不同冲击倾向性煤岩纵波波速与应力相关关系研究_邓志刚.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 随着煤炭资源开采强度的不断增大，采动区域 应力集中程度显著提高，导致冲击地压灾害越来越 严重。近年来，众多学者将声发射技术应用到了煤 不同冲击倾向性煤岩纵波波速与应力 相关关系研究 邓志刚 1， 2， 3， 王宏伟1， 2， 蒋军军1， 2， 莫云龙1， 2， 孙中学1， 2， 苏振国1， 2， 刘 波 1， 2 （1.煤炭科学技术研究院有限公司， 北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院） ， 北京 100013； 3.辽宁工程技术大学， 辽宁 阜新 123000） 摘要 为有效研究煤岩受载条件下纵波波速与应力之间的关系， 选取不同冲击倾向性煤岩为 研究对象， 测试其单轴加载和循环加载条件下各个应力阶段纵波波速的变化， 并对其进行拟合 分析。研究发现 单轴加载条件下， 应力增长引起波速增加， 二者之间存在幂函数关系； 循环加载 条件下， 波速与应力同增同减， 符合幂函数关系； 首次循环加载对波速的影响最大， 经过首次循 环加载后， 波速初值增加， 但随着循环次数增加， 波速初值与最大波速值逐渐趋于稳定； 应力变 化影响纵波波速变化的本质是应力改变了煤岩内部孔隙结构， 当应力超过一定范围后， 煤岩内 部孔隙压密程度达到极限， 应力对纵波波速的影响能力减弱。 关键词 纵波波速； 应力； 单轴加载； 循环加载； 冲击倾向性 中图分类号 TD324.1文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 11-0024-05 Study on Relationship Between P-wave Velocity and Stress of Coal Rocks with Different Impact Tendency DENG Zhigang1,2,3, WANG Hongwei1,2, JIANG Junjun1,2, MO Yunlong1,3, SUN Zhongxue1,2, SU Zhenguo1,2, LIU Bo1,2 （1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization （China Coal Research Institute） , Beijing 100013, China;3.Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China） Abstract In order to effectively study the relationship between the P-wave velocity and the stress of coal rock, coal rocks with different impact tendency are selected as research objects, and the wave velocity changes at various stress stages under uniaxial loading and cyclic loading conditions are tested. The fitting analysis is carried out. It is found that the wave velocity increases with the increase of stress under uniaxial loading, and there is a power function relationship between them. Under the condition of cyclic loading, the wave velocity and stress increase and decrease at the same time, which cons to the power function relationship. The first cyclic loading has the greatest effect on the wave velocity. After the first cyclic loading, initial values of wave velocity increase, but initial values and the maximum values of P-wave velocity tend to be stable with the increase of the number of cycles. The essence for the stress change affects the change of P-wave velocity is that the stress changes the internal pore structures of coal rock. When the stress exceeds a certain range, the degree of pore compaction in coal rock reaches the limit, and the influence of the stress on the P-wave velocity is weakened. Key words P-wave velocity; stress; uniaxial loading; cyclic loading; impact tendency DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.005 邓志刚， 王宏伟， 蒋军军， 等.不同冲击倾向性煤岩纵波波速与应力相关关系研究 ［J］ .煤矿 安全， 2020， 51 （11 ） 24-28， 33. DENG Zhigang, WANG Hongwei, JIANG Junjun, et al. Study on Relationship Between P-wave Velocity and Stress of Coal Rocks with Different Impact Tendency ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11 ） 24-28, 33.移动扫码阅读 基 金 项 目 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目（2016ZX05045003- 006-002） ； 煤炭科学技术研究院技术创新基金资助项目 （2019CX- Ⅰ-07） 24 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 2煤岩样循环加载示意图 Fig.2Schematic diagram of cyclic loading of coal samples 图 1测试原理图 Fig.1Test schematic diagram 矿应力探测领域中，其原理是应力集中区内原有的 煤岩介质裂隙被压实，密度增加，能量波尤其是纵 波的传播速度显著增加，可以通过判断监测区域波 速的分布情况， 间接反映应力的分布情况。 Adams 和 Williamson[1]发现震动波的波速与岩 石的类型、 破裂面的角度、 各向异性、 孔隙率、 应力、 弹性模量和边界条件等有关，应力的大小可以通过 测量震动波速的大小来反映。许多学者[2-5]研究发现 纵波波速随应力的增加而增高要归因于孔隙和裂隙 的闭合。 Yale[6]研究发现微裂缝和开孔将导致震动波 在传播路径上发生衍射而显著降低传播速度。除了 具有较高颗粒密度的白云石之外，大多数的岩石随 应力增加， 孔隙率会降低而导致波速的增加。 Nur. A 和 Simmons. G[7]利用圆柱形花岗岩试样研究了 P 波 波速和 S 波波速与施加载荷方向的关系，发现二者 都随应力的增加而增大，而且增加的幅度与应力的 方向、 以及纵波传播的方向相关。近年来， 国内部分 学者[8-14]开展了关于冲击倾向性煤岩样纵波波速与 应力的映射关系研究，建立了两者关系的试验模 型，并对模型参数进行了分析，完成了波速场直接 反演应力场的阶段性工作。但在实际应用中，通常 监测到的纵波波速是在煤岩交界面传播的折射波波 速，并不是在单一介质煤体或岩体中传播的波速， 因此应用现有波速-应力映射公式得到的反演的应 力计算结果误差较大，对于指导现场的冲击地压灾 害预警工作精度有限。为此开展不同冲击倾向性煤 岩介质纵波波速与应力映射关系研究，在实验室条 件下研究不同冲击倾向性煤岩在不同加载路径下纵 波波速与应力之间的关系，建立纵波波速与应力的 映射模型，对于提升潜在应力集中区的识别能力， 指导冲击地压及顶板灾害防治工作具有重要意义。 1实验室实验 1.1煤岩波速测试装备及煤岩试样制备 总结以往岩石纵波波速与煤岩应力实验的经 验， 选取改进型 I-RPT 岩体 （石） 多功能参数测定仪 开展本次实验，将超声波发射、接受探头嵌入加压 承压压头中，可实现加载过程中超声波发射、双通 道同步接收、 数字信号高速采集、 声参量自动检测、 加载应力-纵波波速的同向实时测定、数据分析处 理、 结果实时显示、 数据存储与输出等功能。测试原 理如图 1。 取强、 弱、 无 3 种冲击倾向煤样， 加工制备尺寸 为 φ50 mm100 mm 的标准圆柱形试件。 要求标准圆柱形试件端面不平行度小于 0.05 mm， 轴向偏差小于 0.25。 1.2煤岩波速-应力测试实验 通过 TAW-2000 型电液伺服试验机和 I-RPT 岩体 （石） 多功能参数测定仪联合调试完成实验。 单轴加载实验采用梯度应力加载方式，加载增 量为 0.25～0.50 MPa， 加载速率为 500 N/s。 每次加载 至目标载荷， 待应力值稳定后采集波速值， 最终加载 至试样破坏。单轴循环加载实验中，最大载荷值按 照煤样单轴抗压强度的 20依次递增， 首次循环最 大载荷约为煤样单轴抗压强度的 60， 卸载速率与 加载速率均为 500 N/s， 每次卸载应力终值为单轴抗 压强度的 10， 最终加载至试样破坏。每次加载至 最大载荷，待应力值稳定后采集波速值。煤岩样加 载示意图如图 2 （σc为试样单轴加载平均峰值应 力） 。 每个应力状态下采集波形 20 次， 剔除离散值求 平均值作为该应力下的波速值。 2模型研究 2.1试样波速与单轴应力相关性 单轴加载条件下试样应力的增加可以直接引起 试样波速的增长，且波速增加幅度与试样应力的大 小相关。但试样应力超过一定值后，波速不再随应 力产生明显变化。单轴加载条件下煤岩应力-波速 25 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 1单轴加载条件下相关模型参数 Table 1Relevant model parameters under uniaxial loading 冲击倾向性abR2 无 弱 强 1.466 2 1.536 8 1.520 6 0.113 6 0.053 7 0.090 2 0.949 8 0.930 8 0.964 4 曲线如图 3。曲线呈现出上凸型。尝试以线性函数、 幂指函数、对数函数形式对其相关性开展研究。最 终在大量实验数据拟合基础上，发现不同冲击倾向 性煤样单轴加载纵波波速 v 与轴向应力 σ 关系为 幂函数 （vaσb） 关系， 相关关系拟合公式中参数 a 在 1.4～1.6 之间， 参数 b 在 0.05～0.15 之间， 耦合系数较 高， 都在 0.9 以上， 说明建立的耦合模型合理。单轴 加载条件下相关模型参数见表 1。 图 3单轴加载条件下煤岩应力-波速曲线 Fig.3Stress-wave velocity of coal curves under uniaxial loading 图 4无冲击倾向性煤岩应力-波速曲线 Fig.4Stress wave velocity curves of coal with no impact tendency 2.2试样波速与循环应力相关性 不同冲击倾向性煤岩循环加载实验应力-波速 关系图如图 4～图 6。 实验中发现波速随应力同增同减，波速增减区 间与应力循环区间存在一定对应关系。试样应力超 过一定值以后，波速不再随应力产生明显变化。随 着循环次数增加， 最大波速值之间的差值逐渐减小， 说明在一定应力范围以内，试样的波速与应力相关 关系受初次加载影响最大。每次循环初始波速值较 第 1 次循环初始波速值显著增加，但随循环次数增 加该值逐渐趋于稳定。 尝试以幂函数 （vaσb） 关系对每次加、 卸载过程 应力与波速相关性进行拟合分析，相关系数较高， 几乎均在 0.9 以上， 说明建立的相关模型合理。 循环 加载条件下相关模型参数见表 2。 从系数 a 来看，不同冲击倾向性试样之间整体 变化不大，单轴加载略大于循环加载。从系数 b 来 看， 不同冲击倾向性试样之间变化较大， 同种冲击倾 向性煤样单轴加载略小于循环加载。这说明，初始 26 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 7应力-应变曲线与应力-波速曲线对应图 Fig.7Corresponding diagram of stress-strain curve and stress-wave velocity curve 波速 a 对煤岩属性及加载方式不敏感，表现出固有 特性； 相关系数 b 对煤岩属性表现出较大的敏感性， 对加载方式不敏感。 3试样波速随应力变化的本质 单轴加载应力-应变曲线与应力-波速曲线对 应图如图 7。从图 7 可以看出， 单轴条件下， 波速随 应力变化曲线与应力应变曲线的 4 个阶段对应， 即 压密阶段、 弹性阶段、 塑性阶段、 峰后破坏阶段， 每 阶段波速应力均表现出明显的趋势变化。 1） 压密阶段。处于加载初期， 应力使得微裂隙 闭合，促使颗粒间接触更加紧密，导致纵波波速快 速增加， 应力波速曲线呈现出上凹型。 2） 弹性阶段。随着应力继续增加， 煤岩样变形 表 2循环加载条件下相关模型参数 Table 2Relevant model parameters under cyclic loading 冲击倾向性abR2 无1.461 40.126 90.952 9 弱1.409 80.078 30.964 8 强1.437 70.107 10.969 0 图 6强冲击倾向性煤岩应力-波速曲线 Fig.6Stress wave velocity curves of coal with strong impact tendency 图 5弱冲击倾向性煤岩应力-波速曲线 Fig.5Stress wave velocity curves of coal with weak impact tendency 27 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 具有线性特征，因缝隙密度相比初始阶段变化较 小，波速增加的幅度开始降低，应力波速曲线呈现 出上凸型。 3） 塑性阶段。进入塑性区后， 试样发生损伤且 体积变形也在增大，但该损伤主要为颗粒间位错和 滑移，因此波速在该阶段增长不明显，呈现出低斜 率变化趋势。 4） 峰后破坏阶段。当微裂隙大量形成并贯通形 成裂缝时，纵波波速表现出大幅波动小幅下行趋 势，这主要因沿弱面存在缺陷和损伤扩展对波速造 成的影响，而平行于加载方向形成的裂纹对纵波波 速影响相对较小。 试样应力的改变造成试样波速的变化，其本质 是应力改变了试样的结构特征，试样应力增大过程 中，试样中的微裂隙和孔隙被压密，试样的整体波 速值相应提高。单轴加载时， 当试样产生破坏后， 试 样波速产生快速下降并伴随波动现象是试样内裂隙 发展的结果。应力只在一定范围内对试样的波速造 成影响，超出一定应力值以后，试样的波速值趋于 稳定，其原因是试样的应力达到一定水平后，试样 的微裂隙已完全闭合，孔隙的压密程度已达到极 限， 故试样的波速变化现象减弱。 4结论 1） 不同冲击倾向性煤岩单轴加载条件下应力增 加可引起波速增长，波速增长幅度受应力值大小的 影响， 应力超过一定数值后， 波速基本稳定。在一定 范围内， 二者之间存在幂函数关系。 2） 不同冲击倾向性煤岩循环加载条件下波速与 应力同增同减，在一定范围内依然符合幂函数关 系。 首次循环对波速影响最大。 虽然每次循环加载应 力初始值相同，但波速初始值逐渐增加并趋于稳 定。随着循环次数增加， 虽然应力值上限增加， 但波 速值上限增长幅度逐渐减小。 3） 相关模型中， 初始波速 a 对煤岩属性及加载 方式不敏感，表现出固有特性；相关系数 b 对煤岩 属性表现出较大的敏感性， 对加载方式不敏感。 4） 应力改变了煤岩内部结构， 即裂隙等损伤结 构的张开与闭合。当应力超过一定范围后，试样的 微裂隙已完全闭合，孔隙的压密程度已达到极限， 应力对波速的影响能力减弱。 参考文献 ［1］ Leason H Adams, Erskine D Williamson. 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