三軸壓縮下含瓦斯煤樣破壞過程的聲發(fā)射特性

肖福坤， 樊慧強， 劉 剛， 孟祥廩

(1.黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室(黑龍江科技學院)，哈爾濱 150027;2.吉林省金力實驗技術(shù)有限公司，長春 130012)

0 引言

礦井事故發(fā)生的原因是多方面的，其中含瓦斯煤體失穩(wěn)破壞尤為重要，例如工作面傾倒、煤與瓦斯突出和煤壁片幫等。煤與瓦斯突出是最為嚴重的災害之一。煤與瓦斯發(fā)生綜合假說認為，煤體的物理力學性質(zhì)、瓦斯壓力和地應力共同作用的結(jié)果導致煤與瓦斯突出，也就是說，含瓦斯煤巖失穩(wěn)破壞是煤與瓦斯突出災害發(fā)生的前提條件之一[1－2]。因此，預測煤與瓦斯突出的關(guān)鍵問題是研究含瓦斯煤體失穩(wěn)破壞。在災害預測研究中，聲發(fā)射成為一種非常有效的方法，被國內(nèi)外學者所關(guān)注[3]。劉保縣等[4]研究了單軸壓縮下煤巖變形損傷及聲發(fā)射特性;楊永杰等[5－6]開展了對突出煤體變形破壞聲發(fā)射特征的綜合分析以及煤樣單軸壓縮破壞過程中的聲發(fā)射研究;王恩元等[7]對煤樣進行了單軸壓縮煤體破裂過程中聲發(fā)射的頻譜特征研究;竇林名等[8]對煤巖沖擊破壞模型及聲電前兆規(guī)律進行了分析;秦虎等[9]實驗研究不同含水率煤巖受壓變形破壞全過程聲發(fā)射特征。學者們的研究增強了人們對煤巖聲發(fā)射特性的認識，促進了聲發(fā)射的應用與發(fā)展[10]。目前，含瓦斯煤在三軸作用下失穩(wěn)破壞過程中的聲發(fā)射研究報道不多。因此，筆者研究含瓦斯煤的聲發(fā)射特性，探究含瓦斯煤失穩(wěn)破壞與聲發(fā)射的關(guān)系。

1 實驗設(shè)備及方案

1.1 實驗設(shè)備

含瓦斯煤的聲發(fā)射實驗以加壓成型的煤樣為研究對象，實驗煤樣取自具有突出危險傾向且發(fā)生過嚴重煤與瓦斯突出事故的煤層。實驗采用TAW－2000KN微機控制電液伺服巖石三軸實驗系統(tǒng)和美國物理聲學公司生產(chǎn)的SH－2型聲發(fā)射測試系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch of test system

實驗過程中，煤樣裂紋擴展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號由SH－2聲發(fā)射檢測系統(tǒng)實時記錄，并顯示聲發(fā)射的測定數(shù)據(jù)曲線;煤樣所受的軸壓、圍壓與變形由TAW－2000KN微機控制電液伺服巖石三軸實驗系統(tǒng)單獨自動施加并實時記錄數(shù)據(jù)，顯示測定的曲線。實驗環(huán)境噪聲的標定結(jié)果顯示對聲發(fā)射實驗無影響。

1.2 實驗方案

標準煤樣高 h100 mm，直徑 φ50 mm，高徑比1∶2。甲烷氣體純度99.99%。應力控制加載，加載速率為0.2 kN/min，為確保實驗過程中的同步采集，三軸實驗系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)的采樣間隔均設(shè)定為50 μs，實驗時將聲發(fā)射探頭耦合在圍壓室伸縮桿上，由于實驗時試樣與墊鐵、壓頭和伸縮桿構(gòu)成一個整體，所以不考慮信號在傳輸中的衰減問題。為確保接收信號效果，在探頭與伸縮桿接觸部位涂上耦合劑，再用膠布將探頭固定。煤樣在破壞過程中釋放能量較低且對實驗噪聲進行標定，故聲發(fā)射系統(tǒng)門檻值設(shè)定為40 dB。為模擬礦井實際情況，圍壓(σ3)、瓦斯壓力(p)初始值分別設(shè)置為2和0.5 MPa。煤樣的基本信息見表1。表1中A研究瓦斯壓力與聲發(fā)射之間的關(guān)系，B研究圍壓與聲發(fā)射之間的關(guān)系，C研究常規(guī)三軸與聲發(fā)射之間的關(guān)系。

表1 實驗基本信息Table 1 Test basic information

2 煤樣破壞聲發(fā)射特性實驗

2.1 飽和瓦斯煤樣破壞過程聲發(fā)射

當煤樣處于井下環(huán)境時，往往含瓦斯氣體，瓦斯是以吸附態(tài)、游離態(tài)兩種形態(tài)存在于煤體內(nèi)[11]。煤體內(nèi)的瓦斯主要以壓力形式作用在煤樣的空隙和裂隙中，從而影響它的物理力學性質(zhì)和破壞。因此，對含瓦斯煤樣破壞過程聲發(fā)射特性進行研究，建立聲發(fā)射與含瓦斯煤樣破壞的關(guān)系，對預測含瓦斯煤樣破壞具有重要意義。為使煤樣充分吸收瓦斯，試件裝好后持續(xù)通瓦斯24 h。實驗結(jié)果見圖2。圖2中瓦斯壓力為0，圍壓為2.0 MPa。

圖2 煤樣在飽和瓦斯狀態(tài)下破壞過程聲發(fā)射特性Fig.2 Characteristics of AE coal samples in saturated gas state failure process

圖2a是含飽和瓦斯煤樣破壞過程AE事件幅值(A)情況。在破壞前含飽和瓦斯煤樣幅值比較均一，且大部分在40～60 dB之間波動，反應出含瓦斯煤樣變形脆性破壞較少?？傮w趨勢是隨著壓力的增大而增加，前期出現(xiàn)大振幅主要原因是空隙、裂紋擴展所致。從110 s之后，大振幅時間明顯增加，標志著試件即將走向破壞。

圖2b為含飽和瓦斯煤樣AE事件能量(E)變化情況。隨著應力的增加，在屈服階段前期，AE事件能量一直保持著穩(wěn)定增長;從屈服階段到峰值階段過程中，AE事件能量最大，此時即為斷裂點。

圖2c是含瓦斯煤樣的聲發(fā)射事件撞擊數(shù)(n)累計情況。含瓦斯煤樣聲發(fā)射事件撞擊累計數(shù)在屈服階段前期穩(wěn)定增長;從屈服階段到峰值階段過程中，聲發(fā)射事件撞擊數(shù)突然快速增長，證明裂紋擴展劇烈，并且開始貫通，最終達到宏觀斷裂。

2.2 含瓦斯煤樣破壞過程聲發(fā)射特性的圍壓效應

圍壓對含瓦斯煤樣破壞過程起著非常重要的作用，如對強度、彈性模量和泊松比等物理參數(shù)的影響。因此，含瓦斯煤樣的破壞過程圍壓必將對聲發(fā)射產(chǎn)生影響。對瓦斯壓力為1 MPa，圍壓分別為2、4、6 MPa的含瓦斯煤的聲發(fā)射特性進行實驗研究，結(jié)果見圖3。

圖3a、d、g是瓦斯壓力為1 MPa，圍壓分別為2、4、6 MPa下含瓦斯煤樣加載破壞過程聲發(fā)射事件幅值變化情況。在含瓦斯煤樣破壞的整個過程中，聲發(fā)射事件幅值基本保持在40～80 dB之間，隨著圍壓的增大，聲發(fā)射事件大幅值逐漸減少。主要原因是隨著圍壓的增大，橫向阻礙變形的應力增加，使得裂紋的擴展更加困難，能量釋放較小，導致以上結(jié)果。

圖3b、e、h是相同瓦斯壓力，不同圍壓下含瓦斯煤樣加載破壞過程中的聲發(fā)射事件能量變化特征。含瓦斯煤樣聲發(fā)射事件能量曲線比較復雜，但總體上呈上升趨勢。隨著圍壓的增大，含瓦斯煤樣的聲發(fā)射事件能量呈下降趨勢，原因是由于圍壓的增加，使得煤樣變形減緩所致。

圖3c、f、i是相同瓦斯壓力，不同圍壓下含瓦斯煤樣加載破壞過程中的聲發(fā)射事件撞擊累計。在各個階段均有撞擊發(fā)生，破裂前期突然增多。但隨著圍壓的增加，聲發(fā)射事件撞擊的總數(shù)在逐漸減少。這是由于圍壓增大時，導致含瓦斯煤樣軸向上的變形受到的約束增大，因而發(fā)生大變形更加緩慢，導致聲發(fā)射事件撞擊總數(shù)明顯減少。

圖4為圍壓與煤樣破壞過程聲發(fā)射事件總數(shù)的關(guān)系曲線。由圖4可知，圍壓增加相同幅度時，雖然含瓦斯煤樣軸向上受到的約束基本相同，但產(chǎn)生的聲發(fā)射事件撞擊減少的幅度卻相差很多。

圖3 含瓦斯煤在不同圍壓下的AE特性Fig.3 Characteristics of AE coal containing gas different confining pressures

圖4 圍壓與煤樣破壞過程聲發(fā)射撞擊總數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relation of confining pressure with sum of AE events in failure process of coal sample contained gas

2.3 瓦斯壓力對含瓦斯煤樣破壞過程聲發(fā)射特性影響

煤樣內(nèi)瓦斯壓力的改變將導致煤體內(nèi)瓦斯吸附態(tài)和游離態(tài)的改變，最終導致煤樣的力學性質(zhì)發(fā)生變化，使煤樣的整個破壞過程受到影響。由此可知，改變瓦斯的壓力，必將導致含瓦斯煤樣破壞過程中的聲發(fā)射特性改變。對圍壓為2 MPa，瓦斯壓力分別為0.5、1.0、1.5 MPa三個等級含瓦斯煤樣的聲發(fā)射特性進行實驗，結(jié)果如圖5所示。

圖5a、d、g是圍壓保持2 MPa不變，瓦斯壓力分別為0.5、1.0、1.5 MPa下含瓦斯煤樣破壞過程AE事件幅值特征。含瓦斯煤樣破壞過程中大振幅事件較少而小振幅事件較多，且煤樣整個破壞過程中均出現(xiàn)。當瓦斯壓力增加時，AE事件幅值呈現(xiàn)減小的趨勢，這是由于煤樣內(nèi)的瓦斯壓力在空隙內(nèi)以有效力方式減少外部應力的作用所致。在高瓦斯壓力下，小幅值事件出現(xiàn)減少的趨勢，主要原因可能是在高瓦斯力作用下，產(chǎn)生同樣的形變所需的力較小，煤樣內(nèi)的裂紋擴展和孔隙壓縮在較小力作用下就完成了，導致在應力作用后期小振幅聲發(fā)射事件減少。

圖5b、e、h是圍壓保持2 MPa不變，瓦斯壓力分別為0.5、1.0、1.5 MPa下含瓦斯煤樣破壞過程AE事件能量特征。含瓦斯煤樣破壞過程中的瓦斯壓力與AE能量關(guān)系明顯，當瓦斯壓力不斷增大時，AE事件能量的平均值有所降低，主要原因可能是在瓦斯壓力下，煤樣已經(jīng)有了初始損傷，空隙內(nèi)存在瓦斯壓力，使試件破壞緩慢，導致聲發(fā)射能量明顯降低。

圖5 煤樣在不同瓦斯壓力下破壞過程中的AE特性Fig.5 Characteristics of AE on coal sample in failure process under different gas pressure

圖5c、f、i為圍壓保持2 MPa不變，瓦斯壓力分別為0.5、1.0、1.5 MPa下含瓦斯煤樣破壞過程AE事件撞擊累計。含瓦斯煤樣破壞過程中的瓦斯壓力與AE事件撞擊總數(shù)關(guān)系明顯，當瓦斯壓力不斷增大時，含瓦斯煤樣破壞過程中的AE事件撞擊總數(shù)逐漸降低，主要原因可能是瓦斯壓力存在于煤樣的孔隙、裂隙中，最終形成一個與載荷作用相反的力，作用在煤樣上的力比實際的要小，導致煤樣發(fā)生緩慢的小變形。

3 結(jié)論

含瓦斯煤樣的聲發(fā)射特性實驗研究表明:

(1)AE事件的幅值在破壞前期比較均一，在煤樣破壞時聲發(fā)射事件的幅值迅速增大;含有瓦斯后煤樣的聲發(fā)射事件撞擊數(shù)在屈服階段前期增長比較平緩，沒有特別的密集區(qū)、稀疏區(qū)出現(xiàn)，在屈服階段之后，AE事件撞擊數(shù)迅速增長;雖然整個實驗過程中能量變化幅度較小，但聲發(fā)射事件的平均能量逐漸增加。

(2)隨著圍壓的增加，AE事件的幅值呈現(xiàn)減小趨勢;AE事件的能量雖然變化復雜，但整個過程基本呈現(xiàn)上升趨勢;隨著圍壓的增加煤樣破壞過程中的聲發(fā)射事件總數(shù)呈減少趨勢，AE事件總數(shù)與圍壓的關(guān)系可用二次曲線較好的表征。

(3)隨著瓦斯壓力的不斷增加，煤樣破壞過程中的聲發(fā)射大幅值和小幅值事件均減少，聲發(fā)射事件平均能量降低，聲發(fā)射事件撞擊總數(shù)減少，

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