組合煤巖力學(xué)性質(zhì)與聲-電荷信號(hào)關(guān)系研究*

肖曉春，樊玉峰，吳　迪,丁　鑫，王　磊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0　引言

深部開采已成為煤炭工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，轉(zhuǎn)入深部開采后，由于人工擾動(dòng)使得原巖應(yīng)力重分布，巖體應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，煤巖動(dòng)力災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，其不可預(yù)測性嚴(yán)重制約著煤礦安全生產(chǎn)。現(xiàn)有研究結(jié)果表明沖擊地壓是頂板和煤體組成的力學(xué)系統(tǒng)非穩(wěn)定變形失穩(wěn)誘發(fā)的災(zāi)難性工程災(zāi)害。以整個(gè)巖煤系統(tǒng)為研究對(duì)象，明確頂板、煤層受載變化過程能量演化規(guī)律及其表現(xiàn)形式，厘清“頂板-煤體”系統(tǒng)失穩(wěn)災(zāi)變力學(xué)機(jī)制，探究伴隨其受載破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射及電荷產(chǎn)生機(jī)制，掌握其變化規(guī)律并提出基于聲發(fā)射-電荷信號(hào)的煤體失穩(wěn)災(zāi)變判定方法，對(duì)于預(yù)測和防治深部礦井沖擊地壓災(zāi)害具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

國內(nèi)外學(xué)者在組合煤巖和聲-電信號(hào)特征方面已進(jìn)行了大量基礎(chǔ)的研究，劉少虹等[1-2]分析了動(dòng)靜加載下組合煤巖的應(yīng)力波傳播機(jī)制和能量耗散；張小濤等[3]就煤層厚度與硬度對(duì)沖擊礦壓的影響做了數(shù)值模擬；趙毅鑫等[4]從聲發(fā)射的角度考慮了煤巖組合體破壞前兆的規(guī)律；代君偉等[5]通過實(shí)驗(yàn)分析了組合煤巖頂板煤樣高度比與沖擊傾向性的關(guān)系；陳光波等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究得到了組合巖體動(dòng)力破壞能量積聚規(guī)律；陸菜平等[7]進(jìn)行了組合煤巖沖擊傾向性演化及聲電效應(yīng)的試驗(yàn)研究；肖曉春等[8-9]通過實(shí)驗(yàn)研究了組合煤巖破裂聲發(fā)射特性、電荷特征和沖擊傾向性之間的關(guān)系；潘一山等[10-14]開展了煤巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)與不同溫度下電荷感應(yīng)實(shí)驗(yàn)；李忠輝等[15]研究了煤巖在單軸壓縮、拉伸、三點(diǎn)彎曲等不同破壞方式下的表面電位特征和規(guī)律；邱兆云等[16]探究了圍壓和孔隙壓變化對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響；賈炳等[17]進(jìn)行煤巖多次加載實(shí)驗(yàn)得到聲發(fā)射信號(hào)滯后的規(guī)律。

前人已經(jīng)對(duì)組合煤巖力學(xué)行為與聲發(fā)射、電荷信號(hào)變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，但綜合分析組合煤巖破裂與聲-電荷信號(hào)變化規(guī)律的研究工作開展甚少，本文以前人研究成果為基礎(chǔ)，采用物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式開展組合煤巖單軸壓縮試驗(yàn)，得到了受頂板巖石性質(zhì)、巖煤高度比影響的組合煤巖破裂過程中的聲-電荷信號(hào)變化規(guī)律，為預(yù)測煤與沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害原理、方法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

為研究頂板巖石高度對(duì)組合煤巖力學(xué)性質(zhì)和聲發(fā)射-電荷信號(hào)的影響，選取新邱礦區(qū)煤樣與砂巖制成直徑50 mm，高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)組合試樣。

1.1　試樣制備

將鑿取的煤、巖試塊密封裝箱后運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室，利用煤巖切割機(jī)將其切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在磨平機(jī)上將加工好的巖、煤試塊按平整度不超過0.2 mm的標(biāo)準(zhǔn)磨平，用粘合劑黏結(jié)固化，巖煤組合體總高度為100 mm，其中巖石高度為30，40和50 mm，相應(yīng)的煤高度為70，60和50 mm，方便起見后文記為巖煤高度比0.42，0.67和1。如圖1所示。

圖1　組合煤巖試樣實(shí)物Fig.1　Physical diagram of coal rock combinations samples

1.2　試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)主要利用MTS巖石力學(xué)測試系統(tǒng)控制和記錄載荷、位移等力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)機(jī)最大靜荷載2 000 kN，荷載精度0.5%，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采集聲發(fā)射信號(hào)，采樣頻率1 000 kHz，門檻值40 db，電荷信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，裝置實(shí)物和試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

1.3　試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用位移加載的加載方式，加載速率0.01 mm/s，對(duì)制備的煤樣，巖樣和組合試樣開展單軸壓縮聲發(fā)射-電荷信號(hào)監(jiān)測試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1　試驗(yàn)方案

圖2　試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2　Test system diagram

2　組合煤巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

2.1　組合煤巖各亞層力學(xué)性質(zhì)

為探究組合試樣性質(zhì)受各亞層性質(zhì)影響，分別分析各亞層的力學(xué)性質(zhì)，在純巖試樣和純煤試樣的單軸壓縮試驗(yàn)中得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及破壞后試樣如圖3所示。

圖3　純巖試樣與純煤試樣以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Stress-strain curves of pure rock sample and pure coal sample

從圖3各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可見砂巖和新邱煤試樣的力學(xué)性質(zhì)具有明顯差異性，新邱煤受載時(shí)更易發(fā)生變形，其彈性模量和強(qiáng)度都遠(yuǎn)低于砂巖，砂巖儲(chǔ)存的彈性能要遠(yuǎn)多于新邱煤，峰后應(yīng)力殘余階段巖石應(yīng)力跌落速度較煤更快；砂巖破壞呈劈裂狀，而煤的破壞為均勻的小塊，這是由于煤本身存在空隙和裂隙，強(qiáng)度較低，并且破壞的更均勻。表2為砂巖試樣和新邱煤試樣強(qiáng)度和彈性模量的均值，二者性質(zhì)差值較大。

表2　組合試樣各亞層力學(xué)參數(shù)均值

2.2　巖石高度影響的組合煤巖力學(xué)性質(zhì)

選擇1組巖煤高度比分別為0.42，0.67，1的砂巖-新邱煤組合試樣(A1，B1，C1)與純巖石、純煤繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4(a)所示，得到不同巖煤高度比條件下的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 (b)～(c)所示。

同時(shí)進(jìn)行2組RFPA數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，參數(shù)如表3所示。

表3　RFPA主要參數(shù)

圖4　不同巖煤高度比下組合試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線與數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4　Stress strain curves and numerical experimental results of composite specimens with different height ratios of rock to coal

圖4(a)為不同巖煤高度比下應(yīng)力-應(yīng)變曲線，巖石的強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)大于組合試樣和純煤的強(qiáng)度，純煤試樣的強(qiáng)度最低，組合試樣的強(qiáng)度介于兩者之間并且更接近純煤試樣，隨著巖石高度增加，組合試樣的強(qiáng)度，彈性模量和壓密極限均隨之增加。從曲線上來看，純煤、純巖石和組合試樣均包含4個(gè)階段：壓密，彈性，強(qiáng)化和峰后應(yīng)力殘余階段，理論上受載時(shí)各亞層也經(jīng)過這4個(gè)階段，但在組合試樣中煤屬于軟弱層，巖石和煤體受載時(shí)，煤的變形大于巖石的變形，在巖石還處于彈性階段時(shí)煤層就已經(jīng)達(dá)到強(qiáng)度峰值并發(fā)生破壞；巖石高度增加，煤高度減少，所含孔隙和裂隙減少，受到尺寸效應(yīng)的影響煤的強(qiáng)度提升，整體的強(qiáng)度也隨之提升；巖石所占比例增加，組合試樣的均勻程度提高，性質(zhì)更接近巖石的性質(zhì)，峰后應(yīng)力軟化情況減少，脆性特征顯著，彈性模量也提高，且壓密極限提高，這表明巖石高度的增加對(duì)于組合試樣整體的抗壓能力有一定提高作用。而圖4(b)～(c)為利用RFPA數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)隨著巖煤高度比的增加，強(qiáng)度不斷提高，斜率即彈性模量也隨之增大，從數(shù)值計(jì)算方面印證了物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。如圖5為試驗(yàn)測得純巖、純煤和組合試樣的強(qiáng)度和彈性模量變化趨勢(shì)，其表明了砂巖-新邱煤組合試樣的強(qiáng)度和彈性模量隨巖石高度增加而有增加的趨勢(shì)。

圖5　強(qiáng)度-彈性模量隨巖石高度變化趨勢(shì)Fig.5　Change trend of strength-elastic modulus with the thickness of the roof

2.3　巖石高度影響的組合煤巖聲-電荷信號(hào)

信號(hào)作為檢測試樣受載過程中應(yīng)力狀態(tài)變化的工具，其反映破壞的程度，故取前文所取試樣試驗(yàn)過程中監(jiān)測到的聲發(fā)射-電荷信號(hào)，繪制不同組合方式的組合煤巖應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系與聲發(fā)射能量、電荷信號(hào)關(guān)系圖像如圖6所示。探究巖煤高度比改變對(duì)信號(hào)的影響情況。

圖6　聲發(fā)射-電荷信號(hào)與應(yīng)力關(guān)系Fig. 6　Acoustic emission-charge signal versus stress image

圖6為不同組合方式的組合煤巖試驗(yàn)過程中監(jiān)測到的聲發(fā)射-電荷信號(hào)與應(yīng)力之間關(guān)系，從整體來看聲發(fā)射信號(hào)是不斷產(chǎn)生的，電荷信號(hào)只在應(yīng)力突降處，并且電荷信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間總是要略微落后于聲發(fā)射信號(hào)，這是由于聲發(fā)射信號(hào)主要監(jiān)測煤體破壞釋放的應(yīng)力波，電荷信號(hào)主要是破壞后裂紋尖端擴(kuò)展造成的電荷分離，煤體在破裂時(shí)先釋放應(yīng)力波，然后電荷分離并監(jiān)測到電荷信號(hào)，所以電荷信號(hào)要發(fā)生滯后。在壓密階段聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生是不穩(wěn)定的，是由于煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在的空隙和裂紋不完全一樣，壓密階段由于空隙閉合而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)多少不同，但此階段幾乎不存在裂紋的擴(kuò)展，電荷信號(hào)幾乎沒有；在彈性階段，裂紋不斷萌生，因此圖6(a)～(c)三者在彈性階段均有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，裂紋擴(kuò)展或應(yīng)力突降處則出現(xiàn)電荷信號(hào)；在應(yīng)力峰值和峰后破壞處，煤發(fā)生失穩(wěn)破壞，組合試樣達(dá)到應(yīng)力峰值，承載面突然破壞，裂紋迅速擴(kuò)展，不斷有大量電荷分離和應(yīng)力波釋放從而產(chǎn)生大量信號(hào)；不同組合方式的組合試樣在峰后產(chǎn)生的聲-電荷信號(hào)都是連續(xù)密集的。

對(duì)比圖6(a)～(c)可以得到巖石高度對(duì)聲發(fā)射-電荷信號(hào)的影響情況：巖石高度增加，彈性階段聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間提前，聲發(fā)射能量高值提高，峰后電荷信號(hào)密集度增加。隨著巖煤高度比的增加，煤層部分含量減少，其包含的空隙和隨機(jī)裂紋減少，壓密階段變短，圖6(a)～(c)進(jìn)入彈性階段的時(shí)間分別為220，150和130 s，而在彈性階段產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間依次為225，175和135 s左右，隨巖石高度增加裂紋擴(kuò)展時(shí)間提前，根據(jù)脆性材料斷裂準(zhǔn)則可知，裂紋產(chǎn)生后就更易破壞，因此可以從彈性階段出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間推測煤巖內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，估計(jì)破壞時(shí)間，峰后的聲發(fā)射能量高值的變化反映了破壞的劇烈程度；電荷信號(hào)的產(chǎn)生意味著破壞的發(fā)生，隨著巖石高度的增加，峰后電荷信號(hào)的密集程度也不斷增加，這表征了巖煤高度比大的組合煤巖在峰后破壞是不斷進(jìn)行的，破壞是更徹底的。將試驗(yàn)所測峰后聲發(fā)射能量累積量、電荷累積量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的能量釋放情況相結(jié)合，得到三者之間擬合關(guān)系，如圖7所示。

圖7　聲發(fā)射能量、電荷累積量與能量釋放關(guān)系Fig. 7　Acoustic emission energy-charge accumulation and energy release relationship

如圖7為峰后聲發(fā)射能量累積量與應(yīng)力-應(yīng)變曲線中能量釋放量之間的關(guān)系，從中可以發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射能量、電荷累積量與能量釋放量呈正相關(guān)，聲發(fā)射能量可以反映應(yīng)力波釋放速度，電荷量反映能量釋放情況。將前文所選試樣的試驗(yàn)結(jié)果和檢測到的信號(hào)量化分析得到峰后聲發(fā)射能量變化率和峰后電荷變化率與沖擊傾向性指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4　組合試樣沖擊指標(biāo)與聲發(fā)射-電荷信號(hào)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表4為試驗(yàn)的量化結(jié)果，A，B，C為砂巖組合試樣，巖煤高度比從上至下依次為1，0.67和0.42，從中可以清楚發(fā)現(xiàn)砂巖-新邱煤組合試樣的沖擊傾向性依次降低，其對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射-電荷信號(hào)與巖石性質(zhì)和巖石高度具有如下關(guān)系：巖石高度越大，沖擊傾向性越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的峰后聲發(fā)射能量變化率越快，峰后電荷量變化率越快。聲發(fā)射能量變化率反映了彈性波釋放速度，電荷量可作為煤巖釋放能量的量度[17]，這2個(gè)物理量都可以反應(yīng)在峰值處以及峰后應(yīng)力殘余階段組合煤巖應(yīng)力狀態(tài)變化快慢和破壞的猛烈程度，強(qiáng)沖擊組合煤巖破壞時(shí)峰后聲發(fā)射能量變化率和電荷變化率為0.336和204.88 pC·s-1，是中等沖擊組合煤巖破壞時(shí)聲-電荷變化率的10倍左右，因此綜合考慮聲發(fā)射-電荷信號(hào)的變化情況可以在一定程度上反演不同沖擊傾向性的組合試樣應(yīng)力狀態(tài)并為判定動(dòng)力失穩(wěn)破壞提供依據(jù)。

3　結(jié)論

1)不同組合方式組合試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，彈性模量均高于純煤并低于純巖石，組合試樣的沖擊傾向性，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、壓密極限和峰后聲發(fā)射能量釋放量均隨巖石高度增加而提高，脆性特征也隨之增強(qiáng)。

2)聲-電荷信號(hào)與組合試樣的應(yīng)力狀態(tài)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，組合試樣內(nèi)部的缺陷，孔隙閉合以及裂紋擴(kuò)展情況均可以通過聲-電荷信號(hào)反映，彈性階段聲發(fā)射信號(hào)隨巖石高度提高而提前產(chǎn)生，聲發(fā)射能量累積量和電荷累積量與巖石高度呈正相關(guān)，沖擊傾向性強(qiáng)的試樣峰后聲發(fā)射能量變化率和電荷變化率大。

3)聲發(fā)射能量反映應(yīng)力波的釋放速度和能量釋放速度，電荷信號(hào)可以反映裂紋擴(kuò)展速度，高沖擊傾向的組合煤巖破壞時(shí)的聲-電荷信號(hào)變化率是中等沖擊試樣的10倍，綜合考慮聲發(fā)射信號(hào)和電荷信號(hào)可以反演煤巖組合體的應(yīng)力狀態(tài)并為煤巖破壞提供判據(jù)。

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