聲發(fā)射技術(shù)在研究煤層解吸破壞過程中的應(yīng)用

崔波 邵芳 金志遠(yuǎn)

摘 ?要：文章是在假設(shè)瓦斯解吸過程會(huì)導(dǎo)致煤層動(dòng)力失穩(wěn)的基礎(chǔ)上通過聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析的。通過聲發(fā)射技術(shù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)在煤層吸附和解吸附的過程中產(chǎn)生的體積應(yīng)變、孔隙壓力變化來研究和模擬煤層瓦斯導(dǎo)致的煤層體積變形和動(dòng)力破壞。通過分析傳感器接收并處理過的信號(hào)來解釋煤層發(fā)生動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的機(jī)理，實(shí)驗(yàn)結(jié)論與預(yù)期取得較好的吻合。

關(guān)鍵詞：煤層變形;聲發(fā)射;應(yīng)力波;解吸附;動(dòng)力失穩(wěn)

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0139-04

Abstract： This paper is completed on the hypothesis of desorption may induce the energetic failure of coal seam. In this article， the volumetric strain and pore pressure changes induced by sorption and desorption will be used to study the deformation and energetic failure by AE technology in coal cores. By analyzing results received by sensor and compared it with what we supposed before the experiment， the result fits very well with what we expected.

Keywords： coal seam deformation; AE technology; stress wave; desorption; energetic failure

煤巖受力變形時(shí)，在其內(nèi)部原先存在或新產(chǎn)生的裂紋周圍形成應(yīng)力集中，這些局部應(yīng)力集中區(qū)不均勻發(fā)展，當(dāng)外力增加到一定大小時(shí)，在缺陷部位會(huì)發(fā)生微觀損傷、屈服或變形，裂縫擴(kuò)展，從而使得應(yīng)力松弛，貯藏的部分能量將以彈性應(yīng)力波的形式釋放出來，從而產(chǎn)生聲發(fā)射[1]。材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE），有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射。在采深條件下易發(fā)生動(dòng)力破壞的煤層強(qiáng)度很低，層理紊亂，對(duì)具突出危險(xiǎn)煤受力過程中的聲發(fā)射特征的研究主要通過成型煤樣試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法來實(shí)現(xiàn)。目前國內(nèi)外對(duì)聲發(fā)射傳播規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)也取得了一定的理論成果[2]。在煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)研究中，已將聲發(fā)射作為一種新的探測(cè)途徑[3～6]。目前，對(duì)于利用聲發(fā)射試驗(yàn)研究煤層吸附和解吸附過程中造成煤層變形或動(dòng)力破壞的研究較少，而在此基礎(chǔ)上對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)卻還是空白。

通過對(duì)具有發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)破壞危險(xiǎn)的原始煤樣在解吸附和孔隙壓力變化致使的煤層體積變形過程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行研究，探索具突出危險(xiǎn)煤樣的破壞機(jī)理、力學(xué)表現(xiàn)與聲發(fā)射特征參數(shù)之間的關(guān)系，為聲發(fā)射技術(shù)預(yù)測(cè)礦山煤巖動(dòng)力災(zāi)害的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)性研究成果。實(shí)驗(yàn)室研究所采用的煤巖樣品均采自開采中的礦山，通過對(duì)樣品加壓模擬原巖狀態(tài)下的圍壓，所加壓力控制在一定范圍，記錄的數(shù)據(jù)包括瓦斯解吸附速度、滲透率變化情況、煤巖樣品變形和聲發(fā)射的發(fā)射波波形的變化情況。這些數(shù)據(jù)用來定義動(dòng)力失穩(wěn)的模式，包括解吸附對(duì)煤層動(dòng)力失穩(wěn)的作用。

1 AE技術(shù)在監(jiān)測(cè)煤層動(dòng)態(tài)變形過程中的應(yīng)用

聲發(fā)射的形成是力學(xué)現(xiàn)象，對(duì)于最低能量信號(hào)，聲發(fā)射源是斷裂，就像金屬研究中的結(jié)果一樣。根據(jù)塑性變形的斷裂理論，彈性波的發(fā)射僅在斷裂速度變化時(shí)發(fā)生，即在斷裂的加速或延緩時(shí)發(fā)生。對(duì)于較高能量的聲發(fā)射信號(hào)，則是巖石的脆性破壞，顆粒間的滑移，以及塑性滑移和塑性變形。而再大一些的能量信號(hào)則是巖石的宏觀破裂或位于不同部位的巖石位移產(chǎn)生的[7]。

由應(yīng)力產(chǎn)生的微裂隙和裂隙內(nèi)表面成為向周圍煤巖體組成的變形系統(tǒng)釋放瓦斯（甲烷）的主要構(gòu)成體系。如果解吸所產(chǎn)生的瓦斯集聚速率超過瓦斯擴(kuò)散的速率，將會(huì)產(chǎn)生孔隙壓力，從而可能以兩種形式導(dǎo)致動(dòng)力失穩(wěn)的發(fā)生：（1）有效應(yīng)力減小，壓力和剛度將發(fā)生改變，持續(xù)增加的孔隙氣體壓力很快促使系統(tǒng)失穩(wěn)（沖擊地壓）;（2）緩慢增加的可壓縮瓦斯氣體內(nèi)逐漸儲(chǔ)蓄大量的勢(shì)能，遇到擾動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的高應(yīng)變能密度可以在瞬間釋放，造成巨大破壞（瓦斯突出）?，F(xiàn)在，假設(shè)游離瓦斯從煤體中快速解吸釋放出時(shí)，不斷增強(qiáng)的壓力可以使煤層發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)。為了檢驗(yàn)這個(gè)假設(shè)，本文對(duì)煤核樣品進(jìn)行AE實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)解吸過程中煤核從體積應(yīng)變到大的變形直至發(fā)生動(dòng)力破壞的過程。

2 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

微觀條件下，煤和瓦斯分子間的特殊作用十分復(fù)雜。過去的研究表明，聲發(fā)射（AE）技術(shù)可以用來研究煤層吸附-解吸附的過程，也可以反映各品味的煤趨于瓦斯爆炸的可能性。AE技術(shù)利用變形材料內(nèi)瞬時(shí)發(fā)射的彈性波來記錄材料內(nèi)部變化情況。材料內(nèi)部一點(diǎn)的彈性波到達(dá)材料邊界的信號(hào)被安裝在研究對(duì)象上的傳感器捕獲并記錄下來。通過傳感器的信號(hào)被放大后再傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行下一步的調(diào)整和處理。信號(hào)波的波形特點(diǎn)取決于聲發(fā)射源的狀態(tài)、彈性波在介質(zhì)中的傳輸途徑、傳輸介質(zhì)的彈性特征以及監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)[8]。下面的實(shí)驗(yàn)將檢驗(yàn)通過AE技術(shù)觀測(cè)瓦斯吸附-解吸附過程中煤層體積應(yīng)變的情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料和儀器簡(jiǎn)介

由于篇幅所限，本文僅研究一個(gè)煤巖樣品的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究的過程和結(jié)果。實(shí)驗(yàn)所用樣品為較大的固體煤巖樣品，而非粉狀或粒狀煤樣，煤巖樣品物理性質(zhì)如表1所示，將煤巖樣品切割成直徑20mm，長(zhǎng)50mm的圓柱狀備用。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，壓力泵為監(jiān)測(cè)煤巖樣品周邊提供壓力，模擬原巖所處環(huán)境下的圍壓。氣瓶?jī)?nèi)裝有CH4和CO2氣體。通過改變氣瓶?jī)?nèi)氣壓和圍壓的變化監(jiān)測(cè)在此過程中接收到的聲發(fā)射信號(hào)并分析在這個(gè)過程煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化狀況。

利用設(shè)定好的計(jì)算程序從時(shí)間與頻率兩個(gè)方面分析獲得的AE信號(hào)。使用四個(gè)貼在煤巖表面的應(yīng)變片來測(cè)量煤巖的體積變化，兩個(gè)測(cè)量軸向應(yīng)變，其余兩個(gè)測(cè)量徑向應(yīng)變。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

為減小端面效應(yīng)的影響，試樣兩端面均涂固體硬脂酸。在煤樣側(cè)面磨2個(gè)邊長(zhǎng)為8mm×8mm的對(duì)稱平面，安裝聲發(fā)射傳感器。傳感器與煤樣之間用黃油進(jìn)行耦合，并用膠帶固定。為盡可能減少外界噪音的干擾，設(shè)定聲發(fā)射采樣閾值為45～500kHz，相對(duì)濕度（80+2）%，并保持實(shí)驗(yàn)過程的溫度恒為298K。煤層解吸附動(dòng)力破壞試驗(yàn)是增壓的過程，為了模擬煤層解吸附過程中瓦斯壓力對(duì)煤層的動(dòng)力破壞，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：（1）首先，將甲烷通入樣品，并保持壓力值1.0MPa，過程持續(xù)10小時(shí)，觀察接收到動(dòng)態(tài)吸附過程的信號(hào)變化，但并不記錄;（2）關(guān)閉甲烷氣瓶，并打開二氧化碳?xì)馄?，將壓力值增大?.6MPa，過程持續(xù)0.6小時(shí)，觀察甲烷解吸附過程接收信號(hào)的變化;（3）增加壓力值到2.0MPa，過程持續(xù)0.6小時(shí)，觀察甲烷解吸附過程接收信號(hào)的變化;（4）繼續(xù)增加壓力值到2.8MPa，過程持續(xù)0.6小時(shí)，觀察甲烷解吸附過程接收信號(hào)的變化;（5）關(guān)閉二氧化碳?xì)馄坎⒋蜷_甲烷氣瓶，壓力減小至2.8MPa，過程持續(xù)0.6小時(shí)，觀察接收到的信號(hào)變化情況，（6）繼續(xù)壓力減小至2.0MPa，過程持續(xù)0.6小時(shí)，觀察接收到的信號(hào)變化情況;（7）最后，壓力減小至1.6MPa，過程持續(xù)0.6小時(shí)，觀察接收到的信號(hào)變化情況。試驗(yàn)過程中煤巖樣品變形狀況被傳感器捕獲并傳輸?shù)椒治鱿到y(tǒng)。由AE傳感器輸出的信號(hào)被放大后傳入AE分析系統(tǒng)做進(jìn)一步的分析和處理。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在聲發(fā)射監(jiān)測(cè)中，超過閾值并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號(hào)稱之為一個(gè)撞擊。一個(gè)或幾個(gè)撞擊對(duì)應(yīng)一個(gè)聲發(fā)射事件。把整個(gè)研究對(duì)象看作一個(gè)系統(tǒng)，研究它的發(fā)生、發(fā)展和破壞過程。

圖4，圖5可以看出，隨著時(shí)間推移，AE能量逐漸增強(qiáng)，體積應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，并且可以看到，一開始AE能量與體積應(yīng)變呈現(xiàn)梯度關(guān)系，在體積應(yīng)變達(dá)到0.8%之后，呈波浪狀關(guān)系;體積應(yīng)變一開始與吸附體積是線性關(guān)系，在達(dá)到1%的閾值后，有一個(gè)平緩的過渡期，之后出現(xiàn)躍升并在體積應(yīng)變達(dá)到1.37%左右時(shí)刻，陡然下降;最終吸附體積下降至樣品最大吸附能力的一半左右。實(shí)驗(yàn)獲取的AE和應(yīng)變特征表明，在一定范圍內(nèi)AE和應(yīng)變具有相同的誘發(fā)因素。另外，從圖5不難看出樣品表現(xiàn)出的吸附膨脹具有不可逆的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)煤核樣品隨時(shí)間變化出現(xiàn)的動(dòng)力現(xiàn)象見表2。

表2所示為隨時(shí)間變化，煤核的體積應(yīng)變和動(dòng)力失穩(wěn)情況。在0.6小時(shí)時(shí)刻，體積應(yīng)變?yōu)?.06%，此刻無動(dòng)力現(xiàn)象;1.2小時(shí)時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的峰值體積應(yīng)變?yōu)?.37%，此刻出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象;之后，在3.0小時(shí)時(shí)刻，體積應(yīng)變減小至0.59%，此刻仍有動(dòng)力現(xiàn)象。礦山煤巖受力變形都在一定的時(shí)間和空間中進(jìn)行，其力學(xué)參數(shù)必然表現(xiàn)為時(shí)間和空間的函數(shù)。在某些條件下，時(shí)間因素對(duì)煤巖材料受力變形影響很小，可以忽略，但在研究相對(duì)較軟或具有突出危險(xiǎn)煤巖體力學(xué)行為時(shí)，則必須考慮時(shí)間因素對(duì)其力學(xué)性能變化的影響。在地應(yīng)力作用下，有突出傾向的煤體往往處于蠕變狀態(tài)，條件具備時(shí)發(fā)生煤與瓦斯突出[5]。

3 結(jié)論

（1）煤巖的孔隙及裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于煤巖吸附能力、應(yīng)變性能及AE信號(hào)特征具有較大的影響。

（2）煤核在變形過程中，伴隨著剪切失穩(wěn)破壞裂隙沿著煤核試驗(yàn)樣品傳播，高頻的AE信號(hào)一直占主導(dǎo)地位，而且產(chǎn)生于動(dòng)力失穩(wěn)破壞區(qū)域。

（3）煤層氣從煤基質(zhì)中解吸過程中當(dāng)時(shí)間達(dá)到1.2小時(shí)的時(shí)候，體積應(yīng)變達(dá)到1.37%，這時(shí)候煤核出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象;這個(gè)過程在現(xiàn)實(shí)煤層中達(dá)到某種條件可以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和加速度，從而可能產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

（4）與吸附過程相反，伴隨解吸附的進(jìn)行，緩慢增加的壓縮瓦斯氣體在煤巖內(nèi)逐漸儲(chǔ)蓄大量的勢(shì)能，遇到外界作用時(shí)，產(chǎn)生的高應(yīng)變能密度可以在瞬間釋放，從裂隙處破壞巖層，促使動(dòng)力失穩(wěn)和災(zāi)害的發(fā)生。而聲發(fā)射技術(shù)在一定程度上可以對(duì)煤巖的體積膨脹和裂隙擴(kuò)張進(jìn)行分析和預(yù)警。因此，認(rèn)識(shí)突出煤體蠕變狀態(tài)下的聲發(fā)射特征，對(duì)探討煤與瓦斯突出機(jī)理，進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)、預(yù)防是非常重要的。

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