不同温度作用后煤体单轴压缩声发射特征

肖旸 刘志超 陈龙刚 任帅京 赵帅 周一峰

摘 要：为研究温度对煤体力学特性的影响规律，采用MTS 880试验系统和声发射检测系统对经过不同温度处理的煤体进行单轴压缩全过程声发射测试。结果表明，随着应力的增加，经不同温度处理的各组煤体的累积声发射数量也随之增加，而经不同温度处理的各组煤体所积累声发射存在明显差异，这主要是由于温度使得煤体内部结构发生变化所致。通过区别各组煤体不同时段的声发射特征，不同温度条件对煤体的破坏存在明显差异，随着温度的升高煤体应力-应变全过程中压密过程延长，煤体弹性模量和抗压强度在温度作用下先增后减，140 ℃时为最大值;而随着温度升高，声发射频率表现愈发离散，声发射振铃数与能量在80 ℃时达到最大值。实验结果可为探究热效应对煤体作用机理提供一定的理论依据。

關键词：煤样;温度;应力;单轴压缩;声发射

中图分类号：TD 75 文献标志码：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0105文章编号：1672-9315（2019）01-0028-06

Acoustic emission characteristics of coal samples after

different temperature under uniaxial compression

XIAO Yang，LIU Zhi chao，CHEN Long gang，

REN Shuai jing，ZHAO Shuai，ZHOU Yi feng

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to study the influence of temperature on coal properties，the MTS 880 test system and acoustic emission testing system were used to carry out the uniaxial compression test of coal body after different temperature treatment.The results show that with the increase of stress，the amount of cumulative acoustic emission of each coal body increases with different temperatures，and there is a significant difference in the acoustic emission from each coal body treated at different temperatures，which is mainly due to the change of the internal structure of the coal body.With the increase of temperature，the densifying process is extended during stress strain process of coal，and the modulus of elasticity and the compressive strength of coal increase gradually，then decreases and reach the maximum at 140 ℃ under the action of temperature.With the increase of temperature，the acoustic emission frequency is more discrete，and the number and energy of acoustic emission reaches the maximum at 80 ℃.The experimental results provide theoretical basis for exploring the mechanism of thermal effect on coal.

Key words：coal specimens;temperature;stress;uniaxial compression;acoustic emission

0 引 言

由于煤炭资源持续开采，矿井深度不断增加，深部煤体力学问题已成为煤矿开采研究的热点问题之一[1-2]。由于煤为非均质体，其内部含大量杂质且有原始裂隙分布其中[3]，煤在高温作用后力学性能与常温状态下有较大不同，因此对高温条件下煤体的力学性能进行研究对于探究热效应对煤体作用机理有重要意义。

声发射作为一种无损检测煤岩体内部状态变化的工具，能够反映出煤岩体在应力作用全过程中的裂隙发育[4-5]。通过对煤岩体的声发射信号的分析与研究已有大量成果发表，如李志梁等人采用声发射技术研究了覆岩采动时裂隙发育过程中的能力释放规律[6]。苏承东等人从应力路径角度研究了义马耿村煤样在单轴、三轴和三轴卸围压全过程中的声发射特征[7]。左建平等人对岩石、煤和煤岩组合体单轴压缩下的声发射特征进行了对比研究[8]。张朝鹏等人从层理角度研究了煤岩体单轴压缩下声发射特征[9]。G.Manthei使用不同谐振频率声发射传感器研究了三轴压缩下岩体声发射特征[10]。纪洪广、宋义敏和曾鹏等分别研究了花岗岩、红砂岩和粗砂岩在单轴压缩下的声发射特征[11-13]。这些研究大多数单纯研究煤岩体在应力作用下的声发射特征，对于应力与温度共同作用下煤体声发射特征的研究较少。文中通过构建试验将温度条件与应力条件相结合，研究不同温度下煤岩体单轴压缩声发射特征，分析其应力-应变和能量释放规律，为探究热效应对煤体作用机理提供一定的理论基础。

1 煤样特征和试验方法

1.1 试样特征

煤样采自新疆焦煤集团硫磺沟煤矿2#煤层，煤种为烟煤。为尽量保持煤样原生状态，实验选取从工作面煤壁上采下的完整块煤，按照规程[14]要求沿其垂直节理方向加工成直径为50 mm，高度为100 mm的圆柱体煤样，共12个。煤样两端不平行度小于0.05 mm，上下端直径的偏差度小于0.02 mm，天然密度为1 452～1 671 kg/m3，平均密度为1 611 kg/m3.

1.2 试验设备

升温设备采用程序升温箱，单轴压缩试验加载设备采用MTS 880 Material Test System，該系统轴向加载载荷为±250 kN，全数字计算机自动控制，采用力、行程多种控制方式，试验过程实时显示，试验数据自动采集。声发射采用北京软道时代科技有限公司开发的DS2 16B声发射检测与分析系统，数据采集方式为多通道同步采集。

1.3 试验方法

由于升温系统与声发射难以同步进行，因此本次实验采用升温，保持，冷却，加压方式对煤体进行不同温度作用后的煤岩体进行单轴压缩声发射特征研究。具体过程为：将12个煤岩样以3个为一组，共分为4组，并编号为1-1，1-2，1-3，2--2，2-3，3-1，3-2，3-3，4-1，4-2，4-3.其中1-3，2-3，3-1和4-1试样在加工时出现损伤，称为损伤组，以用于与正常组对比分析。一般认为煤样热解特征温度有：常温，临界温度80 ℃，干裂温度140 ℃和中高温分界点200 ℃[15-16]，因此，将煤岩样放置在程序升温箱内分别进行升温处理，即组1经常温、组2经常温至80 ℃、组3经常温至140 ℃和组4经常温至200 ℃的温度处理，升温速率均为2 ℃/min，并在终点温度下恒温保持1

h左右[17-18]。由于温度作用，140，200 ℃组部分试样有轻微开裂现象。

将4组煤样进行单轴压缩与声发射同步实验。试验前，选用3个声发射传感器分别等距布置在煤岩体上中下位置，并将声发射传感器与煤样接触面涂抹硅酸酯以提高信号采集率，胶带固定。该实验采用位移控制方式，轴向加载速率为

0.002 mm/s，连续加载直至试样完全破坏，系统自动记录试验全过程位移、应力及应变参数。声发射传感器布置及单轴压缩与声发射同步试验示意图如图1所示。

2 试样变形与强度特征

图2为4组煤样单轴压缩试验全程应力应变对比曲线。从图2可知，煤体单轴压缩应力应变全过程分为压密、弹性、塑性和破坏4个阶段。O A段为压密阶段，线性表现为斜率逐渐增大的曲线，该阶段试样内部原生裂隙在压力作用下被压密，试样强度逐渐提高，相应抗变形能力增强。A B阶段为弹性阶段，A B线性特征为斜率恒定的斜线，该阶段试样内部原生裂隙被压密闭合后不再进一步发展，且此阶段应力对试样的影响较小，试样在此阶段强度保持不变。B C阶段为塑性阶段，该阶段线性特征为斜率减小的曲线，表明试样内部产生裂隙并扩展、汇合，最终贯穿导致试样破坏，在C点达到峰值强度。C点以后即为破坏阶段，主要表现为应力瞬间跌落，试样完全破坏。正常组试样曲线特征大致相同，在峰值后应力跌落迅速，破坏瞬间完成，几乎不存在残余强度，表现出脆性特征。而损伤组应力-应变曲线存在一次或多次的应力跌落现象，这是由于在压缩过程中煤岩体受损之处有较大位移所致。常温组试样应力-应变曲线压密阶段变形不明显，这表明煤岩体不经过温度处理，其密实性良好。随着温度升高，压密阶段越发明显，表明温度作用使试样内部裂隙增多，压密过程延长。常温组正常试样应力-应变曲线吻合度较好，随着温度升高，曲线离散性增大，表明温度的升高导致试样非均质特性更加突出，变现出较大的离散性。

试样单轴压缩试验结果见表1.从表1可以看出，1-3，2-3，3-1，4-1数据存在较大偏差，这是由于加工后试样出现裂痕，表明损伤后煤岩体在加压状态下更易被破坏。常温组与80 ℃组正常试样的峰值压强和弹性模量基本保持不变;140 ℃组与80 ℃组试样相比可知，140 ℃组试样的峰值强度与弹性模量有较大提升;200 ℃组试件的两值均为最小值。说明在一定温度内，温度的升高会使煤岩体抗压强度增加，到达一定温度后继续升温会使煤岩体抗压强度减小。可以理解为在较低温度范围内，煤岩体内部易挥发物质如水分等，在升温过程中逐渐挥发殆尽，试样密实度提高进而抗压强度提高;而在温度继续提高时，煤岩体发生热解导致其结构受损，进而使其抗压能力大幅度降低。根据试样峰值强度和弹性模量变化可知，本实验中140 ℃是其峰值强度和弹性模量的突变温度点，可以作为其热破坏的征兆温度点。

3 试样声发射特征

图3为各组试样单轴压缩全过程中的同步声发射特征检测结果（每组各取一个）。

从图3，图4可以看出，各组试样单轴压缩变形全过程的声发射特征有如下规律。

1）在加载初期，即试样处于压密阶段时，声发射波形图出现些许波动，声发射信号相对较弱，声发射振铃数较弱。可以理解为在较低的应力作用下，试样内部的某些原有裂隙开始闭合，闭合过程及闭合裂隙产生轻微错动进而产生声波，此时试样内部能量积蓄不足，声发射能量较少，表现出些许波动。随着应力的不断增加，试样内部能量不断积蓄，裂隙开始发育，新的裂隙产生并扩展，声发射信号表现趋于活跃，振铃数较之前有所增加，此现象可以作为判定试样破坏的前兆。在应力增加至试样极限承载能力时，试样内部产生的裂隙发育完全，裂隙汇合、贯穿，导致宏观破坏发生。此阶段，裂隙之间相互作用频繁，声发射信号显著增强，破坏瞬间声发射振铃数达到峰值;

2）常温组和80 ℃组压密阶段声发射信号相对较强，振铃数和振幅信号在整个应力-应变全过程分布较为均匀。而随着温度升高信号均匀性变差，压密阶段和弹性阶段声发射信号减小。温度达到200 ℃时，声发射信号只有在塑性及破坏阶段较为明显，这说明温度的升高导致压密阶段试样内部裂隙增多，压密阶段延长。

由于试样压缩破坏经历时间不同，且各试样破坏方式有所区别，无法对其各自声发射振铃数、能量进行对比，现将其峰值数据统计见表2.

从表2可以看出，80 ℃时，振铃数达到最大值，而能量达到最小值。这可以理解为，80 ℃时试样内部以物理变化为主，即温度升高导致煤岩体内部水分挥发和瓦斯脱附等而产生许多微小裂隙，表现为声发射振铃数较大，而能量分布较为分散以至于能量数值较小;随着温度升高，试样内部以化学变化为主，煤岩体氧化裂解导致试样结构破坏损伤加剧，表现为振铃数减少，而能量增大。

4 结 论

1）在全应力-应变过程中，随着温度升高，其压密过程延长，试樣峰值压强和弹性模量在常温至140 ℃温度范围内逐渐增大，并在140 ℃达到最大值;140～200℃温度范围内，试样峰值压强和弹性模量迅速跌落，140 ℃可作为该煤样热破坏的温度征兆值;

2）声发射频率图和全应力-应变图反映试样压缩状态一致，其波形密集程度可以较好反映全应力-应变过程。试样在塑性阶段前声发射信号较弱，在塑性阶段后信号明显增强，标志试样破坏前兆，破坏时声发射振铃数与能量达到最大值;

3）不同温度下试样压缩时各个阶段均产生不同程度声发射信号，而随着温度升高，试样压密阶段和弹性阶段声发射信号减弱，其波形表现愈发离散。声发射振铃数与能量在80 ℃时达到最大值，80 ℃可作为煤样内部物理变化向化学变化过渡的临界值。

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