含瓦斯煤受載損傷演化聲發射特性實驗研究

鈕月，　李忠輝，　王紅浩，　王佳麗，　劉帥杰，　殷山，　孔艷慧，　洪森

(1.中國礦業大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州　221116；2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 江蘇 徐州　221116；3.中國礦業大學 安全工程學院， 江蘇 徐州　221116； 4.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司裴溝煤礦， 河南 新密　452382； 5.新鄭煤電有限責任公司， 河南 新鄭　451100)

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含瓦斯煤受載損傷演化聲發射特性實驗研究

鈕月1,2,3，李忠輝1,2,3，王紅浩4，王佳麗5，劉帥杰1,3，殷山1,3，孔艷慧1,3，洪森1,3

(1.中國礦業大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州221116；2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 江蘇 徐州221116；3.中國礦業大學 安全工程學院， 江蘇 徐州221116； 4.鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司裴溝煤礦， 河南 新密452382； 5.新鄭煤電有限責任公司， 河南 新鄭451100)

搭建了含瓦斯煤單軸壓縮信息采集系統，測試了煤樣受載破壞過程中聲發射及力學特性參數的變化，并對煤巖損傷演化模型及聲發射特性進行了深入的分析研究。研究結果表明，含瓦斯煤在受載破壞過程中能夠產生聲發射信號，在受載前期聲發射信號較少，受載后期較多，載荷峰值附近聲發射信號達到最大值；聲發射脈沖數及能量與載荷的變化趨勢一致，能夠直觀地反映含瓦斯煤損傷程度；基于聲發射特性參數的損傷演化模型，根據聲發射脈沖數及能量所計算的損傷值與實測值變化趨勢基本一致；作為前兆信息，聲發射信號能夠表征煤巖損傷演化規律，反映煤巖受載破壞狀態。該研究成果將為現場煤巖瓦斯動力災害的監測及預防提供參考。

含瓦斯煤； 受載損傷； 聲發射特性； 演化規律； 力學參數； 監測預警

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1027.010.html

0　引言

隨著煤層開采深度的增加和開采強度的增大，煤礦的高應力、高瓦斯現象日益突出，導致了沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害日趨嚴重[1]。煤巖在受載過程中會產生變形破壞，釋放出彈性能，產生聲發射信號。聲發射的強度和頻度能夠反映煤巖體的受載破壞及損傷程度[2]。含瓦斯煤層在發生動力災害的過程中常常伴有大量的瓦斯涌出，瓦斯對于煤體損傷演化的過程具有重要的影響。因此,通過研究含瓦斯煤巖在受載破壞過程中聲發射參數的變化，探究煤巖損傷演化規律，對于監測預報含瓦斯煤層動力災害具有重要的意義。

目前，廣大學者對煤巖材料受載過程中所產生的聲發射現象已經有了深入的研究。鄒銀輝[3]研究了煤巖聲發射特征的產生機理，并推導了理論模型。曹樹剛等[4]研究了煤樣在不同圍壓條件下受載破壞聲發射信號的變化趨勢，并將其與單軸情況做了比較。劉保縣等[5]建立了煤巖損傷變量與聲發射累計振鈴數的關系式。以上研究已經取得了顯著的效果，并用于現場生產實踐[6-8]。但目前針對含瓦斯煤受載過程中力學及聲發射特性參數與煤巖損傷演化規律間的定量研究相對較少。因此，筆者搭建了含瓦斯煤單軸壓縮信息采集系統，用于測試含瓦斯煤受載破壞過程中力學及聲發射特性參數的變化。根據力學理論，構建煤巖損傷模型，得到聲發射參數積累量與煤樣損傷變形之間的理論關系，為煤巖損傷破壞演化規律找到合適的參數推導模型。實驗室條件下的成果有望用于煤礦現場，指導煤巖瓦斯動力災害的監測與預防。

1　實驗內容

1.1實驗系統

實驗系統采用含瓦斯煤單軸壓縮信息采集系統，如圖1所示。系統主要包括應力加載系統、聲發射數據采集系統、密封缸體、瓦斯及氮氣重放系統。

1-氮氣氣瓶； 2-開關； 3-壓力表； 4-電液伺服壓力機；5-缸體； 6-瓦斯氣瓶； 7-密封圈； 8-煤巖試樣； 9-熱縮管；10-聲發射傳感器； 11-前置放大器； 12-力學參數采集儀；13-聲發射數據采集儀； 14-卸壓閥

(1) 應力加載系統。包括電液伺服壓力機、力學參數采集儀，可實時顯示測試數據和應力-應變曲線、載荷-時間曲線，記錄力學參數。

(2) 聲發射數據采集系統。包括聲發射傳感器、前置放大器、聲發射數據采集儀等，將采集到的聲發射信號放大、濾波后轉換成數字信號，并實時顯示。

(3) 密封缸體。包括缸體實體(內置煤樣)、密封圈、熱縮管等，用于創造密封環境。

(4) 瓦斯及氮氣重放系統。包括氮氣氣瓶、瓦斯氣瓶、開關、壓力表、卸壓閥等，向缸體中充入氮氣，創造圍壓條件，向熱縮管內充入瓦斯，使之與煤樣充分接觸,構建含瓦斯煤環境。

1.2實驗方法

實驗煤樣取自徐州某煤礦，將井下煤塊加工成φ50 mm×100 mm的標準試件。

實驗步驟如下：

(1) 連接好缸體、氣瓶等元器件，將煤樣用熱縮管密封，置入缸體中，確保缸體密封。

(2) 利用真空泵將缸體內抽成真空狀態，打開氮氣氣瓶開關，向缸體內充入一定壓力的氮氣，形成圍壓，打開瓦斯氣瓶，向熱縮管充入一定壓力的瓦斯，使之與煤樣充分吸附(持續8 h)。

(3) 連接力學參數采集儀、聲發射數據采集儀等，進行調試。

(4) 啟動電液伺服壓力機，根據實驗方案控制電液伺服壓力機，以 1 000 N/s的力控速度對缸體施加載荷，使煤樣受載破壞，同時記錄力學參數，采集聲發射信號。

2　實驗結果分析

選取有代表性的試樣加載結果(氮氣圍壓為4 MPa，瓦斯壓力為0.6 MPa)進行分析。含瓦斯煤樣在受載過程中的載荷及聲發射特性參數隨時間變化曲線如圖2所示。

(a) 載荷隨時間變化曲線

(b) 聲發射脈沖數隨時間變化曲線

(c) 聲發射能量隨時間變化曲線

由圖2可知，含瓦斯煤樣在受載破壞過程中，能夠產生聲發射信號。受載前期，載荷較小，局部產生微破裂損傷，信號較少。受載后期，載荷不斷升高，裂隙穩步擴展，聲發射信號不斷增強。載荷峰值附近，裂隙貫通，形成主破壞，聲發射脈沖數及能量達到了最大值。聲發射信號的產生來源于煤巖內部損傷過程裂隙的閉合及擴展，聲發射脈沖數反映微裂紋破壞的次數，而聲發射能量則反映破壞的強度，兩者與載荷的變化趨勢具有一致性，能直觀地反映含瓦斯煤損傷過程。

3　基于聲發射特性參數的含瓦斯煤損傷演化分析

3.1基于聲發射脈沖數的含瓦斯煤損傷演化模型

HEIPLE C R等認為聲發射信號發生于材料的受載破壞過程中，與材料內部的剝離、斷裂及裂紋擴展所釋放的應變能成正比。因此，本文利用聲發射脈沖數及能量來描述煤巖的損傷特性。

根據Kachanov理論，將損傷變量定義為D：

(1)

式中：Ad為承載斷面上微缺陷的所有面積；A為初始時無損的斷面積。

若無損材料整個截面完全破壞累計產生的聲發射脈沖數為N0，單位面積微破壞時的聲發射脈沖數為Nw，則有

(2)

當斷面損傷面積達到Ad時，聲發射脈沖數累計為Nd,則有

(3)

經過運算，得

(4)

試驗過程中，煤樣尚未完全破壞時，電液伺服壓力機就停止加載。因此，對損傷變量做了修正。設DU為損傷的臨界值，則有

(5)

為了便于計算，可設

(6)

式中：σc為殘余強度；σp為峰值強度。

根據連續損傷力學理論，所建立的損傷破壞模型如下:

(7)

式中：σ為理論應力值；E為彈性模量；ε為應變；σε為應變ε未經修正的應力值。

設D(t)、Nd(t)、σ(t)和ε(t)分別為不同加載時刻t的損傷參量、累計脈沖數、應力和應變，則可推導出基于聲發射脈沖數的單軸壓縮含瓦斯煤的損傷模型為

σ(t)=[1-(1-σc/σp)Nd(t)/N0]Eε(t)

(8)

3.2基于聲發射能量的含瓦斯煤損傷演化模型

假設聲發射能量與煤樣損傷演化過程中的耗散能成正比關系，耗散能導致材料的內部損傷和塑性變形，那么損傷變量可用聲發射的能量積累來表示：

(9)

式中：ΣW為損傷至t時刻累計聲發射能量；Wm為煤樣完全被破壞時累計的聲發射能量。

同理可得出基于聲發射能量的單軸壓縮含瓦斯煤損傷模型為

(10)

3.3含瓦斯煤受載損傷演化分析

根據式(4)和式(9)對圖2中試樣測得的聲發射脈沖數及能量進行歸一化處理，試樣累計損傷結果如圖3所示。結合式(8)、式(10)，根據不同應變水平聲發射脈沖數或能量及應變計算應力，得出基于聲發射脈沖數和能量的應變-損傷關系曲線，并與實測值對比，如圖4所示。

(a) 基于聲發射脈沖數

(b) 基于聲發射能量

從圖3、圖4可以看出，理論值與實測值趨勢基本吻合，說明利用聲發射特性參數表征損傷變量是合理的。

圖4　損傷理論值與實測值對比

結合圖2、圖4可知，基于聲發射參數的含瓦斯煤受載損傷演化主要經歷了4個階段。第1階段：初始受載至應變值達0.8×10-2，此階段煤巖處于彈性變形狀態，為初步損傷狀態，損傷量較小，聲發射信號較少。第2階段：加載至應變值為1.3×10-2，此階段煤樣處于微破裂穩定發展、損傷變量不斷增大狀態，此時聲發射信號隨應力增加而逐漸提高。 第3階段：加載至應變值為2.1×10-2，此階段損傷加速且不穩定發展，損傷變量急劇上升至煤樣破壞，煤樣內部的微破裂迅速擴展、貫通，在表面出現了顯著的宏觀破壞，伴隨著大量聲電信號產生。 第4階段：煤樣處于主破裂后的狀態，此時煤樣基本失去承載能力，在殘余載荷的作用下，破碎塊體之間相互摩擦,產生了大量的聲發射信號。

煤樣在初始加載階段存在塑性形變，導致彈性模量不穩定變化，因此，在同一應力值時,實際應變值大于由式(8)、式(10)計算的理論應變值。而在第2—第4階段，基于聲發射脈沖數及能量的理論損傷曲線與實測的應力-應變曲線變化趨勢具有較強的一致性，聲發射信號變化能夠很好地表征煤樣受載破壞過程中的損傷演化規律。理論計算的應力-應變曲線峰值超前于實測曲線峰值，這對于煤礦現場預測動力災害具有重要的指導意義。 聲發射信號(脈沖數及能量)作為含瓦斯煤受載破壞的前兆信息，能夠反映煤巖體的受載破壞狀態，為包括煤與瓦斯突出、含瓦斯煤沖擊地壓等在內的動力災害的監測及預防提供了理論依據。

4　結語

搭建了圍壓條件下含瓦斯煤單軸壓縮信息采集

系統，測試了聲發射及力學特性參數的變化并進行了分析，得出了以下結論：

(1) 含瓦斯煤樣在受載破壞過程中，能夠產生聲發射信號。在受載前期，載荷較小，聲發射信號較少；在受載后期，載荷不斷升高，聲發射信號增多；在峰值載荷附近，聲發射信號達到最大值。聲發射的脈沖數及能量與載荷的變化趨勢一致，能夠直觀地反映含瓦斯煤損傷程度。

(2) 建立了基于聲發射特性參數的損傷演化模型，分析了含瓦斯煤受載破壞過程中應力、應變與聲發射特性參數的相互關系，根據模型所計算的損傷值與實測值的變化趨勢基本一致，聲發射脈沖數及能量的變化能夠表征含瓦斯煤損傷演化規律。

(3) 聲發射信號是含瓦斯煤受載破壞的前兆信息，能反映煤巖體的受載破壞狀態。

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Experimental study on characteristics of acoustic emission for coal containing gas damaged evolution under loading

NIU Yue1,2,3,LI Zhonghui1,2,3,WANG Honghao4,WANG Jiali5,LIU Shuaijie1,3,YIN Shan1,3,KONG Yanhui1,3,HONG Sen1,3

(1.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines of Ministry of Education,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;3.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;4.Peigou Coal Mine, Zhengzhou Coal Industry(Group) Co., Ltd., Xinmi 452382, China;5.Xinzheng Coal Electricity Co., Ltd., Xinzheng 451100, China)

An information collection system of coal containing gas under uniaxial compression was built, dates' change of acoustic emission and mechanical parameters while coal samples loaded were tested, and damaged evolution model of coal and rock and characteristic of acoustic emission were studied deeply. The research results show that there are acoustic emission signals produced during loaded process for coal containing gas. The number of acoustic emission singles is less at early stage and more at later stage, while achieves the maximum value when the load reaches peak value. The change trend of pulse number and energy of acoustic emission is consistent with the load value, which can reflect damage degree of coal containing gas well. Based on the coal damaged evolution model of acoustic emission characteristics parameters, change trend of damage value calculated from the acoustic emission pulse number and energy and the actual measured value are basical identical. As a precursor information, the acoustic emission signal can represent damage evolution laws of coal and rock and reflect damage state under loaded state. The research result would provide reference for monitoring and preventing of gas dynamic disaster of coal and rock in coal mine.

coal containing gas; loaded damage; acoustic emission characteristics; evolution law; mechanical parameter; monitoring and warning

1671-251X(2016)06-0037-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.010

2015-12-28；

2016-01-27；責任編輯：張強。

國家自然科學基金資助項目(51574231)；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題資助項目(SKLCRSM15X03)；江蘇省“青藍工程”資助項目(201010290-02)。

鈕月(1991-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向為安全監測監控，E-mail：ahsyls69@cumt.edu.cn。

TD713

A網絡出版時間：2016-06-01 10:27

鈕月，李忠輝，王紅浩，等.含瓦斯煤受載損傷演化聲發射特性實驗研究[J].工礦自動化，2016,42(6)：37-41.