不同瓦斯压力下煤岩单轴压缩力学性质及声发射特性研究.pdf 11页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn不同瓦斯压力下煤岩单轴压缩力学性质及#声发射特性研究**吕蓬勃，高保彬，郭放5（河南理工大学安全科学与工程学院，焦作市454000）摘要：为了研究不同瓦斯压力下煤岩单轴压缩力学性质及声发射特性研究同瓦斯压力下煤岩失稳破裂过程中力学性质以及声发射特性，本文以RMT-150C型岩石力学实验机为载体，自主研发了单轴压缩条件下含瓦斯煤岩受载变形破坏实验装置，并结合DS-5型全信息声发10射信号分析仪，对不同瓦斯压力条件下煤样力学性质和声发射特征进行了分析。结果表明：随着瓦斯压力从0Mpa升高为2MPa，煤样的强度随之下降了37.57%，弹性模量下降了26.1%，声发射累计计数减小了32%，累计能量降低了25.32%。总体来看，煤样的力学性能和声发射特征与瓦斯压力呈现负相关的关系。关键词：单轴压缩；煤岩；声发射；力学性质15中图分类号：X936StudyonMechanicalPropertiesandAcousticEmissionCharacteristicsofCoalunderUniaxialCompressionatDifferentGasPressures20LvPengbo,GaoBaobin,GuoFang(CollegeofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,JiaoZuo,454000)Abstract:Inordertostudythemechanicalpropertiesandacousticemissioncharacteristicsofcoalrockunderdifferentgaspressures,theRMT-150Crockmechanicsexperimentmachineisusedasthecarrier,anddevelopesasetofexperimentalequipmentthatthecoalsamplesdeformationandfailureunder25uniaxialcompressionconditionofcoalandrockcontaininggas.Then,analyzedthemechanicalpropertiesandacousticemissioncharacteristicsofcoalrockunderdifferentgaspressureswithDS5AEmonitoringandsignalanalysissystem.Theresultsshowthatthestrengthofcoalsampledecreasesby37.57%,theelasticmodulusdecreasesby26.1%,theacousticemissioncumulativecountisreducedby32%andthecumulativeenergyisreducedby25.32%withtheincreaseofgaspressurefrom0MPato302MPa.Ingeneral,themechanicalpropertiesandacousticemissioncharacteristicsofcoalsamplesarenegativelycorrelatedwithgaspressure.Keywords:uniaxialcompression;coal-rock;acousticemission;mechanicalproperty0引言在一的压力下，瓦斯气体定在煤岩体内的孔裂隙结构中形成一定的孔隙压力，当外界条35件发生变化时，其本身所处的应力状态随即改变，内部结构受到固气耦合作用而发生剧烈变化，造成了煤岩的微破裂，从而为瓦斯解析和流动提供了通道，同时也为外部动力的传递和自身能量的积聚提供了条件，最终可能导致煤岩体失稳破坏。因此，为了保证更好、更安全地生产，研究含瓦斯煤岩失稳破裂的发生机理，预防动力灾害事故的发生，国内外学者对[1-4]此做了大量的研究。比如：尹光志等利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流40实验装置，进行不同加卸载条件下含瓦斯煤力学特性的试验研究。研究结果表明，不同加卸基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（201341161200001）作者简介：吕蓬勃（1989-），男，研究生，主要从事煤岩动力灾害预测与防治通信联系人：高保彬(1977-)，男，博士，副教授，主要从事矿山安全开采方面的教学与科研工作.E-mail:gaobaobin@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn载条件下含瓦斯煤的力学性质存在加大差异，含瓦斯煤的百姓模量和承载强度随加载条件的[5-7]变化呈现一定的规律。赵洪宝等在单轴压缩条件下利用MTS815岩石力学试验系统对含瓦斯煤岩的力学特性进行了研究，研究结果认为：瓦斯参与后煤岩试件破坏的脆性增强，强[8]度降低。王家臣等，研究了瓦斯对突出煤体的力学性质的影响。研究结果认为，瓦斯对煤[9]45样的三轴强度、变形模量及峰值应变等性质有较大影响。吕有厂等利用自主研制的含瓦斯[10]煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置对含瓦斯煤岩进行了三轴卸围压试验。李晓泉等对含[11]瓦斯煤力学特性及煤与瓦斯延期突出机理进行了研究。黄启翔等对卸围压条件下含瓦斯[12]煤岩力学特性的研究。李宏艳等采用声发射探测手段对不同冲击倾向性煤体失稳破坏进行实验研究，通过分析发现不同冲击倾向煤体失稳破坏过程中振铃计数、AE能量、频谱及50b值变化存在差异。从以上研究成果发现，过去学者仅对含瓦斯煤的力学性质的研究多是在三轴含瓦斯条件下，而单轴含瓦斯条件下的煤岩物理力学性质的研究很少，这与国标规定的单轴测定煤样冲击倾向性指标的方法不符。因此，以含瓦斯煤为研究对象，研究其在不同瓦斯压力下的煤样单轴压缩下的煤岩力学性质，此外，利用声发射仪对含瓦斯煤受载破坏过程中的声发射信息进行同步监测，从中提取声发射参量，根据所得应力-应变曲线及声发射特55性，找到含瓦斯煤失稳破坏的声发射前兆信息，对煤岩瓦斯复合动力灾害的监测预测和防控具有重要意义。1实验设备含瓦斯煤单轴压缩实验系统主要包括伺服控制加载系统、声发射信号监测系统、含瓦斯煤岩单轴压缩实验装置、应力应变监测及记录系统、超声综合监测系统、真空泵及供气系统60等组成，实验系统如图1所示。其中本次采用RMT-150C型岩石力学试验系统来测试岩石力学试验，如图2；利用XL2101C程控静态电阻应变仪对煤样加载过程中的横向、轴向应变进行实时监测。1-上压头；2-顶盖；3-密封仓；4-底座；5-试验机控制软件；6-声发射监测仪；657-声发射软件；8-抽真空泵；9-气罐；10-电阻应变仪；11-应变监测软件图1含瓦斯煤单轴压缩实验系统示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentsystemofgassycoalunderuniaxialcompression-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图2RMT-150C型岩石力学试验系统70Fig.2TherockmechanicstestsystemofRMT-150C1.1含瓦斯煤体力学实验装置本论文以现有的RMT-150C型岩石力学试验机为载体，以DS5型全信息声发射信号分析仪为声发射信号监测手段，研制含瓦斯煤岩单轴压缩条件下受载变形破坏实验装置，目的在于可以在岩石力学试验系统上实现单轴和三轴加载方式下含瓦斯煤体受载变形破坏过程75的力学和声发射特性测量和研究。该装置由上压头、密封盖、仓体、底座等部分组成。底座上设计有下压头和多用导线孔，下压头内有超声探头槽、超声探头导线孔和下压头出气孔，下压头表面固定透气板，外围套有一层定位套，试验煤样放置于定位套内，使煤样中心与下压头中心对齐；煤柱侧面分别设有声发射传感器和应变计，传感器线缆与底座上多用导线孔预留线缆连接，在装置外可与相80应设备连接；上压头置于煤样上表面与煤样中心对齐，上压头上设有出气孔，并用阀门控制；将密封仓放置于底座的外沿上并用固定螺栓固定在底座上，后将密封顶盖穿过上压头放置于密封仓上并用固定螺丝固定在密封顶盖上，所述上压头、密封盖、密封仓、底座之间形成密闭空间。试验时通过进气孔向仓体密闭空间内通入一定压力的气体，待煤样在一定时间后吸附饱和后即可进行含瓦斯煤的单轴、三轴压缩试验。图3、4为装置各部位设计和安装图。85（a）（b）（c）（d）1-上压头；2-密封顶盖；3-密封仓；4-底座；5-透气板；6-定位套；7-上压头进气孔；8-上压头超声探头导线-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn90孔；9-超声探头槽；10-定位栓；11-透气板固定螺栓；12-超声探头；13-组合密封圈；14-上固定螺栓；15-仓体密封圈；16-下固定螺栓；17-下压头出气孔；18-多用线孔；19-底座密封圈；20-底座超声探头导线孔；21-BNC接口；22-声发射传感器；23-单线接口；24-应变计；图3含瓦斯煤样实验装置示意图Fig.3Theschematicdiagramofexperimentaldeviceofcoalsampleswithgas95图4安装示意图Fig.4Installationdiagram1.2声发射实验仪器本文采用北京软岛时代科技有限公司生产的DS-5系列全信息声发射信号分析仪。该型100号可支持32通道的声发射信号检测，稳定性好，灵敏度高，具有高速传输等技术指标。该系统可以利用USB3.0接口高达262MB/S的最大数据通过率实现对多通道声发射信号波形的完整记录，并同步提取声发射信号参数，便于在后处理时得到各类信号参量、空间定位等相关信息。该系统由声发射仪、PC主机、分析软件、同轴电缆等部分组成，如图5、6、7所示，工作连接方式及原理如图8、9所示。105图5DS-5型声发射仪图6声发射传感器图7前置放大器Fig.5TheAEinstrumentofDS-5Fig.6AcousticemissionsensorFig.7Acousticemissionpreamplifier-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn110图8声发射仪连接示意图图9声发射检测工作原理图Fig.8ConnectiondiagramofAEmonitorFig.9PrinciplediagramofAEdetecting2实验方案（1）煤样制备依据相关标准，利用钻孔取样机从煤块上钻取一定尺寸的标准煤样：直径为50mm、高115度为100mm，然后利用端面磨石机将钻取好的煤芯加工成端面平行度偏差<0.05mm，上下高度偏差<0.2mm的端面平整、两端平行的标准煤样。在单轴压缩试验中，每组煤样至少加工了3个，以避免试验结果出现离散现象。部分加工成型的煤样如图10所示。根据SEM观测结果，可以知道大柳塔煤矿的煤样孔隙较多、孔径较大，瓦斯流动和赋存的通道较为明显，因此在本试验中选取大柳塔煤矿的煤样进行不同瓦斯压力下的力学试验。实验前对煤样进行120均一性检查，尽量剔除差异较大的煤样，避免有离散性的实验数据出现。图10部分煤样Fig.10Partofthecoalsamples（2）实验方法125为了对不同瓦斯压力下煤样受载破裂过程中的力学特性和声发射特性进行研究，分别选择0MP、1MP、2MP三种瓦斯压力下对所选煤样进行单轴加载实验，每组三个煤样。3煤样在不同瓦斯压力下的力学特性分析在实验过程中，对煤样在不同瓦斯压力下的基本岩石力学参数进行了测定：比如单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、密度等，表1、图11和12为测试结果。130-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn表1煤样基本参数测定结果Tab.1Theresultofthebasicparemetersofcoalsamples取样瓦斯压密度弹性模编号高度/mm直径/mm质量/g强度/MPa-3地点力/MPa/(g·cm)量/GPaD1099.3049.55219.981.1535.5902.256D2095.1049.60233.591.2729.8302.081D3099.2049.75236.821.2331.8102.032大柳塔D41100.0549.60249.451.2925.3231.708煤矿2D5199.3049.65242.091.2625.0231.671号煤D6199.5549.70242.651.2623.5402.166D7295.8049.55230.411.2520.8661.611D82101.0049.80272.771.3920.0921.626D9299.5049.55247.521.2919.7441.470135图11煤样在不同瓦斯压力下的力学特性Fig.11Mechanicalpropertiesofcoalsamplesunderthedifferentgaspressures（a瓦斯压力=0Mpa;b瓦斯压力=1Mpa;c瓦斯压力=2Mpa）图12单轴压缩下煤样的应力-应变曲线140Fig.12Curveofthestress-strainofthecoalsamplesunderuniaxialcompression由于实验所用煤样钻取自同一煤矿同一煤层的大块煤样上，本组实验煤样的物理性质相差不大，密度较为统一，尽量避免了实验样品的差异带来的误差。由表1和图11、12可知，不同瓦斯压力下煤样的力学性质具有比较明显的差异性和规律性。原始状态即不加瓦斯的条件下，大柳塔煤矿2号煤的强度较大，平均达到了32.41MPa，弹性模量也最大，平均值为1452.123GPa，整体呈现出脆性破坏的性质。而随着瓦斯压力的增大，煤样在单轴压缩过程中的变形特性开始出现比较明显的变化。在一定的瓦斯压力下，吸附饱和的煤样的峰强比不含瓦斯的原始煤样的峰强低。瓦斯压力=1Mpa时，煤样的平均强度为24.629MPa，下降率为24%；2MPa瓦斯压力下煤样的平均-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn强度为20.234MPa，和1MPa压力下的煤样强度相比下降了17.84%，和无瓦斯压力下的煤150样强度相比下降了37.57%，强度降低比较明显。此外随着瓦斯压力的增加，吸附饱和状态下的煤样在应力-应变曲线上出现明显的初始压密阶段，弹性阶段变短，弹性模量也随瓦斯压力的增加而降低，1MPa压力下煤样的平均弹性模量为1.85GPa，相比于不含瓦斯的煤样降低了12.86%；2MPa压力下煤样的平均弹性模量为1.569GPa，相对于1MPa压力下的煤样降低了15.19%，相对于不含瓦斯的煤样降低了26.1%。总体来看，实验煤样的峰值强度、155弹性模量均和瓦斯压力呈现出负相关的联系，图13表明，峰值强度、弹性模量都随瓦斯压力的增加而下降。2.1333027/GPa1.8/MPa24弹性模量峰值强度211.51815012012瓦斯压力/MPa瓦斯压力/MPa图13不同瓦斯压力下煤样的力学参数Fig.13Mechanicalparametersofcoalsamplesunderdifferentgaspressure160瓦斯压力对煤样的力学性质会产生多方面的影响。首先，根据有效应力原理：σσ=-¶pp1式中：σ—有效应力；σ—外部主应力；p—孔隙压力；¶—应力系数。p1由上述公式可以知道，当瓦斯压力增大时，煤样内部的瓦斯气体会造成有效应力σ的p降低，使得煤样内部损伤演化活动加剧，裂纹的萌生和发展降低了煤样的承载能力，从而降165低了煤样的强度。此外，随着瓦斯压力的增大，含有一定动能的瓦斯气体不断地通过渗流作用进入煤样内部的孔隙裂隙中去，一方面通过吸附作用附着在煤体颗粒的表面，降低了煤基质的表面能和煤基质之间的联结力，使得煤体颗粒间的间距变大，在宏观上，降低了煤体抵抗变形和破坏能力；另一方面，煤体内部游离态的瓦斯气体在孔裂隙之间运移，会扩充煤体体积，同时也170会进入到煤颗粒内部的孔隙中，促使颗粒膨胀。因此，在游离态和吸附态瓦斯的共同作用下，煤样会发生膨胀变形、裂纹扩张等微观损伤，造成含瓦斯煤强度降低，煤质相对变软的情况，在力学上表现为：初始压密阶段出现明显的应力-应变曲线。4不同瓦斯压力下煤样破裂过程中声发射参数演化规律本章在进行含瓦斯煤的力学实验过程中，通过声发射仪对含瓦斯煤受载破坏过程中的声175发射特性进行了同步监控。由于篇幅有限，本节选取不同瓦斯压力下的三个煤样进行对比分-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn析，研究瓦斯压力对煤样破裂过程中的声发射特性的影响。煤样D3、D6、D9在不同瓦斯压力下受载破坏过程中的声发射计数与累计计数、能量与累计能量的统计表2和曲线图14、15如下：180表2声发射参数特征表Tab.2ThecharacteristicsofAEparameters煤样声发射计数峰值累计计数声发射能量峰值累计能量D37997333059.120565.16519161.4D6713426766319832.6448125.2D94556226467.517085387667.7（a）煤样D3（0MPa）185（b）煤样D6（1MPa）（c）煤样D9（2MPa）图14不同瓦斯压力下煤样声发射计数、累计计数与时间的关系190Fig.14TherelationshipcurvebetweenAEcounts,cumulativecountsandtimeofthecoalsampleunderdifferentgaspressure-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（a）煤样D3（0MPa）195（b）煤样D6（1MPa）（c）煤样D9（2MPa）图15不同瓦斯压力下煤样声发射能量、累计能量与时间的关系Fig.15TherelationshipcurvebetweenAEenergy,cumulativeenergyandtimeofthecoalsamplesunderdifferent200gaspressure通过图14和15，根据煤样的应力-应变曲线和声发射参数随时间变化的规律，可以将煤样受载破坏过程中的声发射特性划分为几个时期：（1）平静期。该时期可以从开始加载的初始压密阶段到弹性阶段的全过程，声发射信号源自煤体原生裂隙受载后的压缩、闭合和滑移，在弹性变形阶段由于骨架的弹性变形吸收205应变能，没有明显的损伤出现，所以只有少量的声发射计数，能量也不高，累计能量曲线在此阶段较为平缓。（2）活跃期。随着荷载的不断增加，煤体开始出现损伤，微裂隙开始大量发育和扩展，尤其在塑性变形阶段由于出现不可逆的塑性变形。从曲线中可以看出，在此阶段声发射信号数量将会出现显著地增加，声发射累计计数和累计能量曲线的斜率变大。210（3）提速运动期。随着微裂纹的不断扩展、贯通，煤体将出现宏观上的主裂纹，发生失稳破坏，此阶段由于断裂导致积聚的应变能大量释放，声发射声发射计数、能量都会出现急剧的增加。此时期可以从煤体出现宏观上的主裂纹到发生失稳破坏断裂为止。-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（4）残余运动期。煤体发生失稳破坏一般分为脆性断裂和延性变形，发生脆性断裂后煤体失去承载能力，声发射信号逐渐降为零；延性变形进入到残余应力阶段后仍有一定的承215载能力，断裂块体之间存在相对移动，这时仍能产生少量的声发射信号，声发射计数和能量继续增加，但增加速率降低。通过对表2和图14、图15中不同瓦斯压力下煤样失稳破坏过程中声发射参数的变化情况进行对比分析，可以看出：含瓦斯煤的声发射特性在不同瓦斯压力下具有一定的相似性和差异性。相似性表现在平静期较为一致，增长比较平缓，没有明显的密集区域，再提速运动220期声发射活动开始密集，声发射累计计数出现激增，且声发射峰值都出现在应力峰值处，具有很好的相关性。差异性表现在随着瓦斯压力的增加，含瓦斯煤的声发射特性受到了一定的影响，声发射累计计数方面：1MPa瓦斯压力下煤样的声发射累计计数比0MPa下减少了65396.1次，降幅达到了19.63%，而2MPa瓦斯压力下的累计计数比1MPa下也减少了41195.5次，降幅为15.39%，和0MPa下相比减小了106591.6次，降幅为32%，减小幅度特别明显。225同样，累计能量方面：1MPa瓦斯压力下煤样的声发射累计能量比0MPa下煤样的声发射累计能量降低了71006.2，降幅为13.68%，2MPa瓦斯压力下煤样的累计能量比1MPa下降低了60457.5，比0MPa下降低了131463.7，降幅分别为13.49%和25.32%。由此可见，瓦斯气体对煤体的力学性质有一定的弱化作用，降低了煤体的峰值强度，也降低了变形破坏的激烈程度；另一方面，随着瓦斯压力的增大，促进了煤体内部微裂纹的扩230展，使得煤体存在初始损伤，所以完成破坏过程所需要的力变小，降低了损伤扩展的难度，因此导致含瓦斯煤的声发射计数和能量减小。5结论本文主要研究了煤样在不同瓦斯压力下受载破坏过程的力学特性和声发射特性，并对声发射的计数、累计计数、能量、累计能量等信息在不同瓦斯压力下的演化规律进行了对比分235析，主要研究结论如下：（1）依托RMT-150C岩石力学试验系统，自行设计加工了含瓦斯煤的实验装置，经过实验证明该系统在2MPa气体压力下仍能保证良好的气密性，可以实现单轴和三轴加载方式下含瓦斯煤体受载变形破坏过程的力学和声发射特性测量和研究。（2）煤样的力学特性受瓦斯压力的影响。煤样的峰值强度和弹性模量随瓦斯压力的增240大而降低，煤样在应力-应变曲线上出现明显的初始压密阶段，弹性阶段变短。（3）瓦斯压力对煤样的声发射特性有一定的弱化作用，随着瓦斯压力的增大，声发射累计计数和累计能量都下降一定的幅度，并对其原因进行了分析。[参考文献](References)[1]王振，尹光志，胡千庭，等.高瓦斯煤层冲击地压与突出的诱发转化条件研究[J].采矿与安全工程学报，2452010，27(4)：572-575，580.[2]尹光志，李文璞，李铭辉，等.不同加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，-10- 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