單軸壓縮下沖擊傾向性煤樣聲發(fā)射特性的實驗研究

楊 磊，毛德兵

(1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害日趨嚴重。沖擊地壓是煤巖體失穩(wěn)破壞的宏觀表現(xiàn)，煤巖體失穩(wěn)破壞過程中伴隨著彈性能、聲能、電磁能等多種能量信號的釋放，其中聲發(fā)射是一種常用的研究煤巖破壞特性的指標［1］。

早在20世紀30年代，美國學者Obert和Duvall就應(yīng)用聲發(fā)射檢測技術(shù)來確定巖石受壓后的破裂位置［2］。隨后國內(nèi)外學者對煤巖破壞過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象進行了大量的研究，李庶林等［3］對單軸受壓巖石破壞全過程進行了聲發(fā)射試驗，分析了巖石破壞過程中的力學特性和聲發(fā)射特征;王恩元等［4］對單軸壓縮煤體破裂過程中聲發(fā)射的頻譜特征進行了研究，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程密切相關(guān);楊永杰等［5］對單軸壓縮條件下煤樣的聲發(fā)射特征進行了研究，得出了預(yù)測煤樣破裂時間的指標;左建平等［6］對煤巖組合體破壞過程的聲發(fā)射行為進行了研究，并獲得了聲發(fā)射三維空間分布規(guī)律。

目前，將聲發(fā)射與沖擊傾向性相聯(lián)系的研究相對較少，寧超等［7］研究了單軸壓縮下沖擊煤巖的聲發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)了沖擊煤巖屈服階段聲發(fā)射參數(shù)的平靜現(xiàn)象;趙毅鑫等［8］對沖擊傾向性煤體破壞過程中的聲熱效應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)沖擊傾向性煤體的失穩(wěn)破壞更突然、更難于預(yù)測。因此，本文將沖擊傾向性煤樣與無沖擊傾向性煤樣破壞時的聲發(fā)射特征進行對比分析，重點研究沖擊煤樣破壞時的聲發(fā)射特征，探索沖擊煤樣失穩(wěn)破壞的前兆信息，這對沖擊地壓和煤巖體失穩(wěn)破壞的預(yù)測預(yù)報研究具有十分重要的意義。

1 試驗煤樣及試驗方法

1.1 煤樣的選取與制備

試驗所用沖擊煤樣取自新疆某礦井，無沖擊煤樣取自內(nèi)蒙古東部的褐煤，試驗前對其沖擊傾向性再次進行鑒定，均符合要求。為盡可能保持煤樣原有狀態(tài)，從回采工作面煤壁選取比較完整的大煤塊，按照規(guī)程的要求，沿垂直層理方向加工成φ50mm×100mm的圓柱體煤樣，煤樣兩端不平行度小于0.05mm。為盡可能降低試驗結(jié)果的離散性，試驗所用的同一類煤樣均取自同一大煤塊，共做了40個煤樣。

1.2 試驗設(shè)備

試驗加載設(shè)備采用德國WPM巖石力學試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大軸向加載載荷為1000kN。聲發(fā)射裝置采用美國物理聲學公司 (Physical Acoustic Corporation)生產(chǎn)的PCI－2全數(shù)字化聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)，采樣率設(shè)為1MHz。采用雙通道同時采集數(shù)據(jù)，在煤樣中部兩側(cè)對稱布置2個聲發(fā)射傳感器，傳感器與煤樣表面之間用凡士林耦合，并用膠帶固定。

1.3 測試方法

每次試驗前，在傳感器附近進行斷鉛試驗，以確保傳感器與試樣耦合良好，并對實驗室的機械噪音進行測定，經(jīng)過反復測試，最終將門檻值設(shè)定為45dB。試驗時，采用軸向位移加載控制方式，并保持加載過程與聲發(fā)射監(jiān)測同步。

2 試驗結(jié)果與分析

沖擊傾向性受到時間和能量的雙重影響，本文從能夠同時反映時間和能量效應(yīng)的聲發(fā)射能率角度來研究單軸壓縮破壞過程中沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射特征，探索沖擊傾向性煤樣失穩(wěn)破壞的前兆信息。

2.1 沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率特征

圖1為2個典型沖擊傾向性煤樣聲發(fā)射能率與應(yīng)力－時間的關(guān)系曲線。

圖1 沖擊傾向性煤樣應(yīng)力、聲發(fā)射能率與時間關(guān)系曲線

從圖1中可以看出，沖擊傾向性煤樣從初始加載至峰值應(yīng)力90%左右的過程中，聲發(fā)射能率一直保持非常低的水平，表明煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，承載能力較強，當應(yīng)力達到峰值應(yīng)力的90%左右時，聲發(fā)射能率出現(xiàn)明顯的突增，之后隨著載荷的繼續(xù)增加，聲發(fā)射能率呈臺階式增長，增長過程中聲發(fā)射能率出現(xiàn)突增－平緩－突增現(xiàn)象，表明煤樣內(nèi)部經(jīng)歷著裂紋擴展、積累能量、裂紋進一步擴展，峰值應(yīng)力時，聲發(fā)射能率達到最大值，且高出上一個能率峰值很多，之后迅速降低到最小值。

圖2為無沖擊傾向性煤樣聲發(fā)射能率與應(yīng)力－時間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在初始加載階段，無沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率也一直保持非常低的水平，偶爾出現(xiàn)稍高的聲發(fā)射能率，當加載到峰值應(yīng)力的50%左右時，聲發(fā)射能率開始明顯增加，之后隨著載荷的繼續(xù)增加，聲發(fā)射能率也呈臺階式增長，峰值應(yīng)力時，聲發(fā)射能率達到最大值，這一階段與沖擊傾向性煤樣類似，峰值應(yīng)力過后，聲發(fā)射能率并不是直接降為零，而是臺階式地逐漸降到最小值。

圖2 無沖擊傾向性煤樣應(yīng)力、聲發(fā)射能率與時間關(guān)系曲線

對圖1、圖2進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，沖擊傾向性煤樣與無沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率有較大差別:沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率活躍點在峰值應(yīng)力的90%左右，此時能率開始出現(xiàn)小幅度的突增現(xiàn)象，表明煤樣開始緩慢釋放能量，在峰值應(yīng)力處，能率曲線迅速達到峰值隨后降到最小值，表明此時煤樣釋放出非常高的能量;而無沖擊傾向性煤樣的能率活躍點在峰值應(yīng)力的50%左右，峰值應(yīng)力處，釋放較高能量，之后仍緩慢釋放能量;在峰值應(yīng)力處，沖擊傾向性煤樣釋放的聲發(fā)射能率高達21000，而無沖擊傾向性煤樣釋放的能率剛接近3000，由此可見，沖擊傾向性煤樣充分展示了瞬間釋放高能量的特征。

2.2 沖擊煤樣聲發(fā)射b值的動態(tài)特征

b值是介質(zhì)控制所積累的能量的釋放能力［10］。在巖石力學領(lǐng)域，可以把巖石破壞過程中的聲發(fā)射事件當作地震活動，用聲發(fā)射b值來研究巖石破壞的前兆特征。

假設(shè)AE事件的相對震級M正比于AE振幅A，把AE頻度的對數(shù) (lg N)與M的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為lg N與振幅A的線性關(guān)系，然后計算出b值。

本文采用最小二乘法進行b值計算。在b值計算過程中，M按2dB分檔，取256s內(nèi)的AE事件為一組數(shù)據(jù)，按128s進行時間滑動取樣計算，得出b值隨時間的動態(tài)變化曲線。線性最小二乘法的b值由下式給出:

式中，m為震級分檔總數(shù);Mi為第i檔震級中數(shù);Ni為第i檔震級的AE事件數(shù)。

圖3為2個沖擊傾向性煤樣b值的動態(tài)變化曲線。

圖3 沖擊煤樣聲發(fā)射b值動態(tài)變化曲線

對比2個煤樣的b值動態(tài)變化曲線可以得出，2個煤樣的b值動態(tài)曲線在很大程度上具有相似的變化規(guī)律，在進入彈性階段后，2個煤樣的聲發(fā)射b值基本上是呈線性增長，說明煤樣內(nèi)部裂隙開始不斷擴展，低能量的AE事件所占比例較多;當加載應(yīng)力達到峰值應(yīng)力的80%左右時，兩煤樣的聲發(fā)射b值均較平緩地下降，說明此時高能量的AE事件所占比例開始增加，較大尺度的破裂開始出現(xiàn);隨后聲發(fā)射b值快速下降，說明高能量的AE事件顯著增加，破裂開始擴展貫通，意味著煤樣即將失穩(wěn)破壞，因此將聲發(fā)射b值的“平緩下降期”作為判定沖擊傾向性煤樣破壞的前兆信息更具有實際意義。

3 結(jié)論

(1)本文選取能夠同時反映時間和能量效應(yīng)的聲發(fā)射能率參數(shù)作為研究對象，發(fā)現(xiàn)沖擊傾向性煤樣和無沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率活躍點分別為峰值應(yīng)力的90%和50%，且聲發(fā)射能率的變化特征很好地詮釋了沖擊傾向性的本質(zhì)。

(2)聲發(fā)射b值的變化反映了煤樣內(nèi)部不同能量事件所占的比例，其平緩下降的特征可以作為沖擊傾向性煤樣失穩(wěn)破壞的前兆信息。因此，研究聲發(fā)射能率和b值的動態(tài)變化特征有利于預(yù)測沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生，提高預(yù)報的準確率。

［1］王恩元，何學秋，李忠輝，等.煤巖電磁輻射技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:科學出版社，2009.

［2］OBERT L，DUVALL W I.Use of sub audible noises for prediction of rockbursts II—report of investigation［R］.Denver:U.S.Bureau of Mines，1941.

［3］李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等.單軸受壓巖石破壞全過程聲發(fā)射特征研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(15):2499－2503.

［4］王恩元，何學秋，劉貞堂，等.煤體破裂聲發(fā)射的頻譜特征研究 ［J］.煤炭學報，2004，29(3):289－292.

［5］楊永杰，陳紹杰，韓國棟.煤樣壓縮破壞過程的聲發(fā)射試驗［J］.煤炭學報，2006，31(5):362－365.

［6］左建平，裴建良，劉建鋒，等.煤巖體破裂過程中聲發(fā)射行為及時空演化機制 ［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(8):1564－1570.

［7］寧 超，余 鋒，景麗崗.單軸壓縮條件下沖擊煤巖聲發(fā)射特性實驗研究［J］.煤礦開采，2011，16(1):97－100.

［8］趙毅鑫，姜耀東，韓志茹.沖擊傾向性煤體破壞過程聲熱效應(yīng)的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(5):965－971.

［9］李元輝，劉建坡，趙興東，等.巖石破裂過程中的聲發(fā)射b值及分形特征研究 ［J］.巖土力學，2009，30(9):2559－2563，2574.

［10］趙得秀.地震探源與地震預(yù)報［M］.西安:西北工業(yè)大學出版社，2007.