煤巖單軸壓縮條件下聲發射與破壞特征差異性研究

楊增福，楊勝利，楊文強

(1.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102209；2.神東煤炭集團公司，陜西 榆林 719000；3.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083)

近年來，隨著我國煤礦開采深度的增加以及開采條件的日益復雜，沖擊礦壓、頂板大面積來壓及煤與瓦斯突出等煤巖動力災害日益嚴重。聲發射作為一種無損監測煤巖體內部裂隙發育過程的手段，在煤巖體破壞過程中利用聲發射手段可以捕捉到聲發射信號的多種參數，包括撞擊次數、振鈴計數、能量等，能夠有效預測煤巖動力災害的發生[1-7]。在巖體聲發射技術的監測應用中，采場冒頂、片幫和巖爆發生前大多都出現聲發射事件的突然下降或出現相對平靜期現象[8-16]。很多學者都對聲發射在煤巖體破裂過程中的應用做了相關研究。

綜上可以看出，國內外學者對煤巖體的聲發射特征實驗做了大量研究[17-25]，但是針對某一特定礦井煤層與基本頂巖石單軸壓縮過程中破壞與聲發射能量演化之間的異同點鮮有研究。此次研究的取樣地點位于神東礦區布爾臺煤礦3盤區12上煤，與此工作面相鄰的22煤，42煤工作面經常有工作面大面積頂板來壓現象發生，12上煤的賦存條件與這兩個工作面類似，將布爾臺煤礦12上煤的老頂中粒砂巖和12上煤作為研究對象，研究在單軸壓縮的條件下損傷和聲發射特征的差異性，通過對不同巖體應力-應變曲線、變形破壞特征、能量曲線的演化特征的研究，得出布爾臺煤礦12煤上覆頂煤與基本頂中粒砂巖在受到壓縮作用時，在破壞方式與破壞過程中聲發射信號參數的表現出極大的不同，為布爾臺礦井12上煤首采面的煤巖動力災害做出預警，同時也可以為本礦井賦存條件相似的其他煤層以及其他礦井條件相似的煤層提供參考。

1 聲發射實驗

1.1 煤巖體試樣的制備

煤巖樣原樣取自布爾臺煤礦12上301運輸巷掘進工作面，按照國際巖石力學實驗要求將其加工成?50mm×100mm的標準圓柱體試樣，其中煤樣盡可能地篩選完整性較好的進行加工，保證實驗測試的精度。煤巖樣力學參數分別為：巖樣的內摩擦角為36°、內聚力為6.04MPa、單軸抗壓強度為30MPa、單軸抗拉強度為1.58MPa；煤樣的內摩擦角為44°、內聚力為0.79MPa、單軸抗壓強度為37MPa、單軸抗拉強度為1.38MPa。

1.2 實驗設備

主體實驗設備分為兩個部分：單軸壓縮加載系統和聲發射監測系統。單軸壓縮實驗采用的加載系統是天水紅山公司生產的萬能試驗機；聲發射監測系統采用的是北京軟島時代有限公司生產的DS-2聲發射監測與數據分析系統。

同時采用GoPro對實驗過程全程錄像，后期可以使用播放器進行慢速處理，可以觀察到煤巖體破壞瞬時的情況。

1.3 實驗過程與參數選取

試樣單軸壓縮采用位移控制加載方式，加載速率控制為0.5mm/min，同時每個試樣上粘有六個聲發射探頭，用以采集煤巖樣在單軸壓縮條件下破壞時產生的聲發射信號(包括撞擊次數、能量、振鈴計數等)，前置放大器放大增益為40dB，門檻值設置為100dB，為保證傳感器與試樣之間的耦合度，減少噪聲的影響，保證實驗的精度，在傳感器與轉換器之間涂抹一層硅脂。

實驗中采用的煤巖試樣為標準圓柱體試樣，根據聲發射設備的監測原理，在實驗開始前，圓柱體的各項參數(高和)就已經人工輸入到計算機，在實驗過程中，試件內部發生破壞時，至少需要柱面上三個點來定位內部的破壞位置，因此我們選取在柱面上選取6個點來安裝聲發射探頭，探頭安裝完成后，也要采用斷鉛法進行標定與校準，最后保證探頭位置精確后在計算機內輸入位置參數，盡可能確保實驗的準確性。

2 實驗結果與分析

2.1 中粒砂巖破壞及聲發射特征分析

巖樣在單軸壓縮下的全應力-應變曲線可以直觀反映巖樣受力過程中的應力-應變特性。根據伺服加載試驗機記錄的數據，繪制出中粒砂巖的應力應變曲線以及聲發射撞擊次數柱形如圖1所示。

圖1 中粒砂巖應力-應變曲線及撞擊次數

結合其應力應變曲線和聲發射撞擊次數柱形圖分析其破壞過程及破壞過程中聲發射撞擊次數的變化情況，將其破壞過程和聲發射特征分為四個階段：

1)原生裂隙壓密階段—聲發射平靜期。在此階段，試樣中的原生裂隙被壓實，對照上圖，可以看出只有第一個中粒砂巖試樣中的原生裂隙較多，在聲發射平靜期內伴有一個小幅度的聲發射信號波動，隨著應力的逐漸增大，試樣中的原生裂隙被逐漸壓實，撞擊次數有輕微的波動，而其他兩個試件中的原生裂隙較少，完整性較好，在此階段，聲發射信號較弱，聲發射撞擊數一直保持一個較小的值。

2)彈性階段—聲發射過渡期。在彈性階段，隨著壓縮應力的逐漸增大，試件被逐漸壓縮變形，但變形處在一個可逆的區間內，應力-應變曲線幾乎呈一條直線，與此同時，聲發射撞擊次數也在穩步上升，能量曲線仍然保持一個較小的值。

3)塑性階段—聲發射活躍期。在巖樣塑性變形階段，應力-應變曲線偏離直線，試件內部產生了不可逆變形，伴隨大量新生裂隙的產生、擴展和貫通，伴隨著這些裂隙的產生與擴展，聲發射強度有明顯的提升，撞擊次數急劇上升，聲發射各種參數都保持一個較高的值，聲發射事件活動頻繁，此階段可以作為巖石破壞的前兆信息。

4)破壞階段—聲發射峰值。從應力-應變曲線圖可知，此階段持續時間很短，幾乎在瞬間完成，應力值達到試件的極限抗壓強度時，試件破壞，應力-應變曲線瞬間跌落，幾乎不存在殘余強度，試件表現出脆性特征，裂隙之間相互作用頻繁，聲發射信號有明顯的增強，聲發射撞擊次數達到峰值。

2.2 煤樣破壞及聲發射特征分析

同樣，依據單軸壓縮過程中萬能試驗機上采集到的數據，繪制煤樣的應力-應變曲線以及聲發射撞擊數柱形如圖2所示。

圖2 煤樣應力-應變圖及撞擊次數

結合其應力應變曲線和聲發射撞擊次數柱形圖分析其損傷演化及破壞過程中聲發射撞擊次數的變化情況。此時將其破壞過程依然分為四個階段，而對應的聲發射特征情況則可分為五個階段：

1)原生裂隙壓密階段—聲發射平靜期與聲發射波動期。這個階段內，煤樣與中粒砂巖試樣存在較大的差異。在煤樣剛開始受力時，還沒有發生位移，試樣中原生裂隙還未被壓縮，因此，聲發射撞擊次數處于較低的值，基本沒有聲發射信號產生，此時認為聲發射處于平靜期；隨著應力的繼續增加，由于煤樣內部的原生裂隙較多，在壓力作用下原生裂隙逐漸被壓實，相互之間作用頻繁，聲發射信號有了波動，對照圖上反映為撞擊次數有一個短暫的上升期，在裂隙閉合后又下降為一個較低的值，此階段煤樣較中粒砂巖試樣的存在更明顯，更普遍。

2)彈性階段—聲發射過渡期。此階段煤樣與中粒砂巖試樣類似，隨著壓縮應力的逐漸增大，試件被逐漸壓縮變形，應力-應變曲線幾乎呈一條直線，聲發射撞擊次數也在逐步上升。

3)塑性階段—聲發射活躍期。在巖樣塑性變形階段，應力-應變曲線偏離直線，試件內部產生了不可逆變形，伴隨大量新生裂隙的產生、擴展和貫通，伴隨著這些裂隙的產生與擴展，聲發射信號變得活躍，強度有明顯的提升，撞擊次數急劇上升，上升速度要比中粒砂巖試樣更快，煤樣已經瀕臨破壞。

4)破壞階段—聲發射峰值。從應力-應變曲線圖上可以看出，此階段煤樣與中粒砂巖試樣也存在很大差異性，

雖存在一些共性，與中粒砂巖試樣一樣，持續時間很短，幾乎在瞬間完成，試樣破壞以后，應力-應變曲線瞬間跌落，幾乎不存在殘余強度，但不用的是，中粒砂巖試樣在破壞以后，聲發射撞擊次數不是突然下降，峰值以后還有一個下降的階段，而煤樣撞擊次數在達到峰值以后，突然降低到0，這是因為中粒砂巖試樣在破壞以后，試樣完整性還較好，探頭還能接受信號，而煤樣在破壞后，由于呈崩開式破壞，探頭被崩落到地面，無法接受信號，撞擊次數為0。

2.3 煤巖體破壞的聲發射參數差異性分析

煤巖樣壓縮聲發射特征曲線如圖3所示，對比中粒砂巖和煤樣在單軸壓縮過程中的特征曲線，在兩種巖石試樣單軸壓縮過程中，煤樣曲線相較于中粒砂巖試樣，煤樣的撞擊次數曲線圖和能量曲線圖上都多出了一個裂隙壓實期，因為煤體試樣中存在的原生裂隙較多，在開始壓縮時試樣中的原生裂隙首先被壓實，會產生一定的聲發射信號，使得煤樣的聲發射特征曲線相較于基本頂中粒砂巖試樣特征曲線存在波動。

圖3 煤巖樣壓縮聲發射特征曲線

再比較兩者在活躍期與破壞時的曲線特征情況，可以看出中粒砂巖試樣在破壞前后，其撞擊次數曲線與能量演化曲線存在著“多峰值”的情況，說明在中粒砂巖試樣在壓縮過程中積蓄的能量在破壞前后分多次散失，且能量的量級為105，說明在中粒砂巖試樣破壞前后能量分多次散失，導致試樣最終破壞時表現的較為平緩；對比煤樣在破壞前后的曲線特征，可以看出，在整個壓縮過程中，能量曲線峰值僅出現了一次，而且對應的能量強度較中粒砂巖的能量強度要高一個數量級，為106，說明在煤樣的單軸壓縮破壞時積蓄的能量在瞬間全部釋放，導致試件破壞特別劇烈，呈崩壞形式。

由圖4可知，對照兩種試樣的破壞形式，中粒砂巖試樣的最終的破壞表現為沿主裂紋的單斜面剪切破壞，破壞面法線與載荷軸線夾角約為60°，從GoPro上錄制的視頻上可以看出，中粒砂巖試樣在單軸壓縮過程中，試樣表現的破壞過程特別平緩，在壓縮過程中沒有發出聲響，僅在破壞時發出一聲很小的聲響，試樣隨之破壞，且破壞平緩，這一點也可以與其能量曲線相互對應，且從聲發射定位點圖上也可以看出試件破壞的裂隙輪廓，而且定位點數量少也可以側面印證了其破壞過程比較平緩。

圖4 煤巖樣破壞及聲發射定位點

與中粒砂巖試樣的破壞相比的，煤樣的最終破壞形式就表現的特別劇烈，從圖上可以看出，煤樣破壞后，只剩下上下部分，中間部分已經完全破壞，破壞特別劇烈，通過GoPro上錄制的視頻可以看到，在單軸壓縮過程中，在壓縮后半段時間內，時常有煤體碎屑崩出且伴隨著較小的聲響，在最終破壞時，煤體試樣直接崩壞且伴隨大量煤體碎屑呈四周飛出，并發出較大的聲響，說明此刻瞬間釋放出大量能量，與能量曲線的變化也有著很好的對應性；再看其聲發射過程定位點圖，對照的破壞點分布在煤樣中部，分布特別密集且雜亂無章，與最終的破壞形式也相吻合。

3 結 論

1)結合聲發射撞擊次數及應力-應變曲線可以看出，不管是中粒砂巖還是煤樣，其應力-應變曲線與聲發射特征曲線有著高度的一致性，撞擊次數的峰值基本均出現在應力曲線的峰值之前，這為井下煤巖動力災害的預警提供了思路，可以采用聲發射手段數據采集分析，根據不同條件礦井提前設置一個合適撞擊次數預警峰值，在本文涉及的煤巖樣本可以將預警峰值設置為150～200，一旦采集數據超過預警峰值，及時處理，有備無患，進行提前預測災害的發生。

2)結合聲發射撞擊次數以及定位點圖可以看出，在整個單軸壓縮加載過程中，中粒砂巖試件的聲發射事件數要遠小于煤體試件的聲發射事件數，但二者的定位點圖都能大致反映到試件的破壞上，與試件的破壞形式有很高的一致性，中粒砂巖定位點圖中的點比較稀疏，但可以反映出試件的破壞面，破壞呈現多次較為緩和的破壞，煤樣定位點圖中的點密集且集中，反映到試件的破壞形式上為程度較為劇烈的破壞。

3)結合能量曲線可以看出，中粒砂巖試樣的能量曲線在破壞前后表現為多峰值情況，說明試件在破壞前后能量分多次散失，導致試件破壞不嚴重，破壞過程平緩，最終破壞形式為單斜面剪切破壞；而煤樣則表現為單峰值情況，說明能量在破壞瞬間大量釋放，導致試件破壞嚴重，表現為崩壞情況。