循環荷載下強沖擊傾向煤樣聲發射特征參數分析★

申志亮　蔣元男

(黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱　150022)

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循環荷載下強沖擊傾向煤樣聲發射特征參數分析★

申志亮蔣元男

(黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱150022)

采用巖石三軸試驗機，對具有強沖擊傾向性煤樣進行了常規單軸循環加卸載試驗，在加載卸載過程中對煤樣進行聲發射同步監測，分析了煤樣循環荷載下聲發射特征參數的前兆變化規律，該研究成果為具有沖擊傾向性危險區域的煤巖體預測和預警進一步的研究奠定了基礎。

沖擊煤層，循環加載，聲發射，失穩前兆

0　引言

在礦山沖擊地壓防治過程中，準確預測煤層失穩破壞對于沖擊地壓的防治具有重要的作用。就煤礦井下煤巷和工作面推進而言，煤體始終處于加卸載過程中，因而進行循環荷載監測試驗，探尋煤樣承載結構失穩前兆變化規律，對受開采反復擾動的具有強沖擊傾向煤層的失穩預測預警具有重要的作用。

肖福坤等[1，2]通過循環荷載聲發射監測試驗，對聲發射特征參數和塑性能分段函數進行了研究，同時還研究了不同應力水平和監測手段煤巖石損傷破壞的聲發射規律；李庶林等[3]對巖石不同加卸載方式的聲發射特征進行研究;蔣宇等[4]對循環荷載條件下巖石受載破壞的過程中聲發射特征和變形規律進行了研究；吳剛和肖福坤等[5-7]研究了不同卸載方式的聲發射特征；李宏艷等[8]對不同沖擊傾向煤樣失穩破壞聲發射先兆信息進行了分析，提出不同沖擊傾向煤體失穩破壞過程中振鈴計數、AE能量、頻譜及b值變化存在差異。煤體沖擊傾向性增強，加載過程煤體振鈴計數、AE能量趨向于高應力區域集中;劉剛和肖福坤等[9,10]對花崗巖損傷破壞的聲發射評價進行研究，提出脆性花崗巖損傷三個階段，劃分了預警時刻六級區間，認為聲發射計數最早報警，但最終要通過能量變化判斷花崗巖是否失穩。還對煤樣循環加卸載中滯回環與彈塑性應變能的關系進行了研究。

1　試驗煤樣和設備

為進行循環荷載聲發射監測試驗，從寶泰隆西部礦區26a和26b煤層取回大塊煤樣，在實驗室加工成50 mm×50 mm×100 mm的長方體試樣，為滿足試驗和煤炭行業標準的要求，將煤

樣兩端面進行打磨，使其不平行度小于0.05 mm。

實驗所用壓力機控制閥為國外進口，控制精度能夠滿足加卸載過程中的要求。軸向變形用8 mm 位移傳感器測量，精度為1.0×10-5mm。軸向荷載用2 000 kN力傳感器測量，精度為 1.0×10-3kN。壓力機由計算機控制，可實現實時顯示和自動采集數據。聲發射監測設備采用美國物理聲學公司生產的SH-Ⅱ型聲發射全天候健康監測系統和四個傳感器(頻帶為125 kHz～750 kHz)。

2　實驗過程

本次試驗主要是想研究循環荷載作用下具有沖擊傾向煤樣的聲發射變化規律，因此試驗前首先完成了兩煤層沖擊傾向性的鑒定工作，鑒定結果見表1。

表1　煤層沖擊傾向性判定

其次，對具有沖擊傾向性的煤樣進行循環荷載聲發射監測試驗。具體過程為:將具有沖擊傾向性的煤樣加載至預計峰值強度的75%～85%后再卸載至預計峰值強度的1%～5%，之后再加載，此時加載至預計峰值強度的加載點比上一次提高 5%左右，依據此加載方式反復加卸載直至煤樣最終破壞為止。循環過程中監測設備聲發射系統采樣頻率設為1 MHz，前置放大器增益設為40 dB,門檻值設為35 dB。

3　試驗結果分析

通過上述試驗對循環荷載過程中強沖擊傾向煤樣的聲發射特征參數進行分析，特別是煤樣失穩前的聲發射特征參數的前兆變化特征。下面依據試驗監測數據將聲發射特征參數(能量(E)、累積能量(∑E)、計數(N)、累積計數(∑N))和應力在時間上的演化過程進行對比，來分析單軸循環加卸載作用下強沖擊傾向性煤樣失穩過程中的聲發射參數演化特征。

由圖1可以看出，第1次循環AE能量和計數大量出現，煤樣26a-c08，26b-c15和26a-c05此循環累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為9%，30%，11%,累積計數占總累積計數依次為10.7%，28%，18.4%。從第2次循環到試樣失穩的最后一次循環，煤樣26a-c08，26b-c15和26a-c05的AE能量隨著循環次數的增加依次增加，能量釋放量與循環次數成正相關性，AE計數隨著循環次數的增加而隨機出現，無規律性。AE累積能量和AE累積計數隨著循環次數的增加成階梯式增長，循環后期AE累積能量比AE累積計數增長明顯。煤樣26a-c08和26a-c05倒數第3次循環累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為8%,20%，累積計數占總累積計數依次為8%,9.9%。煤樣26a-c08和26a-c05倒數第2次循環累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為18%,34%，累積計數占總累積計數依次為13.4%,11.5%。煤樣26a-c08

和26a-c05最后一次循環累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為 29%,2%，累積計數占總累積計數依次為12.2%,4.7%。煤樣26b-c15的AE能量和計數從第2次～第4次循環增長緩慢，在第4次循環時的信號消失。從第5次循環開始隨著循環次數的增加，AE能量和計數開始大量出現。最后一次循環AE累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為 31%,累積計數占總累積計數依次為13.5%。

通過上述分析可知：煤樣循環加載初期AE能量和AE計數信號顯現明顯，煤樣循環荷載過程中AE能量演化比AE計數演化具有規律性， 煤樣循環荷載后期，煤樣失穩破壞前AE能量突增明顯。通過統計分析可將累積能量釋放量占總累積能量釋放量的30%作為煤樣結構失穩的警戒值，當煤樣AE累積能量釋放量達到此值時預示著煤樣即將失穩破壞。AE能量比AE計數能更好的預測具有沖擊傾向性煤樣失穩破壞。

4　結語

1)在循環荷載過程中聲發射能量和累積能量比聲發射計數和累積計數能更好的反映煤樣內部的變形破壞過程。

2)煤樣失穩前聲發射能量釋放量突增明顯，煤樣失穩時AE累積能量釋放量基本都占總累積能量釋放量的30%以上。

3)通過統計分析可將累積能量釋放量占總累積能量釋放量的30%作為煤樣結構失穩的警戒值。

[1]肖福坤，劉剛，申志亮.桃山90號煤層有效彈性能量釋放速度研究[J].巖石力學與工程學報，2015(S2)：4216-4225.

[2]肖福坤，申志亮，劉剛，等.沖擊傾向性煤樣單軸加載紅外探測研究[J].黑龍江科技大學學報，2015(1)：6-10.

[3]李庶林,唐海燕.不同加載條件下巖石材料破裂過程的聲發射特性研究[J].巖土工程學報,2010,32(1):147-152.

[4]蔣宇，葛修潤，任建喜.巖石疲勞破壞過程中的變形規律及聲發射特性[J].巖石力學與工程學報，2004，23(11)：1810-1814.

[5]吳剛，趙震洋.不同應力狀態下巖石類材料破壞的聲發射特性[J].巖土工程學報，1998，20(2)：82-85.

[6]肖福坤，申志亮，劉剛，等.循環加卸載中滯回環與彈塑性應變能關系研究[J].巖石力學與工程學報，2014(9)：1791-1797.

[7]肖福坤，樊慧強，劉剛，等.三軸壓縮下含瓦斯煤樣破壞過程的聲發射特性[J].黑龍江科技學院學報，2013,23(1)：10-15.

[8]李宏艷，康立軍.不同沖擊傾向煤體失穩破壞聲發射先兆信息分析[J].煤炭學報，2014(2)：384-388.

[9]劉剛，張艷軍，申志亮，等.花崗巖損傷破壞的聲發射評價[J].黑龍江科技大學學報，2015(11)：615-620.

[10]肖福坤，馬紅濤，劉剛.煤體恒定加載蠕變損傷實驗的研究[J].黑龍江科技大學學報，2014，24(6)：563-568.

Parameters analysis on strong bumping coal AE characteristics under recycled load★

Shen ZhiliangJiang Yuannan

(CollegeofMiningEngineering,HeilongjiangUniversityofScience&Technology,Harbin150022,China)

Applying rock tri-axis testing machine, the paper carries out normal single-axis recycling load test for strong bumping coal sample, meanwhile monitors the coal sample AE in loading and unloading process, and analyzes AE parameter precursory changing law under coal sample recycling load. The research achievements have laid a foundation for further studying the bumping hazardous region prediction and alarming.

bumping coal layer, recycled load, Acoustic Emission(AE), instability precursory

1009-6825(2016)19-0049-02

2016-04-26★：2015年黑龍江科技大學碩士研究生創新科研項目(項目編號：YJSCX2015-012HKD)

申志亮(1988- )，男，碩士，實驗員；蔣元男(1984- )，男，碩士，講師

TD823

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