不同煤厚煤巖組合體破裂過程聲發(fā)射特征研究

李回貴，李化敏，高保彬

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

以神東礦區(qū)為代表的西部礦區(qū)是我國(guó)煤礦開采技術(shù)發(fā)展最活躍的地區(qū)之一，也是國(guó)內(nèi)外采礦界高度關(guān)注的地區(qū)。該地區(qū)煤層具有埋深淺、傾角小、構(gòu)造少、煤層厚、瓦斯含量低等較好的開采條件，但在實(shí)際開采過程中卻時(shí)常遇到?jīng)_擊地壓?jiǎn)栴}，經(jīng)過大量學(xué)者研究，認(rèn)為該地區(qū)的地層巖性特征是其發(fā)生沖擊地壓的重要原因之一［1-3］。前期研究發(fā)現(xiàn)，地層中除了可開采的煤層外，還有大量較薄的不可開采煤層，厚度從十幾厘米到五十厘米不等，這些煤層的存在對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)方式、支架載荷和裂隙發(fā)展規(guī)律有一定的影響［4-8］。為此，筆者對(duì)神東礦區(qū)地層中的粉砂巖和不同煤厚的煤巖組合體開展相關(guān)研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)煤巖組合體開展了大量的相關(guān)研究。C.H.Sondergeld等［9］和A.C.Mpalaskas等［10］用聲發(fā)射參數(shù)描述巖石破裂過程中的損傷特征；M.Naderlooa等［11］利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)脆性材料的損傷過程進(jìn)行了研究；CHEN Y L等［12］采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)煤巖組合體的變形破壞特征進(jìn)行了研究；WANG K等［13-14］在三軸壓縮和卸壓下研究了煤巖組合體的力學(xué)特征及滲透率演化規(guī)律；劉剛等［15］運(yùn)用RFPA2D數(shù)值模擬軟件對(duì)“三硬”煤巖組合體沖擊傾向性進(jìn)行研究，認(rèn)為堅(jiān)硬煤巖組合體峰后失穩(wěn)破壞非常明顯，易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象；周元超等［16］利用RFPA2D數(shù)值模擬軟件研究了不同高度比的煤巖組合體破裂過程中的力學(xué)及聲發(fā)射特征；肖曉春等［17］對(duì)單軸壓縮下煤巖組合體破壞過程能量耗散特征及沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤巖組合體中巖石的高度對(duì)峰值應(yīng)變、彈性模量及聲發(fā)射參數(shù)有影響；劉漢龍等［18］以內(nèi)蒙古和重慶等地區(qū)的煤和砂巖為研究對(duì)象，采用日本島津AGI-250高精度材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤巖組合體破裂過程聲發(fā)射特征進(jìn)行研究，并運(yùn)用概率密度分布對(duì)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行了分析；王曉南等［19］以頂板-煤體-底板所構(gòu)成的煤巖組合體為研究對(duì)象，研究單軸壓縮下煤巖組合體的聲發(fā)射及微震參數(shù)；趙毅鑫等［20］以煤、巖體和兩種煤巖組合體為研究對(duì)象，利用紅外熱像、聲發(fā)射、應(yīng)變等監(jiān)測(cè)手段對(duì)其破裂過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤巖組合體的力學(xué)特性、變形破壞特征、聲學(xué)特性、微震特征、沖擊傾向性等進(jìn)行了大量研究，但針對(duì)煤巖組合體破裂過程中的聲發(fā)射特征研究相對(duì)較少，尤其是研究煤巖組合體中煤厚變化對(duì)破裂過程中聲發(fā)射特征的影響更少，需要進(jìn)一步研究，為神東礦區(qū)地層中含不同煤厚的煤巖組合體的破裂提供基礎(chǔ)信息和前兆信息。因此，本文以神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦基本頂粉砂巖和5-2煤層為研究對(duì)象，在單軸壓縮下對(duì)粉砂巖及4種煤巖組合體試樣進(jìn)行聲發(fā)射測(cè)試，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。研究結(jié)果以期為該地區(qū)的典型動(dòng)力災(zāi)害防治提供前兆信息，同時(shí)也期望為該地區(qū)的煤礦支架選型、關(guān)鍵層判斷等提供依據(jù)。

1 試樣采集與加工及試驗(yàn)方案

1.1 試樣采集與加工

粉砂巖和煤采集于神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦5-2煤層及其基本頂粉砂巖。煤塊在井下5-2煤層采集，大小約為30 cm×30 cm×30 cm，基本頂粉砂巖采用地面鉆孔取心方式，巖心直徑62.5 mm。試樣按照規(guī)程要求加工成直徑50 mm，高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣。試樣共分為5組，A組為布爾臺(tái)煤礦基本頂粉砂巖（A1～A3）；B組為煤巖組合體試樣，煤厚5 mm（B1～B3）；C組為煤巖組合體試樣，煤厚10 mm（C1～C3）；D組為煤巖組合體試樣，煤厚15mm（D1～D3）；E組為煤巖組合體試樣，煤厚20 mm（E1～E3）。加工好的試樣見圖1。

圖1 加工好的不同煤厚試樣Fig.1 Processed samp les with different thickness of coal

1.2 試驗(yàn)方案

力學(xué)試驗(yàn)采用中國(guó)武漢巖土力學(xué)研究所生產(chǎn)的RMT-150C型力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用位移控制加載方式，加載速率為0.002 mm／s，每組試樣重復(fù)試驗(yàn)3次。聲發(fā)射試驗(yàn)采用DS5-8b聲發(fā)射檢測(cè)儀，聲發(fā)射傳感器對(duì)稱布置于試樣中部，為了防止聲發(fā)射信號(hào)因接觸不好丟失信號(hào)，采用耦合劑進(jìn)行耦合，并用彈性膠帶進(jìn)行固定，防止在試驗(yàn)中掉落。力學(xué)信號(hào)與聲發(fā)射數(shù)據(jù)在試驗(yàn)過程中同時(shí)還采集破裂過程中波形特征，聲發(fā)射采樣頻率3 MHz，門檻值50 dB，前置放大器設(shè)置為40 dB。

2 煤巖組合體破裂過程聲發(fā)射特征

2.1 煤厚對(duì)煤巖組合體聲發(fā)射計(jì)數(shù)的影響

圖2為粉砂巖和不同煤厚的煤巖組合體破裂過程聲發(fā)射計(jì)數(shù)、應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖2可知，4種煤巖組合體試樣及粉砂巖在初始?jí)好芷诼暟l(fā)射計(jì)數(shù)都非常少，并且在此階段聲發(fā)射計(jì)數(shù)沒有出現(xiàn)比較大的事件。隨著應(yīng)力逐漸增加，粉砂巖和4種煤巖組合體都進(jìn)入彈性階段，該階段試樣內(nèi)部開始逐漸產(chǎn)生微裂隙，聲發(fā)射出現(xiàn)的頻率比初始?jí)好芷诟?。隨著煤巖組合體中煤厚逐漸增大，聲發(fā)射計(jì)數(shù)事件出現(xiàn)的頻率越來越高，聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)與峰值應(yīng)力附近的聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)的比值越來越大。隨著應(yīng)力繼續(xù)逐漸增大，粉砂巖及煤巖組合體試樣開始進(jìn)入屈服階段，此階段出現(xiàn)了明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，聲發(fā)射計(jì)數(shù)出現(xiàn)的頻率較前兩個(gè)階段有明顯增加，且隨著煤巖組合體中煤厚的逐步增大，聲發(fā)射計(jì)數(shù)出現(xiàn)得越來越頻繁。當(dāng)試樣達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，粉砂巖和4種煤巖組合體試樣都出現(xiàn)了峰值聲發(fā)射計(jì)數(shù)。

圖2 不同煤厚煤巖組合體聲發(fā)射計(jì)數(shù)、應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves among acoustic emission count，stress and time of coal-rock combination bodies with different thickness of coal

表1為單軸壓縮下粉砂巖和4種煤巖組合體試樣破裂過程聲發(fā)射參數(shù)的統(tǒng)計(jì)表，其中N為聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)，NV為聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)平均值，∑N為聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)，∑NV為聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)平均值。圖3為單軸壓縮下砂巖破裂過程峰值計(jì)數(shù)與煤巖組合體中煤厚（0，5，10，15，20 mm）的關(guān)系曲線。結(jié)合表1和圖3可以發(fā)現(xiàn)，煤巖組合體試樣中煤厚與聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)存在明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著煤厚增大呈指數(shù)減小。煤巖組合體中煤厚為0，5，10，15，20 mm時(shí)，聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)分別為15.46×103，7.60×103，5.28×103，4.57×103，3.13×103次。與粉砂巖破裂過程聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)相比，煤巖組合體中煤厚為5，10，15，20 mm時(shí)，聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)分別降低了50.8%，65.8%，74.4%，79.8%。從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)與煤巖組合體中煤厚呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圖3和以上分析，采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，得到方程

圖3 煤厚與聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between the thickness of coal and the acoustic emission peak counts

表1 單軸壓縮下粉砂巖和煤巖組合體試樣的聲發(fā)射參數(shù)Tab.1 Acoustic em ission parameters of samples of siltstone and coal-rock combination bodies under uniaxial compression

式中：y為聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)，次；x為煤厚，mm。

2.2 煤厚對(duì)煤巖組合體聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)的影響

圖4為粉砂巖和不同煤厚的煤巖組合體破裂過程聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)、應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，不同煤厚的煤巖組合體試樣破裂過程聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)可以分為4個(gè)階段：聲發(fā)射相對(duì)平靜階段、聲發(fā)射緩慢增長(zhǎng)階段、聲發(fā)射快速增長(zhǎng)階段和聲發(fā)射突增階段。在聲發(fā)射相對(duì)平靜階段，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線基本上沒有變化，曲線斜率近似等于0。聲發(fā)射緩慢增長(zhǎng)階段，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)開始出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，但此階段聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)增長(zhǎng)量存在明顯差異，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)增長(zhǎng)量隨著煤厚增加有明顯的增大趨勢(shì)。聲發(fā)射快速增長(zhǎng)階段，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線基本上處于塑性變形破壞階段，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線斜率明顯增大，累計(jì)計(jì)數(shù)快速增長(zhǎng)。聲發(fā)射突增階段，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)出現(xiàn)突增現(xiàn)象，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)的曲線斜率有明顯增長(zhǎng)，但是煤厚對(duì)煤巖組合體破裂過程中聲發(fā)射的突增現(xiàn)象存在影響，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)突增現(xiàn)象隨著組合體中煤厚的增大有所減弱；試樣破壞的時(shí)間和應(yīng)變隨著煤厚的增大而逐漸增大，并且破壞時(shí)的應(yīng)力也隨著煤厚的增加有所減小，因此破壞時(shí)瞬間釋放的彈性勢(shì)能會(huì)減小，突增現(xiàn)象會(huì)逐漸減弱。

圖4 粉砂巖及煤巖組合體的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)、應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves among acoustic emission cumulative count，stress and time of coal-rock combination bodies

圖5為單軸壓縮下煤巖組合體破裂過程中聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)與煤巖組合體中煤厚（0，5，10，15，20 mm）的關(guān)系曲線。由表1和圖5可知，煤巖組合體中煤厚為0，5，10，15，20 mm時(shí)，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)分別為0.83×105，1.65×105，2.94×105，3.94×105，5.12×105次；與結(jié)構(gòu)面厚度為0相比，煤巖組合體中煤厚為5，10，15，20 mm時(shí)，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)分別增大了98.8%，254.2%，274.7%，516.9%。由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)與煤巖組合體中煤厚呈正相關(guān)關(guān)系，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)隨煤厚增加逐漸增大。這是因?yàn)殡S著煤厚增加，試樣破壞逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變，破壞時(shí)間和峰值應(yīng)變逐漸增大，試樣的破壞程度逐漸增大，使得試樣積聚的彈性能得到充分釋放，因此，會(huì)產(chǎn)生更多的聲發(fā)射現(xiàn)象。采用線性擬合方程對(duì)其進(jìn)行擬合，其方程為

圖5 煤厚與聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves between the thickness of coal and the acoustic emission cumulative counts

3 煤厚對(duì)煤巖組合體破壞過程聲發(fā)射波形的影響分析

圖6為粉砂巖和不同煤厚的煤巖組合體試樣破裂過程聲發(fā)射波形特征，其中首波是指第一次出現(xiàn)的明顯波形，峰前波形是指峰值應(yīng)力前的波形特征。表2為單軸壓縮下不同煤厚煤巖組合體破裂過程首波和峰前波形的特征參數(shù)。表2中：S為首波的信號(hào)強(qiáng)度峰值；St為首波出現(xiàn)的時(shí)間；CS為首波的持續(xù)時(shí)間；F為峰前波形的信號(hào)強(qiáng)度峰值；Ft為峰前波形出現(xiàn)的時(shí)間；CF為峰前波形的持續(xù)時(shí)間。由圖6可以看出，首波波形的峰值信號(hào)強(qiáng)度存在差異，隨著煤巖組合體中煤厚逐漸增大，首波波形的峰值信號(hào)強(qiáng)度逐漸增大。粉砂巖和煤厚5 mm的煤巖組合體試樣首波波形比較緊湊，峰前波形衰減較慢；煤厚10，15，20 mm的煤巖組合體試樣首波波形較光滑，峰前波形衰減得比較快。這說明粉砂巖及煤厚5 mm的煤巖組合體試樣波形沖擊性比較大，煤巖組合體中煤厚能夠減弱波形的沖擊性。粉砂巖及煤厚5，10，15，20 mm的煤巖組合體試樣首波峰值信號(hào)強(qiáng)度分別為1.09，1.55，1.93，2.09，3.02 mV；首波持續(xù)時(shí)間為0.744，1.289，1.786，2.263，2.993 ms，說明破裂過程聲發(fā)射首波的信號(hào)強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間與煤巖組合體中煤厚呈正相關(guān)關(guān)系，都隨著煤巖組合體中煤厚的逐漸增大而增大。粉砂巖及煤厚5，10，15，20 mm的煤巖組合體試樣峰前波形信號(hào)強(qiáng)度均為10 mV；峰前波形持續(xù)時(shí)間分別為62.492，23.901，19.113，16.717，12.462 ms，說明破裂過程聲發(fā)射峰前波形信號(hào)強(qiáng)度非常大，但是峰前波形持續(xù)時(shí)間隨著煤巖組合體中煤厚的逐漸增大而減小，粉砂巖峰前波形持續(xù)時(shí)間與煤巖組合體試樣的峰前波形持續(xù)時(shí)間差異很大，煤厚5，10，15，20 mm的煤巖組合體試樣峰前波形持續(xù)時(shí)間與粉砂巖的相比，分別降低了 61.8%，69.5%，73.2%，80.1%。

表2 單軸壓縮下粉砂巖及煤巖組合體的波形參數(shù)表Tab.2 Waveform parameter table of siltstone and coal-rock combination bodies under uniaxial compression

由以上分析可知，粉砂巖首波波形開始時(shí)間與峰值波形開始時(shí)間相差很小，煤巖組合體試樣破裂過程首波波形開始時(shí)間與峰前波形出現(xiàn)的時(shí)間相差很大。煤巖組合體中煤厚對(duì)峰前波形的信號(hào)強(qiáng)度沒有影響，對(duì)首波和峰前波形的時(shí)間差沒有顯著影響，但粉砂巖與煤巖組合體試樣的時(shí)間差差異很大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是粉砂巖內(nèi)部比較致密，形成微觀破裂需要的應(yīng)力大，而煤巖組合體試樣中由于煤中含有原生裂隙比較多，較低應(yīng)力時(shí)這些微裂隙就會(huì)發(fā)展，產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，形成較明顯的波形信號(hào)。這種波形信號(hào)特征可以說明，在實(shí)際工程中存在軟弱夾層的砂巖斷裂時(shí)，不能以首次出現(xiàn)較明顯的波形作為其斷裂的預(yù)警信號(hào)，對(duì)于較堅(jiān)硬的砂巖，可以將首次出現(xiàn)明顯的波形作為其預(yù)警信號(hào)。因?yàn)?，存在夾層砂巖破裂時(shí)首波和破裂時(shí)的波形時(shí)間差太大，中間還存在許多比較強(qiáng)的波形，而堅(jiān)硬的砂巖破裂時(shí)首波和破裂時(shí)的波形時(shí)間差很小，并且中間沒有信號(hào)比較強(qiáng)的波形。由圖6可知，破裂時(shí)的波形雖然衰減速度存在差異，但是衰減速度相對(duì)其他階段的波形衰減較慢，因此該波形可以作為預(yù)警巖石斷裂的波形信號(hào)。

圖6 不同煤厚煤巖組合體試樣破裂過程聲發(fā)射波形特征Fig.6 Acoustic em ission waveform characteristics in the process of fracture of coal-rock combination samples with different thickness of coal

4 結(jié)論

（1）煤巖組合體中煤厚對(duì)其破裂過程聲發(fā)射計(jì)數(shù)有顯著影響，煤巖組合體中煤厚與聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)隨著煤巖組合體中煤厚增大逐漸減小，與粉砂巖破裂過程聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)相比，煤巖組合體中煤厚為5，10，15，20 mm 時(shí)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)分別為15.46×103，7.60×103，5.28×103，4.57×103，3.13×103次，降低幅度為50.8%，65.8%，74.4%，79.8%。

（2）煤巖組合體中煤厚對(duì)破裂過程聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)有顯著影響，煤巖組合體中煤厚與聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，煤巖組合體中煤厚為5，10，15，20 mm時(shí)，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)分別為1.65×105，2.94×105，3.94×105，5.12×105次，與粉砂巖相比，分別增大了98.8%，354.2%，374.7%，516.9%。

（3）煤巖組合體中煤厚對(duì)峰前波形的峰值信號(hào)強(qiáng)度及首波和峰前波形的時(shí)間差沒有顯著影響，但是對(duì)首波信號(hào)強(qiáng)度、首波持續(xù)時(shí)間和峰前波形的持續(xù)時(shí)間有顯著影響。首波峰值信號(hào)強(qiáng)度及首波持續(xù)時(shí)間與煤巖組合體中煤厚呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而峰前波形持續(xù)時(shí)間與煤巖組合體中煤厚呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。煤厚5，10，15，20 mm的煤巖組合體試樣與粉砂巖相比，首波峰值信號(hào)強(qiáng)度分別增大了42.2%，77.1%，91.7%，177.1%；首波持續(xù)時(shí)間分別增大了73.3%，140.1%，204.2%，302.3%；峰前波形持續(xù)時(shí)間分別降低了61.8%，69.5%，73.2%，80.1%。