含瓦斯煤破裂過程中聲發射行為特性的研究

孟 磊，王宏偉,李學華，趙毅鑫

(1.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

含瓦斯煤破裂過程中聲發射行為特性的研究

孟 磊1,2，王宏偉2,李學華2，趙毅鑫1,2

(1.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

為探求含瓦斯煤失穩破壞過程中的聲發射行為演化規律，筆者以含瓦斯原煤為研究對象，利用配備有聲發射同步監測功能的含瓦斯煤三軸力學伺服實驗裝置，完成了不同瓦斯壓力條件下含瓦斯煤破裂過程中全應力應變和聲發射行為同步監測實驗，進而探求含瓦斯煤破裂過程中的聲發射行為演化特性，以及聲發射行為對瓦斯壓力變化的響應特性。研究發現:含瓦斯煤彈性模量、峰值強度及峰值應變均隨吸附瓦斯壓力增加而線性降低，且在瓦斯壓力的影響下應力應變曲線總體上向“低應力誘發大應變”方向遷移；受載煤體在破裂過程中隨時間變化，聲發射行為演化過程可以劃分為4個時期，分別為Ⅰ平靜期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ穩定期，其中提速期和加速期累計計數較平靜期分別最高提高了6.39和37.5倍，能量參數分別最高提高了8.39和43.7倍；受載不含瓦斯煤樣聲發射演化過程中提速期和加速期的聲發射參數累積量均明顯高于同樣加載條件下的含瓦斯樣品，且在提速期和加速期，瓦斯壓力與聲發射參數累積量呈指數函數衰減關系。

含瓦斯煤；聲發射；時空演化；損傷破壞

含瓦斯煤巖動力災害是我國煤礦最為嚴重的動力災害，具有極大的危害性、較強的突發性以及復雜的發生機理等特點，對煤礦的安全生產產生了極大的威脅；并且隨著開采強度的增加以及開采深度的延伸，含瓦斯煤巖動力災害對煤礦安全生產的威脅也日益加重[1-2]。含瓦斯煤巖動力災害在孕育、形成及發生的過程中往往會出現諸如煤炮、片幫、離層破裂以及震動等煤巖體結構和應力狀態改變的前兆信息，且往往以“聲音”形式進行傳播[3-5]，而對這種前兆信息的有效捕捉和監測對于認知含瓦斯煤巖動力災害機理以及防治措施的優化具有極為重要的現實意義。

國內外眾多學者圍繞煤巖體受載變形過程中的聲發射行為特點以及前兆信息捕捉等方面進行了大量的研究，并取得了很多研究成果:L.Obert W.I.和Duvall[6]利用聲發射設備對巖石開挖引起的破裂位置進行監測并確定了最大應力區；V.L.Shkuratnik等[7-8]基于煤巖體的單軸和三軸加載實驗，系統研究煤巖體的聲發射行為特性；國內學者蘇承東等[9]利用RMT-150B巖石實驗機對沖擊性煤樣進行了單軸、三軸以及卸圍壓試驗，系統地研究了不同應力路徑下煤體破壞變形的聲發射特征以及之間的差異；趙毅鑫和姜耀東[10]基于沖擊傾向性煤樣破裂過程中的聲發射和熱紅外同步監測試驗，嘗試對沖擊傾向性煤樣失穩破壞前兆信息進行捕捉；曹樹剛等[11]以突出煤為研究對象，完成突出煤全應力應變過程的聲發射監測，認為振鈴事件比能夠準確地反映煤體變形破壞過程聲發射行為變化趨勢；艾婷等[12]在不同圍壓下對煤體聲發射行為時空演化行為進行試驗研究，發現聲發射參數的時空演化過程與應力應變曲線具有較好的對應關系，煤體失穩破壞前兆為應力峰值的92%～98%。而在含瓦斯煤的實驗研究方面，學者們開展了創新性嘗試，并且取得了長足的進展:P.G.Ranjith等[13]嘗試利用聲發射儀器對吸附CO2氣體后的煤樣破裂和損壞過程進行監測，發現相對于自然條件下煤樣，吸附CO2的受載煤體裂隙發育和擴展時應力比峰值應力百分比有所提高，但裂隙破壞時則相反；尹光志和趙洪寶等[14-15]開展了三軸壓縮條件下的含瓦斯煤聲發射實驗研究，并建立了基于聲發射特性的含瓦斯煤損傷變形模型；劉延保等[16]利用分形理論對含瓦斯煤破裂過程中AE序列(聲發射)關聯維數演化規律進行了探討。

綜上所述，國內外學者在受載煤體聲發射行為演化特性方面的研究取得了豐碩成果，為進一步認知受載含瓦斯煤裂隙發育、擴展及最終貫通破裂機制和捕捉受載含瓦斯煤失穩破壞的前兆信息奠定了堅實的基礎。但由于受制于儀器設備和方法，所進行的相關研究還處于探索階段，尤其是對含瓦斯煤失穩破壞過程中的微破裂事件捕捉和聲發射演化規律，以及受載煤體的聲發射行為對瓦斯壓力響應的認知鮮見報道。因此筆者以含瓦斯煤為研究對象，利用四川大學配備有聲發射同步監測功能的含瓦斯煤三軸力學伺服實驗系統開展在不同瓦斯壓力下，含瓦斯煤破裂過程中聲發射行為演化規律，以及聲發射行為對瓦斯壓力變化響應的實驗研究。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

開灤趙各莊礦開采歷史較長、井巷工程及地質構造較為復雜，隨著開采深度的不斷延伸，兼具沖擊地壓特征的煤與瓦斯突出事故也不斷增多，累計共發生突出事故20多起，其中有記錄的19起突出事故全部發生在9號煤層[17]。目前趙各莊礦已延伸至十三水平，9號煤層埋深超過千米，含瓦斯煤巖動力現象顯現頻發。實驗煤樣采自趙各莊礦埋深約為1 100 m的9號煤層，頂板為褐灰色粉砂質泥巖，底板為深灰色粉砂質泥巖，煤層小構造較多且發育有軟分層，瓦斯含量約為7.5～8.5 m3/t，頂底板巖性較為致密且強度較大，煤的普氏系數約為0.6～1.0，這種“兩硬一軟”構造致使煤層透氣性較差，有利于瓦斯的保存。

由于在成煤過程中歷經多次大規模的地質構造運動，9號煤層煤介質發育成為一種復雜的雙重孔隙介質，并且發育有層理等缺陷，具有明顯非均質性和各向異性，煤樣加工制作極為困難，容易造成實驗結果離散型較大。因此為了保證煤樣的完整性，將現場采集的原始煤塊用多層保鮮薄膜密封好并放置在大小適當的木箱內，然后用素混凝土進行分層澆灌至完全包裹好煤塊為止，待混凝土完全硬化后進行取芯和打磨，制作成φ50 mm×100 mm的標準煤樣。在進行實驗前，對制作成的標準煤樣進行超聲波測試，選取縱波波速相近的樣品完成實驗，以盡可能減小實驗數據的離散性[18]。

1.2 實驗儀器設備

實驗設備采用由MTS815巖石力學試驗系統改裝完成的配備有聲發射同步監測功能的含瓦斯煤三軸力學伺服實驗系統。實驗裝置主要包含伺服加載系統、孔隙壓力控制系統以及聲發射監測系統，如圖1所示。

圖1 含瓦斯煤聲發射監測試驗系統Fig.1 Acoustic emission testing system of coal absorbed gas

1.3 實驗方法及步驟

在室溫下分別完成圍壓恒定為5 MPa，無孔隙壓力、瓦斯壓力0.5，1.0，2.0，3.0，4.0 MPa時的含瓦斯煤三軸全應力應變壓縮及聲發射同步監測實驗。其中加載速率0.1 mm/min，數據記錄頻率是1次/s，操作步驟如下：

(1)氣密性檢查，首先用標準金屬試件檢查實驗系統的氣密性，保證實驗數據的真實性和可靠性；

(2)樣品裝配，將樣品安裝到三軸壓力室樣品平臺上，用熱縮管封裝煤樣并安裝環向引伸計和溫度傳感器，連接好數據傳輸線，并將高壓氣瓶連接到系統中，檢查系統各部分運行是否正常；

(3)實驗系統脫氣及吸附，先將圍壓和軸壓加載到設定值并穩壓，使用真空泵連續地對系統進脫氣，當系統氣壓降至50 Pa以下時，開始進行煤樣吸附；

(4)開始實驗，待樣品充分吸附后，按照預定加載速率和路徑開始加載，并進行聲發射系統同步監測；樣品破壞后，通過更換樣品按照既定實驗方案完成剩余實驗。

2 受載含瓦斯煤變形與強度特征

圖2為圍壓5 MPa下無孔隙壓力和孔隙壓力為3 MPa時三軸壓縮典型的全應力應變曲線(圖中M1為常規三軸壓縮變形曲線；M2為含瓦斯煤三軸壓縮變形曲線，瓦斯壓力為3 MPa)。

圖2 含瓦斯煤三軸壓縮全應力應變曲線Fig.2 Complete stress-strain curves of coal absorbed gas

從圖2可以明顯看出實驗所用煤樣在三軸壓縮變形過程中均經歷了壓密、彈性變形、塑性變形以及斷裂破壞(應力跌落和殘余應力)4個階段。但是不含瓦斯煤和含瓦斯煤在三軸壓縮過程中所顯現的變形特性存在明顯不同，相對于不含瓦斯煤樣，充分吸附瓦斯的原生結構煤樣出現明顯的應力應變初始壓密階段且此階段應力應變曲線顯著彎曲下沉，且在6 MPa應力下應變從0.002 2突增至0.14，彈性模量也隨之降低，以40%的幅度降低至3.33 GPa；另外煤樣在3 MPa瓦斯壓力影響下其峰值強度從33.8 MPa降低到25 MPa左右，下降幅度達到23.8%。綜上所述，在瓦斯壓力的影響下應力應變曲線總體上向“低應力誘發大應變”方向遷移。

在實驗之前對樣品進行了超聲波波速測定并選取相似波速樣品以便完成同一組實驗，雖然無法完全消除實驗數據的離散性，但隨瓦斯壓力變化含瓦斯煤力學參數整體上依然呈現有規律可循的變化。隨著瓦斯壓力的增加，峰值強度、峰值應變以及彈性模量均隨之呈現下降趨勢(圖3)，這主要是由瓦斯氣體在煤體內部發生的滲流-擴散-吸附作用所引起，瓦斯氣體通過滲流作用進入煤體宏觀裂隙和孔隙內，并不斷向包含微小孔裂隙的基質內部擴散，一方面宏觀孔裂隙內的游離氣體擠推煤壁擴充煤體體積，另一方面通過吸附作用附著在煤基質表面的吸附態瓦斯致使基質表面能降低且通過不斷楔入基質微孔裂隙內部促使基質膨脹，因此在吸附態和游離態瓦斯氣體共同作用下，含瓦斯煤體發生膨脹變形[18]，造成含瓦斯煤整體密度降低、煤質相對變軟，并出現明顯彎曲下沉的初始壓密應力應變曲線。相對于不含瓦斯煤樣三軸壓縮實驗，含瓦斯煤樣出現低應力高應變必然造成彈性階段應力應變曲線向下偏轉、彈性模量降低。

另外基于太沙基有效應力原理σp=σ1-?p(圖4中,σ1為外部荷載；σp為有效應力；p為孔隙壓力；A—A為橫截面)可以做以下分析，其中系數?取值范圍0～1，對于孔裂隙極為發育且整體上與松散土體較為相似的煤體，其內部瓦斯氣體必然造成有效圍壓σp的降低、約束裂隙發育及擴展的能力下降，削弱了含瓦斯煤強度；而隨孔隙壓力增加峰值應變減小，是由于攜帶動能的游離氣體加速主貫通裂隙發育和擴展并使含瓦斯煤在應變很小情況下就發生斷裂破壞，類似于加載速率對煤巖體力學特性的影響規律[19]。

圖3 不同孔隙壓力下含瓦斯煤力學參數Fig.3 Mechanical parameters of coal absorbed gas under different pore pressure

此外，圖3的實驗結果還顯示隨著孔隙壓力增加泊松比ν差別不大且基本上在0.22～0.26內波動，與瓦斯壓力無明顯的相關性。這主要是由于泊松比ν是由彈性變形階段軸向應變εx與橫向應變εy的比值所確定，影響因素較多，不僅受應力環境以及煤樣非均質性和各向異性的影響，而且還受煤層發育層理、缺陷等以及煤樣加工制作工藝的約束，因此泊松比對瓦斯壓力變化的響應還需要進一步的研究。

圖4 煤樣內部受力情況示意Fig.4 Diagrammatic sketch of inner stress in coal

3 受載含瓦斯煤聲發射參數演化規律

聲發射監測參數主要有振鈴計數、能量、絕對能量、信號強度、幅值等多個參量[20]。其中振鈴計數反映聲發射源的一次材料局部變化，用來體現聲發射事件的總量和頻度，以及一定程度的信號幅值；能量為能夠反映聲發射事件的相對能量或強度；因此這兩個聲發射參數也被大多數研究受載煤巖聲發射特性的研究人員所利用[5-12]。筆者選用振鈴計數(以下簡稱計數)和能量參數對含瓦斯煤聲發射行為特性及演化規律進行相關分析。

3.1 聲發射參數演化過程分析

不含瓦斯煤和含瓦斯煤在三軸壓縮破裂過程中聲發射計數和能量參數隨時間演化如圖5，6所示(由于篇幅所限，只列部分樣品)。根據煤樣失穩破裂過程中隨時間累計計數和能量變化曲線形態可以將整個過程劃分為4個時期：Ⅰ平靜期，從開始加載至彈性變形全過程結束(包括全應力應變過程中的初始壓密和彈性變形階段)，僅僅發生原生孔裂隙的壓縮、閉合和骨架的彈性變形，以及應變能儲集，而未有顯著的損傷出現，因而這個時期只有零星的聲發射計數和極少能量釋放率，累計計數和能量相對于總數未產生明顯變化；Ⅱ提速運動期，當荷載增加到煤體屈服強度時，煤樣出現損傷、裂隙開始發育及擴展，應力時間曲線開始偏離直線進入到開始出現損傷的塑性變形階段，聲發射計數和能量釋放率顯著增加，累計計數和能量曲線斜率開始增加，此時期從煤樣發生屈服開始至斷裂破壞結束，且較平靜期的累計計數和能量分別提高2.76～6.39倍和3.05～8.69倍；Ⅲ加速運動期，此時期從宏觀主裂隙貫通煤體發生失穩斷裂至應力跌落為止，由于煤樣的斷裂破壞，應變能大量的釋放，促使聲發射計數和能量急速增加，并將累計計數和能量曲線分別拉升到平靜期的13.2～37.5倍和10.9～43.7倍；Ⅳ 穩定運動期，在進入到殘余應力階段后，煤樣強度由穩定滑移的斷裂塊體之間剪切力提供，劇烈結構運動停止，聲發射活動也趨于平緩，斷裂塊體間的穩定滑移所產生較少計數和較弱能量釋放率使聲發射累計計數和能量呈現穩定增加的趨勢。

圖5 煤常規三軸加載破裂過程中聲發射參數演化Fig.5 Acoustic emission parameters of coal in process fracture of under triaxial compression

圖6 含瓦斯煤破裂過程中聲發射參數演化Fig.6 Acoustic emission parameters of coal in process fracture of under triaxial compression

另外，含瓦斯煤在三軸壓縮變形過程中呈現出兩種應力時間曲線形態，既有峰后彈性能釋放猛烈的脆性變形也有具有塑形流動特性的延性變形，如圖6所示。這兩種含瓦斯煤在失穩破壞過程中的聲發射演化行為存在明顯差別，主要有以下兩點：

(1)對于具有峰后彈性能釋放猛烈的脆性變形煤樣，其失穩破壞過程中聲發射行為的平靜期、提速期、加速期以及穩定期具有明顯范圍和界限，而對于峰后出現塑形流動并未猛烈釋放大量彈性能的煤樣，其聲發射提速期和加速期界限不明顯，聲發射參數時間曲線在這兩個時期保持一致的直線形態。

(2)另外具有脆性變形特征的煤樣，其聲發射計數和能量瞬時峰值均出現在加速期；而峰后呈現塑形流動變形的煤樣，其聲發射計數和能量的瞬時峰值則出現在提速期。

3.2 瓦斯壓力對聲發射行為演化影響分析

含瓦斯煤力學參數在游離態和吸附態瓦斯氣體的綜合影響之下發生變化，瓦斯氣體不僅削弱了含瓦斯煤峰值強度和彈性模量，改變了全應力應變曲線形態，而且還改變了含瓦斯煤破裂失穩過程中的聲發射行為特性。圖7為隨瓦斯壓力變化聲發射參數在提速期和加速期的演化規律。

圖7 含瓦斯煤破裂過程中聲發射參數演化Fig.7 Acoustic emission parameters of coal in process fracture of under triaxial compression

從實驗結果可以看出，在三軸壓縮變形全過程中不含瓦斯煤在提速期的聲發射參數(累計計數和能量)均明顯高于同樣加載條件下含瓦斯煤在提速期的聲發射參數，其累計計數和能量參數分別為含瓦斯煤的4.3～7.9倍和3.7～14.1倍。在提速期瓦斯壓力分別與累計計數和能量參數呈指數衰減函數關系，隨著瓦斯壓力增加，累計計數和能量參數先是迅速降低而后呈指數式衰減。

加速期的聲發射參數演化特征與提速期較為相似，瓦斯壓力同樣與聲發射參數呈指數衰減函數關系，不含瓦斯煤累計計數和能量在加速期相對于含瓦斯煤分別提高了2.6～6.2倍和3.4～7.8倍。但是在加速期瓦斯壓力和聲發射參數擬合吻合程度明顯低于提速期，出現這種情況主要是由此時期煤體所處應力環境的復雜性所致，聲發射行為加速期主要對應煤體的應力跌落過程，在此階段煤體失穩斷裂成多個塊體，不僅存在摩擦滑移連續介質力學問題，還存在斷裂塊體間的結構問題以及高壓瓦斯對煤巖體沖擊的動力學問題。

瓦斯氣體對含瓦斯煤聲發射行為的削弱作用主要存在以下原因：一方面在游離和吸附態瓦斯氣體的共同作用下弱化了煤體的力學性能且使其具有了蠕變傾向，降低了變形破壞的激烈程度；另一方面游離態氣體降低了含瓦斯煤的有效圍壓，降低了裂隙發育及擴展的難度，這兩方面的原因共同造成受載煤體的聲發射計數和能量釋放率減小。此外，含瓦斯煤中瓦斯氣體所形成的“氣墊”對煤體破裂所釋放彈性能的吸收和緩沖，也在一定程度上弱化了聲發射行為。

4 結 論

(1)含瓦斯煤和不含瓦斯煤在三軸壓縮過程中具有相同的變形演化規律，即均存在壓密、彈性變形、塑性變形以及失穩斷裂4個階段；含瓦斯煤彈性模量、峰值強度及峰值應變均隨瓦斯壓力增加而降低，且在瓦斯壓力的影響下應力應變曲線總體上向“低應力誘發大應變”方向遷移。

(2)受載煤體在破裂過程中，隨時間變化聲發射參數演化過程可以劃分為4個時期：Ⅰ平靜期，Ⅱ提速期，Ⅲ加速期以及Ⅳ穩定期。

(3)在受載不含瓦斯煤在破裂過程中，聲發射提速期和加速期的累計計數和能量均明顯高于同樣加載條件下的含瓦斯煤樣。且在提速期和加速期，瓦斯壓力與聲發射參數呈指數函數關系，隨著瓦斯壓力增加，累計計數和能量參數先是迅速降低而后逐漸呈指數式衰減。

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Investigationonacousticemissioncharacteristicsinfailureprocessofcoalabsorbedmethane

MENG Lei1,2，WANG Hong-wei2,LI Xue-hua2,ZHAO Yi-xin1,2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)

In order to acquire the evolution characteristics of acoustic emission in failure process of coal absorbed methane,the raw coal absorbed gas was used as the object of study in this paper and the acoustic emission behavior evolution characteristics in failure process of coal absorbed gas under different pore pressure was performed by using triaxial servo-controlled press equipment with acoustic emission synchronous detection function for coal absorbed gas.The results show as follows:mechanical parameters of the coal absorbed gas such as elastic modulus,peak strength and peak strain decrease as increase of gas pressure,and the stress-strain curve transfers to“large strain induced by low stress”under the influence of gas;the acoustic emission behavior evolution of coal can be divided into four phases with time,including quiet period,slow acceleration period,acceleration period and stationary period;cumulative ring counts of slow acceleration and acceleration period increases respectively 6.39 and 37.5 times in comparison with quiet period,and energy parameters increases respectively 8.39 and 43.7 times in comparison with quiet period;the acoustic emission parameters of slow acceleration period and acceleration period in failure process of coal mass under load are obviously higher than coal mass absorbed gas under the same conditions,in addition,the acoustic emission parameters have exponential attenuation relationships with gas pressure in the acceleration period.

coal absorbed methane；acoustic emission；time-space evolution；failure and damage

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2002

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226804);國家自然科學基金資助項目(51174213);煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放課題資助項目(SKLCRSM13KFB10)

孟 磊(1986—)，男，河南鶴壁人，博士。E-mail：tntmlove@126.com

TD315;TD712

A

0253-9993(2014)02-0377-07

孟 磊，王宏偉，李學華,等.含瓦斯煤破裂過程中聲發射行為特性的研究[J].煤炭學報,2014,39(2):377-383.

Meng Lei，Wang Hongwei,Li Xuehua,et al.Investigation on acoustic emission characteristics in failure process of coal absorbed methane[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):377-383.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2002