组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系研究*

肖晓春，樊玉峰，吴　迪,丁　鑫，王　磊

(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

0　引言

深部开采已成为煤炭工业发展的必然趋势，转入深部开采后，由于人工扰动使得原岩应力重分布，岩体应力状态不断变化，煤岩动力灾害时有发生，其不可预测性严重制约着煤矿安全生产。现有研究结果表明冲击地压是顶板和煤体组成的力学系统非稳定变形失稳诱发的灾难性工程灾害。以整个岩煤系统为研究对象，明确顶板、煤层受载变化过程能量演化规律及其表现形式，厘清“顶板-煤体”系统失稳灾变力学机制，探究伴随其受载破坏产生的声发射及电荷产生机制，掌握其变化规律并提出基于声发射-电荷信号的煤体失稳灾变判定方法，对于预测和防治深部矿井冲击地压灾害具有重要的科学意义和工程价值。

国内外学者在组合煤岩和声-电信号特征方面已进行了大量基础的研究，刘少虹等[1-2]分析了动静加载下组合煤岩的应力波传播机制和能量耗散；张小涛等[3]就煤层厚度与硬度对冲击矿压的影响做了数值模拟；赵毅鑫等[4]从声发射的角度考虑了煤岩组合体破坏前兆的规律；代君伟等[5]通过实验分析了组合煤岩顶板煤样高度比与冲击倾向性的关系；陈光波等[6]通过实验研究得到了组合岩体动力破坏能量积聚规律；陆菜平等[7]进行了组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究；肖晓春等[8-9]通过实验研究了组合煤岩破裂声发射特性、电荷特征和冲击倾向性之间的关系；潘一山等[10-14]开展了煤岩单轴压缩实验与不同温度下电荷感应实验；李忠辉等[15]研究了煤岩在单轴压缩、拉伸、三点弯曲等不同破坏方式下的表面电位特征和规律；邱兆云等[16]探究了围压和孔隙压变化对声发射信号的影响；贾炳等[17]进行煤岩多次加载实验得到声发射信号滞后的规律。

前人已经对组合煤岩力学行为与声发射、电荷信号变化规律进行了深入研究，但综合分析组合煤岩破裂与声-电荷信号变化规律的研究工作开展甚少，本文以前人研究成果为基础，采用物理实验和数值实验相结合的方式开展组合煤岩单轴压缩试验，得到了受顶板岩石性质、岩煤高度比影响的组合煤岩破裂过程中的声-电荷信号变化规律，为预测煤与冲击地压等煤岩动力灾害原理、方法提供基础数据。

1　试验系统与方案

为研究顶板岩石高度对组合煤岩力学性质和声发射-电荷信号的影响，选取新邱矿区煤样与砂岩制成直径50 mm，高度100 mm的标准组合试样。

1.1　试样制备

将凿取的煤、岩试块密封装箱后运到实验室，利用煤岩切割机将其切割成标准试样，在磨平机上将加工好的岩、煤试块按平整度不超过0.2 mm的标准磨平，用粘合剂黏结固化，岩煤组合体总高度为100 mm，其中岩石高度为30，40和50 mm，相应的煤高度为70，60和50 mm，方便起见后文记为岩煤高度比0.42，0.67和1。如图1所示。

图1　组合煤岩试样实物Fig.1　Physical diagram of coal rock combinations samples

1.2　试验系统

试验主要利用MTS岩石力学测试系统控制和记录载荷、位移等力学参数，试验机最大静荷载2 000 kN，荷载精度0.5%，声发射监测系统采集声发射信号，采样频率1 000 kHz，门槛值40 db，电荷信号监测系统的采样频率设置为1 000 Hz，装置实物和试验示意图如图2所示。

1.3　试验方案

试验采用位移加载的加载方式，加载速率0.01 mm/s，对制备的煤样，岩样和组合试样开展单轴压缩声发射-电荷信号监测试验，实验方案如表1所示。

表1　试验方案

图2　试验系统Fig.2　Test system diagram

2　组合煤岩力学性质试验研究

2.1　组合煤岩各亚层力学性质

为探究组合试样性质受各亚层性质影响，分别分析各亚层的力学性质，在纯岩试样和纯煤试样的单轴压缩试验中得到其应力-应变曲线以及破坏后试样如图3所示。

图3　纯岩试样与纯煤试样以及应力-应变曲线Fig.3　Stress-strain curves of pure rock sample and pure coal sample

从图3各试样的应力-应变曲线中可见砂岩和新邱煤试样的力学性质具有明显差异性，新邱煤受载时更易发生变形，其弹性模量和强度都远低于砂岩，砂岩储存的弹性能要远多于新邱煤，峰后应力残余阶段岩石应力跌落速度较煤更快；砂岩破坏呈劈裂状，而煤的破坏为均匀的小块，这是由于煤本身存在空隙和裂隙，强度较低，并且破坏的更均匀。表2为砂岩试样和新邱煤试样强度和弹性模量的均值，二者性质差值较大。

表2　组合试样各亚层力学参数均值

2.2　岩石高度影响的组合煤岩力学性质

选择1组岩煤高度比分别为0.42，0.67，1的砂岩-新邱煤组合试样(A1，B1，C1)与纯岩石、纯煤绘制出应力-应变曲线如图4(a)所示，得到不同岩煤高度比条件下的数值实验结果如图4 (b)～(c)所示。

同时进行2组RFPA数值模拟实验，参数如表3所示。

表3　RFPA主要参数

图4　不同岩煤高度比下组合试样应力-应变曲线与数值实验结果Fig.4　Stress strain curves and numerical experimental results of composite specimens with different height ratios of rock to coal

图4(a)为不同岩煤高度比下应力-应变曲线，岩石的强度和弹性模量远大于组合试样和纯煤的强度，纯煤试样的强度最低，组合试样的强度介于两者之间并且更接近纯煤试样，随着岩石高度增加，组合试样的强度，弹性模量和压密极限均随之增加。从曲线上来看，纯煤、纯岩石和组合试样均包含4个阶段：压密，弹性，强化和峰后应力残余阶段，理论上受载时各亚层也经过这4个阶段，但在组合试样中煤属于软弱层，岩石和煤体受载时，煤的变形大于岩石的变形，在岩石还处于弹性阶段时煤层就已经达到强度峰值并发生破坏；岩石高度增加，煤高度减少，所含孔隙和裂隙减少，受到尺寸效应的影响煤的强度提升，整体的强度也随之提升；岩石所占比例增加，组合试样的均匀程度提高，性质更接近岩石的性质，峰后应力软化情况减少，脆性特征显著，弹性模量也提高，且压密极限提高，这表明岩石高度的增加对于组合试样整体的抗压能力有一定提高作用。而图4(b)～(c)为利用RFPA数值计算得到的结果，不难发现随着岩煤高度比的增加，强度不断提高，斜率即弹性模量也随之增大，从数值计算方面印证了物理实验的结论。如图5为试验测得纯岩、纯煤和组合试样的强度和弹性模量变化趋势，其表明了砂岩-新邱煤组合试样的强度和弹性模量随岩石高度增加而有增加的趋势。

图5　强度-弹性模量随岩石高度变化趋势Fig.5　Change trend of strength-elastic modulus with the thickness of the roof

2.3　岩石高度影响的组合煤岩声-电荷信号

信号作为检测试样受载过程中应力状态变化的工具，其反映破坏的程度，故取前文所取试样试验过程中监测到的声发射-电荷信号，绘制不同组合方式的组合煤岩应力-时间关系与声发射能量、电荷信号关系图像如图6所示。探究岩煤高度比改变对信号的影响情况。

图6　声发射-电荷信号与应力关系Fig. 6　Acoustic emission-charge signal versus stress image

图6为不同组合方式的组合煤岩试验过程中监测到的声发射-电荷信号与应力之间关系，从整体来看声发射信号是不断产生的，电荷信号只在应力突降处，并且电荷信号出现的时间总是要略微落后于声发射信号，这是由于声发射信号主要监测煤体破坏释放的应力波，电荷信号主要是破坏后裂纹尖端扩展造成的电荷分离，煤体在破裂时先释放应力波，然后电荷分离并监测到电荷信号，所以电荷信号要发生滞后。在压密阶段声发射信号产生是不稳定的，是由于煤内部结构复杂，存在的空隙和裂纹不完全一样，压密阶段由于空隙闭合而产生的声发射信号多少不同，但此阶段几乎不存在裂纹的扩展，电荷信号几乎没有；在弹性阶段，裂纹不断萌生，因此图6(a)～(c)三者在弹性阶段均有声发射信号产生，裂纹扩展或应力突降处则出现电荷信号；在应力峰值和峰后破坏处，煤发生失稳破坏，组合试样达到应力峰值，承载面突然破坏，裂纹迅速扩展，不断有大量电荷分离和应力波释放从而产生大量信号；不同组合方式的组合试样在峰后产生的声-电荷信号都是连续密集的。

对比图6(a)～(c)可以得到岩石高度对声发射-电荷信号的影响情况：岩石高度增加，弹性阶段声发射信号产生时间提前，声发射能量高值提高，峰后电荷信号密集度增加。随着岩煤高度比的增加，煤层部分含量减少，其包含的空隙和随机裂纹减少，压密阶段变短，图6(a)～(c)进入弹性阶段的时间分别为220，150和130 s，而在弹性阶段产生声发射信号的时间依次为225，175和135 s左右，随岩石高度增加裂纹扩展时间提前，根据脆性材料断裂准则可知，裂纹产生后就更易破坏，因此可以从弹性阶段出现声发射信号的时间推测煤岩内部的应力状态，估计破坏时间，峰后的声发射能量高值的变化反映了破坏的剧烈程度；电荷信号的产生意味着破坏的发生，随着岩石高度的增加，峰后电荷信号的密集程度也不断增加，这表征了岩煤高度比大的组合煤岩在峰后破坏是不断进行的，破坏是更彻底的。将试验所测峰后声发射能量累积量、电荷累积量和应力-应变曲线中的能量释放情况相结合，得到三者之间拟合关系，如图7所示。

图7　声发射能量、电荷累积量与能量释放关系Fig. 7　Acoustic emission energy-charge accumulation and energy release relationship

如图7为峰后声发射能量累积量与应力-应变曲线中能量释放量之间的关系，从中可以发现声发射能量、电荷累积量与能量释放量呈正相关，声发射能量可以反映应力波释放速度，电荷量反映能量释放情况。将前文所选试样的试验结果和检测到的信号量化分析得到峰后声发射能量变化率和峰后电荷变化率与冲击倾向性指标对应关系如表4所示。

表4　组合试样冲击指标与声发射-电荷信号参数对应关系

表4为试验的量化结果，A，B，C为砂岩组合试样，岩煤高度比从上至下依次为1，0.67和0.42，从中可以清楚发现砂岩-新邱煤组合试样的冲击倾向性依次降低，其对应的声发射-电荷信号与岩石性质和岩石高度具有如下关系：岩石高度越大，冲击倾向性越强，对应的峰后声发射能量变化率越快，峰后电荷量变化率越快。声发射能量变化率反映了弹性波释放速度，电荷量可作为煤岩释放能量的量度[17]，这2个物理量都可以反应在峰值处以及峰后应力残余阶段组合煤岩应力状态变化快慢和破坏的猛烈程度，强冲击组合煤岩破坏时峰后声发射能量变化率和电荷变化率为0.336和204.88 pC·s-1，是中等冲击组合煤岩破坏时声-电荷变化率的10倍左右，因此综合考虑声发射-电荷信号的变化情况可以在一定程度上反演不同冲击倾向性的组合试样应力状态并为判定动力失稳破坏提供依据。

3　结论

1)不同组合方式组合试样的单轴抗压强度，弹性模量均高于纯煤并低于纯岩石，组合试样的冲击倾向性，单轴抗压强度、弹性模量、压密极限和峰后声发射能量释放量均随岩石高度增加而提高，脆性特征也随之增强。

2)声-电荷信号与组合试样的应力状态有良好的对应关系，组合试样内部的缺陷，孔隙闭合以及裂纹扩展情况均可以通过声-电荷信号反映，弹性阶段声发射信号随岩石高度提高而提前产生，声发射能量累积量和电荷累积量与岩石高度呈正相关，冲击倾向性强的试样峰后声发射能量变化率和电荷变化率大。

3)声发射能量反映应力波的释放速度和能量释放速度，电荷信号可以反映裂纹扩展速度，高冲击倾向的组合煤岩破坏时的声-电荷信号变化率是中等冲击试样的10倍，综合考虑声发射信号和电荷信号可以反演煤岩组合体的应力状态并为煤岩破坏提供判据。

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