三轴压缩下含瓦斯煤样破坏过程的声发射特性

肖福坤， 樊慧强， 刘 刚， 孟祥廪

(1.黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室(黑龙江科技学院)，哈尔滨 150027;2.吉林省金力实验技术有限公司，长春 130012)

0 引言

矿井事故发生的原因是多方面的，其中含瓦斯煤体失稳破坏尤为重要，例如工作面倾倒、煤与瓦斯突出和煤壁片帮等。煤与瓦斯突出是最为严重的灾害之一。煤与瓦斯发生综合假说认为，煤体的物理力学性质、瓦斯压力和地应力共同作用的结果导致煤与瓦斯突出，也就是说，含瓦斯煤岩失稳破坏是煤与瓦斯突出灾害发生的前提条件之一[1－2]。因此，预测煤与瓦斯突出的关键问题是研究含瓦斯煤体失稳破坏。在灾害预测研究中，声发射成为一种非常有效的方法，被国内外学者所关注[3]。刘保县等[4]研究了单轴压缩下煤岩变形损伤及声发射特性;杨永杰等[5－6]开展了对突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析以及煤样单轴压缩破坏过程中的声发射研究;王恩元等[7]对煤样进行了单轴压缩煤体破裂过程中声发射的频谱特征研究;窦林名等[8]对煤岩冲击破坏模型及声电前兆规律进行了分析;秦虎等[9]实验研究不同含水率煤岩受压变形破坏全过程声发射特征。学者们的研究增强了人们对煤岩声发射特性的认识，促进了声发射的应用与发展[10]。目前，含瓦斯煤在三轴作用下失稳破坏过程中的声发射研究报道不多。因此，笔者研究含瓦斯煤的声发射特性，探究含瓦斯煤失稳破坏与声发射的关系。

1 实验设备及方案

1.1 实验设备

含瓦斯煤的声发射实验以加压成型的煤样为研究对象，实验煤样取自具有突出危险倾向且发生过严重煤与瓦斯突出事故的煤层。实验采用TAW－2000KN微机控制电液伺服岩石三轴实验系统和美国物理声学公司生产的SH－2型声发射测试系统，如图1所示。

图1 实验系统示意Fig.1 Sketch of test system

实验过程中，煤样裂纹扩展产生的声发射信号由SH－2声发射检测系统实时记录，并显示声发射的测定数据曲线;煤样所受的轴压、围压与变形由TAW－2000KN微机控制电液伺服岩石三轴实验系统单独自动施加并实时记录数据，显示测定的曲线。实验环境噪声的标定结果显示对声发射实验无影响。

1.2 实验方案

标准煤样高 h100 mm，直径 φ50 mm，高径比1∶2。甲烷气体纯度99.99%。应力控制加载，加载速率为0.2 kN/min，为确保实验过程中的同步采集，三轴实验系统和声发射系统的采样间隔均设定为50 μs，实验时将声发射探头耦合在围压室伸缩杆上，由于实验时试样与垫铁、压头和伸缩杆构成一个整体，所以不考虑信号在传输中的衰减问题。为确保接收信号效果，在探头与伸缩杆接触部位涂上耦合剂，再用胶布将探头固定。煤样在破坏过程中释放能量较低且对实验噪声进行标定，故声发射系统门槛值设定为40 dB。为模拟矿井实际情况，围压(σ3)、瓦斯压力(p)初始值分别设置为2和0.5 MPa。煤样的基本信息见表1。表1中A研究瓦斯压力与声发射之间的关系，B研究围压与声发射之间的关系，C研究常规三轴与声发射之间的关系。

表1 实验基本信息Table 1 Test basic information

2 煤样破坏声发射特性实验

2.1 饱和瓦斯煤样破坏过程声发射

当煤样处于井下环境时，往往含瓦斯气体，瓦斯是以吸附态、游离态两种形态存在于煤体内[11]。煤体内的瓦斯主要以压力形式作用在煤样的空隙和裂隙中，从而影响它的物理力学性质和破坏。因此，对含瓦斯煤样破坏过程声发射特性进行研究，建立声发射与含瓦斯煤样破坏的关系，对预测含瓦斯煤样破坏具有重要意义。为使煤样充分吸收瓦斯，试件装好后持续通瓦斯24 h。实验结果见图2。图2中瓦斯压力为0，围压为2.0 MPa。

图2 煤样在饱和瓦斯状态下破坏过程声发射特性Fig.2 Characteristics of AE coal samples in saturated gas state failure process

图2a是含饱和瓦斯煤样破坏过程AE事件幅值(A)情况。在破坏前含饱和瓦斯煤样幅值比较均一，且大部分在40～60 dB之间波动，反应出含瓦斯煤样变形脆性破坏较少。总体趋势是随着压力的增大而增加，前期出现大振幅主要原因是空隙、裂纹扩展所致。从110 s之后，大振幅时间明显增加，标志着试件即将走向破坏。

图2b为含饱和瓦斯煤样AE事件能量(E)变化情况。随着应力的增加，在屈服阶段前期，AE事件能量一直保持着稳定增长;从屈服阶段到峰值阶段过程中，AE事件能量最大，此时即为断裂点。

图2c是含瓦斯煤样的声发射事件撞击数(n)累计情况。含瓦斯煤样声发射事件撞击累计数在屈服阶段前期稳定增长;从屈服阶段到峰值阶段过程中，声发射事件撞击数突然快速增长，证明裂纹扩展剧烈，并且开始贯通，最终达到宏观断裂。

2.2 含瓦斯煤样破坏过程声发射特性的围压效应

围压对含瓦斯煤样破坏过程起着非常重要的作用，如对强度、弹性模量和泊松比等物理参数的影响。因此，含瓦斯煤样的破坏过程围压必将对声发射产生影响。对瓦斯压力为1 MPa，围压分别为2、4、6 MPa的含瓦斯煤的声发射特性进行实验研究，结果见图3。

图3a、d、g是瓦斯压力为1 MPa，围压分别为2、4、6 MPa下含瓦斯煤样加载破坏过程声发射事件幅值变化情况。在含瓦斯煤样破坏的整个过程中，声发射事件幅值基本保持在40～80 dB之间，随着围压的增大，声发射事件大幅值逐渐减少。主要原因是随着围压的增大，横向阻碍变形的应力增加，使得裂纹的扩展更加困难，能量释放较小，导致以上结果。

图3b、e、h是相同瓦斯压力，不同围压下含瓦斯煤样加载破坏过程中的声发射事件能量变化特征。含瓦斯煤样声发射事件能量曲线比较复杂，但总体上呈上升趋势。随着围压的增大，含瓦斯煤样的声发射事件能量呈下降趋势，原因是由于围压的增加，使得煤样变形减缓所致。

图3c、f、i是相同瓦斯压力，不同围压下含瓦斯煤样加载破坏过程中的声发射事件撞击累计。在各个阶段均有撞击发生，破裂前期突然增多。但随着围压的增加，声发射事件撞击的总数在逐渐减少。这是由于围压增大时，导致含瓦斯煤样轴向上的变形受到的约束增大，因而发生大变形更加缓慢，导致声发射事件撞击总数明显减少。

图4为围压与煤样破坏过程声发射事件总数的关系曲线。由图4可知，围压增加相同幅度时，虽然含瓦斯煤样轴向上受到的约束基本相同，但产生的声发射事件撞击减少的幅度却相差很多。

图3 含瓦斯煤在不同围压下的AE特性Fig.3 Characteristics of AE coal containing gas different confining pressures

图4 围压与煤样破坏过程声发射撞击总数的关系Fig.4 Relation of confining pressure with sum of AE events in failure process of coal sample contained gas

2.3 瓦斯压力对含瓦斯煤样破坏过程声发射特性影响

煤样内瓦斯压力的改变将导致煤体内瓦斯吸附态和游离态的改变，最终导致煤样的力学性质发生变化，使煤样的整个破坏过程受到影响。由此可知，改变瓦斯的压力，必将导致含瓦斯煤样破坏过程中的声发射特性改变。对围压为2 MPa，瓦斯压力分别为0.5、1.0、1.5 MPa三个等级含瓦斯煤样的声发射特性进行实验，结果如图5所示。

图5a、d、g是围压保持2 MPa不变，瓦斯压力分别为0.5、1.0、1.5 MPa下含瓦斯煤样破坏过程AE事件幅值特征。含瓦斯煤样破坏过程中大振幅事件较少而小振幅事件较多，且煤样整个破坏过程中均出现。当瓦斯压力增加时，AE事件幅值呈现减小的趋势，这是由于煤样内的瓦斯压力在空隙内以有效力方式减少外部应力的作用所致。在高瓦斯压力下，小幅值事件出现减少的趋势，主要原因可能是在高瓦斯力作用下，产生同样的形变所需的力较小，煤样内的裂纹扩展和孔隙压缩在较小力作用下就完成了，导致在应力作用后期小振幅声发射事件减少。

图5b、e、h是围压保持2 MPa不变，瓦斯压力分别为0.5、1.0、1.5 MPa下含瓦斯煤样破坏过程AE事件能量特征。含瓦斯煤样破坏过程中的瓦斯压力与AE能量关系明显，当瓦斯压力不断增大时，AE事件能量的平均值有所降低，主要原因可能是在瓦斯压力下，煤样已经有了初始损伤，空隙内存在瓦斯压力，使试件破坏缓慢，导致声发射能量明显降低。

图5 煤样在不同瓦斯压力下破坏过程中的AE特性Fig.5 Characteristics of AE on coal sample in failure process under different gas pressure

图5c、f、i为围压保持2 MPa不变，瓦斯压力分别为0.5、1.0、1.5 MPa下含瓦斯煤样破坏过程AE事件撞击累计。含瓦斯煤样破坏过程中的瓦斯压力与AE事件撞击总数关系明显，当瓦斯压力不断增大时，含瓦斯煤样破坏过程中的AE事件撞击总数逐渐降低，主要原因可能是瓦斯压力存在于煤样的孔隙、裂隙中，最终形成一个与载荷作用相反的力，作用在煤样上的力比实际的要小，导致煤样发生缓慢的小变形。

3 结论

含瓦斯煤样的声发射特性实验研究表明:

(1)AE事件的幅值在破坏前期比较均一，在煤样破坏时声发射事件的幅值迅速增大;含有瓦斯后煤样的声发射事件撞击数在屈服阶段前期增长比较平缓，没有特别的密集区、稀疏区出现，在屈服阶段之后，AE事件撞击数迅速增长;虽然整个实验过程中能量变化幅度较小，但声发射事件的平均能量逐渐增加。

(2)随着围压的增加，AE事件的幅值呈现减小趋势;AE事件的能量虽然变化复杂，但整个过程基本呈现上升趋势;随着围压的增加煤样破坏过程中的声发射事件总数呈减少趋势，AE事件总数与围压的关系可用二次曲线较好的表征。

(3)随着瓦斯压力的不断增加，煤样破坏过程中的声发射大幅值和小幅值事件均减少，声发射事件平均能量降低，声发射事件撞击总数减少，

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