煤岩单轴压缩条件下声发射与破坏特征差异性研究

杨增福，杨胜利，杨文强

(1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102209；2.神东煤炭集团公司，陕西 榆林 719000；3.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

近年来，随着我国煤矿开采深度的增加以及开采条件的日益复杂，冲击矿压、顶板大面积来压及煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害日益严重。声发射作为一种无损监测煤岩体内部裂隙发育过程的手段，在煤岩体破坏过程中利用声发射手段可以捕捉到声发射信号的多种参数，包括撞击次数、振铃计数、能量等，能够有效预测煤岩动力灾害的发生[1-7]。在岩体声发射技术的监测应用中，采场冒顶、片帮和岩爆发生前大多都出现声发射事件的突然下降或出现相对平静期现象[8-16]。很多学者都对声发射在煤岩体破裂过程中的应用做了相关研究。

综上可以看出，国内外学者对煤岩体的声发射特征实验做了大量研究[17-25]，但是针对某一特定矿井煤层与基本顶岩石单轴压缩过程中破坏与声发射能量演化之间的异同点鲜有研究。此次研究的取样地点位于神东矿区布尔台煤矿3盘区12上煤，与此工作面相邻的22煤，42煤工作面经常有工作面大面积顶板来压现象发生，12上煤的赋存条件与这两个工作面类似，将布尔台煤矿12上煤的老顶中粒砂岩和12上煤作为研究对象，研究在单轴压缩的条件下损伤和声发射特征的差异性，通过对不同岩体应力-应变曲线、变形破坏特征、能量曲线的演化特征的研究，得出布尔台煤矿12煤上覆顶煤与基本顶中粒砂岩在受到压缩作用时，在破坏方式与破坏过程中声发射信号参数的表现出极大的不同，为布尔台矿井12上煤首采面的煤岩动力灾害做出预警，同时也可以为本矿井赋存条件相似的其他煤层以及其他矿井条件相似的煤层提供参考。

1 声发射实验

1.1 煤岩体试样的制备

煤岩样原样取自布尔台煤矿12上301运输巷掘进工作面，按照国际岩石力学实验要求将其加工成∅50mm×100mm的标准圆柱体试样，其中煤样尽可能地筛选完整性较好的进行加工，保证实验测试的精度。煤岩样力学参数分别为：岩样的内摩擦角为36°、内聚力为6.04MPa、单轴抗压强度为30MPa、单轴抗拉强度为1.58MPa；煤样的内摩擦角为44°、内聚力为0.79MPa、单轴抗压强度为37MPa、单轴抗拉强度为1.38MPa。

1.2 实验设备

主体实验设备分为两个部分：单轴压缩加载系统和声发射监测系统。单轴压缩实验采用的加载系统是天水红山公司生产的万能试验机；声发射监测系统采用的是北京软岛时代有限公司生产的DS-2声发射监测与数据分析系统。

同时采用GoPro对实验过程全程录像，后期可以使用播放器进行慢速处理，可以观察到煤岩体破坏瞬时的情况。

1.3 实验过程与参数选取

试样单轴压缩采用位移控制加载方式，加载速率控制为0.5mm/min，同时每个试样上粘有六个声发射探头，用以采集煤岩样在单轴压缩条件下破坏时产生的声发射信号(包括撞击次数、能量、振铃计数等)，前置放大器放大增益为40dB，门槛值设置为100dB，为保证传感器与试样之间的耦合度，减少噪声的影响，保证实验的精度，在传感器与转换器之间涂抹一层硅脂。

实验中采用的煤岩试样为标准圆柱体试样，根据声发射设备的监测原理，在实验开始前，圆柱体的各项参数(高和)就已经人工输入到计算机，在实验过程中，试件内部发生破坏时，至少需要柱面上三个点来定位内部的破坏位置，因此我们选取在柱面上选取6个点来安装声发射探头，探头安装完成后，也要采用断铅法进行标定与校准，最后保证探头位置精确后在计算机内输入位置参数，尽可能确保实验的准确性。

2 实验结果与分析

2.1 中粒砂岩破坏及声发射特征分析

岩样在单轴压缩下的全应力-应变曲线可以直观反映岩样受力过程中的应力-应变特性。根据伺服加载试验机记录的数据，绘制出中粒砂岩的应力应变曲线以及声发射撞击次数柱形如图1所示。

图1 中粒砂岩应力-应变曲线及撞击次数

结合其应力应变曲线和声发射撞击次数柱形图分析其破坏过程及破坏过程中声发射撞击次数的变化情况，将其破坏过程和声发射特征分为四个阶段：

1)原生裂隙压密阶段—声发射平静期。在此阶段，试样中的原生裂隙被压实，对照上图，可以看出只有第一个中粒砂岩试样中的原生裂隙较多，在声发射平静期内伴有一个小幅度的声发射信号波动，随着应力的逐渐增大，试样中的原生裂隙被逐渐压实，撞击次数有轻微的波动，而其他两个试件中的原生裂隙较少，完整性较好，在此阶段，声发射信号较弱，声发射撞击数一直保持一个较小的值。

2)弹性阶段—声发射过渡期。在弹性阶段，随着压缩应力的逐渐增大，试件被逐渐压缩变形，但变形处在一个可逆的区间内，应力-应变曲线几乎呈一条直线，与此同时，声发射撞击次数也在稳步上升，能量曲线仍然保持一个较小的值。

3)塑性阶段—声发射活跃期。在岩样塑性变形阶段，应力-应变曲线偏离直线，试件内部产生了不可逆变形，伴随大量新生裂隙的产生、扩展和贯通，伴随着这些裂隙的产生与扩展，声发射强度有明显的提升，撞击次数急剧上升，声发射各种参数都保持一个较高的值，声发射事件活动频繁，此阶段可以作为岩石破坏的前兆信息。

4)破坏阶段—声发射峰值。从应力-应变曲线图可知，此阶段持续时间很短，几乎在瞬间完成，应力值达到试件的极限抗压强度时，试件破坏，应力-应变曲线瞬间跌落，几乎不存在残余强度，试件表现出脆性特征，裂隙之间相互作用频繁，声发射信号有明显的增强，声发射撞击次数达到峰值。

2.2 煤样破坏及声发射特征分析

同样，依据单轴压缩过程中万能试验机上采集到的数据，绘制煤样的应力-应变曲线以及声发射撞击数柱形如图2所示。

图2 煤样应力-应变图及撞击次数

结合其应力应变曲线和声发射撞击次数柱形图分析其损伤演化及破坏过程中声发射撞击次数的变化情况。此时将其破坏过程依然分为四个阶段，而对应的声发射特征情况则可分为五个阶段：

1)原生裂隙压密阶段—声发射平静期与声发射波动期。这个阶段内，煤样与中粒砂岩试样存在较大的差异。在煤样刚开始受力时，还没有发生位移，试样中原生裂隙还未被压缩，因此，声发射撞击次数处于较低的值，基本没有声发射信号产生，此时认为声发射处于平静期；随着应力的继续增加，由于煤样内部的原生裂隙较多，在压力作用下原生裂隙逐渐被压实，相互之间作用频繁，声发射信号有了波动，对照图上反映为撞击次数有一个短暂的上升期，在裂隙闭合后又下降为一个较低的值，此阶段煤样较中粒砂岩试样的存在更明显，更普遍。

2)弹性阶段—声发射过渡期。此阶段煤样与中粒砂岩试样类似，随着压缩应力的逐渐增大，试件被逐渐压缩变形，应力-应变曲线几乎呈一条直线，声发射撞击次数也在逐步上升。

3)塑性阶段—声发射活跃期。在岩样塑性变形阶段，应力-应变曲线偏离直线，试件内部产生了不可逆变形，伴随大量新生裂隙的产生、扩展和贯通，伴随着这些裂隙的产生与扩展，声发射信号变得活跃，强度有明显的提升，撞击次数急剧上升，上升速度要比中粒砂岩试样更快，煤样已经濒临破坏。

4)破坏阶段—声发射峰值。从应力-应变曲线图上可以看出，此阶段煤样与中粒砂岩试样也存在很大差异性，

虽存在一些共性，与中粒砂岩试样一样，持续时间很短，几乎在瞬间完成，试样破坏以后，应力-应变曲线瞬间跌落，几乎不存在残余强度，但不用的是，中粒砂岩试样在破坏以后，声发射撞击次数不是突然下降，峰值以后还有一个下降的阶段，而煤样撞击次数在达到峰值以后，突然降低到0，这是因为中粒砂岩试样在破坏以后，试样完整性还较好，探头还能接受信号，而煤样在破坏后，由于呈崩开式破坏，探头被崩落到地面，无法接受信号，撞击次数为0。

2.3 煤岩体破坏的声发射参数差异性分析

煤岩样压缩声发射特征曲线如图3所示，对比中粒砂岩和煤样在单轴压缩过程中的特征曲线，在两种岩石试样单轴压缩过程中，煤样曲线相较于中粒砂岩试样，煤样的撞击次数曲线图和能量曲线图上都多出了一个裂隙压实期，因为煤体试样中存在的原生裂隙较多，在开始压缩时试样中的原生裂隙首先被压实，会产生一定的声发射信号，使得煤样的声发射特征曲线相较于基本顶中粒砂岩试样特征曲线存在波动。

图3 煤岩样压缩声发射特征曲线

再比较两者在活跃期与破坏时的曲线特征情况，可以看出中粒砂岩试样在破坏前后，其撞击次数曲线与能量演化曲线存在着“多峰值”的情况，说明在中粒砂岩试样在压缩过程中积蓄的能量在破坏前后分多次散失，且能量的量级为105，说明在中粒砂岩试样破坏前后能量分多次散失，导致试样最终破坏时表现的较为平缓；对比煤样在破坏前后的曲线特征，可以看出，在整个压缩过程中，能量曲线峰值仅出现了一次，而且对应的能量强度较中粒砂岩的能量强度要高一个数量级，为106，说明在煤样的单轴压缩破坏时积蓄的能量在瞬间全部释放，导致试件破坏特别剧烈，呈崩坏形式。

由图4可知，对照两种试样的破坏形式，中粒砂岩试样的最终的破坏表现为沿主裂纹的单斜面剪切破坏，破坏面法线与载荷轴线夹角约为60°，从GoPro上录制的视频上可以看出，中粒砂岩试样在单轴压缩过程中，试样表现的破坏过程特别平缓，在压缩过程中没有发出声响，仅在破坏时发出一声很小的声响，试样随之破坏，且破坏平缓，这一点也可以与其能量曲线相互对应，且从声发射定位点图上也可以看出试件破坏的裂隙轮廓，而且定位点数量少也可以侧面印证了其破坏过程比较平缓。

图4 煤岩样破坏及声发射定位点

与中粒砂岩试样的破坏相比的，煤样的最终破坏形式就表现的特别剧烈，从图上可以看出，煤样破坏后，只剩下上下部分，中间部分已经完全破坏，破坏特别剧烈，通过GoPro上录制的视频可以看到，在单轴压缩过程中，在压缩后半段时间内，时常有煤体碎屑崩出且伴随着较小的声响，在最终破坏时，煤体试样直接崩坏且伴随大量煤体碎屑呈四周飞出，并发出较大的声响，说明此刻瞬间释放出大量能量，与能量曲线的变化也有着很好的对应性；再看其声发射过程定位点图，对照的破坏点分布在煤样中部，分布特别密集且杂乱无章，与最终的破坏形式也相吻合。

3 结 论

1)结合声发射撞击次数及应力-应变曲线可以看出，不管是中粒砂岩还是煤样，其应力-应变曲线与声发射特征曲线有着高度的一致性，撞击次数的峰值基本均出现在应力曲线的峰值之前，这为井下煤岩动力灾害的预警提供了思路，可以采用声发射手段数据采集分析，根据不同条件矿井提前设置一个合适撞击次数预警峰值，在本文涉及的煤岩样本可以将预警峰值设置为150～200，一旦采集数据超过预警峰值，及时处理，有备无患，进行提前预测灾害的发生。

2)结合声发射撞击次数以及定位点图可以看出，在整个单轴压缩加载过程中，中粒砂岩试件的声发射事件数要远小于煤体试件的声发射事件数，但二者的定位点图都能大致反映到试件的破坏上，与试件的破坏形式有很高的一致性，中粒砂岩定位点图中的点比较稀疏，但可以反映出试件的破坏面，破坏呈现多次较为缓和的破坏，煤样定位点图中的点密集且集中，反映到试件的破坏形式上为程度较为剧烈的破坏。

3)结合能量曲线可以看出，中粒砂岩试样的能量曲线在破坏前后表现为多峰值情况，说明试件在破坏前后能量分多次散失，导致试件破坏不严重，破坏过程平缓，最终破坏形式为单斜面剪切破坏；而煤样则表现为单峰值情况，说明能量在破坏瞬间大量释放，导致试件破坏严重，表现为崩坏情况。