寧 超,余 鋒,景麗崗

(1.河南理工大學資源環(huán)境學院,河南焦作 454000;2.江西省煤礦設計院,江西南昌 330029)

單軸壓縮條件下沖擊煤巖聲發(fā)射特性實驗研究

寧 超1,余 鋒2,景麗崗1

(1.河南理工大學資源環(huán)境學院,河南焦作 454000;2.江西省煤礦設計院,江西南昌 330029)

為了更深入地了解具有沖擊傾向性煤體聲發(fā)射特性,利用 RMT150B試驗機對沖擊煤體在單軸壓縮條件下全過程聲發(fā)射特性進行研究,得出煤巖體破壞時應力、聲發(fā)射特性參數(shù)之間隨時間的變化曲線,并將整個過程分為 5個階段。研究發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射參數(shù)在試樣屈服階段出現(xiàn)了“平靜期”,標志煤樣破壞前兆。通過比較不同彈性模量試樣的聲發(fā)射特性,發(fā)現(xiàn)隨著彈性模量的增加,聲發(fā)射特性的平均水平越高。煤巖在加、卸載時,當加載至彈性階段時卸載,煤樣在壓密階段的聲發(fā)射信號比相對應的卸載階段明顯要強,而在彈性階段聲發(fā)射基本相同。當加載至屈服階段時卸載,聲發(fā)射在整個加載階段都要比卸載時強,且越接近臨界載荷卸載越明顯。

單軸壓縮;沖擊傾向性;聲發(fā)射;加卸載

煤巖是一種具有內部結構的非均勻介質,在外載荷的作用下,煤內部的微裂隙成核、擴展以及相互之間的作用決定了煤巖的宏觀變形、破裂特性。煤巖從變形致破壞可以看作是一個逐漸發(fā)展的過程,由變形、損傷直至發(fā)展到宏觀破壞,在這個過程中,以彈性波的形式釋放應變能叫做聲發(fā)射。研究表明,聲發(fā)射信號特征可以推斷出受力巖石內部性態(tài)的變化,從而可以反演出巖石的破壞機制。國內外學者對煤巖的聲發(fā)射特性做了一些研究,S.Masahiro等[1]通過對單軸壓縮煤樣的定位研究,指出聲發(fā)射源沿裂隙呈條帶分布;F.Satoshi等[2]對聲發(fā)射測試煤層壓力分布時,對鉆孔直徑與聲發(fā)射參數(shù)的關系做了定量的研究;V.L.Shkuratnik[3]等研究了不同加載方式下煤巖受力破壞的聲發(fā)射特性。國內曹樹剛等[4]對突出煤體變形破壞做了綜合分析,指出振鈴計數(shù)比更為準確地反應煤體變形破壞的聲發(fā)射;劉保縣等[5]對重塑煤樣單軸壓縮變形損傷及聲發(fā)射特征進行了研究,將聲發(fā)射特性分為 4個階段;王恩元等[6]對單軸壓縮煤體破裂過程中聲發(fā)射的頻譜特征進行研究,發(fā)現(xiàn)煤體聲發(fā)射的頻譜特征變化與煤體變形破裂過程密切相關;竇林名等[7]對煤巖體變形破壞過程中的聲發(fā)射和電磁輻射的規(guī)律進行分析研究,提出煤巖沖擊破壞的彈塑脆性模型;李庶林等[8]對 3種不同巖石單軸受壓巖石破壞全過程中的聲發(fā)射特征進行研究,得到了巖石破壞全過程力學特征和聲發(fā)射特征;徐濤等[9]應用 RFPA巖石力學數(shù)值模擬軟件對孔隙壓力作用下煤巖的變形強度特性進行了數(shù)值模擬實驗研究。從上面的研究來看,對具有沖擊傾向性煤體聲發(fā)射特性研究很少,為此本文將對具有沖擊傾向性煤體單軸壓縮全過程的聲發(fā)射特性進行分析,研究煤樣分別在加載到彈性和屈服階段卸載時聲發(fā)射特性,同時比較彈性模量對聲發(fā)射特性影響。

1 試樣的采集及實驗方法

本次實驗的煤樣采自平煤集團八礦,為盡可能保持煤樣原有的狀態(tài),煤樣從工作面煤壁上選取比較完整大煤塊,煤樣按照規(guī)程的要求,沿垂直層理方向加工成直徑為 50mm,長度為 100mm的圓柱體,煤樣兩端不平行度小于 0.05。

試驗加載設備采用 RMT-150B巖石力學試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)最大軸向加載載荷 1000kN,全數(shù)字計算機自動控制,采用位移控制方式,試驗過程實時顯示,實驗數(shù)據(jù)自動采集。聲發(fā)射測試采用北京科海恒生科技有限公司生產的 CDAE-1聲發(fā)射檢測與分析系統(tǒng),采樣頻率為 1.5MHz,門檻值為48。實驗系統(tǒng)如圖 1所示。

圖1 實驗裝置

試驗時將聲發(fā)射傳感器耦合在試件上,為保證耦合效果,在探頭與試件接觸部位涂上一層黃油,再用膠布把探頭固定。為了減少斷面影響,將聲發(fā)射探頭放在試樣的中部。

2 實驗結果的分析

2.1 煤樣的沖擊傾向性

按照中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT/T174-2000《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》煤樣在 RMT-150B巖石力學實驗系統(tǒng)進行沖擊傾向性實驗,得到八礦丁組、戊組煤樣的聲發(fā)射特性沖擊傾向指標,如表 1。

表1 八礦丁5-6與戊9-10煤層沖擊傾向性指標

從表中可以看出丁5-6煤層為中等偏強沖擊傾向性煤層,而戊9-10煤層為中等沖擊傾向性煤層。

2.2 單軸壓縮條件下煤樣聲發(fā)射特性分析

反映聲發(fā)射特性的參數(shù)有多個,本文采用聲發(fā)射計數(shù)率 (CNT)、聲發(fā)射能量計數(shù)率 (簡稱能率,ENE)、聲發(fā)射累計計數(shù)及累計能量計數(shù)來分析煤樣壓縮過程中的聲發(fā)射特性。聲發(fā)射率為單位時間內所觀測到的振鈴計數(shù),也稱振鈴計數(shù)率,聲發(fā)射率反映了聲發(fā)射發(fā)生的頻度,同時在一定程度上反映了聲發(fā)射信號的幅度,因而涉及聲發(fā)射能量;聲發(fā)射能率是指單位時間內所觀測的全部事件的發(fā)射能的總和,與所觀測到的事件所在波形的幅度值的平方成正比,反映了聲發(fā)射的強弱。煤樣單軸壓縮破壞過程的聲發(fā)射試驗結果如圖 2,以丁5-6煤層編號A41試樣為例。

圖2 煤樣應力、聲發(fā)射與時間關系

從圖 2看出,聲發(fā)射隨應力變化可分為 5個階段,即壓密階段、彈性階段、塑性破壞階段、破壞后階段和殘余應力階段。在壓密階段,煤巖的聲發(fā)射水平較弱,聲發(fā)射計數(shù)及能量都處于較低水平,累計計數(shù)及累計能量也較低,進入彈性階段,聲發(fā)射水平有所增強,在彈性階段的后期,聲發(fā)射水平增加較快,在該階段,斷續(xù)有些峰值,說明煤巖是脆性破壞,其內部有微小的破壞;當單軸壓縮進入彈塑性破壞階段,聲發(fā)射水平迅速增大,應力達到極限應力的 85%～95%時,聲發(fā)射能量及計數(shù)反而降低,進入相對平靜期,這是因為初始裂紋形成之后,裂紋并不是隨著應力或應變的增加直接擴展,而是需要吸收一部分能量,當能量積蓄到一定程度時才進行擴展,即煤樣發(fā)生小破裂后,在下一個破裂前,其內部應力場尋求新的平衡,新的平衡之后裂紋才會擴展,該時刻可以作為沖擊礦壓發(fā)生的前兆信息,在實踐中具有重要意義。在達到極限荷載時,聲發(fā)射計數(shù)和能量達到最大值,在該階段累計計數(shù)和能量曲線曲率明顯增大,說明在該階段增長速度很快,煤巖在破壞后,并沒有完全喪失其強度,聲發(fā)射能量及計數(shù)仍有較大峰值,但累計計數(shù)和能量增長放緩,主要是因為主破壞后,繼續(xù)加載,發(fā)生地段破壞,在殘余應力階段,聲發(fā)射水平很弱,累計計數(shù)和累計能量很難看出有增長。

2.3 彈性模量對聲發(fā)射特性的影響

彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標,是反映材料抵抗彈性變形能力的指標。本次試驗比較八礦丁5-6和戊9-10煤體單軸壓縮條件下不同彈性模量聲發(fā)射平均計數(shù)和平均能量指標。實驗時,各組實驗加載速度相同,結果如圖 3。

圖3 彈性模量與聲發(fā)射平均水平關系

從圖 3中可以看出,隨著彈性模量的增大,聲發(fā)射計數(shù)及能量的平均值相對也較高,這是因為彈性模量大,抵抗變形能力就越強,煤體破壞前吸收的能量就越高,破壞過程產生彈性應力波就越強,今后應加強對這方面定量的研究,為地音預測沖擊礦壓提供定量依據(jù)。

2.4 加卸載對煤聲發(fā)射的影響

2.4.1 加載至彈性階段卸載

將荷載加載至煤樣強度極限的 60%左右,保證沒有進入屈服階段,加卸載過程應力及聲發(fā)射水平如圖 4所示,在 143.8s時卸載,可以看出,聲發(fā)射在加載初期和相對應的卸載末期差距較大,加載初期由于煤樣的原始裂隙的壓密,聲發(fā)射能量及計數(shù)都較高,而卸載末期聲發(fā)射水平較低,是由于這部分壓密部分為初始損傷,不能恢復原樣造成的。在彈性階段,加、卸載聲發(fā)射能量及計數(shù)并沒有明顯的差異,從圖 4中可以看出加載階段的總計數(shù)及總能量比卸載過程稍高,這是因為煤樣是非均質性體,在壓密階段就有細微的損傷,這與煤樣卸載時卸載曲線不能和加載曲線重合相對應。

圖4 加載至彈性階段聲發(fā)射特性參數(shù)隨時間變化

2.4.2 加載至屈服時卸載

將荷載加載到煤樣強度的屈服階段 (可以通過曲線的曲率來目測),然后卸載,實驗過程中加、卸載速率相同,其聲發(fā)射時間累計效應如圖5。在 98s時開始卸載,可以看出,剛開始卸載時聲發(fā)射能量及計數(shù)較大,并形成第 1個峰值,隨著載荷的不斷卸除,聲發(fā)射水平越來越低。在加載過程中,無論是相對應瞬時計數(shù)還是總計數(shù)都明顯比卸載過程中要高,能量也具有相同的結果,這是因為煤樣在加載階段的損傷總是大于在卸載階段的損傷。本次試驗加載過程總計數(shù)及能量大概是卸載過程 2倍左右,作者認為,在一定極限范圍內,加載越接近強度極限,這個比值應該越大。

圖5 加載至屈服極限聲發(fā)射特性參數(shù)隨時間變化

3 結論

(1)通過煤樣的沖擊傾向性實驗,得出八礦丁5-6煤具有中等偏強沖擊危險,戊9-10煤為中等沖擊危險。

(2)研究了沖擊煤巖單軸壓縮破壞時應力、應變、聲發(fā)射隨時間的累積效應,得出聲發(fā)射在整個破壞過程隨著應力變化分為 5個階段,即壓密階段、彈性階段、屈服破壞階段、峰后階段和殘余變形階段。在屈服階段出現(xiàn)聲發(fā)射的 “平靜期”,可以為沖擊礦壓預測預報提供依據(jù),具有重要的工程意義。

(3)比較不同彈性模量下煤體的聲發(fā)射平均能量及平均計數(shù),研究表明隨著彈性模量的增加,聲發(fā)射平均計數(shù)及平均能量也增加的結論。

(4)沖擊傾向性煤巖在加載至彈性階段時卸載,加卸載時聲發(fā)射特性在彈性階段基本相同,在壓密階段加載時聲發(fā)射比相對應的卸載時高得多,加載過程聲發(fā)射累計計數(shù)和累計能量比卸載時要稍高。加載至屈服階段時卸載,加載時聲發(fā)射無論是瞬時計數(shù)還是累計計數(shù)都明顯比卸載過程要高,能量也具有相同的結果。

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[責任編輯：李宏艷 ]

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

寧 超 (1955-),男,河南孟津人,副教授,長期從事煤礦地質教學及科研工作。