破碎煤巖體試樣聲發(fā)射三維定位方法及分層破碎特性

李 振，方智龍，馮國瑞，趙嘉鵬

(1.太原理工大學(xué) a.安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，b.礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024； 2.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心，太原 030024；3.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000)

隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層逐層垮落，自下而上依次分成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[1-2]。采空區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生了大量破碎后的遺煤、遺矸和破碎垮落的巖石，這些破碎煤巖體構(gòu)成了垮落帶的主要成分。一般而言，裂隙帶、彎曲下沉帶內(nèi)煤巖體被視為孔隙、裂隙組成的雙重孔隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，而垮落帶內(nèi)破碎煤巖體則被視為有著孔隙、裂隙、空隙三重孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多孔介質(zhì)[3-5]。研究表明，垮落帶破碎煤巖體為采空區(qū)內(nèi)水和瓦斯氣體的運移、賦存提供了主要滲流通道，其承壓過程中多孔結(jié)構(gòu)演化特征不僅影響著礦井水及瓦斯資源的高效抽采利用，還影響著遺煤氧化自燃，威脅著工作面的安全生產(chǎn)[6-9]。因此，探究采空區(qū)垮落帶破煤巖體承壓變形及多孔結(jié)構(gòu)演化特性，對煤炭資源安全高效開采和采空區(qū)積水水害、瓦斯災(zāi)害以及采空區(qū)遺煤發(fā)火等災(zāi)害的防治意義重大。

國內(nèi)外學(xué)者對破碎煤巖體的壓縮變形特性進(jìn)行了大量試驗研究。蘇承東等[10]利用自制裝置研究碎石的壓實特性與應(yīng)力、巖石強度、塊徑之間的關(guān)系。楊逾等[11]分析了粒徑、加載速率和初始加載應(yīng)力與破碎矸石變形破壞之間的關(guān)系。馮梅梅等[12]利用自制裝備研究了Talbol指數(shù)對飽和破碎巖石壓實特性的影響。馬丹等[13]利用自制的破碎巖體滲透試驗系統(tǒng)研究了不同混合粒徑下孔隙率與滲透特性之間的關(guān)系。LI et al[14]測試了不同浸水高度對破碎煤矸石的變形和破碎特性的影響。張培森等[15]通過破碎巖石變形-滲流試驗系統(tǒng)，對級配破碎砂巖的壓縮變形特性進(jìn)行了研究。LI et al[16]基于PFC軟件分析了破碎煤矸石的壓縮變形規(guī)律、顆粒團(tuán)分布以及矸石塊形狀的變化。辛恒奇等[17]采用側(cè)限壓縮與聲發(fā)射試驗，對相同級配的泥巖、灰?guī)r及砂巖3種破碎巖體的變形特征、破碎特征及聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究。李巍等[18]根據(jù)6種級配的破碎矸石試驗結(jié)果，研究了應(yīng)力應(yīng)變與聲發(fā)射參數(shù)之間的關(guān)系。在單軸壓縮的基礎(chǔ)上，蔡正銀等[19]通過大型三軸儀，根據(jù)分形理論，研究了堆石料的顆粒破碎規(guī)律。HUANG et al[20]通過大型三軸壓縮試驗研究了顆粒級配和圍壓對破碎煤矸石變形破壞特征的影響。梁冰等[21]對不同級配破碎矸石進(jìn)行了三向加載試驗，分析了不同圍壓條件下破碎矸石的壓縮變形特征。

上述研究對垮落帶不同巖性破碎煤巖體試樣承壓變形及再次破碎特性做了大量探究，并將聲發(fā)射技術(shù)引入到破碎煤巖體承壓變形的研究中。然而，破碎煤巖體承壓過程中內(nèi)部不同層位變形特性以及不同層位顆粒如何再次破碎、多孔結(jié)構(gòu)演化特性并不明晰。本文首先分析破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射三維定位技術(shù)難點，然后設(shè)計了專用于破碎煤巖體試樣的壓實-聲發(fā)射三維定位試驗方法，以垮落帶破碎無煙煤為試驗對象定量化揭示了破碎無煙煤試樣內(nèi)部非均勻變形及再次破碎特性，研究成果對準(zhǔn)確掌握垮落帶變形及多孔結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化布置采空區(qū)瓦斯地面鉆井層位，具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射試驗系統(tǒng)

本文試驗采用自主研發(fā)的破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射試驗系統(tǒng)開展試驗。該試驗系統(tǒng)包括破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射試驗裝置、軸壓加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射試驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of crushing coal and rock compaction acoustic emission test system

其中破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射試驗裝置提供軸向加載、環(huán)向位移約束的試驗條件。其缸筒采用高強度合金鋼，內(nèi)徑為140 mm，初始有效裝料高度290 mm，壁厚20 mm，可保證缸筒變形在較小范圍內(nèi)。軸壓加載系統(tǒng)采用WAW1000微機控制電液伺服壓力機。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采用美國物理聲學(xué)公司(Physical Acoustic Corporation)PCI-2型聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)。試驗采樣頻率為1MSPS，前置放大器型增益選擇40 dB.經(jīng)過反復(fù)試驗調(diào)整，聲發(fā)射門檻值閾值設(shè)置為45 dB.試驗中為保證良好的耦合效果，聲發(fā)射探頭與壓實-聲發(fā)射試驗裝置缸筒接觸面用凡士林均勻潤滑后以膠帶固定。

2 破碎煤巖體試樣壓實-聲發(fā)射三維定位難點分析

相較于傳統(tǒng)孔隙、裂隙煤巖巖心試樣，采空區(qū)垮落帶破碎煤巖體具有兩個明顯的差異性：其一，采空區(qū)破碎煤巖體是自身不具有固結(jié)力的承壓破碎散體材料，同時其在軸向加載、環(huán)向位移約束條件下變形能力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)孔隙、裂隙煤巖體，因此其聲發(fā)射實驗中定位文件里試樣長度不可類比孔隙、裂隙煤巖體設(shè)置為定值常值；其二，由于破碎煤巖體較大的變形特性，其承壓過程中內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)孔隙、裂隙煤巖體會有更大程度變化，進(jìn)而影響聲發(fā)射定位準(zhǔn)確性的波速也會發(fā)生明顯變化。

上述兩明顯差異性，造成了目前破碎煤巖體承壓過程中聲發(fā)射三維定位難以實現(xiàn)。正因如此，現(xiàn)有文獻(xiàn)較少地采用聲發(fā)射三維定位方法去探究其承壓過程中內(nèi)部塊體顆粒變形、再次破碎及多孔結(jié)構(gòu)演化特性。為此，作者認(rèn)為破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射三維定位實驗應(yīng)解決好試樣長度、定位波速及時與多孔結(jié)構(gòu)變化相適應(yīng)的問題。

3 適用于破碎煤巖體試樣的聲發(fā)射三維定位方法

基于上述分析，本文提出：以每壓縮10 mm為間隔及時做出以下兩種調(diào)整：1) 定位波速與多孔結(jié)構(gòu)變化做適應(yīng)性調(diào)整。保持軸壓不變，打開波速測定功能，測試破碎煤巖體的實時波速，并以新測得實時波速作為后續(xù)三維定位原始數(shù)據(jù)；2) 定位文件中試樣長度做適應(yīng)性調(diào)整，以承壓后實時試樣尺寸重設(shè)定位文件。

因此適用于破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射三維定位試驗方法，其具體步驟如下：

圖2 破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射實驗方法及聲發(fā)射探頭空間位置Fig.2 Experimental method of compaction acoustic emission of crushed coal and rock and space position of acoustic emission probe

1) 裝料，將預(yù)設(shè)粒徑的破碎煤巖體裝入缸筒中。為避免裝料不均勻，每裝入50 mm試樣，用鋼尺沿缸筒內(nèi)徑對已裝配的顆粒進(jìn)行適當(dāng)搗實，每裝料100 mm對缸筒進(jìn)行振動。

2) 初始加載，運用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)測定試樣實時波速，設(shè)置符合試樣初始長度的定位文件，應(yīng)用壓力機對破碎煤巖體加載，同步啟動聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對破碎煤巖體加載過程中聲發(fā)射信號進(jìn)行實時采集。實驗壓力機記錄加載過程中應(yīng)力-時間-位移數(shù)據(jù)。

3) 分階段加載與定位調(diào)整。判斷軸向加載是否已達(dá)到10 mm，若沒有，則繼續(xù)加載，直到軸向累積加載到10 mm；若達(dá)到，則保持軸向位移不變，運用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采集試樣實時波速，以實時波速及試樣實時尺寸重設(shè)定位文件。

4) 重復(fù)上述實驗步驟，直至完成全部分階段加載與定位調(diào)整實驗。

實驗中采用位移控制模式進(jìn)行加載，加載速率為0.01 mm/s.破碎煤巖體從初試高度290 mm壓縮7個10 mm最終達(dá)到終態(tài)220 mm，每個壓縮階段時長為1 000 s.其中試樣高度從290 mm到280 mm階段中定位試樣尺寸設(shè)置為280 mm，初始波速為高度290 mm時探頭波速的平均值；同理，破碎煤巖體從280 mm壓縮到270 mm時定位文件試樣尺寸設(shè)置為270 mm，波速為其初始狀態(tài)即高度280 mm時探頭波速的平均值。以此類推，本文試驗軸向加載共70 mm，因此共測試7次實時波速，并分別新建了7次隨試樣長度調(diào)整的三維定位文件。

4 破碎無煙煤變形特性及聲發(fā)射參數(shù)演化規(guī)律

選取晉城礦區(qū)2.5 mm～5 mm破碎無煙煤為試驗對象。新鮮的塊狀無煙煤取自晉城礦區(qū)，經(jīng)保鮮膜包裝運至實驗室。實驗室內(nèi)經(jīng)破碎機破碎，并借助砂石篩獲取相應(yīng)粒徑試樣。經(jīng)實驗室測試該無煙煤單軸抗壓強度8 MPa，密度1.45 g/cm3.依據(jù)上述實驗系統(tǒng)及本文提出的適用于破碎煤巖體試樣的壓實-聲發(fā)射專用實驗方法，進(jìn)行相關(guān)分析。

圖3(a)、(b)分別給出了破碎無煙煤試樣應(yīng)力-時間-聲發(fā)射計數(shù)-累積計數(shù)曲線和破碎無煙煤試樣應(yīng)力-時間-能量-累積能量曲線。

由圖3可知，破碎無煙煤變形存在三個明顯階段，即初始壓密、線性壓實、塑性壓固階段。初始壓密階段發(fā)生在加載初期(0 s～48 s)，在軸向應(yīng)力為無煙煤抗壓強度1%以下時出現(xiàn)。由于裝料采用搗實與振動相結(jié)合的方式，試樣相對密實，該階段應(yīng)力-時間曲線呈現(xiàn)一定程度“上凸”。線性壓實階段(48 s～3 567 s)緊跟其后，發(fā)生在軸向應(yīng)力為抗壓強度的1%～35%左右時，此時應(yīng)力-時間曲線呈現(xiàn)明顯的線性變化特征。當(dāng)壓實程度繼續(xù)增大，破碎無煙煤進(jìn)入塑性壓固階段(>3 567 s)，該階段表現(xiàn)出明顯應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即破碎無煙煤抵抗變形能力變強，壓力機使破碎煤巖體增加相同應(yīng)變量則需要輸出更多的軸向應(yīng)力。

圖3 破碎無煙煤試樣應(yīng)力-時間-聲發(fā)射參數(shù)曲線圖Fig.3 Stress-time-AE parameter curve of crushed anthracite samples

同時由圖3可知，在初始壓密階段，由于破碎顆粒處于相對松散狀態(tài)，其聲發(fā)射計數(shù)、能量均處于相對平靜狀態(tài)。該階段隨應(yīng)力增大，顆粒塊體逐漸旋轉(zhuǎn)、運動，顆粒間隙漸漸填充、閉合。因此該階段主要包含兩種類型聲發(fā)射信號，即由旋轉(zhuǎn)、摩擦和顆粒間位錯引起的摩擦型聲發(fā)射信號以及由極少數(shù)不規(guī)則顆粒棱角破碎引起的破碎型聲發(fā)射信號。進(jìn)入線性壓實階段，破碎顆粒體形成了較為密實的骨架結(jié)構(gòu)，該階段壓力機輸入的功將轉(zhuǎn)化為顆粒塊體間的摩擦耗能和顆粒破碎耗能，同時伴有顆粒的彈性變形能。該階段由顆粒破碎和骨架密實分別導(dǎo)致的破碎型、摩擦型聲發(fā)射事件逐漸增大，因此聲發(fā)射累積計數(shù)、累計能量曲線呈現(xiàn)“下凸”增長趨勢。在塑性壓固階段聲發(fā)射累積計數(shù)、累積能量曲線呈現(xiàn)出近似直線型增長模式。這是由于經(jīng)歷線性壓密階段后，顆粒體骨架更為密實，由顆粒破碎帶來的破碎型聲發(fā)射信號以及顆粒間滑動摩擦導(dǎo)致的摩擦型聲發(fā)射信號長期保持在了較高水平。

5 破碎無煙煤試樣壓實過程中內(nèi)部破裂的時空演化規(guī)律

圖4給出了破碎無煙煤試樣波速隨軸向壓縮位移的演化情況。波速測試過程中，每壓縮10 mm保持壓力機位移不變，同一壓縮狀態(tài)下測試3次，取3次聲發(fā)射探頭測試獲得的波速平均值作為最終波速。由圖4可知，隨著軸向壓縮位移的增加，破碎無煙煤波速增大了115 m/s，可見隨壓實程度的增高，塊體顆粒骨架變得更加密實，波速整體呈現(xiàn)了增大的趨勢。

圖4 不同壓縮階段破碎無煙煤試樣平均波速變化Fig.4 Variation of average wave velocity of crushed anthracite sample in different compression stages

基于本文提出的破碎煤巖體壓實-聲發(fā)射專用試驗方法，獲取了7個壓縮階段內(nèi)破碎無煙煤聲發(fā)射三維定位時空演化規(guī)律。圖5為破碎無煙煤壓縮過程中聲發(fā)射空間定位事件隨時間、空間演化的剖面投影圖。

由圖5可知，破碎無煙煤試樣在逐漸壓實過程中，不會形成類似孔隙、裂隙煤巖體明顯的宏觀破裂面，但在其不同壓縮階段不同層位則表現(xiàn)出了不同的再次破壞演化規(guī)律。為量化分析其內(nèi)部不同層位分層破碎的時空演化規(guī)律，現(xiàn)定義剖面投影圖中某一層位范圍內(nèi)聲發(fā)射定位點數(shù)目占整體試樣長度范圍內(nèi)全體聲發(fā)射定位點數(shù)目的百分比為該層位聲發(fā)射密集度。聲發(fā)射密集度反映的是破碎無煙煤壓實過程中內(nèi)部不同層位聲發(fā)射事件的劇烈程度。以每壓縮10 mm為一間隔點，對破碎無煙煤上、中、下3個層位聲發(fā)射密度進(jìn)行統(tǒng)計可得表1，將表1數(shù)據(jù)直觀的展示為圖6.

由圖6可知，破碎無煙煤在加載初期中部層位聲發(fā)射密集度為80%，占到了最大比例；隨著軸向位移的增大，中部層位聲發(fā)射密集度逐漸降低，而上部層位呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，下部層位聲發(fā)射密集度略有上升，稍高于10%，但保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。這表明破碎無煙煤逐漸壓實過程中存在分層壓實破碎的特性，即其承壓再次壓實過程中內(nèi)部的破壞首先發(fā)生在中部層位，隨著壓縮程度的增強破壞現(xiàn)象逐漸向上部以及下部層位轉(zhuǎn)移，且向上部層位的轉(zhuǎn)移具有優(yōu)先性。只有當(dāng)下層位骨架達(dá)到中部及上部層位同樣較大密實的條件下，下部層位破壞才會發(fā)生并逐漸增強，否則破碎無煙煤內(nèi)部破裂一直優(yōu)先發(fā)生在更加密實的中部和上部層位。

6 破碎無煙煤試樣壓實終態(tài)不同層位顆粒再次破碎特征

由上述可知，破碎無煙煤在不同壓縮程度下其不同層位會發(fā)生不同程度的壓實與再次破碎現(xiàn)象。因此，采空區(qū)垮落帶不同位置破碎無煙煤承受不同壓力時會發(fā)生不同情況的多孔結(jié)構(gòu)演化特征，進(jìn)而造成采空區(qū)不同程度的瓦斯富集現(xiàn)象和積水孕災(zāi)環(huán)境。本文實驗破碎無煙煤經(jīng)歷7個階段的壓實變形最終變形率達(dá)到0.24，將壓實終態(tài)破碎無煙煤粒徑再次分層篩分，以二分法進(jìn)行統(tǒng)計，可進(jìn)一步驗證破碎無煙煤是否具有分層壓實破碎特征。

圖7給出了破碎無煙煤壓實終態(tài)不同層位顆粒粒徑分布圖。由圖7可知，上部、中部及下部層位再次破碎后原始粒徑(0 mm～2.5 mm)占比分別為：53%，61%，68%，因此壓實終態(tài)上部、中部層位壓實再破碎情況要大于下部層位，三層位多孔結(jié)構(gòu)變化程度依次為：上部>中部>下部。該結(jié)果與聲發(fā)射三維定位結(jié)果相互印證：破碎無煙煤在軸向載荷持續(xù)作用下，靠近運動施壓壓頭的上部及中部層位變形程度大，因此壓實及再次破碎程度最大；而下部層位顆粒由于遠(yuǎn)離施加載荷的壓頭，其顆粒運動、旋轉(zhuǎn)程度小，進(jìn)而壓實及再次破碎程度低，多孔結(jié)構(gòu)的變化小。這也進(jìn)一步說明破碎煤巖體壓實承壓中存在非均勻變形及分層破碎特性。

7 結(jié)論

1) 破碎無煙煤試樣壓實過程可劃分為初始壓密、線性壓實、塑性壓固3個階段。初始壓密階段發(fā)生在破碎煤巖體抗壓強度的1%時，當(dāng)軸向加載應(yīng)力增加至其抗壓強度的約1%～35%時，應(yīng)力時間曲線呈現(xiàn)明顯的線性特征。當(dāng)破碎無煙煤進(jìn)入塑性壓固階段后則表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

2) 破碎無煙煤試樣壓實-聲發(fā)射參數(shù)可以很好地表征其軸向壓縮的3個不同階段。在初始壓密階段，破碎無煙煤聲發(fā)射信號較弱，此時主要為少量顆粒摩擦型聲發(fā)射信號；由于擁有較為密實的骨架結(jié)構(gòu)，線性壓實階段中顆粒摩擦型、破碎型聲發(fā)射信號突增，聲發(fā)射累積計數(shù)、累積能量呈現(xiàn)“下凸”增長趨勢；進(jìn)入塑性壓固階段后，聲發(fā)射累積計數(shù)、累積能量曲線呈現(xiàn)出近似直線型的增長模式。

圖5 破碎無煙煤聲發(fā)射空間定位時空演化剖面投影圖Fig.5 Spatiotemporal evolution profile of acoustic emission spatial location of crushed anthracite

表1 破碎無煙煤聲發(fā)射密集度統(tǒng)計表Table 1 Statistics of AE density of crushed coal

圖6 破碎無煙煤不同層位聲發(fā)射密集度隨加載階段演化圖Fig.6 Evolution of AE intensity of different layers of crushed anthracite with loading stage

圖7 破碎無煙煤壓實終態(tài)不同層位粒徑分布圖Fig.7 Particle size distribution of different layers of crushed anthracite in final state of compaction

3) 聲發(fā)射三維定位顯示破碎無煙煤試樣具有分層壓實破碎特征，其破壞首先發(fā)生在中部層位，隨著壓縮程度的增大破壞現(xiàn)象逐漸向上部及下部層位轉(zhuǎn)移，直到下部層位達(dá)到較大的密實程度時，下部層位破壞才會發(fā)生，否則其內(nèi)部破裂一直優(yōu)先發(fā)生在中部及上部層位。

4) 壓實終態(tài)破碎無煙煤試樣粒徑再次篩分結(jié)果顯示，上部及中部層位顆粒破碎情況要大于下部層位再次破碎情況；破碎無煙煤下部層位在軸向壓縮情況下壓實變形程度最低，多孔結(jié)構(gòu)相較于上部、中部層位以及承壓前的多孔結(jié)構(gòu)變化程度最小。