基于层理影响的煤样加载过程声发射差异性分析_贾炳.pdf

第 44 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.4 2016 年 8 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Aug. 2016 收稿日期 2015-05-10 基金项目国家自然科学基金项目（ 51574112，51404100）；教育部科学技术研究重点项目（ 213022A） Foundation itemNational Natural Science Foundation of China（ 51574112，51404100）；Foundation for Key Program of Education Ministry of China（ 213022A） 作者简介 贾炳（1990），男，河南泌阳人，博士研究生，从事瓦斯地质研究. E-mailjia_yang1101 引用格式 贾炳，魏建平，温志辉，等. 基于层理影响的煤样加载过程声发射差异性分析［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（4）35-39. JIA Bing，WEI Jianping，WEN Zhihui，et al. The analysis of the differences of acoustic emission during loading process based on the influence of bedding［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（4）35-39. 文章编号 1001-1986（2016）04-0035-05 基于层理影响的煤样加载过程声发射差异性分析 贾 炳 1，2，魏建平1，2，3，温志辉1，2，贾林兴1，2 （1. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000； 2. 河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000； 3. 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000） 摘要 为了探究层理对煤矿开采过程中煤岩声发射特征的影响，在寺河矿采集煤样，根据煤样制 作要求，分别沿轴向垂直层理方向和平行层理方向加工煤样。利用 RMT-150B 岩石力学实验系统 和 CDAE-1 全数字化声发射检测及分析系统，对煤样加载过程中的应力-应变、声发射特征进行测 试分析。测试结果显示轴向垂直层理煤样不仅具有较高的岩石力学强度和声发射强度，而且声 发射特征具有较强的突变性和滞后性。声发射特征的差异性体现了在加载过程中，轴向垂直层理 煤样以整体变形、破坏为主，轴向平行层理煤样以局部变形、破坏为主，这为煤矿井下动力灾害 的监测、预报提供了指导。 关 键 词岩石力学；层理；声发射；实验 中图分类号TD32 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.04.007 The analysis of the differences of acoustic emission during loading process based on the influence of bedding JIA Bing1，2， WEI Jianping 1，2，3， WEN Zhihui1，2， JIA Linxing1，2 （1. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China； 2. School of Safety Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China； 3 Coal Production Safety Collaborative Innovation Center in Henan Province， Jiaozuo 454000， China） Abstract In order to explore the effect of bedding on characteristics of acoustic emission during coal mining， the coal samples were collected in Sihe coal mine. The coal samples were made along the axial direction of the vertical strati- fication and parallel bedding direction， according to the requirements of making the coal samples. With RMT-150B rock mechanics test system and CDAE-1 all-digital acoustic emission detection and analysis system， the samples were tested for stress-strain-acoustic emission during loading. The test results showed that the coal samples of axial vertical stratification had high rock mechanics strength and acoustic emission intensity. The acoustic emission features were strong respectively and hysteresis quality. The difference of acoustic emission characteristics in the loading process reflected that the axial vertical stratification of coal samples were given priority to the overall deation and de- struction. The axial parallel bedding coal samples were given priority to local deation and destruction. This pro- vides guidance for monitoring and forecasting of coal mine dynamic disaster. Key words rock mechanics； bedding； acoustic emission； experiment 声发射监测技术是基于煤岩受力时，发生变形、 破坏，产生不同强度和频度的声发射信号，并使用声 发射监测设备对这些信号进行接收。声发射信号的差 异反映了煤岩变形破坏特征，为煤矿井下地质灾害的 预测提供参考。为了掌握不同地质条件下的声发射特 征，提高对灾害事故预测的准确性。诸多学者从多方 面进行了研究，其中主要集中在数值模拟、实验室测 试、 现场测试等方面。 相关学者采用 FLAC3D、 RFPA2D、 SPH 等数值模拟软件，通过建立不同煤岩特征的均质 或非均质模型，模拟单轴、三轴加载过程中的声发射 ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 44 卷 特征并对其差异性进行分析［1-6］。 马衍坤等［7］、 许江等［8］、 李庶林等［9］及其他学者［10-13］采用实验室测试的方法，通 过改变轴压、围压、加载速度、加载路径等实验条件， 对加载、卸载以及重复加、卸载过程中的声发射特征 进行了分析，得出实验条件对声发射特征的影响规律。 严国超等［14］、尹贤刚等［15］、林柏泉等［16］采用现场测试 的方法，通过对监测的声发射信号进行分析与研究， 对冲击地压等地质灾害进行监测与预报。以上学者对 声发射进行了卓有成效的研究，但是对于层理特征对 载荷过程中煤岩声发射特征影响的研究较少。在煤矿 实际生产过程中，不仅存在以垂直层理方向为主应力 作用的煤岩，也存在以平行层理方向为主应力作用的 煤岩。层理的存在导致两类煤岩即使在相同的变形特 征下，声发射特征也会有较大的差距。因此，对于两 类煤岩的声发射特征不能一概而论，应分析层理对二 者影响的差异性，进而提高井下地质灾害预测的准确 性。本文分别沿平行层理方向和垂直层理方向进行了 煤样制作，并对加载过程中的声发射特征进行了记录， 以期掌握加载过程中层理效应的影响规律，为井下动 力灾害准确预测提供参考。 1 煤样加载过程声发射测试试验 1.1 试验系统 试验系统采用武汉岩土力学研究所研制的 RMT-150B 型岩石力学伺服试验机和 CDAE-1 声发 射仪。 岩石力学伺服试验机主要包括轴压加载系统、 围压加载系统、数据采集与处理系统等，声发射仪 主要包括声发射采集探头、前置放大器、带有数据 采集软件的主机等。试验装置示意图如图 1 所示。 图 1 实验装置原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus 1.2 实验样品及实验方案 在寺河矿采集煤样以后， 根据实验测试目的及制 作要求， 分别沿平行层理和垂直层理方向制成直径和 高度均约50 mm的标准柱状样2组， 每组4个样品（每 组 1 个备用样）。为了减少裂隙发育差异性造成的影 响，采用照相机（放大约 10 倍）和游标卡尺对煤样表 面的裂缝发育情况进行了统计（表 1）。 表 1 煤样裂隙统计表 Table 1 The statistics of coal fracture 层理方向 样品号 条数/条 总长度/mm 面积/mm2 B1 21 259 29.9 B2 12 77 10.7 轴向平行层理 B3 29 354 35.9 D11 28 340 38.8 D12 26 323 39.6 轴向垂直层理 D13 30 292 29.2 通过对测试结果进行初步分析，同一类煤样的 声发射特征大致相同。为了提高煤样的可比性，减 少论述的重复性，本文选择裂隙发育特征相似的 D11、B3煤样进行对比试验。由实际测试得出 D11煤 样的直径为 49.4 mm，高度为 52.2 mm，裂缝条数密 度为1.46 条/cm2， 裂缝长度密度为1.77 cm/cm2， 裂缝面 积密度为0.020 cm2/cm2；B3煤样的直径为49.4 mm，高 度为50.9 mm，裂缝条数密度为1.51 条/cm2，裂缝长度 密度为 1.85 cm/cm2，裂缝面积密度为 0.019 cm2/cm2。 实验方案 a. 样品装缸， 并设置加载参数； b. 围 压/力加载 围压以 0.5 MPa/s 的速度加载到 5.00 MPa， 同时轴向应力以 1.00 kN/s 的速度进行加载；c. 保持 围压不变，采用位移控制模式，以 0.005 mm/s 速度， 继续进行轴向加载，直至煤样完全破坏。加载过程中 记录测试参数。 2 煤样加载过程声发射差异性分析 2.1 煤岩加载过程中损伤表征方法 煤样加载过程中会导致煤岩内部发生破坏变形， 使煤样产生了损伤，发生能量转移，从而产生声发射 现象。损伤的严重程度主要表现为破裂的规模，即是 以能量的形式显现出来。因此，可以用损伤、破坏过 程中释放出能量的大小表征损伤的严重程度。 根据 Kachanov 对损伤变量的定义， 认为损伤变 量可以表示为 d A D A （1） 式中 D 为损伤变量；Ad为承载断面上所有微缺陷 面积，mm2；A 为初始无损时的断面积，mm2。 当无损断面A被完全破坏时， 累计释放的能量为E， 则单位面积微元破坏时，释放的能量 Ew可以表示为 w E E A （2） 当发生损伤断面达到 Ad时， 则累计释放的能量 ChaoXing 第 4 期 贾炳等 基于层理影响的煤样加载过程声发射差异性分析 37 Ed可以表示 d dwd A EEAE A （3） 将式（3）带入式（1）即可得出损伤变量为 d E D E （4） 2.2 煤样的力学特征 根据实验方案，对煤样进行了三轴加载，根据 加载过程应力-应变参数对岩石力学参数进行了计 算，其中 D11煤样的峰值应力为 83.687 MPa，弹性 模量为 4.127 GPa，变形模量为 3.919 GPa；B3煤样 的峰值强度为 45.24 MPa，弹性模量为 3.899 GPa， 变形模量为 3.223 GPa。 2.3 煤岩加载过程声发射特征 从图 2 D11和 B3煤样的应力-时间-声发射测试 结果可以看出煤样在加载过程中，时间-应力-幅 度、时间-应力-计数、时间-应力-相对能量三类曲 线的变化规律相似。现对两个煤样的声发射特征进 行分析。 在压密阶段，煤样 D11和 B3声发射计数都很 少，几乎没有声发射事件产生，声发射幅度与能 量也很小。主要是由于这个阶段煤样以孔裂隙的 闭合为主，仅产生孔裂隙宽度变小的闭合位移， 基本不产生基质的变形损伤，煤样内部几乎不存 在塑性变形。 图 2 D11和 B3煤样应力-时间-声发射测试结果 Fig.2 The test results of stress-time-acoustic emission of coal samples D11 and B3 在弹性变形阶段，D11煤样声发射参数仍很小。 B3煤样声发射参数呈现开始增加的趋势。随着加载 的进行，煤样发生弹性变形的同时，内部局部弱面 附近开始产生侧向滑移，发生塑性变形与破坏。 在塑性变形阶段，D11煤样的声发射依然较小， 但呈现开始增加的趋势， 推断可知随着加载的进行， 煤样内部部分有缺陷的区域可能产生了塑性变形， 并发生了破坏。同时，B3煤样声发射参数开始呈近 似指数形式快速上升，其峰值稍微滞后于应力的峰 值，这是因为声发射接收到的响应在应力、应变产 生变化后才能显现出来，声发射计数达到了最大值 1 900 次左右。以上主要是由于塑性变形过程中，煤 样内部的损伤开始快速增加，煤样内部塑性变形区 域的破坏范围以及破坏强度逐渐增大，形成一些宏 观破裂，声发射参数值较大。 在峰值后破坏阶段， D11煤样的声发射参数快速 增加，达到最大值，其中声发射计数达到 3 300 次 左右，损伤量也呈现出快速增加的趋势，这主要是 由于峰值破坏过程中在煤样内部形成了宏观破裂， 产生了新生裂缝，伴随产生了大量声发射事件。该 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 44 卷 阶段后期，宏观破裂完全形成以后，煤样内部逐渐 趋于稳定，声发射参数开始快速降低，随后逐渐趋 于稳定值，损伤变量增加速度逐渐降低，声发射参 数逐渐减小。而 B3煤样随着加载继续进行，煤样抵 抗变形的能力逐渐降低，应力开始降低。并且，声 发射参数也呈现逐渐降低的趋势。这主要是由于峰 值破坏以后，煤样损伤量增加的速度逐渐变缓，宏 观裂缝形成以后，随着加载继续进行，一些强度较 低的弱面仍然在发生破坏，同时破裂面之间由于棱 角的逐渐磨平，随着加载继续进行，可破坏的棱角 逐渐减小，深度破坏的难度逐渐增加，所以声发射 事件呈现出逐渐减小的趋势，并且其幅度、能量也 都逐渐降低。 2.4 煤岩加载过程中声发射特征差异性分析 2.4.1 轴向垂直层理和轴向平行层理煤岩加载过程 中声发射差异性 通过对轴向垂直层理煤样和轴向平行层理煤样 加载过程中的声发射特征进行对比，得出其变化特 征的主要差异性如下 a. 轴向垂直层理煤样力学强度高于平行层理 煤样。 主要是由于轴向平行层理煤样在加载过程中， 由于存在竖直层理面，层理面作为一个弱面，对煤 岩颗粒的胶结能力较差，降低了煤岩本身的抵抗变 形、破坏能力。而垂直层理煤样在加载过程中，层 理面与加载方向垂直，对煤样强度相对影响较小。 所以，井下煤岩动力灾害沿着平行层理方向发生的 难度小于沿着垂直层理方向发生的难度。 b. 轴向垂直层理煤样的声发射峰值突变性和 滞后性更加明显。对于轴向垂直层理煤样，由于层 理方向垂直于加载方向，层理面对煤岩强度影响较 小。在加载时，煤样内部各处变形规律相似，依次 经历了压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、 峰值后破坏阶段。在加载时，大量弹性能在煤样内 部集聚，只有少量声发射事件产生。在峰值破坏时， 宏观破裂形成，积累的大量的弹性能瞬间释放，对 煤样整体造成大范围的破坏，产生大量、大规模的 声发射事件，导致声发射参数产生突增的现象。轴 向垂直层理煤样以整体变形为主，峰值破坏以后， 煤样内部积累的大量弹性能大部分释放，继续加载 过程中对煤样内部造成的损伤增加速度降低，引起 内部破坏较少，声发射参数突降。因此，轴向垂直 层理煤样声发射特征具有较强的突变性。而平行层 理煤样由于受到层理面的影响， 煤样内部强度不一， 加载过程中以局部破坏为主，声发射产生较早，不 易形成能量集聚，声发射突变性不明显。所以，相 对于沿平行层理方向，垂直层理方向发生的地质灾 害其征兆更加不明显，监测预报难度更大。 c. 轴向垂直层理煤样的声发射参数明显高于 平行层理煤样。由于轴向垂直层理煤样以整体变形 为主，一旦发生破坏，积累的能量会瞬间得到释放， 破坏的规模和范围都比较大，显现出较强的声发射 特征。而轴向平行层理煤样以局部变形为主，发生 破坏时，以局部变形破坏为主，难以形成大范围的 能量积累，声发射参数相对较小。所以，垂直层理 方向发生的井下动力灾害通常强度较高。 2.4.2 层理对煤样声发射特征影响的讨论 通过对轴向垂直层理煤样以及轴向平行层理煤 样加载过程中声发射特征的分析，认为两者之间之所 以会呈现差异，主要是由于层理面作为一个弱面，它 的存在降低了煤样整体的强度，增加了煤样的非均质 性，进而导致加载过程中声发射会呈现差异性。 煤矿井下实际生产过程中，由于巷道的存在， 导致不同煤岩区域受力存在差异，既存在最大主应 力方向垂直层理的煤岩区域，又存在最大主应力方 向平行层理的煤岩区域。因此，在对井下声发射监 测数据进行分析、预测井下动力灾害时，应该考虑 层理面的影响。同时，当层理面与最大主应力垂直 时，层理面对煤岩强度影响较小。所以，在相同条 件下，最大主应力垂直于层理方向的煤岩区域，不 易发生井下动力灾害事件。但是，这些区域灾害事 件的发生会有更高的强度、更大的突然性，预测的 超前性会有所降低。 因此，在实际应用过程中，应充分考虑层理面 的存在及其与最大主应力的关系。 3 结 论 a. 层理面的存在，导致煤岩强度和声发射特征 具有较大的差异。 与轴向平行层理煤样相比， 轴向垂 直层理煤样不仅具有较高的煤岩强度和声发射强度， 而且具有较强的声发射突变性和滞后性。 因而在现场 采用声发射进行地质灾害监测时， 只有考虑了层理方 向对监测结果的影响，才能获取较好的预测效果。 b. 由于层理面的影响，在加载过程中，轴向垂 直层理煤样以整体变形、破坏为主；轴向平行层理 方向的煤样以煤样内部局部变形、破坏为主。 c. 沿垂直层理方向发生的井下动力灾害具有 灾害强度大、前兆信息滞后、监测难度大等特征。 因此，应该加强该类灾害的预测与监控。 参考文献 ［1］ 韩同春， 张杰. 考虑含缺陷岩石的声发射数值模拟研究［J］. 岩 石力学与工程学报，2014，33（增刊 1）3198-3204. ChaoXing 第 4 期 贾炳等 基于层理影响的煤样加载过程声发射差异性分析 39 HAN Tongchun，ZHANG Jie. Numerical simulation of acoustic emission for defective rock［J］. Chinese Journal of Rock Me- chanics and Engineering，2014，33（S1）3198-3204. ［2］ 刘超， 李树刚， 成小雨. 采动煤岩体劣化过程中声发射损伤效 应数值模拟［J］. 西安科技大学学报，2013，33（4）379-382. LIU Chao，LI Shugang，CHENG Xiaoyu. Numerical simulation on acoustic emission damage effect under the deterioration proc- ess of mining coal-rock mass［J］. Journal of Xi′an University of Science and Technology，2013，33（4）379-382. ［3］ TANG C A，KAISER P K. Numerical simulation of damage accumulation and seismic energy release in unstable failure of brittle rock. Part Ifundamentals［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1998，35（2）113-121. ［4］ 黄志平， 唐春安， 马天辉， 等. 卸载岩爆过程数值试验研究［J］. 岩石力学与工程学报，2011，30（增刊 1）3120-3128. HUANG Zhiping， TANG Chun′an， MA Tianhui， et al. Numerical test investigation on unloading rock burst processes［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（S1）3120-3128. ［5］ MAA G W，WANGB X J，RENB F. Numerical simulation of compressive failure of heterogeneous rock-like materials using SPH ［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2011，48（3）353-363. ［6］ 孙超群，程国强，李术才，等. 基于 SPH 的煤岩单轴加载声 发射数值模拟［J］. 煤炭学报，2014，39（11）2183-2189. SUN Chaoqun，CHENG Guoqiang，LI Shucai，et al. Numerical simulation of coal uniaxial loading acoustic emission based on SPH［J］. Journal of China Coal Society，2014，39（11）2183-2189. ［7］ 马衍坤，王恩元，李忠辉，等. 煤体瓦斯吸附渗流过程及声发 射特性实验研究［J］. 煤炭学报，2012，37（4）641-646. MA Yankun，WANG Enyuan，LI Zhonghui，et al. Methane sorption and seepage in coal and characteristics of acoustic emis- sion［J］. Journal of China Coal Society，2012，37（4）641-646. ［8］ 许江，李树春，唐晓军，等. 单轴压缩下岩石声发射定位实验 的影响因素分析［J］. 岩石力学与工程学报，2008，27（4） 765-772. XU Jiang， LI Shuchun， TANG Xiaojun， et al. Influential factors of acoustic emission location experiment of rock under uniaxial compression［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engi- neering，2008，27（4）765-772. ［9］ 李庶林，尹贤刚，王泳嘉，等. 单轴受压岩石破坏全过程声发 射特征研究［J］. 岩石力学与工程学报，2004，23（15） 2499-2503. LI Shulin，YIN Xiangang，WANG Yongjia，et al. Studies on acoustic emission characteristics of uniaxial compressive rock failure［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2004，23（15）2499-2503. ［10］ 蒋宇， 葛修润， 任建喜. 岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声 发射特性［J］. 岩石力学与工程学报， 2004， 23（11） 1810-1818. JIANG Yu，GE Xiurun，REN Jianxi. Deation rules and acoustic emission characteristics of rocks in process of fatigue failure［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2004，23（11）1810-1818. ［11］ 姜耀东，王涛，宋义敏，等. 煤岩组合结构失稳滑动过程的实 验研究［J］. 煤炭学报，2013，38（2）177-182. JIANG Yaodong， WANG Tao， SONG Yimin， et al. Experimental study on the stick-slip process of coal-rock composite samples［J］. Journal of China Coal Society，2013，38（2）177-182. ［12］ 许江，唐晓军，姜永东，等. 循环载荷作用时不同实验条件下 砂岩的声发射特征实验研究［J］. 中国科技论文在线，2008， 3（7）511-516. XU Jiang， TANG Xiaojun， JIANG Yongdong， et al. Experimental research on the acoustic emission characteristic of sandstone un- der the different experimental condition of cyclic loading［J］. Science Paper Online，2008，3（7）511-516. ［13］ 尹光志，秦虎，黄滚，等. 不同应力路径下含瓦斯煤岩渗流特 性与声发射特征实验研究［J］. 岩石力学与工程学报，2013， 32（7）1315-1320. YIN Guangzhi， QIN Hu， HUANG Gun， et al. Experimental study of characteristics of seepage and acoustic emission of gas filled coal under different stress paths［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（7）1315-1320. ［14］ 严国超， 段春生， 马忠辉. 声发射技术在蹬空开采采场关键层 中的应用［J］. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2010， 29（1）9-12. YAN Guochao，DUAN Chunsheng，MA Zhonghui. Application of acoustic emission technology in mining stope key stratum in overhead mining［J］. Journal of Liaoning Technical Univer- sity（Natural Science Edition），2010，29（1）9-12. ［15］ 尹贤刚，李庶林. 岩石受载破坏前兆特征声发射平静研究 ［J］. 金属矿山，2008（7）124-128. YIN Xiangang，LI Shulin. Study on acoustic emission quie- tude-omen characteristic of failure of compressed rock［J］. Metal Mine，2008（7）124-128. ［16］ 林柏泉，孟杰，宁俊，等. 含瓦斯煤体水力压裂动态变化特征 研究［J］. 采矿与安全工程学报，2012，29（1）106-110. LIN Baiquan， MENG Jie， NING Jun， et al. Research on dynamic characteristics of hydraulic fracturing in coal body containing gas［J］. Journal of Mining Safety Engineering，2012，29（1） 106-110. （责任编辑 范章群） ChaoXing