趙揚(yáng)鋒，李 兵，張 超，程傳杰

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

隨著煤炭資源開采深度的加深，煤層所處的環(huán)境更加復(fù)雜，由煤巖體整體失穩(wěn)破壞誘發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害事件也不斷增多[1]。煤體與巖體多以互層的形式存在，在開采過程中引起煤體本身破壞的同時(shí)，也會(huì)引起煤巖結(jié)構(gòu)的損壞，從而產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞。因此，研究單一煤巖體破壞的規(guī)律存在局限性，對(duì)組合煤巖體破壞規(guī)律的研究將更顯重要，對(duì)不同組合比例煤巖體破壞規(guī)律研究將必不可少[2]。煤巖類材料在屈服破裂過程中試樣的應(yīng)力突變與微震、電荷信號(hào)的波動(dòng)變化有較好的協(xié)同性。因此，煤巖變形破裂中微震和電荷感應(yīng)的變化規(guī)律可為煤巖體動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)建立實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)[3-7]。

關(guān)于煤巖組合，趙毅鑫等[8]研究煤巖組合屈服破壞先兆信息，得到煤巖組合試件比煤樣失穩(wěn)破壞更復(fù)雜，失穩(wěn)預(yù)兆點(diǎn)更難以預(yù)測(cè)；聶鑫等[9]采用數(shù)值分析方法研究了煤巖高度比對(duì)組合體力學(xué)特性的影響，得到煤巖組合的強(qiáng)度介于煤體與巖體之間，其破壞形態(tài)主要受到煤體部分的影響，破壞過程更復(fù)雜。關(guān)于電荷感應(yīng)，肖曉春等[10]通過研究組合煤巖試件沖擊傾向電荷判據(jù)，得出組合試件破裂過程的應(yīng)力與電荷值變化具有較好一致性，煤巖組合的沖擊性越強(qiáng)，破壞過程中電荷信號(hào)幅值相差越顯著；王崗等[11]采用試驗(yàn)方法對(duì)不同煤巖高度比試件研究，結(jié)果表明，試件的煤巖高度比增加，煤巖組合體的沖擊性變強(qiáng)，電荷累計(jì)量和電荷脈沖數(shù)減小。關(guān)于微震技術(shù)研究，焦波波等[12]通過試驗(yàn)研究煤試樣的微震信號(hào)特性，得出在試件破裂過程中有微震信號(hào)產(chǎn)生，試件失穩(wěn)破裂時(shí)微震信號(hào)幅值最大；劉玉春等[13]通過研究含水煤巖單軸壓縮微震信號(hào)，得出加載速度增大，煤巖的峰值強(qiáng)度增加，微震事件數(shù)和幅值都增大；陸菜平等[14]對(duì)組合煤巖破裂過程微震信號(hào)監(jiān)測(cè)，得出了微震頻譜的演變規(guī)律；趙揚(yáng)鋒等[15]通過試驗(yàn)研究了含斷層帶花崗巖多參量特征規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含斷層花崗巖在彈性變形階段有明顯的聲發(fā)射、微震和電荷感應(yīng)同步前兆信號(hào)，在試樣失穩(wěn)破壞階段有同步的聲發(fā)射、微震和電荷感應(yīng)大幅值前兆信號(hào)。

綜上所述，前人對(duì)于組合煤巖和微震、電荷感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，大都是對(duì)煤巖體在不同加載方式下、不同組合構(gòu)造下，從試樣破壞應(yīng)力變化的角度研究組合煤巖變形破裂過程中電荷變化或微震信號(hào)變化，都是單一監(jiān)測(cè)手段，也沒有對(duì)不同比例組合煤巖體破裂過程中電荷感應(yīng)和微震的變化規(guī)律進(jìn)行綜合研究。因此，本文用全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)組合煤巖屈服破壞過程的微震和電荷信號(hào)變化規(guī)律，試以新方法對(duì)巖體失穩(wěn)動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行初步預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 煤巖試件

試驗(yàn)試件煤巖取自平頂山煤礦的原煤原巖，切割、加工(將切割打磨好的煤、巖部分用云石膠粘結(jié))成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，將兩端磨平，處于自然干燥狀態(tài)，將煤巖按不同比例組合(試件煤體高度與巖體高度之比不同)分為3組，煤巖比例分別為2∶3，1∶1和3∶2，試驗(yàn)試件如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試件Fig.1 Test specimen

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、電磁屏蔽系統(tǒng)、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置Fig.2 Experimental system device

1)加載系統(tǒng)。試驗(yàn)用MTS巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其最大軸向荷載為6 000 kN，通過力-位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建立試驗(yàn)機(jī)與計(jì)算機(jī)的連接，自動(dòng)采集力和位移數(shù)據(jù)并繪制曲線。加載方式為位移加載，速率為0.05 mm/s。

2)屏蔽系統(tǒng)。采用多功能圓柱形屏蔽鋼筒，并用2層屏蔽鋼網(wǎng)包裹，降低外界信號(hào)干擾，提高信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，通過同軸屏蔽電纜將電荷信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)采集系統(tǒng)中，并對(duì)電纜的屏蔽層進(jìn)行直接接地處理。

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用自行研制的微震和電荷感應(yīng)多通道數(shù)據(jù)采集器，每通道的采樣頻率最高為100 kHz，實(shí)驗(yàn)時(shí)采樣頻率設(shè)為每通道12.5 kHz。實(shí)驗(yàn)時(shí)該試驗(yàn)系統(tǒng)可同步采集位移、載荷、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)，其中，微震信號(hào)有3個(gè)通道，電荷感應(yīng)有2個(gè)通道。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3～5分別為在單軸壓縮下不同組合比例煤巖的應(yīng)力-時(shí)間、微震、電荷感應(yīng)-時(shí)間曲線圖，其中，微震信號(hào)監(jiān)測(cè)圖從上到下分別是1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)通道，微震傳感器1號(hào)垂直放置，2號(hào)和3號(hào)水平放置，電荷信號(hào)監(jiān)測(cè)圖從上到下分別是5號(hào)，6號(hào)通道，電荷傳感器在試樣中部對(duì)稱放置且距試樣表面5 mm。

2.1 不同組合比例煤巖屈服破壞過程中微震、電荷信號(hào)變化規(guī)律

圖3為“煤-巖”比為2∶3的試件微震和電荷信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖3可知，“煤-巖”高度比為2∶3的試件的單軸抗壓強(qiáng)度最高，其值為13.2 MPa。試件破壞表現(xiàn)出重復(fù)性，屈服階段明顯，失穩(wěn)破壞歷時(shí)最長(zhǎng)約80 s；在加載初期試樣處于線彈性變形階段，微震和電荷信號(hào)弱，當(dāng)加載應(yīng)力接近強(qiáng)度時(shí)，微震、電荷信號(hào)開始出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)變化；在試樣應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度的89%(203.4 s)時(shí)微震傳感器和電荷傳感器首次同步接收到較大的微震信號(hào)和電荷信號(hào)。

圖3 “煤-巖”比為2∶3的試件微震和電荷信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 2∶3

圖4為“煤-巖”比為1∶1的試件微震和電荷信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖4可知，“煤-巖”高度比為1∶1的試件的單軸抗壓強(qiáng)度較低，其值是12.04 MPa；其破壞失穩(wěn)過程，屈服階段較明顯，失穩(wěn)破壞歷時(shí)較長(zhǎng)，其歷時(shí)約40 s；在加載初始階段，微震信號(hào)穩(wěn)定，電荷在80.5 s時(shí)有突變信號(hào)幅值達(dá)到30 pC。在極限應(yīng)力86%(時(shí)間為113.5 s)時(shí)首次收到較大幅值的同步信號(hào)，在屈服階段微震和電荷信號(hào)數(shù)增多，幅值增大，在破壞時(shí)同步信號(hào)次數(shù)增多幅值達(dá)到最大，在巖石破壞后微震信號(hào)逐漸衰減。

圖4 “煤-巖”比為1∶1的試件微震和電荷信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 1∶1

圖5 “煤-巖”比為3∶2的試件微震和電荷信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 3∶2

圖5為“煤-巖”比為3∶2的試件微震和電荷信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖5可知，“煤-巖”高度比為3∶2試樣的單軸抗壓強(qiáng)度值低，其值為11.25 MPa；其屈服階段相較不明顯，失穩(wěn)破壞歷時(shí)短，其歷時(shí)約30 s；在加載初始階段，微震信號(hào)穩(wěn)定，而在152.6 s有明顯的電荷感應(yīng)信號(hào)，其幅值為33.7 pC；在極限應(yīng)力的90%(時(shí)間為193.2 s時(shí))收到明顯的微震、電荷同步信號(hào)，在失穩(wěn)破壞中電荷信號(hào)明顯多于微震信號(hào)，且初次較大的電荷信號(hào)也早于初次明顯的微震信號(hào)。

2.2 微震和電荷感應(yīng)信號(hào)頻譜圖分析

圖6 微震和電荷信號(hào)頻譜圖Fig.6 Spectrum of microseism and charge induction signals

圖6為微震和電荷信號(hào)頻譜圖。圖6(a)和(b)中，從上到下分別為微震1號(hào)通道與電荷5號(hào)通道信號(hào)頻譜圖。由圖6可知，組合煤巖在變形破壞過程中微震和電荷信號(hào)頻譜幅值都較小，試件的電荷信號(hào)主要集中在0～80 Hz，電荷信號(hào)的頻譜幅值隨著信號(hào)頻率的增大而減小，而微震有主頻，分布在5，40和80 Hz。

2.3 微震和電荷感應(yīng)信號(hào)均方值與方差分析

圖7為微震和電荷感應(yīng)信號(hào)均方值與方差分析圖。圖7(a)和(c)中，從上到下分別為微震1號(hào)通道與電荷5號(hào)通道能量分析圖，圖7(b)和(d)中，從上到下分別為微震1號(hào)通道與電荷5號(hào)通道方差分析圖。由圖7(a)，(c)與圖3(a)，圖5(a)對(duì)比可得，微震信號(hào)和電荷感應(yīng)信號(hào)在試樣破裂彈性階段能量變化微弱，在試樣屈服破壞階段有明顯的離散強(qiáng)度信號(hào)。這是由于試件在屈服破壞階段有應(yīng)力突變，產(chǎn)生較多的裂縫釋放出能量，微震信號(hào)和電荷信號(hào)方差分析與能量分析有相似的規(guī)律，均在應(yīng)力突變時(shí)有較大的信號(hào)值產(chǎn)生，這也表明微震信號(hào)與電荷信號(hào)與應(yīng)力突變有較好的一致性。由圖7(a)，(b)對(duì)比可得，“煤-巖”高度比增大時(shí)，能量信號(hào)值增多，且幅值增大，微震信號(hào)與電荷信號(hào)方差分析也有相似規(guī)律。

2.4 綜合分析不同比例組合試樣試驗(yàn)結(jié)果

組合煤巖體在單軸壓縮下有微震和電荷信號(hào)產(chǎn)生，都是低頻信號(hào)，微震信號(hào)有明顯的優(yōu)勢(shì)頻率，由能量與方差分析得出，“煤-巖”高度比增大時(shí)，能量信號(hào)值增多，且幅值增大，信號(hào)幅值變化多在應(yīng)力突變處，微震與電荷信號(hào)與應(yīng)力突變有較好的協(xié)同性。通過時(shí)域分析微震和電荷信號(hào)監(jiān)測(cè)得出，隨著試件中“煤-巖”高度比的增加，試件的單軸抗壓強(qiáng)度逐步減少，這是因?yàn)殡S著組合體中煤體部分高度的增加，煤巖接觸面效應(yīng)產(chǎn)生的約束力對(duì)煤體中遠(yuǎn)離接觸面的部分約束效果減小，致使煤體發(fā)生橫向應(yīng)變，導(dǎo)致峰值強(qiáng)度降低。隨著試件中“煤-巖”高度比的增大，試件破環(huán)時(shí)產(chǎn)生的微震信號(hào)增強(qiáng)，微震總事件數(shù)減少，試件屈服破壞階段的時(shí)間縮短，這是由于隨著試件中“煤-巖”高度比的增加，煤的特性成為主要因素，試樣中煤體的比例越大，試樣破壞越容易，能量釋放越快，突發(fā)性越強(qiáng)。隨著試件中“煤-巖”高度比的增加，試件在加載全過程中，電荷信號(hào)數(shù)增加，幅值增大，這是由于煤巖組合體在單軸壓縮過程中，其破壞集中分布在煤體，從分離電荷產(chǎn)生的機(jī)理分析，煤占組合體的比例越大，加載破裂過程中，裂紋的擴(kuò)展和尖端裂隙的錯(cuò)位、滑移較多，產(chǎn)生大量的分離電荷在裂隙尖端聚集，導(dǎo)致電荷信號(hào)數(shù)增多，幅值增大。

圖7 微震和電荷感應(yīng)信號(hào)均方值與方差分析Fig.7 Analysis of mean square and variance for microseism and charge induction signals

3 結(jié)論

1)組合煤巖在單軸壓縮下產(chǎn)生微震和電荷信號(hào)，微震和電荷信號(hào)是低頻信號(hào)，信號(hào)頻譜集中分布在0～80 Hz，電荷感應(yīng)信號(hào)頻譜幅值隨著信號(hào)頻率的增大而減小，微震信號(hào)主頻分別為5，40和80 Hz，此時(shí)能量釋放值較大，在試樣屈服破壞階段可以通過電荷信號(hào)與微震信號(hào)的變化來判斷試件的內(nèi)部損傷過程。

2)隨著組合煤巖中“煤-巖”高度比的增大，試件的抗壓強(qiáng)度逐步減小，試件破壞時(shí)微震信號(hào)幅值增加，總微震信號(hào)事件數(shù)減少，而電荷信號(hào)事件數(shù)增多，信號(hào)幅值增大，試樣破壞越容易，突發(fā)性越強(qiáng)。

3)微震信號(hào)與電荷信號(hào)有較好的協(xié)同性，隨著試件中“煤-巖”高度比的增加，試件破壞過程中電荷比微震信號(hào)數(shù)更多，初次明顯的電荷信號(hào)也早于初次明顯的微震信號(hào)，試件在破壞階段微震信號(hào)與電荷信號(hào)更密集且幅值增大，而2種信號(hào)的同步性增強(qiáng)。