单轴压缩条件下冲击煤岩声发射特性实验研究

宁 超,余 锋,景丽岗

(1.河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000;2.江西省煤矿设计院,江西南昌 330029)

单轴压缩条件下冲击煤岩声发射特性实验研究

宁 超1,余 锋2,景丽岗1

(1.河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000;2.江西省煤矿设计院,江西南昌 330029)

为了更深入地了解具有冲击倾向性煤体声发射特性,利用 RMT150B试验机对冲击煤体在单轴压缩条件下全过程声发射特性进行研究,得出煤岩体破坏时应力、声发射特性参数之间随时间的变化曲线,并将整个过程分为 5个阶段。研究发现声发射参数在试样屈服阶段出现了“平静期”,标志煤样破坏前兆。通过比较不同弹性模量试样的声发射特性,发现随着弹性模量的增加,声发射特性的平均水平越高。煤岩在加、卸载时,当加载至弹性阶段时卸载,煤样在压密阶段的声发射信号比相对应的卸载阶段明显要强,而在弹性阶段声发射基本相同。当加载至屈服阶段时卸载,声发射在整个加载阶段都要比卸载时强,且越接近临界载荷卸载越明显。

单轴压缩;冲击倾向性;声发射;加卸载

煤岩是一种具有内部结构的非均匀介质,在外载荷的作用下,煤内部的微裂隙成核、扩展以及相互之间的作用决定了煤岩的宏观变形、破裂特性。煤岩从变形致破坏可以看作是一个逐渐发展的过程,由变形、损伤直至发展到宏观破坏,在这个过程中,以弹性波的形式释放应变能叫做声发射。研究表明,声发射信号特征可以推断出受力岩石内部性态的变化,从而可以反演出岩石的破坏机制。国内外学者对煤岩的声发射特性做了一些研究,S.Masahiro等[1]通过对单轴压缩煤样的定位研究,指出声发射源沿裂隙呈条带分布;F.Satoshi等[2]对声发射测试煤层压力分布时,对钻孔直径与声发射参数的关系做了定量的研究;V.L.Shkuratnik[3]等研究了不同加载方式下煤岩受力破坏的声发射特性。国内曹树刚等[4]对突出煤体变形破坏做了综合分析,指出振铃计数比更为准确地反应煤体变形破坏的声发射;刘保县等[5]对重塑煤样单轴压缩变形损伤及声发射特征进行了研究,将声发射特性分为 4个阶段;王恩元等[6]对单轴压缩煤体破裂过程中声发射的频谱特征进行研究,发现煤体声发射的频谱特征变化与煤体变形破裂过程密切相关;窦林名等[7]对煤岩体变形破坏过程中的声发射和电磁辐射的规律进行分析研究,提出煤岩冲击破坏的弹塑脆性模型;李庶林等[8]对 3种不同岩石单轴受压岩石破坏全过程中的声发射特征进行研究,得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征;徐涛等[9]应用 RFPA岩石力学数值模拟软件对孔隙压力作用下煤岩的变形强度特性进行了数值模拟实验研究。从上面的研究来看,对具有冲击倾向性煤体声发射特性研究很少,为此本文将对具有冲击倾向性煤体单轴压缩全过程的声发射特性进行分析,研究煤样分别在加载到弹性和屈服阶段卸载时声发射特性,同时比较弹性模量对声发射特性影响。

1 试样的采集及实验方法

本次实验的煤样采自平煤集团八矿,为尽可能保持煤样原有的状态,煤样从工作面煤壁上选取比较完整大煤块,煤样按照规程的要求,沿垂直层理方向加工成直径为 50mm,长度为 100mm的圆柱体,煤样两端不平行度小于 0.05。

试验加载设备采用 RMT-150B岩石力学试验系统,该系统最大轴向加载载荷 1000kN,全数字计算机自动控制,采用位移控制方式,试验过程实时显示,实验数据自动采集。声发射测试采用北京科海恒生科技有限公司生产的 CDAE-1声发射检测与分析系统,采样频率为 1.5MHz,门槛值为48。实验系统如图 1所示。

图1 实验装置

试验时将声发射传感器耦合在试件上,为保证耦合效果,在探头与试件接触部位涂上一层黄油,再用胶布把探头固定。为了减少断面影响,将声发射探头放在试样的中部。

2 实验结果的分析

2.1 煤样的冲击倾向性

按照中华人民共和国煤炭行业标准MT/T174-2000《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》煤样在 RMT-150B岩石力学实验系统进行冲击倾向性实验,得到八矿丁组、戊组煤样的声发射特性冲击倾向指标,如表 1。

表1 八矿丁5-6与戊9-10煤层冲击倾向性指标

从表中可以看出丁5-6煤层为中等偏强冲击倾向性煤层,而戊9-10煤层为中等冲击倾向性煤层。

2.2 单轴压缩条件下煤样声发射特性分析

反映声发射特性的参数有多个,本文采用声发射计数率 (CNT)、声发射能量计数率 (简称能率,ENE)、声发射累计计数及累计能量计数来分析煤样压缩过程中的声发射特性。声发射率为单位时间内所观测到的振铃计数,也称振铃计数率,声发射率反映了声发射发生的频度,同时在一定程度上反映了声发射信号的幅度,因而涉及声发射能量;声发射能率是指单位时间内所观测的全部事件的发射能的总和,与所观测到的事件所在波形的幅度值的平方成正比,反映了声发射的强弱。煤样单轴压缩破坏过程的声发射试验结果如图 2,以丁5-6煤层编号A41试样为例。

图2 煤样应力、声发射与时间关系

从图 2看出,声发射随应力变化可分为 5个阶段,即压密阶段、弹性阶段、塑性破坏阶段、破坏后阶段和残余应力阶段。在压密阶段,煤岩的声发射水平较弱,声发射计数及能量都处于较低水平,累计计数及累计能量也较低,进入弹性阶段,声发射水平有所增强,在弹性阶段的后期,声发射水平增加较快,在该阶段,断续有些峰值,说明煤岩是脆性破坏,其内部有微小的破坏;当单轴压缩进入弹塑性破坏阶段,声发射水平迅速增大,应力达到极限应力的 85%～95%时,声发射能量及计数反而降低,进入相对平静期,这是因为初始裂纹形成之后,裂纹并不是随着应力或应变的增加直接扩展,而是需要吸收一部分能量,当能量积蓄到一定程度时才进行扩展,即煤样发生小破裂后,在下一个破裂前,其内部应力场寻求新的平衡,新的平衡之后裂纹才会扩展,该时刻可以作为冲击矿压发生的前兆信息,在实践中具有重要意义。在达到极限荷载时,声发射计数和能量达到最大值,在该阶段累计计数和能量曲线曲率明显增大,说明在该阶段增长速度很快,煤岩在破坏后,并没有完全丧失其强度,声发射能量及计数仍有较大峰值,但累计计数和能量增长放缓,主要是因为主破坏后,继续加载,发生地段破坏,在残余应力阶段,声发射水平很弱,累计计数和累计能量很难看出有增长。

2.3 弹性模量对声发射特性的影响

弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标,是反映材料抵抗弹性变形能力的指标。本次试验比较八矿丁5-6和戊9-10煤体单轴压缩条件下不同弹性模量声发射平均计数和平均能量指标。实验时,各组实验加载速度相同,结果如图 3。

图3 弹性模量与声发射平均水平关系

从图 3中可以看出,随着弹性模量的增大,声发射计数及能量的平均值相对也较高,这是因为弹性模量大,抵抗变形能力就越强,煤体破坏前吸收的能量就越高,破坏过程产生弹性应力波就越强,今后应加强对这方面定量的研究,为地音预测冲击矿压提供定量依据。

2.4 加卸载对煤声发射的影响

2.4.1 加载至弹性阶段卸载

将荷载加载至煤样强度极限的 60%左右,保证没有进入屈服阶段,加卸载过程应力及声发射水平如图 4所示,在 143.8s时卸载,可以看出,声发射在加载初期和相对应的卸载末期差距较大,加载初期由于煤样的原始裂隙的压密,声发射能量及计数都较高,而卸载末期声发射水平较低,是由于这部分压密部分为初始损伤,不能恢复原样造成的。在弹性阶段,加、卸载声发射能量及计数并没有明显的差异,从图 4中可以看出加载阶段的总计数及总能量比卸载过程稍高,这是因为煤样是非均质性体,在压密阶段就有细微的损伤,这与煤样卸载时卸载曲线不能和加载曲线重合相对应。

图4 加载至弹性阶段声发射特性参数随时间变化

2.4.2 加载至屈服时卸载

将荷载加载到煤样强度的屈服阶段 (可以通过曲线的曲率来目测),然后卸载,实验过程中加、卸载速率相同,其声发射时间累计效应如图5。在 98s时开始卸载,可以看出,刚开始卸载时声发射能量及计数较大,并形成第 1个峰值,随着载荷的不断卸除,声发射水平越来越低。在加载过程中,无论是相对应瞬时计数还是总计数都明显比卸载过程中要高,能量也具有相同的结果,这是因为煤样在加载阶段的损伤总是大于在卸载阶段的损伤。本次试验加载过程总计数及能量大概是卸载过程 2倍左右,作者认为,在一定极限范围内,加载越接近强度极限,这个比值应该越大。

图5 加载至屈服极限声发射特性参数随时间变化

3 结论

(1)通过煤样的冲击倾向性实验,得出八矿丁5-6煤具有中等偏强冲击危险,戊9-10煤为中等冲击危险。

(2)研究了冲击煤岩单轴压缩破坏时应力、应变、声发射随时间的累积效应,得出声发射在整个破坏过程随着应力变化分为 5个阶段,即压密阶段、弹性阶段、屈服破坏阶段、峰后阶段和残余变形阶段。在屈服阶段出现声发射的 “平静期”,可以为冲击矿压预测预报提供依据,具有重要的工程意义。

(3)比较不同弹性模量下煤体的声发射平均能量及平均计数,研究表明随着弹性模量的增加,声发射平均计数及平均能量也增加的结论。

(4)冲击倾向性煤岩在加载至弹性阶段时卸载,加卸载时声发射特性在弹性阶段基本相同,在压密阶段加载时声发射比相对应的卸载时高得多,加载过程声发射累计计数和累计能量比卸载时要稍高。加载至屈服阶段时卸载,加载时声发射无论是瞬时计数还是累计计数都明显比卸载过程要高,能量也具有相同的结果。

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[2]SATOSHI F,WATANABE,YOSHITERU.Relation between bit diameter and activities during boring in coal seam：study on acoustic activity due to advance boring in coal seam [J].Journal of the Mining and Metallurgical Institute of Japan,1988,104(1201).

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[4]曹树刚,刘延保,张立强.突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析 [J].岩石力学与工程学报,2007,26(S1).

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[6]王恩元,何学秋,刘贞堂,等.煤体破裂声发射的频谱特征研究 [J].煤炭学报,2004,29(3)：289-292.

[7]窦林名,何学秋.煤岩冲击破坏模型及声电前兆判据研究[J].中国矿业大学学报,2004,33(5)：504-508.

[8]李庶林,尹贤刚,王泳嘉,等 .单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究 [J].岩石力学与工程学报,2004,23(15).

[9]徐 涛,杨天鸿,唐春安,等 .孔隙压力作用下煤岩破裂及声发射特性数值模拟 [J].岩土力学,2004,25(10).

[责任编辑：李宏艳 ]

Experimental Research on Acoustic Emissions Characteristic of Coal and Rock with Bursting Liability under Uniaxial Compression

NING Chao1,YU Feng2,J INGLi-gang1
(1.Resources&Environment School,Henan University of Science&Technology,Jiaozuo 454000,China;2.Coal Mine Design Institute of Jiangxi Province,Nanchang 330029,China)

In order to understand acoustic emissions characteristic of coal and rock with bursting liability more deeply,RMT150B tester applied to researching acoustic emissions characteristic of coal with bursting liability under uniaxial compression,the paper obtained variation curve of stress and acoustic emissions parameter with ti me when coal failed.The whole procedure was divided into 5 phrases.Results showed that acoustic emissions parameter was stable at yield phrase which indicated portent of coal sample.With the elastic module larger,average level of acoustic emission was higher.When coal sample was firstly loaded into elastic phrase and then it was unloaded,acoustic emissions signals in compaction phrase were stronger than that in unloading phrase and basically same with that in elastic phrase.When it was firstly loaded into yield phrase and then was unloaded,acoustic emissions signals during the whole loading phrase were stronger than that in unloading phrase,and the nearer to the critical load,the signals stronger.

uniaxial compression;rock-burst liability;acoustic emissions;loading and unloading

TD315

A

1006-6225(2011)01-0097-04

2010-07-19

宁 超 (1955-),男,河南孟津人,副教授,长期从事煤矿地质教学及科研工作。