非標準構造煤試樣受載破壞過程聲電特征研究

周浩 趙洋 吳子謙 武浩 王平勇

安徽理工大學能源與安全學院 淮南 232001

非標準構造煤試樣受載破壞過程聲電特征研究

周浩 趙洋 吳子謙 武浩 王平勇

安徽理工大學能源與安全學院 淮南 232001

為研究非標準構造煤試樣受載破壞過程的聲電特征，進行了非標準構造煤的單軸和單軸循環加載實驗，并同步采集了聲發射和電磁輻射信號。分析了單軸加載和單軸循環加載過程的聲電信號特征，分析了不同階段煤體所釋放的電磁輻射能量特征。結果表明：煤體受載破壞過程的聲電信號均雖應力的增大而增大，具有較好的同步性；非標準煤樣的破裂形式與標準煤樣不同，呈現了環狀裂紋。

非標準試樣；聲發射；電磁輻射；環狀裂紋

引言

近年來，針對煤巖受載破裂、瓦斯吸附等過程中聲發射、電磁輻射信號特征的實驗研究逐漸成為煤巖動力災害研究的主要方向之一。大量研究表明，采用聲發射和電磁輻射信號的采集分析能有效揭示煤巖內部的細微受載破壞活動，從而推斷煤巖內部損傷演化的某些規律，在預測、預報煤與瓦斯突出等煤巖動力災害中起到了一定的作用。

然而，以往的實驗研究多使用煤巖樣標準尺寸，而現場條件很少出現這種理想狀態，為研究非標準構造煤試樣受載破壞過程的聲電特征，本文設計進行了非標準構造煤的單軸和單軸循環加載實驗，研究結果可作為此類實驗的數據補充及其他方面的參考。

1、煤樣壓縮實驗

1.1 實驗系統

實驗系統由YAW系列微機控制電液伺服壓力試驗機、GP6高效電磁屏蔽系統、CTA-1聲電數據采集處理系統組成。

1.2 實驗樣品及實驗內容

實驗煤樣采自淮南礦業集團潘三礦原煤，經加工制成實驗所需樣本。樣本尺寸設置為Φ=75mm×40mm。根據工程中可能出現的應力途徑，設計了單軸加載和單軸循環加載兩種形式的實驗。實驗共采用4組試樣，單軸加載和單軸循環加載實驗各兩組，每組中運用聲發射探頭，電磁輻射探頭各三個，實時監測實驗過程中的聲發射、電磁輻射信息，以用于后期理論分析。

1.3 實驗測試方案

兩種實驗加載方式均采用力控制，加載速度均保持在200N/s。單軸加載方式是指對煤體進行一次軸向壓縮直至煤體破壞。單軸循環加載實驗的過程：將煤體載荷值加載到4KN后保持速度-200N/s卸載到零負載，然后保持空載90s。第一個循環完成，繼續加載，并將每次循環載荷峰值設置為比上一循環載荷峰值增加4KN。循環全部結束后，以200N/s加載直至試樣破壞。

2、實驗結果與分析

2.1 不同加載方式的聲電響應特征

2.2.1 聲發射特征

聲發射是指材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現象。非標準構造煤樣在受到單軸加載方式的作用下，初始階段煤體處于壓實階段，聲發射信號波峰值很小，在75s，90s，100s，110s時聲發射能量有較大幅度的變動，煤樣內部開始出現細微裂紋，且出現波峰的時間間隔趨于縮短，表明內部破壞速度加快。在120s時聲發射能量達到最大，表示非標準構造煤樣內部發生了較大的破壞；非標準構造煤樣在受到單軸循環加載方式的作用下，初始階段聲發射信號值較小且呈平穩狀態，隨著單軸循環加載載荷達到峰值，聲發射能量也出現小幅度的增長達到該時間點鄰域內的極大值，但前幾次不同峰值下聲發射能量相當，到770s時，聲發射能量激增，達到最大值后下落，表明非標準構造煤樣發生了較大的破壞。

3、總體能量釋放特征對比

“DM”的代表意義是單向壓縮煤樣樣本，“XM”代表循環加卸載煤巖樣本。將DM-1與XM-4對比，DM-3與XM-2對比，發現單軸循環加載方式的總釋放能量更大；平均每秒的能量釋放量為單軸加載方式的30%~60%；單軸循環加載形式的單次信號能量值比單軸加載形式高出將近一倍。

在本實驗的單軸循環加載過程中，加、卸載速率設為定值，從表2中可以看出，每次加、卸載的能量釋放值相差不大，說明在加載時，非標準構造煤樣由于受壓內部摩擦和產生裂隙所釋放的能量值與卸載時由于彈性形變還原時內部摩擦等過程所釋放的能量值基本一致。因此，非標準構造煤樣采用單軸循環加載作用形式時，一次形變與還原過程中均釋放能量，且釋放時間較長，能量釋放量比純單軸加載形式高。結合兩種加載形式破壞過程的載荷特征，可知單軸循環加載形式煤體破壞過程釋放能量緩慢但總量卻極大，表明內部破壞程度高，所以單軸循環加載形式作用下的破壞載荷比單軸加載形式作用下的破壞載荷高。

4、結論

⑴非標準構造煤在單軸循環加載形式作用下，破壞速率慢，破壞強度小。

⑵聲發射能量在煤體破壞的小范圍時間內都出現了累加波動：先小范圍的增值，在破壞時大范圍增值。電磁輻射能量在單軸循環加載形式的作用下初期小，中期波動幅度較大，后期波動范圍變小并趨于平穩。

⑶單軸循環加載作用下非標準構造煤樣的總能量釋放比單軸加載形式作用下非標準構造煤的總能量釋放大。平均每秒釋放能量與每次信號的能量釋放量不同，呈此消彼長的特征，印證了總耗散能量是聲發射的總機械能量和電磁輻射能量的累加。

⑷單軸循環加載形式作用過程中，加載階段和卸載階段均釋放能量，且能量值基本相當。每一個循環壓卸載過程中釋放電磁能大體相當。

⑸單軸循環加載形式作用下和單軸加載形式作用下非標準構造煤樣破壞載荷值與其總能量釋放有關，能量釋放越大，破壞載荷值越低。

⑹非標準構造煤的破壞外觀是層裂，裂紋呈環形紋路，區別于標準構造煤樣的破壞外觀。其機理是加載過程中，先產生裂隙，卻未完全破裂，當力加載到破壞載荷值時，所有的裂隙貫穿起來使煤樣完全破壞并釋放較大能量。

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