含水煤巖單軸壓縮微震信號特征試驗(yàn)研究*

劉玉春，趙揚(yáng)鋒，張　超，程傳杰

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤層底板突水是威脅礦井安全生產(chǎn)的重大問題。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，煤礦生產(chǎn)與建設(shè)過程中的裝備、工藝、技術(shù)都有了極大的提高，但煤礦突水事故卻頻繁發(fā)生，隨著礦井水文地質(zhì)條件的復(fù)雜化，突水事故還會越來越嚴(yán)重。煤礦底板突水由于其發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，前兆信息難以捕捉，因此預(yù)測非常困難，雖提出了許多預(yù)測方法，但目前的預(yù)測準(zhǔn)確率仍達(dá)不到令人滿意的程度。

微震技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新的預(yù)測方法，對于微震技術(shù)的研究有著非常廣闊的應(yīng)用前景：如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、煤層底板突水等。微震的本質(zhì)是煤巖體彈性波的釋放，是材料內(nèi)部由于應(yīng)力應(yīng)變的瞬間變化而釋放的彈性應(yīng)變能，其與材料內(nèi)部的微小裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及閉合有關(guān)。利用微震技術(shù)預(yù)測煤層底板突水的關(guān)鍵在于了解含水煤巖在壓力作用下的微震信號特征規(guī)律, 并且得出能夠準(zhǔn)確反應(yīng)煤層底板突水過程中的危險程度。

對巖石的微震實(shí)驗(yàn)[1-3]研究，大多是以礦山現(xiàn)場微震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對巖石破裂微震信號進(jìn)行研究。許曉陽等[4]研究了混凝土、原煤試樣在單軸壓縮加載破壞過程中微震信號的頻譜特征并進(jìn)行對比；楊永杰[5]對煤巖強(qiáng)度、變形及微震特征進(jìn)行較系統(tǒng)地分析研究；王曉南等[6]研究由頂板-煤體-底板所構(gòu)成的煤巖組合體變形破裂聲發(fā)射和微震的規(guī)律，得到不同組合試樣在受載破壞過程中的聲發(fā)射和微震信號；李成武等[7]通過所搭建的大型振動試驗(yàn)裝置和微震監(jiān)測系統(tǒng)，探究不同激勵加速度和頻率條件下整體煤巖試件的振動破壞特性；朱權(quán)潔等[8]利用大型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和高靈敏微震監(jiān)測系統(tǒng)，開展瓦斯突出全過程監(jiān)測試驗(yàn)，有效收集了從突出孕育到發(fā)生完成全過程的微震動響應(yīng)事件；唐書恒等[9]進(jìn)行了飽和含水煤巖單軸壓縮破裂實(shí)驗(yàn)以及聲發(fā)射測試；于巖斌等[10]利用MTS電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對煤巖試件進(jìn)行了飽水與自然2種狀態(tài)下的單軸壓縮與拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與自然狀態(tài)煤樣相比，飽水煤樣單軸抗壓強(qiáng)度降低了26.71%，彈性模量降低26.85%，軸向應(yīng)變增大，普氏系數(shù)與泊松比均有所降低；秦虎等[11]進(jìn)行不同含水率煤樣在常規(guī)單軸壓縮下的聲發(fā)射特征試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含水率的不同使煤樣的強(qiáng)度和聲發(fā)射特征產(chǎn)生明顯差異，隨著含水率的增加，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小；羅浩等[12]研究含水煤體失穩(wěn)破壞過程中電荷感應(yīng)規(guī)律；趙揚(yáng)鋒等[13]建立了巖石變形破裂過程多參量綜合監(jiān)測系統(tǒng)，包括微震、電荷感應(yīng)、自電位和聲發(fā)射等監(jiān)測手段，研究了花崗巖和大理巖在不同加載速率下變形破裂過程多參量變化規(guī)律。

綜上所述，雖然許多學(xué)者對巖石變形破裂過程的微震信號變化規(guī)律進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，不斷增強(qiáng)了人們對煤巖微震信號特性的認(rèn)識，但是對含水煤巖變形破壞過程中微震信號特征方面的研究涉及較少。因此本文采用自制的煤巖微震監(jiān)測系統(tǒng)，對干燥煤巖和含水煤巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，觀測煤巖變形破壞過程的微震信號變化規(guī)律，研究成果對煤層底板突水微震監(jiān)測具有重要的實(shí)際意義。

1　實(shí)驗(yàn)研究

1.1　試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)所用試樣為煤巖，均取自阜新當(dāng)?shù)孛旱V，切割獲得尺寸為φ50 mm×100 mm的試樣，將兩端磨平 (端面的平行度控制在±0.1 mm以內(nèi))，處于自然干燥狀態(tài)。選取煤巖巖樣12塊分成2組，一組6個，煤樣不做任何改變，保持自然干燥狀態(tài)；另一組6個，煤樣浸泡于水中置放48 h，進(jìn)行飽水處理，從而制成試驗(yàn)所需的飽和含水與干燥煤樣。

1.2　試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)包括加載和載荷-位移記錄系統(tǒng)，微震信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。微震信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自行研制的多通道數(shù)據(jù)采集器，采樣頻率最高100 kHz/Ch，實(shí)驗(yàn)時采樣頻率設(shè)為12.5 kHz/Ch。實(shí)驗(yàn)時該試驗(yàn)系統(tǒng)可同步采集載荷、位移、微震信號，其中微震信號3通道。微震傳感器選擇1個PS-10B(垂向)與2個PSH-10B (水平向)速度傳感器組裝成3分向傳感器，該傳感器對于頻率在10 Hz至1.4 kHz內(nèi)的振動信號能夠平坦響應(yīng)。微震傳感器的前端放大器增益為32倍，經(jīng)過標(biāo)定微震傳感器靈敏度為22.7±5% V/m/s，可測的振動速度范圍為±2.1×10-7～6.883×10-3m/s，該傳感器用耦合劑粘貼于試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)臺上。本文對干燥煤巖和飽水煤巖進(jìn)行了加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s的微震監(jiān)測試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　不同加載速度下煤單軸壓縮全過程微震信號變化特征

圖1～3分別是加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s時煤樣單軸壓縮全過程的時間應(yīng)力曲線和時間微震信號關(guān)系曲線。

由圖1～3可知：干燥煤巖在加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s時的峰值強(qiáng)度分別為4.689 MPa，6.037 MPa，11.2 MPa，隨著加載速度的增大煤巖的峰值強(qiáng)度也增大，峰值前變形幾乎是線彈性的，隨著加載速度的增大峰值強(qiáng)度前后的應(yīng)變比和時間比都增大，隨著加載速度的增大煤巖應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后更容易發(fā)生破壞。煤巖變形破裂過程可分為壓實(shí)階段、線彈性變形階段和破裂發(fā)展階段。在壓實(shí)階段，煤體中含有大量的孔隙和裂隙發(fā)生閉合，引起輕微的微震信號，信號幅值都在0.5×10-3m/s以下；在線彈性變形階段，由于煤體的變形及破裂是不連續(xù)的，是陣發(fā)性的，接收到的微震信號也是不連續(xù)的、陣發(fā)性的，微震信號幅值可達(dá)2×10-3m/s；在破裂發(fā)展階段，煤體中產(chǎn)生大量的微裂紋并匯合、貫通，形成大的裂隙，直至煤體破壞，在此階段接收到的微震信號最強(qiáng)，微震事件數(shù)也最多，微震信號幅值達(dá)到6×10-3m/s。在煤巖應(yīng)力達(dá)到煤巖峰值強(qiáng)度前煤巖體都會產(chǎn)生振幅很大的微震信號，幅值可達(dá)6×10-3m/s，當(dāng)加載速度為0.2 kN/s時，煤巖應(yīng)力在209.5 s達(dá)到峰值強(qiáng)度，在208.64 s產(chǎn)生微震信號，且信號幅值達(dá)到6×10-3m/s(見圖1)；當(dāng)加載速度為0.4 kN/s時，煤巖應(yīng)力在268.5 s達(dá)到峰值強(qiáng)度，在260.32 s產(chǎn)生微震信號，且信號幅值達(dá)到6×10-3m/s(見圖2)；當(dāng)加載速度為0.6 kN/s時，煤巖應(yīng)力在161.7 s達(dá)到峰值強(qiáng)度，在158.47 s產(chǎn)生微震信號，且信號幅值達(dá)到6×10-3m/s(見圖3)。隨著加載速度的增大，煤體產(chǎn)生微震信號事件數(shù)也顯著增多，大振幅的微震信號也增多。

圖1　加載速率為0.2 kN/s時煤的微震信號、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.1　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.2 kN/s

圖2　加載速率為0.4 kN/s時煤的微震信號、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.2　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.4 kN/s

圖3　加載速率為0.6 kN/s時煤的微震信號、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.3　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.6 kN/s

2.2　不同加載速度下飽和含水煤巖單軸壓縮全過程微震信號變化特征

圖4～6分別是加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s時飽和含水煤樣單軸壓縮全過程的時間應(yīng)力曲線和時間微震信號關(guān)系曲線。

圖4　加載速率為0.2 kN/s時飽和含水煤的微震信號、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.4　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for moisture-containing coal at the rate of 0.2 kN/s

圖5　加載速率為0.4 kN/s時飽和含水煤的微震信號、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.5　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for moisture-containing coal at the rate of 0.4 kN/s

圖6　加載速率為0.6 kN/s時飽和含水煤的微震信號、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.6　Relationship curves among microseismic signals, stressand time for moisture-containing coal at the rate of 0.6 kN/s

由圖4～6可知：飽和含水煤巖在加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s時的峰值強(qiáng)度分別為2.985 MPa，5.264 MPa，4.916 MPa，隨著加載速度的增大煤巖的峰值強(qiáng)度也增大，與干燥煤巖相比峰值強(qiáng)度降低，在峰值強(qiáng)度后發(fā)生失穩(wěn)破壞的時間也較長，煤巖含水后降低了煤巖的沖擊傾向性。飽和含水煤巖變形破裂過程可分為壓實(shí)階段、線彈性變形階段和破裂發(fā)展階段，與干燥煤巖變形破裂過程大致相同，在壓實(shí)階段，微震事件數(shù)和信號幅值都較少，隨著應(yīng)力的增大，微震事件數(shù)和信號幅值都增大，在破裂發(fā)展階段，微震事件數(shù)和信號幅值迅速增大，大幅值的微震事件顯著增多。在相同加載速度下，飽和含水煤巖的峰值強(qiáng)度降低，微震信號事件數(shù)和信號幅值也降低。飽和含水煤巖在變形破裂過程中在應(yīng)力降時有較大的微震信號，這是由于在應(yīng)力降發(fā)生時，煤體形成大的裂隙，釋放出較大能量，因此產(chǎn)生大振幅的微震信號。當(dāng)加載速度為0.2 kN/s時，煤巖應(yīng)力在299.7 s達(dá)到峰值強(qiáng)度，而在335.46 s產(chǎn)生較大微震信號，信號幅值達(dá)到2×10-3m/s(見圖4)，在煤樣破壞前產(chǎn)生的微震事件數(shù)較小，且信號幅值也不大，僅達(dá)到2～2.5×10-3m/s；當(dāng)加載速度為0.4 kN/s時，煤巖應(yīng)力在132.6 s達(dá)到峰值強(qiáng)度，在85.32 s產(chǎn)生微震信號，且信號幅值達(dá)到5.2×10-3m/s(見圖5)；當(dāng)加載速度為0.6 kN/s時，煤巖應(yīng)力在55.4 s達(dá)到峰值強(qiáng)度，在44.8 s產(chǎn)生微震信號，且信號幅值達(dá)到5.3×10-3m/s(見圖6)。飽和含水煤巖隨著加載速度的增大，煤體產(chǎn)生微震信號事件數(shù)也顯著增多，大振幅的微震信號也增多。

4　結(jié)論

1)自然干燥煤巖和飽和含水煤巖隨著加載速度的增大煤巖的峰值強(qiáng)度也增大，與自然干燥煤巖相比，飽和含水煤巖的峰值強(qiáng)度得到降低，飽和含水煤巖沖擊傾向性也降低，微震信號事件數(shù)和信號強(qiáng)度也降低。

2)自然干燥煤巖和飽和含水煤巖隨著加載速度的增大，煤體產(chǎn)生微震信號事件數(shù)也顯著增多，大振幅的微震信號事件也增多，出現(xiàn)應(yīng)力降也即煤巖形成較大裂隙時產(chǎn)生強(qiáng)度較大的微震信號。

3)自然干燥煤巖和飽和含水煤巖變形破裂過程可分為壓實(shí)階段、線彈性變形階段和破裂發(fā)展階段。在每個階段都有微震信號產(chǎn)生，但在破裂發(fā)展階段，微震事件數(shù)和信號幅值最大。飽和含水煤巖塑性較強(qiáng)，破裂發(fā)展階段也較明顯，在表觀線彈性階段微震信號事件數(shù)和信號強(qiáng)度都很低，進(jìn)入破裂發(fā)展階段，微震信號事件數(shù)和信號強(qiáng)度迅速增加。

4)對利用微震技術(shù)進(jìn)行煤層底板突水預(yù)測具有一定的參考價值。通過研究不同加載速度下自然干燥和飽和含水煤巖的微震特性，有助于掌握煤層底板突水的信息特征，為災(zāi)害預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

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