組合煤巖力學性質與聲-電荷信號關系研究*

肖曉春，樊玉峰，吳　迪,丁　鑫，王　磊

(1.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044)

0　引言

深部開采已成為煤炭工業發展的必然趨勢，轉入深部開采后，由于人工擾動使得原巖應力重分布，巖體應力狀態不斷變化，煤巖動力災害時有發生，其不可預測性嚴重制約著煤礦安全生產?，F有研究結果表明沖擊地壓是頂板和煤體組成的力學系統非穩定變形失穩誘發的災難性工程災害。以整個巖煤系統為研究對象，明確頂板、煤層受載變化過程能量演化規律及其表現形式，厘清“頂板-煤體”系統失穩災變力學機制，探究伴隨其受載破壞產生的聲發射及電荷產生機制，掌握其變化規律并提出基于聲發射-電荷信號的煤體失穩災變判定方法，對于預測和防治深部礦井沖擊地壓災害具有重要的科學意義和工程價值。

國內外學者在組合煤巖和聲-電信號特征方面已進行了大量基礎的研究，劉少虹等[1-2]分析了動靜加載下組合煤巖的應力波傳播機制和能量耗散；張小濤等[3]就煤層厚度與硬度對沖擊礦壓的影響做了數值模擬；趙毅鑫等[4]從聲發射的角度考慮了煤巖組合體破壞前兆的規律；代君偉等[5]通過實驗分析了組合煤巖頂板煤樣高度比與沖擊傾向性的關系；陳光波等[6]通過實驗研究得到了組合巖體動力破壞能量積聚規律；陸菜平等[7]進行了組合煤巖沖擊傾向性演化及聲電效應的試驗研究；肖曉春等[8-9]通過實驗研究了組合煤巖破裂聲發射特性、電荷特征和沖擊傾向性之間的關系；潘一山等[10-14]開展了煤巖單軸壓縮實驗與不同溫度下電荷感應實驗；李忠輝等[15]研究了煤巖在單軸壓縮、拉伸、三點彎曲等不同破壞方式下的表面電位特征和規律；邱兆云等[16]探究了圍壓和孔隙壓變化對聲發射信號的影響；賈炳等[17]進行煤巖多次加載實驗得到聲發射信號滯后的規律。

前人已經對組合煤巖力學行為與聲發射、電荷信號變化規律進行了深入研究，但綜合分析組合煤巖破裂與聲-電荷信號變化規律的研究工作開展甚少，本文以前人研究成果為基礎，采用物理實驗和數值實驗相結合的方式開展組合煤巖單軸壓縮試驗，得到了受頂板巖石性質、巖煤高度比影響的組合煤巖破裂過程中的聲-電荷信號變化規律，為預測煤與沖擊地壓等煤巖動力災害原理、方法提供基礎數據。

1　試驗系統與方案

為研究頂板巖石高度對組合煤巖力學性質和聲發射-電荷信號的影響，選取新邱礦區煤樣與砂巖制成直徑50 mm，高度100 mm的標準組合試樣。

1.1　試樣制備

將鑿取的煤、巖試塊密封裝箱后運到實驗室，利用煤巖切割機將其切割成標準試樣，在磨平機上將加工好的巖、煤試塊按平整度不超過0.2 mm的標準磨平，用粘合劑黏結固化，巖煤組合體總高度為100 mm，其中巖石高度為30，40和50 mm，相應的煤高度為70，60和50 mm，方便起見后文記為巖煤高度比0.42，0.67和1。如圖1所示。

圖1　組合煤巖試樣實物Fig.1　Physical diagram of coal rock combinations samples

1.2　試驗系統

試驗主要利用MTS巖石力學測試系統控制和記錄載荷、位移等力學參數，試驗機最大靜荷載2 000 kN，荷載精度0.5%，聲發射監測系統采集聲發射信號，采樣頻率1 000 kHz，門檻值40 db，電荷信號監測系統的采樣頻率設置為1 000 Hz，裝置實物和試驗示意圖如圖2所示。

1.3　試驗方案

試驗采用位移加載的加載方式，加載速率0.01 mm/s，對制備的煤樣，巖樣和組合試樣開展單軸壓縮聲發射-電荷信號監測試驗，實驗方案如表1所示。

表1　試驗方案

圖2　試驗系統Fig.2　Test system diagram

2　組合煤巖力學性質試驗研究

2.1　組合煤巖各亞層力學性質

為探究組合試樣性質受各亞層性質影響，分別分析各亞層的力學性質，在純巖試樣和純煤試樣的單軸壓縮試驗中得到其應力-應變曲線以及破壞后試樣如圖3所示。

圖3　純巖試樣與純煤試樣以及應力-應變曲線Fig.3　Stress-strain curves of pure rock sample and pure coal sample

從圖3各試樣的應力-應變曲線中可見砂巖和新邱煤試樣的力學性質具有明顯差異性，新邱煤受載時更易發生變形，其彈性模量和強度都遠低于砂巖，砂巖儲存的彈性能要遠多于新邱煤，峰后應力殘余階段巖石應力跌落速度較煤更快；砂巖破壞呈劈裂狀，而煤的破壞為均勻的小塊，這是由于煤本身存在空隙和裂隙，強度較低，并且破壞的更均勻。表2為砂巖試樣和新邱煤試樣強度和彈性模量的均值，二者性質差值較大。

表2　組合試樣各亞層力學參數均值

2.2　巖石高度影響的組合煤巖力學性質

選擇1組巖煤高度比分別為0.42，0.67，1的砂巖-新邱煤組合試樣(A1，B1，C1)與純巖石、純煤繪制出應力-應變曲線如圖4(a)所示，得到不同巖煤高度比條件下的數值實驗結果如圖4 (b)～(c)所示。

同時進行2組RFPA數值模擬實驗，參數如表3所示。

表3　RFPA主要參數

圖4　不同巖煤高度比下組合試樣應力-應變曲線與數值實驗結果Fig.4　Stress strain curves and numerical experimental results of composite specimens with different height ratios of rock to coal

圖4(a)為不同巖煤高度比下應力-應變曲線，巖石的強度和彈性模量遠大于組合試樣和純煤的強度，純煤試樣的強度最低，組合試樣的強度介于兩者之間并且更接近純煤試樣，隨著巖石高度增加，組合試樣的強度，彈性模量和壓密極限均隨之增加。從曲線上來看，純煤、純巖石和組合試樣均包含4個階段：壓密，彈性，強化和峰后應力殘余階段，理論上受載時各亞層也經過這4個階段，但在組合試樣中煤屬于軟弱層，巖石和煤體受載時，煤的變形大于巖石的變形，在巖石還處于彈性階段時煤層就已經達到強度峰值并發生破壞；巖石高度增加，煤高度減少，所含孔隙和裂隙減少，受到尺寸效應的影響煤的強度提升，整體的強度也隨之提升；巖石所占比例增加，組合試樣的均勻程度提高，性質更接近巖石的性質，峰后應力軟化情況減少，脆性特征顯著，彈性模量也提高，且壓密極限提高，這表明巖石高度的增加對于組合試樣整體的抗壓能力有一定提高作用。而圖4(b)～(c)為利用RFPA數值計算得到的結果，不難發現隨著巖煤高度比的增加，強度不斷提高，斜率即彈性模量也隨之增大，從數值計算方面印證了物理實驗的結論。如圖5為試驗測得純巖、純煤和組合試樣的強度和彈性模量變化趨勢，其表明了砂巖-新邱煤組合試樣的強度和彈性模量隨巖石高度增加而有增加的趨勢。

圖5　強度-彈性模量隨巖石高度變化趨勢Fig.5　Change trend of strength-elastic modulus with the thickness of the roof

2.3　巖石高度影響的組合煤巖聲-電荷信號

信號作為檢測試樣受載過程中應力狀態變化的工具，其反映破壞的程度，故取前文所取試樣試驗過程中監測到的聲發射-電荷信號，繪制不同組合方式的組合煤巖應力-時間關系與聲發射能量、電荷信號關系圖像如圖6所示。探究巖煤高度比改變對信號的影響情況。

圖6　聲發射-電荷信號與應力關系Fig. 6　Acoustic emission-charge signal versus stress image

圖6為不同組合方式的組合煤巖試驗過程中監測到的聲發射-電荷信號與應力之間關系，從整體來看聲發射信號是不斷產生的，電荷信號只在應力突降處，并且電荷信號出現的時間總是要略微落后于聲發射信號，這是由于聲發射信號主要監測煤體破壞釋放的應力波，電荷信號主要是破壞后裂紋尖端擴展造成的電荷分離，煤體在破裂時先釋放應力波，然后電荷分離并監測到電荷信號，所以電荷信號要發生滯后。在壓密階段聲發射信號產生是不穩定的，是由于煤內部結構復雜，存在的空隙和裂紋不完全一樣，壓密階段由于空隙閉合而產生的聲發射信號多少不同，但此階段幾乎不存在裂紋的擴展，電荷信號幾乎沒有；在彈性階段，裂紋不斷萌生，因此圖6(a)～(c)三者在彈性階段均有聲發射信號產生，裂紋擴展或應力突降處則出現電荷信號；在應力峰值和峰后破壞處，煤發生失穩破壞，組合試樣達到應力峰值，承載面突然破壞，裂紋迅速擴展，不斷有大量電荷分離和應力波釋放從而產生大量信號；不同組合方式的組合試樣在峰后產生的聲-電荷信號都是連續密集的。

對比圖6(a)～(c)可以得到巖石高度對聲發射-電荷信號的影響情況：巖石高度增加，彈性階段聲發射信號產生時間提前，聲發射能量高值提高，峰后電荷信號密集度增加。隨著巖煤高度比的增加，煤層部分含量減少，其包含的空隙和隨機裂紋減少，壓密階段變短，圖6(a)～(c)進入彈性階段的時間分別為220，150和130 s，而在彈性階段產生聲發射信號的時間依次為225，175和135 s左右，隨巖石高度增加裂紋擴展時間提前，根據脆性材料斷裂準則可知，裂紋產生后就更易破壞，因此可以從彈性階段出現聲發射信號的時間推測煤巖內部的應力狀態，估計破壞時間，峰后的聲發射能量高值的變化反映了破壞的劇烈程度；電荷信號的產生意味著破壞的發生，隨著巖石高度的增加，峰后電荷信號的密集程度也不斷增加，這表征了巖煤高度比大的組合煤巖在峰后破壞是不斷進行的，破壞是更徹底的。將試驗所測峰后聲發射能量累積量、電荷累積量和應力-應變曲線中的能量釋放情況相結合，得到三者之間擬合關系，如圖7所示。

圖7　聲發射能量、電荷累積量與能量釋放關系Fig. 7　Acoustic emission energy-charge accumulation and energy release relationship

如圖7為峰后聲發射能量累積量與應力-應變曲線中能量釋放量之間的關系，從中可以發現聲發射能量、電荷累積量與能量釋放量呈正相關，聲發射能量可以反映應力波釋放速度，電荷量反映能量釋放情況。將前文所選試樣的試驗結果和檢測到的信號量化分析得到峰后聲發射能量變化率和峰后電荷變化率與沖擊傾向性指標對應關系如表4所示。

表4　組合試樣沖擊指標與聲發射-電荷信號參數對應關系

表4為試驗的量化結果，A，B，C為砂巖組合試樣，巖煤高度比從上至下依次為1，0.67和0.42，從中可以清楚發現砂巖-新邱煤組合試樣的沖擊傾向性依次降低，其對應的聲發射-電荷信號與巖石性質和巖石高度具有如下關系：巖石高度越大，沖擊傾向性越強，對應的峰后聲發射能量變化率越快，峰后電荷量變化率越快。聲發射能量變化率反映了彈性波釋放速度，電荷量可作為煤巖釋放能量的量度[17]，這2個物理量都可以反應在峰值處以及峰后應力殘余階段組合煤巖應力狀態變化快慢和破壞的猛烈程度，強沖擊組合煤巖破壞時峰后聲發射能量變化率和電荷變化率為0.336和204.88 pC·s-1，是中等沖擊組合煤巖破壞時聲-電荷變化率的10倍左右，因此綜合考慮聲發射-電荷信號的變化情況可以在一定程度上反演不同沖擊傾向性的組合試樣應力狀態并為判定動力失穩破壞提供依據。

3　結論

1)不同組合方式組合試樣的單軸抗壓強度，彈性模量均高于純煤并低于純巖石，組合試樣的沖擊傾向性，單軸抗壓強度、彈性模量、壓密極限和峰后聲發射能量釋放量均隨巖石高度增加而提高，脆性特征也隨之增強。

2)聲-電荷信號與組合試樣的應力狀態有良好的對應關系，組合試樣內部的缺陷，孔隙閉合以及裂紋擴展情況均可以通過聲-電荷信號反映，彈性階段聲發射信號隨巖石高度提高而提前產生，聲發射能量累積量和電荷累積量與巖石高度呈正相關，沖擊傾向性強的試樣峰后聲發射能量變化率和電荷變化率大。

3)聲發射能量反映應力波的釋放速度和能量釋放速度，電荷信號可以反映裂紋擴展速度，高沖擊傾向的組合煤巖破壞時的聲-電荷信號變化率是中等沖擊試樣的10倍，綜合考慮聲發射信號和電荷信號可以反演煤巖組合體的應力狀態并為煤巖破壞提供判據。

[1]劉少虹，毛德兵，齊慶新，等. 動靜加載下組合煤巖的應力波傳播機制與能量耗散[J]. 煤炭學報，2014，39(S1): 15-22.

LIU Shaohong，MAO Debing，QI Qingxin，et al. Under static loading stress wave propagation mechanism and energy dissipation in compound coal-rock[J]. Journal of China Coal Society，2014，39(S1): 15-22.

[2]劉少虹，秦子晗，婁金福，等. 一維動靜加載下組合煤巖動態破壞特性的試驗分析[J]. 巖石力學與工程學報，2014,33(10): 2064- 2075.

LIU Shaohong，QIN Zihan，LOU Jinfu，et al. Experimental study of dynamic failure characteristics of coal-rock compound under one-dimensional static and dynamic load[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(10): 2064- 2075.

[3]張小濤，竇林名. 煤層硬度與厚度對沖擊礦壓影響的數值模擬[J]. 采礦與安全工程學報，2006，23(3): 277-280.

ZHANG Xiaotao，DOU Linming. Numerical simulation of the influence of hardness and thickness of coal seam on rock burst[J]. Journal of Mining & Safe ty Engineering, 2006，23(3): 277-280.

[4]趙毅鑫，姜耀東，祝捷，等. 煤巖組合體變形破壞前兆信息的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2008，27(2): 339-346.

ZHAO Yixin，JIANG Yaodong，ZHU Jie，et al. Experimental study on precursory information of deformations of coal-rock composite samples before failure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(2): 339-346.

[5]代君偉，謝耀社. 組合煤巖沖擊傾向性研究[J]. 大眾科技，2008(5): 98-99.

DAI Junwei，XIE Yaoshe. Study on rockburst proneness of combined coal and rock[J]. Popular Science & Technology，2008(5): 98-99.

[6]陳光波，郭海濤. 組合巖體動力破壞能量積聚規律實驗研究[J]. 中州煤炭，2015(11): 31-34.

CHEN Guangbo，GUO Haitao. Experimental research on dynamic damage energy accumulation regularity of combination of rocks[J]. Zhongzhou Coal，2015(11): 31-34.

[7]陸菜平，竇林名，吳興榮，等. 組合煤巖沖擊傾向性演化及聲電效應的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2007，26(12): 2549-2555.

LU Caiping，DOU Linming，WU Xingrong，et al. Experimental research on rules of rock burst tendency evolution and acoustic-electromagnetic effects of compound coal-rock samples[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(12): 2549-2555.

[8]肖曉春，金晨，潘一山，等. 組合煤巖破裂聲發射特性和沖擊傾向性試驗研究[J]. 中國安全科學學報，2016，26(4): 102- 107.

XIAO Xiaochun，JIN Chen，PAN Yishan，et al. Experimental study on acoustic emission characteristic and outburst-proneness of coal-rock combinations during failure process[J]. China Safety Science Journal，2016，26(4): 102- 107.

[9]肖曉春，金晨，趙鑫，等. 組合煤巖沖擊傾向電荷判據試驗研究[J]. 巖土力學，2017，38(6): 1620-1628.

XIAO Xiaochun，JIN Chen，ZHAO Xin，et al. Experimental study on the charge criterion of coal-rock bodies burst tendency[J]. Rock and Soil Mechanics，2017，38(6): 1620-1628.

[10]潘一山，羅浩，肖曉春，等. 三軸條件下含瓦斯煤力電感應規律的試驗研究[J]. 煤炭學報,2012,37(6):918-922.

PAN Yishan，LUO Hao，XIAO Xiaochun，et al. Experimental study on mechanical-charge induction law of coal containing gas under triaxial compression[J]. Journal of China Coal Society，2012,37(6)：918-922．

[11]潘一山，唐治，李忠華，等. 不同加載速率下煤巖單軸壓縮電荷感應規律研究[J]. 地球物理學報，2013，56(3): 1043-1048.

PAN Yishan，TANG Zhi，LI Zhonghua，et al. Research on the charge inducing regularity of coal rock at different loading rate in uniaxial compression tests[J]. Chinese Journal of Geophysics，2013，56(3): 1043-1048.

[12]潘一山，唐治，李國臻，等. 不同溫度下巖石電荷感應試驗[J]. 煤炭學報，2012，37(10): 1654-1657.

PAN Yishan，TANG Zhi，LI Guozhen，et al. Experimental research of rock's charge induction under different temperature[J]. Journal of China Coal Society，2012,37(10): 1654-1657.

[13]唐治，潘一山，李忠華，等. 煤巖破裂過程中電荷感應機理分析[J]. 巖土工程學報，2013，35(6): 1156-1160.

TANG Zhi，PAN Yishan，LI Zhonghua，et al. Charge induction mechanism in the process of fracture of coal-rock[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35(6): 1156-1160.

[14]趙揚鋒，潘一山，李國臻，等. 巖石變形破裂過程中電荷感應信號的檢測[J]. 防災減災工程學報，2010，30(3): 252-256.

ZHAO Yangfeng，PAN Yishan，LI Guozhen，et al. Measuring of the charge-induced signal of rock during the deformation and fracture process[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2010,30(3): 252-256.

[15]李忠輝，王恩元，劉貞堂，等. 煤巖破壞表面電位特征規律研究[J]. 中國礦業大學學報，2009,38(2): 187-192.

LI Zhonghui，WANG Enyuan，LIU Zhentang，et al. Study on characteristics and rules of surface potential during coal fracture[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2009，38(2): 187-192.

[16]邱兆云,潘一山,羅浩,等.有效圍壓對煤體破裂聲發射信號影響研[J].中國安全生產科學技術,2015,11(4):47-53.

QIU Zhaoyun，PAN Yishan，LUO Hao,et al. Study on influence of effective confining pressure on acoustic emission signal in coal fracture[J].Journal of Safety Science and Technology，2015，11(4): 47-53.

[17]賈炳,魏建平,溫志輝.峰值前后多次加載下煤樣聲發射特征[J].中國安全生產科學技術,2016,12(4):5-9.

JIA Bing,WEI Jianping,WEN Zhihui.Acoustic emission characteristics of coal samples under multiple loading processes before and after the peak value[J]. Journal of Safety Science and Technology,2016,12(4):5-9.