不同溫度作用后煤體單軸壓縮聲發(fā)射特征

肖旸 劉志超 陳龍剛 任帥京 趙帥 周一峰

摘 要：為研究溫度對煤體力學特性的影響規(guī)律，采用MTS?880試驗系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)對經(jīng)過不同溫度處理的煤體進行單軸壓縮全過程聲發(fā)射測試。結(jié)果表明，隨著應力的增加，經(jīng)不同溫度處理的各組煤體的累積聲發(fā)射數(shù)量也隨之增加，而經(jīng)不同溫度處理的各組煤體所積累聲發(fā)射存在明顯差異，這主要是由于溫度使得煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致。通過區(qū)別各組煤體不同時段的聲發(fā)射特征，不同溫度條件對煤體的破壞存在明顯差異，隨著溫度的升高煤體應力-應變?nèi)^程中壓密過程延長，煤體彈性模量和抗壓強度在溫度作用下先增后減，140 ℃時為最大值;而隨著溫度升高，聲發(fā)射頻率表現(xiàn)愈發(fā)離散，聲發(fā)射振鈴數(shù)與能量在80 ℃時達到最大值。實驗結(jié)果可為探究熱效應對煤體作用機理提供一定的理論依據(jù)。

關鍵詞：煤樣;溫度;應力;單軸壓縮;聲發(fā)射

中圖分類號：TD 75?文獻標志碼：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0105文章編號：1672-9315（2019）01-0028-06

Acoustic emission characteristics of coal samples after

different temperature under uniaxial compression

XIAO Yang，LIU Zhi?chao，CHEN Long?gang，

REN Shuai?jing，ZHAO Shuai，ZHOU Yi?feng

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to study the influence of temperature on coal properties，the MTS?880 test system and acoustic emission testing system were used to carry out the uniaxial compression test of coal body after different temperature treatment.The results show that with the increase of stress，the amount of cumulative acoustic emission of each coal body increases with different temperatures，and there is a significant difference in the acoustic emission from each coal body treated at different temperatures，which is mainly due to the change of the internal structure of the coal body.With the increase of temperature，the densifying process is extended during stress?strain process of coal，and the modulus of elasticity and the compressive strength of coal increase gradually，then decreases and reach the maximum at 140 ℃ under the action of temperature.With the increase of temperature，the acoustic emission frequency is more discrete，and the number and energy of acoustic emission reaches the maximum at 80 ℃.The experimental results provide theoretical basis for exploring the mechanism of thermal effect on coal.

Key words：coal specimens;temperature;stress;uniaxial compression;acoustic emission

0?引?言

由于煤炭資源持續(xù)開采，礦井深度不斷增加，深部煤體力學問題已成為煤礦開采研究的熱點問題之一[1-2]。由于煤為非均質(zhì)體，其內(nèi)部含大量雜質(zhì)且有原始裂隙分布其中[3]，煤在高溫作用后力學性能與常溫狀態(tài)下有較大不同，因此對高溫條件下煤體的力學性能進行研究對于探究熱效應對煤體作用機理有重要意義。

聲發(fā)射作為一種無損檢測煤巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的工具，能夠反映出煤巖體在應力作用全過程中的裂隙發(fā)育[4-5]。通過對煤巖體的聲發(fā)射信號的分析與研究已有大量成果發(fā)表，如李志梁等人采用聲發(fā)射技術研究了覆巖采動時裂隙發(fā)育過程中的能力釋放規(guī)律[6]。蘇承東等人從應力路徑角度研究了義馬耿村煤樣在單軸、三軸和三軸卸圍壓全過程中的聲發(fā)射特征[7]。左建平等人對巖石、煤和煤巖組合體單軸壓縮下的聲發(fā)射特征進行了對比研究[8]。張朝鵬等人從層理角度研究了煤巖體單軸壓縮下聲發(fā)射特征[9]。G.Manthei使用不同諧振頻率聲發(fā)射傳感器研究了三軸壓縮下巖體聲發(fā)射特征[10]。紀洪廣、宋義敏和曾鵬等分別研究了花崗巖、紅砂巖和粗砂巖在單軸壓縮下的聲發(fā)射特征[11-13]。這些研究大多數(shù)單純研究煤巖體在應力作用下的聲發(fā)射特征，對于應力與溫度共同作用下煤體聲發(fā)射特征的研究較少。文中通過構(gòu)建試驗將溫度條件與應力條件相結(jié)合，研究不同溫度下煤巖體單軸壓縮聲發(fā)射特征，分析其應力-應變和能量釋放規(guī)律，為探究熱效應對煤體作用機理提供一定的理論基礎。

1?煤樣特征和試驗方法

1.1?試樣特征

煤樣采自新疆焦煤集團硫磺溝煤礦2#煤層，煤種為煙煤。為盡量保持煤樣原生狀態(tài)，實驗選取從工作面煤壁上采下的完整塊煤，按照規(guī)程[14]要求沿其垂直節(jié)理方向加工成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱體煤樣，共12個。煤樣兩端不平行度小于0.05 mm，上下端直徑的偏差度小于0.02 mm，天然密度為1 452～1 671 kg/m3，平均密度為1 611 kg/m3.

1.2?試驗設備

升溫設備采用程序升溫箱，單軸壓縮試驗加載設備采用MTS?880 Material Test System，該系統(tǒng)軸向加載載荷為±250 kN，全數(shù)字計算機自動控制，采用力、行程多種控制方式，試驗過程實時顯示，試驗數(shù)據(jù)自動采集。聲發(fā)射采用北京軟道時代科技有限公司開發(fā)的DS2?16B聲發(fā)射檢測與分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集方式為多通道同步采集。

1.3?試驗方法

由于升溫系統(tǒng)與聲發(fā)射難以同步進行，因此本次實驗采用升溫，保持，冷卻，加壓方式對煤體進行不同溫度作用后的煤巖體進行單軸壓縮聲發(fā)射特征研究。具體過程為：將12個煤巖樣以3個為一組，共分為4組，并編號為1-1，1-2，1-3，2--2，2-3，3-1，3-2，3-3，4-1，4-2，4-3.其中1-3，2-3，3-1和4-1試樣在加工時出現(xiàn)損傷，稱為損傷組，以用于與正常組對比分析。一般認為煤樣熱解特征溫度有：常溫，臨界溫度80 ℃，干裂溫度140 ℃和中高溫分界點200 ℃[15-16]，因此，將煤巖樣放置在程序升溫箱內(nèi)分別進行升溫處理，即組1經(jīng)常溫、組2經(jīng)常溫至80 ℃、組3經(jīng)常溫至140 ℃和組4經(jīng)常溫至200 ℃的溫度處理，升溫速率均為2 ℃/min，并在終點溫度下恒溫保持1

h左右[17-18]。由于溫度作用，140，200 ℃組部分試樣有輕微開裂現(xiàn)象。

將4組煤樣進行單軸壓縮與聲發(fā)射同步實驗。試驗前，選用3個聲發(fā)射傳感器分別等距布置在煤巖體上中下位置，并將聲發(fā)射傳感器與煤樣接觸面涂抹硅酸酯以提高信號采集率，膠帶固定。該實驗采用位移控制方式，軸向加載速率為

0.002 mm/s，連續(xù)加載直至試樣完全破壞，系統(tǒng)自動記錄試驗全過程位移、應力及應變參數(shù)。聲發(fā)射傳感器布置及單軸壓縮與聲發(fā)射同步試驗示意圖如圖1所示。

2?試樣變形與強度特征

圖2為4組煤樣單軸壓縮試驗全程應力應變對比曲線。從圖2可知，煤體單軸壓縮應力應變?nèi)^程分為壓密、彈性、塑性和破壞4個階段。O?A段為壓密階段，線性表現(xiàn)為斜率逐漸增大的曲線，該階段試樣內(nèi)部原生裂隙在壓力作用下被壓密，試樣強度逐漸提高，相應抗變形能力增強。A?B階段為彈性階段，A?B線性特征為斜率恒定的斜線，該階段試樣內(nèi)部原生裂隙被壓密閉合后不再進一步發(fā)展，且此階段應力對試樣的影響較小，試樣在此階段強度保持不變。B?C階段為塑性階段，該階段線性特征為斜率減小的曲線，表明試樣內(nèi)部產(chǎn)生裂隙并擴展、匯合，最終貫穿導致試樣破壞，在C點達到峰值強度。C點以后即為破壞階段，主要表現(xiàn)為應力瞬間跌落，試樣完全破壞。正常組試樣曲線特征大致相同，在峰值后應力跌落迅速，破壞瞬間完成，幾乎不存在殘余強度，表現(xiàn)出脆性特征。而損傷組應力-應變曲線存在一次或多次的應力跌落現(xiàn)象，這是由于在壓縮過程中煤巖體受損之處有較大位移所致。常溫組試樣應力-應變曲線壓密階段變形不明顯，這表明煤巖體不經(jīng)過溫度處理，其密實性良好。隨著溫度升高，壓密階段越發(fā)明顯，表明溫度作用使試樣內(nèi)部裂隙增多，壓密過程延長。常溫組正常試樣應力-應變曲線吻合度較好，隨著溫度升高，曲線離散性增大，表明溫度的升高導致試樣非均質(zhì)特性更加突出，變現(xiàn)出較大的離散性。

試樣單軸壓縮試驗結(jié)果見表1.從表1可以看出，1-3，2-3，3-1，4-1數(shù)據(jù)存在較大偏差，這是由于加工后試樣出現(xiàn)裂痕，表明損傷后煤巖體在加壓狀態(tài)下更易被破壞。常溫組與80 ℃組正常試樣的峰值壓強和彈性模量基本保持不變;140 ℃組與80 ℃組試樣相比可知，140 ℃組試樣的峰值強度與彈性模量有較大提升;200 ℃組試件的兩值均為最小值。說明在一定溫度內(nèi)，溫度的升高會使煤巖體抗壓強度增加，到達一定溫度后繼續(xù)升溫會使煤巖體抗壓強度減小?？梢岳斫鉃樵谳^低溫度范圍內(nèi)，煤巖體內(nèi)部易揮發(fā)物質(zhì)如水分等，在升溫過程中逐漸揮發(fā)殆盡，試樣密實度提高進而抗壓強度提高;而在溫度繼續(xù)提高時，煤巖體發(fā)生熱解導致其結(jié)構(gòu)受損，進而使其抗壓能力大幅度降低。根據(jù)試樣峰值強度和彈性模量變化可知，本實驗中140 ℃是其峰值強度和彈性模量的突變溫度點，可以作為其熱破壞的征兆溫度點。

3?試樣聲發(fā)射特征

圖3為各組試樣單軸壓縮全過程中的同步聲發(fā)射特征檢測結(jié)果（每組各取一個）。

從圖3，圖4可以看出，各組試樣單軸壓縮變形全過程的聲發(fā)射特征有如下規(guī)律。

1）在加載初期，即試樣處于壓密階段時，聲發(fā)射波形圖出現(xiàn)些許波動，聲發(fā)射信號相對較弱，聲發(fā)射振鈴數(shù)較弱?？梢岳斫鉃樵谳^低的應力作用下，試樣內(nèi)部的某些原有裂隙開始閉合，閉合過程及閉合裂隙產(chǎn)生輕微錯動進而產(chǎn)生聲波，此時試樣內(nèi)部能量積蓄不足，聲發(fā)射能量較少，表現(xiàn)出些許波動。隨著應力的不斷增加，試樣內(nèi)部能量不斷積蓄，裂隙開始發(fā)育，新的裂隙產(chǎn)生并擴展，聲發(fā)射信號表現(xiàn)趨于活躍，振鈴數(shù)較之前有所增加，此現(xiàn)象可以作為判定試樣破壞的前兆。在應力增加至試樣極限承載能力時，試樣內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙發(fā)育完全，裂隙匯合、貫穿，導致宏觀破壞發(fā)生。此階段，裂隙之間相互作用頻繁，聲發(fā)射信號顯著增強，破壞瞬間聲發(fā)射振鈴數(shù)達到峰值;

2）常溫組和80 ℃組壓密階段聲發(fā)射信號相對較強，振鈴數(shù)和振幅信號在整個應力-應變?nèi)^程分布較為均勻。而隨著溫度升高信號均勻性變差，壓密階段和彈性階段聲發(fā)射信號減小。溫度達到200 ℃時，聲發(fā)射信號只有在塑性及破壞階段較為明顯，這說明溫度的升高導致壓密階段試樣內(nèi)部裂隙增多，壓密階段延長。

由于試樣壓縮破壞經(jīng)歷時間不同，且各試樣破壞方式有所區(qū)別，無法對其各自聲發(fā)射振鈴數(shù)、能量進行對比，現(xiàn)將其峰值數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2.

從表2可以看出，80 ℃時，振鈴數(shù)達到最大值，而能量達到最小值。這可以理解為，80 ℃時試樣內(nèi)部以物理變化為主，即溫度升高導致煤巖體內(nèi)部水分揮發(fā)和瓦斯脫附等而產(chǎn)生許多微小裂隙，表現(xiàn)為聲發(fā)射振鈴數(shù)較大，而能量分布較為分散以至于能量數(shù)值較小;隨著溫度升高，試樣內(nèi)部以化學變化為主，煤巖體氧化裂解導致試樣結(jié)構(gòu)破壞損傷加劇，表現(xiàn)為振鈴數(shù)減少，而能量增大。

4?結(jié)?論

1）在全應力-應變過程中，隨著溫度升高，其壓密過程延長，試樣峰值壓強和彈性模量在常溫至140 ℃溫度范圍內(nèi)逐漸增大，并在140 ℃達到最大值;140～200℃溫度范圍內(nèi)，試樣峰值壓強和彈性模量迅速跌落，140 ℃可作為該煤樣熱破壞的溫度征兆值;

2）聲發(fā)射頻率圖和全應力-應變圖反映試樣壓縮狀態(tài)一致，其波形密集程度可以較好反映全應力-應變過程。試樣在塑性階段前聲發(fā)射信號較弱，在塑性階段后信號明顯增強，標志試樣破壞前兆，破壞時聲發(fā)射振鈴數(shù)與能量達到最大值;

3）不同溫度下試樣壓縮時各個階段均產(chǎn)生不同程度聲發(fā)射信號，而隨著溫度升高，試樣壓密階段和彈性階段聲發(fā)射信號減弱，其波形表現(xiàn)愈發(fā)離散。聲發(fā)射振鈴數(shù)與能量在80 ℃時達到最大值，80 ℃可作為煤樣內(nèi)部物理變化向化學變化過渡的臨界值。

參考文獻（References）：

[1] 郭文兵，李小雙.深部煤巖體高溫高圍壓下力學性質(zhì)的研究現(xiàn)狀與展望[J].河南理工大學學報，2007，26（1）：16-20.GUO Wen?bing，LI Xiao?shuang.Research status of deep coal and rock mass mechanic properties under high temperature and high confining pressure[J].Journal of Henan Polytechnic University，2007，26（1）：16-20.

[2]何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（16）：2803-2813.HE Man?chao，XIE He?ping，PENG Su?ping，et al.Study on rock mechanics in deep mining engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（16）：2803-2813.

[3]郝憲杰，袁?亮，盧志國，等.考慮煤體非線性彈性力學行為的彈塑性本構(gòu)模型[J].煤炭學報，2017，42（4）：896-901.HAO Xian?jie，YUAN Liang，LU Zhi?guo，et al.An elastic?plastic?soften constitutive model of coal considering its nonlinear elastic mechanical behavior[J].Journal of China Coal Society，2017，42（4）：896-901.

[4]R.Vidya Sagar，B.K.Raghu Prasad.A review of recent development in parametric based acoustic emission techniques applied to concrete structures[J].Nondestructive Testing & Evaluation，2012，27（1）：47-68.

[5]Kim J S，Lee K S，Cho W J，et al.A comparative evaluation of stress?strain and acoustic emission methods for quantitative damage assessments of brittle rock[J].Rock Mechanics & Rock Engineering，2015，48（2）：495-508.

[6]李志梁，李樹剛，林海飛，等.基于聲發(fā)射特征的覆巖采動裂隙演化規(guī)律研究[J].西安科技大學學報，2017，37（2）：159-163.LI Zhi?liang，LI Shu?gang，LIN Hai?fei，et al.Study of the dynamic evolution rules of mining fracture based on acoustic emission technique[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2017，37（2）：159-163.

[7]蘇承東，高保彬，南?華，等.不同應力路徑下煤樣變形破壞過程聲發(fā)射特征的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（4）：757-766.SU Cheng?dong，GAO Bao?bin，NAN Hua，et al.Experimental study on acoustic emission characteristics during deformation and failure processes of coal samples under different stress paths[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（4）：757-766.

[8]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.ZUO Jian?ping，PEI Jian?liang，LIU Jian?feng，et al.Investigation on acoustic mission behavior and its time?space evolution mechanism in failure process of coal?rock combined body[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（8）：1564-1570.

[9]張朝鵬，張?茹，張澤天，等.單軸受壓煤巖聲發(fā)射特征的層理效應試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（4）：770-778.ZHANG Zhao?peng，ZHANG Ru，ZHANG Ze?tian，et al.Experimental research on effects of bedding plane on coal acoustic emission under uniaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，34（4）：770-778.

[10]

Manthei G.Characterization of acoustic emission sources in a rock salt specimen under triaxial compression[J].Bulletin of the Seismological Society of America，2005，95（5）：1674-1700.

[11]紀洪廣，盧?翔.常規(guī)三軸壓縮下花崗巖聲發(fā)射特征及其主破裂前兆信息研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（4）：694-702.JI Hong?guang，LU Xiang.Characteristics of acoustic emission and rock fracture precursors of granite under conventional triaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，34（4）：694-702.

[12]宋義敏，邢同振，趙同彬，等.巖石單軸壓縮變形場演化的聲發(fā)射特征研究[J].巖石力學與工程學報，2017，36（3）：534-542.SONG Yi?min，XING Tong?zhen，ZHAO Tong?bin，et al.Acoustic emission characteristics of deformation field development of rock under uniaxial loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36（3）：534-542.

[13]曾?鵬，劉陽軍，紀洪廣，等.單軸壓縮下粗砂巖臨界破壞的多頻段聲發(fā)射耦合判據(jù)和前兆識別特征[J].巖土工程學報，2017，39（3）：509-517.ZENG Peng，LIU Yang?jun，JI Hong?guang，et al.Coupling criteria and precursor identification characteristics of multi?band acoustic emission of gritstone fracture under uniaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，39（3）：509-517.

[14]鄭?虹，馮夏庭，陳祖煜.巖石力學室內(nèi)試驗ISRM建議方法的標準化和數(shù)字化[J].巖石力學與工程學報，2010，29（12）：2456-2468.ZHENG Hong，F(xiàn)ENG Xia?ting，CHEN Zu?yu.Standardization and digitization for ISRM suggested methods of rock mechanics laboratory tests[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（12）：2456-2468.

[15]肖?旸，王振平，馬?礪，等.煤自燃指標氣體與特征溫度的對應關系研究[J].煤炭科學技術，2008，36（6）：47-51.XIAO Yang，WANG Zhen?ping，MA Li，et al.Research on correspondence relationship between coal spontaneous combustion index gas and feature temperature[J].Coal Science and Technology，2008，36（6）：47-51.

[16]朱紅青，郭艾東，屈麗娜.煤熱動力學參數(shù)、特征溫度與揮發(fā)分關系的試驗研究[J].中國安全科學學報，2012，22（3）：55-60.ZHU Hong?qing，GUO Ai?dong，QU Li?na.Experimental Study on the relationship among the coal kinetics parameters characteristic temperatures and volatile[J].China Safety Science Journal，2012，22（3）：55-60.

[17]于艷梅，胡耀青，梁衛(wèi)國，等.瘦煤熱破裂規(guī)律顯微CT試驗[J].煤炭學報，2010（10）：1696-1700.YU Yan?mei，HU Yao?qing，LIANG Wei?guo，et al.Micro?CT experimental research of lean coal thermal cracking laws[J].Journal of China Coal Society，2010（10）：1696-1700.

[18]左建平，謝和平，周宏偉，等.不同溫度作用下砂巖熱開裂的實驗研究[J].地球物理學報，2007，50（4）：1150-1155.ZUO Jian?ping，XIE He?ping，ZHOU Hong?wei，et al.Experimental research on thermal cracking of sandstone under different temperature[J].Chinese Journal of Geophysics，2007，50（4）：1150-1155.