-0097-04

2010-07-19

寧 超 (1955-),男,河南孟津人,副教授,長(zhǎng)期從事煤礦地質(zhì)教學(xué)及科研工作。