采矿与井巷工程

应力条件对受载煤体声发射活动特征的影响研究

杨 慧 明1,2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

为研究外部应力条件对受载煤体的声发射活动特征的影响作用,采用岩石力学试验系统和声发射仪,开展了单轴、不同围压三轴、卸围压三类应力条件下的煤样破坏试验,对比分析了煤体在不同应力条件下的破坏特征及声发射活动特征。试验结果表明:煤体的声发射活动宏观上与煤体的破坏阶段相对应,应力条件对煤的破坏特征及声发射活动特征具有重要影响作用。在增围压作用下,煤体的弹性模量、强度增加,主破裂面与轴向加载方向的角度逐渐增大,主破裂机制由张拉破坏向剪切破坏转变;在卸围压作用下,煤的主破裂机制由剪切破坏向张拉破坏转变。在围压应力增加条件下,在弹性变形阶段,煤体的声发射事件显著减少;在屈服变形阶段,声发射事件的能量逐步降低,并且能量的分布形态从相对“聚集”向相对“分散”的转变;在峰后变形阶段,煤体呈现渐进损伤的延性破坏特征,声发射活动持续逐步降低。在三轴卸载围压应力条件下,在煤体屈服阶段,声发射事件率与能量都随着应力的快速跌落而迅速增加,声发射活动趋于活跃,煤体的破坏方式最为剧烈。

关键词深部矿井;应力条件;声发射;煤体破坏

中图分类号TD313

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2019)02-0007-07

Study on effect of stress condition on acoustic emission activity feature of loaded coal in failure process

YANG Huiming1,2

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China;2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)

Abstract:In order to study the effect of external stress condition on AE activity of loaded coal in the failure process,coal failure experiments under 3 kinds of stress condition,uniaxial,conventional triaxial,and unloading confining stress,are carried out with rock mechanics testing machine and AE monitoring instrument,the corresponding failure and AE activity characteristics of coal are compared and analyzed.The results show that AE activity of coal,in macro perspective,is related to phases of coal failure process,and the stress condition has an important influence on the failure characteristic and AE activity of coal.Under the effect of confining stress increasing,elastic modulus and strength increase,the main fracture angle to axial main stress direction is increasing,and main failure mechanism changes gradually from brittle tensile to shear failure,and the contrary mechanism change when confining stress unloading.In condition of confining stress increasing,AE event reduces in phase of elastic deformation;in phase of yield deformation,the general energy level of AE event is decreasing,and the energy distribution of AE events is transforming from relative disperse condition to relative concentration condition with the increasing of confining stress;and in phase of post-peak,the damage of coal shows progressive failure characteristics and the AE activity keeps gradually decreasing.In condition of confining stress unloading,and the AE event rate and energy increase rapidly with rapid drop of axial stress,the failure mode of coal is the most drastic in all stress conditions.

Key words:deep mine;stress condition;acoustic emission;coal failure

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杨慧明.应力条件对受载煤体声发射活动特征的影响研究[J].煤炭科学技术,2019,47(2):7-13.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.002

YANG Huiming.Study on effect of stress condition on acoustic emission activity feature of loaded coal in failure process[J].Coal Science and Technology,2019,47(2):7-13.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.002

收稿日期2018-05-17;

责任编辑:杨正凯

基金项目国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804206);国家自然科学基金资助项目(51604298)

作者简介杨慧明(1981—),男,山西长治人,副研究员,博士。Email:yhm3380@163.com

0 引 言

随着开采深度的逐年增加,矿山煤岩体的力学性质和地应力特征出现明显变化,深部煤岩体呈现出高应力、高瓦斯压力和强开采扰动的复杂力学环境。煤炭开采面临的煤与瓦斯突出危险显著增高,并且其发生机制及类型也趋于复杂[1]。深部瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害相互作用、相互诱导作用凸显,灾害形式逐步向煤岩复合动力灾害转化[2],并且深部复合动力灾害发生的门槛比单一灾害更低。一些深部高瓦斯突出矿井区域在瓦斯抽采达标后,采掘过程仍然发生地应力主导型突出。在此条件下,深部应力型突出灾害的监测预警方法的研究,就成为深部煤矿灾害防治面临的重要问题。

利用声发射监测技术进行煤岩动力灾害的监测预警,是深部应力型突出灾害预防技术的发展方向之一[3-4]。显然,灾害的声发射前兆特征及判识方法是声发射预警技术的理论基础。基于煤岩材料的力学破坏实验,国内外学者在煤岩体破坏失稳过程中的声发射活动特征方面取得了大量的研究成果。比如,Mogi[5]试验研究发现岩石声发射的活动随加载过程依次出现4种模式:声发射不明显、零星较小声发射、随应力增加声发射逐步增加、接近破坏时声发射急剧增加。文献[6-7]研究发现煤岩体破坏之前声发射活动存在AE 事件率下降的“相对平静期”现象,并且认为“相对平静期”是破坏临近的前兆特征。同时,研究人员也发现煤岩体的声发射活动特征受到材料性质[8,9]、均质度[10]、尺度[11]、含水率[12-14]、围压[15]、加载参数[16-17]等多种因素的影响,不同条件下煤岩失稳的声发射前兆特征差异较大。笔者认为,煤岩受载破坏过程的声发射演化特征受控于材料的破坏类型,这些内外影响因素对煤体破坏类型产生影响,从而影响了声发射的演化特征。特别是,在深部高应力复杂环境下,应力条件对于煤岩材料的破坏特征影响较大[18-20],应力条件必然影响煤体的声发射活动特征。因此,煤体外部应力条件对声发射的影响作用研究,对深部煤岩动力灾害的监测预警技术的发展具有重要意义。

基于此,通过煤体的单、三轴加载及围压卸载破坏试验,分析不同应力条件下煤体变形破坏过程的声发射演化特征,探索应力条件对煤体声发射的影响作用,为深部条件下煤岩结构失稳、动力灾害的声发射监测预警提供理论基础。

1 试验煤样与方法

试验煤体取自具有弱冲击倾向性的煤层,按照煤样制作的标准,在实验室采用取芯装备沿垂直层理方向在大煤块中钻取煤样,切割、断面磨平,加工成ø50 mm×100 mm 的圆柱体标准试样,煤样两端不平行度小于0.05 mm。

煤样破坏试验加载设备采用TAW2000微机控制岩石三轴试验机,该设备最大轴向压力2 000 kN,该设备可以进行单轴、三轴加载试验。声发射监测装备采用北京声华科技公司研制的2通道声发射监测设备(型号SAEU2S),传感器型号为SR150N,频率范围为22~220 kHz。声发射采样频率设置为1 MHz,峰值定义时间(PDT)为150 μs,撞击定义时间(HDT)为300 μs,撞击闭锁时间(HLT)为500 μs,门槛值设置为50 dB。

选均质度高、原生裂隙少、加工精细的5个试件作为试验煤样,其编号分别为1—5号。煤样依次开展单轴加载(煤样1号)、三轴加载(煤样2—4号)和三轴卸围压(煤样5号)3类力学破坏试验。

1)单轴加载试验:单轴加载时,采用位移控制方式,轴向加载速率为0.005 mm/s,连续加载至试样完全破坏,轴向加载与声发射检测同步进行。试验时,在煤样中部两侧对称布置2 个声发射传感器,传感器与煤样接触面用凡士林粘合,并用胶带固定。

2)三轴加载试验:首先,对煤样施加围压至指定值(5.0、7.5、10.0 MPa)并保持不变;然后,采用位移控制方式加载轴向载荷,加载速率为0.005 mm/min,连续加载直至试样完全破坏。试验时,在三轴缸外壁上距离煤样最近的位置对称布置2个传感器,用胶带固定。施加围压时不进行声发射监测,轴向加载时保持声发射监测与加载同步进行。

图1 制作的原煤试件
Fig.1 Specimens of raw coal

3)三轴卸围压试验:首先,加载围压至特定值(5 MPa);其次,保持围压不变,逐步加载轴向应力至试样在该围压条件下峰值强度的80%左右(30 MPa);然后,以位移控制的方式保持轴向位移不变,并同时卸载围压,直至试样破坏。施加围压时不进行声发射监测,轴向加载开始后开始监测,声发射声发射监测方法与三轴加载试验相同。

表1 煤样加载变形力学参数
Table 1 Mechanical parameters of coal specimens

煤样编号加载方式围压/MPa强度/MPa弹性模量/GPa1单轴压缩011.132.92234常规三轴压缩5.0046.984.567.5043.674.8610.0053.635.205三轴卸载围压5.00—4.61

2 煤体受载变形的力学分析

不同应力条件下煤样的应力应变曲线结果如图2所示。在单轴、三轴受载条件下,煤样的变形破坏可分为4个阶段,即裂纹压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹不稳定扩展阶段和峰后软化阶段。随着围压的增大,煤体变形的压密变形阶段逐渐变短,弹性变形增加,应力峰值的变形显著增加,且峰后的变形阶段增加。单轴加载以及5.0、7.5、10.0 MPa围压三轴加载条件下,煤试件的峰值强度分别为11.13、46.98、43.67、53.63 MPa,试件的弹性模量分别为2.92、4.56、4.86、5.20 GPa,见表1。三种围压条件下,试件的强度分别比单轴条件下的强度增加322%、292%、382%,弹性模量分别增加56%、66%、78%。由此可见,随着围压的增大,煤体的强度与弹性模量呈逐渐增加趋势,但增幅逐渐降低。

图2 不同应力条件煤体的应力应变曲线
Fig.2 Stress-strain curves of coals under different stress condition

图3 不同应力条件下煤样破坏的主裂纹形态
Fig.3 Formation of main crack in coal under different stress conditions

从不同应力条件下的煤样最终破裂形态(图3)可以看出,随着围压的增大,煤样主破裂面与轴向主应力方向的角度逐渐增大,说明煤样的主破裂机制在围压作用下由张拉破坏向剪切破坏转变。然而,在卸围压条件下,煤样主破裂面与主应力方向的角度变小,表明围压的卸载促使主破裂机制由剪切破坏向张拉破坏转变。

3 煤样破坏过程的声发射活动特征

地下岩体工程中,煤岩结构的稳定性分析主要使用声发射的活动频度与能量这两个重要的指标参数。因此,试验数据处理主要采用声发射事件率和能量参数进行不同应力条件下煤样声发射特征的分析。不同应力条件下,5个试验煤样在受载破坏过程的声发射测试数据见表2。

表2 不同应力条件下煤样的声发射测试结果
Table 2 AE results of specimens under different stress condition

煤样编号加载方式最大事件率/(次·s-1)最大能量/(mV·μs)事件率均值/(次·s-1)能量均值/(mV·μs)1单轴压缩2434.55×10665.221.72×104234常规三轴压缩3314.57×10621.964.68×1032791.99×10514.357.82×1022959.82×10413.744.99×1025三轴卸载围压2975.22×10647.678.52×103

3.1 煤样单轴压缩破坏的声发射特征

煤样在单轴加载破坏过程中的声发射事件率、能量演化结果,如图4所示。从试验结果可以看出,煤样的单轴压缩过程中煤岩变形破坏及声发射活动具有以下特征:

1)煤体裂隙压密阶段:在加载应力作用下,煤体中的原生微裂隙逐步闭合、错动,裂隙接触面接触、摩擦造成少量的能量释放而产生声发射事件。此阶段较少有新的裂隙产生,裂纹扩展活动极少,声发射事件率较低,事件的能量极微弱。

2)煤体裂纹稳定扩展阶段:随着加载应力的逐步增大,煤体内部的微裂隙开始逐渐萌生、扩展,声发射活动逐步活跃,事件率逐步增大,但事件能量依然较小。

3)煤体裂纹不稳定扩展阶段:声发射活动随着应力的增大而急剧增加,声发射事件率及能量在峰值应力附近达到最大值;此阶段煤体内部裂隙迅速扩展、汇合,煤体出现损伤的局部化,裂纹扩展活动向宏观裂纹聚集方向发展。

4)峰后变形软化阶段:煤体承载应力在峰值强度之后迅速跌落,快速跌落时刻声发射能量出现脉冲,随后声发射能量减小、事件率逐渐下降;此阶段煤体已形成宏观裂纹,随着宏观裂纹的扩展,声发射事件率及能量出现短暂的脉冲活动,但总体上煤体的弹性储能较低,声发射活动总体趋于减小。

图4 单轴压缩条件下1号煤样破坏试验结果
Fig.4 Test results of No.1 coal sample failure test under uniaxial compression

3.2 煤样三轴压缩破坏的声发射特征

5.0、7.5、10.0 MPa围压条件下,三轴加载煤样破坏过程的声发射试验结果如图5—7所示。

图5 5 MPa围压条件下2号煤样压缩破坏试验结果
Fig.5 Compressive failure test results of No.2 coal sample under 5 MPa confining pressure

从图中可以看出,煤样在三轴加载条件下的声发射演化特征具有以下规律。

图6 7.5 MPa围压条件下3号煤样压缩破坏试验结果
Fig.6 Compressive failure test results of No.3 coal sample under 7.5 MPa confining pressure

图7 10 MPa围压条件下4号煤样压缩破坏试验结果
Fig.7 Compressive failure test results of No.4 coal sample under 10 MPa confining pressure

1)压密阶段:与单轴加载相比,此阶段变形曲线的下凹不明显,并且随着围压的增大,压密阶段逐渐消失。此阶段的声发射活动比单轴条件更少,表明煤体内的大部分裂隙在围压作用下已经闭合。

2)弹性变形阶段:由于围压的作用,煤体的整体强度提高,此阶段煤体的应力应变曲线保持线性关系,煤体内部微裂纹扩展活动较弱。此阶段的声发射活动程度较低,且围压越大声发射活动越低。

3)煤体屈服变形阶段:随着应力的增大,应力应变曲线偏离直线、逐步变平缓;声发射事件率、能量逐步增大,并且在应力峰值附近达到最大。这表示,此阶段煤体内部微裂纹扩展活动逐步加速,宏观破裂面即将形成。

4)峰后变形软化阶段:此阶段轴向承载应力逐渐降低,声发射事件率与能量逐步减少、减弱,表明宏观主破裂面已形成,煤体破裂过程逐步由裂纹扩展活动转变为破裂面摩擦。

5)比较不同围压条件下煤样的声发射特征参数(表2),可以发现:5.0、7.5、10.0 MPa围压条件下,声发射的最大能量值分别为4.57×106、1.99×105、9.82×104,平均能量分别为4.68×103、7.82×102、4.99×102;随围压增大,声发射事件的最大能量与平均能量均逐步降低。对比不同围压下煤样声发射结果图的能量分布,可以发现:低围压条件下声发射能量相对“聚集”,高围压条件下声发射能量相对“分散”。

3.3 卸围压条件下煤样破坏的声发射特征

煤样卸围压破坏试验过程中,首先加载围压至5 MPa;其次,逐渐加载轴向载荷至30 MPa;最后,保持轴向变形不变,并以10 N/s的速度卸载围压,直至煤样破坏。煤样卸载围压破坏的声发射试验结果如图8所示。

从图中可以看出,煤样在卸载围压破坏过程中声发射的活动演化具有以下几点规律:

图8 卸围压条件下5号煤样压缩破坏试验结果
Fig.8 Compressive failure test results of No.5 coal sample under unloading confining pressure

1)轴压加载阶段,煤样声发射特征与三轴加载的情况一致,煤样处于弹性变形阶段,声发射活动较低。

2)在围压初始降低阶段,煤样逐渐进入屈服破坏阶段,煤样承载应力逐步平缓下降,声发射事件率开始逐步增大,但没有大能量事件产生。

3)随着围压的继续降低,煤样承载应力产生突降,声发射事件率突增,并伴随大能量事件产生,表明煤样进入急剧破坏阶段。这一阶段,煤样轴向承载应力连续快速降低,声发射活动进入急剧活跃阶段,声发射事件率持续增加、事件的能量也逐步增大,且事件能量在应力快速跌落时刻达到最大。

4)相比三轴加载结果,卸载围压下煤样声发射的最大能量及平均能量较高(如表2所示),声发射活动更加活跃,说明卸载围压条件下煤的破坏较为剧烈。

4 试验结果分析讨论

从试验结果可知,受载煤体的声发射活动伴随着煤体的破坏进程演化而产生变化,外部应力条件对煤体的破坏特征及声发射活动产生了重要影响。微观上分析,煤体受载破坏的过程实质上就是煤体内部裂纹萌生、扩展、贯通的过程,而声发射本质上是由煤体内部裂纹扩展活动而产生的弹性波。所以,声发射活动是煤体内部裂纹扩展活动的外在显现。因此,从作用机制上分析,外部应力条件对声发射活动特征的影响,是通过对裂纹扩展活动模式的影响作用而产生的。

试验结果表明,高围压条件下,煤体的破坏过程呈现渐进式的特征,卸载围压条件下,煤体的破坏较为剧烈;不同条件下,煤体破坏形态及机制也发生转变。而类似岩石力学试验也表明,三轴条件下岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强[18]。外部应力作用下,煤体脆、延破坏类型的转化,实质上是煤体内部裂纹扩展活动模式转变的宏观描述。

基于“声发射特征—裂纹扩展模式—破坏类型”的关系认识,对不同条件煤体的声发射特征进行对比,可以发现外部应力条件对声发射活动的影响作用主要表现为:

1)在压密及弹性变形阶段,单轴加载煤样的声发射活动随轴压增加而逐步趋于活跃,而三轴条件下声发射活动保持较弱的活动状态。这是由于围压应力促使煤体的弹性模量、强度增大,煤体内部的裂纹扩展活动显著降低,故随着围压的增加,煤体在压密及弹性变形阶段的声发射活动存在减少的趋势。换言之,围压应力具有减弱弹性变形阶段声发射活动的作用。

2)在煤体屈服变形阶段,单轴、三轴加载条件下煤体的声发射活动都随载荷的增加而快速增加,但不同围压下声发射事件的分布存在差异。随围压的增大,声发射事件的最大能量与平均能量均逐步降低(数据见表2),并且,高围压条件下声发射事件的能量分布相对“分散”,低围压下的事件能量主要集中于应力峰值区的主破裂时刻。这是由于围压应力促使煤体内部裂纹的扩展活动由急剧式扩展向渐进式扩展转化,围压增大导致主破裂事件的能量逐渐分散于峰值应力附近。

3)在峰后变形阶段,围压应力促使煤体破坏方式由脆性破坏向延性破坏转变,峰后煤体承载能力呈现渐进式的损失,声发射活动频度、能量逐步降低;而卸围压条件下,煤体的承载能力呈现快速降低的特征,煤体的破坏趋于剧烈,声发射活动趋于活跃,事件率及能量均较高。卸围压条件下声发射的最大能量值最高(数据见表2),最大事件能量分别是单轴加载5.0、7.5、10.0 MPa围压条件下的1.15、1.14、26.23、53.16倍,可见卸围压条件下煤体的破坏最为剧烈。

总体而言,外部应力条件导致煤体破坏类型、裂纹活动模式的转变,从而对煤体的声发射活动特征产生重要的影响作用。围压应力在加载条件下促使煤体声发射向渐进、分散的活动模式转变,而围压卸载则促使声发射活动向突发、脉冲式的活动模式转变。

在深部矿山工程中,在开采作业扰动下煤体所处的应力条件更加复杂,其破坏过程不仅受到复杂应力路径的影响,同时也受到围岩的力学性质及变形运动的影响。本文关于煤岩体破坏机制及其声发射活动特征的围压影响作用的探讨,对于深部矿山煤岩动力灾害的监测预警技术的发展具有一定的理论价值和借鉴意义。但需要注意的是,本研究主要围绕围压作用进行了初步探索,而深部煤岩体失稳的影响因素众多,要理清深部煤岩动力灾害的声发射前兆特征,仍需进一步开展现场监测试验与相关影响因素的科学研究,比如动载荷、加载速率、加载体刚度结构、地质构造等更多复杂外部应力环境与内部结构等因素对煤体破坏及声发射的影响作用。

5 结 论

1)应力条件对煤体的弹性模量、强度、破裂机制及主裂纹形态等力学响应特征产生影响。随着围压的增大,煤体的强度与弹性模量逐渐增加,主破裂面与轴向加载方向的角度逐渐增大,煤体的主破裂机制在围压作用下由张拉破坏向剪切破坏转变;卸围压破坏时,主破裂面与加载方向的角度减小,卸载围压促使主破裂机制由剪切破坏转为张拉破坏。

2)围压应力导致煤体声发射的活动频度分布特征改变。与单轴加载相比,三轴应力状态下弹性变形阶段的声发射信号显著减少,且随着围压的增加此阶段的声发射活动存在减少的趋势;在峰后变形阶段,围压作用下煤体呈现渐进损伤的延性破坏特征,声发射活动逐步减弱,声发射的下降期持续时间较长。

3)围压应力对破坏特征的影响导致煤体声发射的能量分布特征发生改变。三轴加载条件下,随着围压的增大,声发射事件的能量逐步降低,并且能量的分布也从低围压条件下的“聚集”变为高围压条件下的相对“分散”。在卸载围压条件下,煤体屈服破坏的方式较为剧烈,伴随着应力的快速跌落,声发射活动急剧活跃,声发射事件率、能量迅速增大。

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