基于聲發射計數的煤樣脆塑性特征預測研究

張 磊 賈奇鋒

(1.山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003； 2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南省焦作市，454000)

★ 煤炭科技·加工轉化★

基于聲發射計數的煤樣脆塑性特征預測研究

張 磊1賈奇鋒2

(1.山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003； 2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南省焦作市，454000)

掌握煤樣脆塑性預測方法，對煤樣破壞的準確預測具有重要意義。在研究區采集煤樣，利用RMT-150B型巖石力學實驗系統以及CDAE-1全數字化聲發射檢測與分析系統，對煤樣加載過程中的應力-應變、聲發射特征進行測試與分析。分析結果顯示，脆性煤樣和塑性煤樣的聲發射計數變化特征具有明顯差別；與脆性煤樣相比，塑性煤樣聲發射產生較早，峰值時聲發射的突變性不明顯，峰值后聲發射緩慢降低。利用聲發射計數的該變化特征差異，可以對煤樣的脆塑性進行預測，這種預測方法使聲發射計數在煤礦災害預測中的應用舉足輕重。

煤樣破壞 聲發射計數 脆塑性 預測

近年來，隨著煤炭工業的發展，我國煤炭開采與生產技術取得了巨大的進步，尤其是綜采綜掘技術、一次采全高綜采技術與放頂煤開采技術的應用，使得煤炭產量大幅提高，然而在迅速化采煤的過程中，對前方工作面未采區煤巖變形程度的精確預測一直困擾著煤礦工作人員。聲發射監測技術是通過對煤巖變形過程中產生的聲波振幅和頻率等參數進行監測，根據煤巖變形與聲發射參數之間的關系對煤巖變形特征進行分析，進而對地質災害進行監測和預測。以往學者對煤巖變形聲發射預測進行的研究主要是集中在實驗室測試、數值模擬、現場測試、理論分析等方面，其中一些學者采用實驗室測試的方法，對不同特征煤樣在不同測試條件下聲發射響應特征進行了研究，得出了不同條件下聲發射變化規律與機理；一些學者采用FLAC3D、RFPA2D、SPH等不同的數值模擬軟件，通過建立不同的煤巖地質模型，對不同測試條件下的煤巖聲發射特征進行了研究；還有一些學者采用現場測試的方法，通過對煤巖采掘、壓裂過程中聲發射響應特征的測試與分析，建立聲發射與煤巖變形以及地質災害之間的關系，并對地質災害進行監測和預報。以往學者對于聲發射研究取得了諸多研究成果，使煤巖變形聲發射預測技術逐漸完善。

在煤巖變形過程中，由于煤巖脆塑性的差異，導致煤巖破壞特征存在較大的差異。掌握煤巖的脆塑性特征，對實現煤樣變形、破壞的準確預測具有重要意義。在查閱大量文獻及咨詢了煤礦現場工作技術人員后，發現關于煤巖脆塑性特征的研究鮮有報道。為此，本文在對不同脆塑性煤樣聲發射計數特征進行分析的基礎上，提出了根據聲發射計數特征對煤樣脆/塑性特征進行預測的方法，以期實現煤樣變形的準確預測，從而提高煤礦地質災害聲發射預測的精確性。

1 聲發射測試試驗

1.1 試驗系統及原理

試驗系統采用RMT-150B型巖石力學伺服試驗機和CDAE-1聲發射儀，其中巖石力學伺服試驗機主要是提供圍壓和軸向加載動力，并通過應力-應變傳感器對加載過程中煤樣的應力-應變參數進行記錄，聲發射儀主要是對煤樣加載過程中，產生的聲發射信號進行接收，經過前置放大器處理以后，以圖形、表格的形式進行輸出，其中試驗裝置原理示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置原理示意圖

在加載過程中，由于內部弱面的存在和局部的應力集中會引起弱面的破壞，進而產生不同頻度、幅度的聲發射信號(信號與煤樣的變形特征是相互對應)，這些信號被聲發射采集探頭接收以后，以數據、圖表的形式進行顯示，進而可以根據數據的變化特征對煤樣內部變形及損傷特征進行分析和研究。

1.2 煤樣制備及試驗方案

根據試驗煤樣的采集和制作要求，在晉城礦區同一采煤工作面有針對性的采集塑性煤樣和脆性煤樣，所采煤樣為3#煤層發育的無煙煤,在新鮮煤壁進行煤樣采集以后，密封保存，帶回實驗室。在實驗室進行煤樣的加工，煤樣制成直徑為50 mm×100 mm的標準柱狀樣，其中上下面的平整度滿足煤樣制作要求，共制作4個/組煤樣，共2組(下稱煤樣A和煤樣B)，將制好的煤樣密封保存備用。

根據聲發射傳播特征，聲發射傳感器與煤樣缸之間耦合接觸，采用凡士林作為耦合劑，以提高耦合效果，另將聲發射傳感器固定在樣品缸的中部。

根據實驗操作要求，在實驗儀器啟動以后，將樣品放入樣品缸內，根據試驗方案設置加載參數，開始采用圍壓/力加載的方式，將圍壓以0.5 MPa/s的速度，加載到5.00 MPa，同時軸向應力以1.00 kN/s的速度進行加載，當圍壓達到5.00 MPa時結束；然后保持圍壓不變，采用位移控制模式，以0.005 mm/s速度，繼續進行軸向加載，直至煤樣完全破壞；最后并對加載過程中應力、應變、聲發射等測試參數進行記錄。

2 測試結果分析與討論

2.1 測試結果分析

通過對各個煤樣的試驗結果進行分析，發現同一組煤樣聲發射變化規律相似，且變化機理相同。因此，為了避免論述的重復性，選擇每一組中的第一個煤樣進行詳細的論述。通過對聲發射的計數、幅值和能量等參數的變化規律進行分析，發現其變化規律非常相似，選擇聲發射計數進行詳細分析。其中聲發射計數隨時間變化規律曲線圖如圖2所示。

由圖2可以看出，不同脆塑性煤樣聲發射計數變化特征存在明顯差異，其中各煤樣聲發射計數具體變化規律如下：

圖2 聲發射計數隨時間變化規律曲線圖

由圖2(a)可以看出，煤樣A具有較強的脆性，在加載初期的壓密階段和彈性變形階段，聲發射參數幾乎為零，基本上沒有聲發射事件產生。該階段主要是顆粒間孔裂隙的閉合以及顆粒的彈性變形為主，發生破壞的區域較少；在塑性變形階段的前期，開始有少量的聲發射事件產生，這主要是由于煤樣內部局部應力超過了部分弱面的承載力，導致局部區域開始發生了破壞；在峰值破壞階段的前期，聲發射參數開始呈指數形式快速上升，達到峰值后快速下降至某一穩定值附近波動，主要是由于該階段煤樣發生了整體變形、破壞，產生了大量的新生裂縫，大量聲發射事件相伴而生。同時，隨著前期積累能量的瞬時釋放，導致后期聲發射計數快速降至某一較低穩定值。聲發射響應的這種變化規律體現了該煤樣以整體變形、破壞為主的變形特征。

由圖2(b)可以看出，煤樣B具有較強的塑性，在壓密階段和彈性變形階段，聲發射計數參數值較小，該階段有零星的聲發射事件產生，主要是由于塑性煤樣內部弱面的存在，導致局部應力超過了內部弱面的承載力，發生了局部弱面的破壞，產生了一定量的聲發射事件；在塑性變形階段，聲發射參數值開始快速上升，并逐漸達到最大值，這主要是由于煤樣內部局部弱面發生破壞的區域逐漸增加，直至最終發生整體破壞。因此，伴隨的聲發射事件也呈現出快速增加的趨勢；在峰值后破壞階段，聲發射參數值開始緩慢下降，逐漸穩定在某一定值附近。這是因為煤樣的強塑性導致煤樣發生峰值破壞后并沒有完全失去承載力，而是使前期積累能量慢慢釋放。因此，聲發射計數呈現出緩慢減低的特征，聲發射計數響應的這種變化規律體現了該煤樣以局部變形、破壞為主的變形特征。

通過對不同脆塑性煤樣加載過程聲發射變化特征進行分析可知，脆性煤樣以整體變形為主，前期聲發射計數較少，在塑性變形階段后期呈快速增加趨勢，在達到峰值之后快速降低至較低值；塑性煤樣以局部變形為主，在彈性變形階段中期就開始有聲發射事件產生，在彈性變形階段末期開始逐漸增加，在達到峰值以后，開始緩慢減低。

2.2 討論與思考

在加載過程中，隨著加載進行聲發射計數參數變化呈現出不同的階段性特征，這主要是受控于煤樣內部階段性變形特征，是內部變形特征的外在表征。因此，在對不同變形階段聲發射特征進行分析的基礎上，可以根據是聲發射的變化特征對煤樣的內部變形進行預測研究。

對于不同脆塑性煤樣，其內部結構存在較大的差異，因而在加載過程中聲發射計數響應呈現出不同的特征，并且該特征差異明顯、易于識別，可以根據該特征對煤樣的脆塑性進行識別。在掌握煤樣脆塑性特征的前提下，結合不同脆塑性煤樣的變形特點，可以大大提高煤樣變形預測的準確性，并可以根據破壞特點，有針對性的采取防治措施。

對于不同脆塑性煤樣聲發射計數參數之所以呈現明顯差異，主要是由于煤樣內部變形的差異。與脆性煤樣相比，塑性煤樣內部存在較多的弱面，在加載過程中不斷有弱面發生破壞，煤樣的變形以局部變形、破壞為主，隨著局部變形、破壞區域的不斷增加，最終發生破壞。因此，兩者在發生破壞的機理上存在差異。

3 結論

通過對不同脆塑性煤樣加載過程中聲發射計數特征進行分析，得出如下結論：

(1)不同脆塑性煤樣加載 過程中聲發射計數參數呈現明顯的差異性特征，與脆性煤樣相比，塑性煤樣聲發射產生較早，峰值時聲發射的突變性不明顯，峰值后聲發射緩慢降低。

(2)不同脆塑性煤樣聲發射計數特征差異性明顯、易于識別，形成了一種根據聲發射計數變化特征進行煤樣脆塑性識別的新方法。

(3)目前，基于聲發射計數的煤樣脆塑性識別方法主要是以實驗室為主，在進一步研究中要加強該預測方法在現場的應用。

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[3] 馬衍坤，王恩元，李忠輝等. 煤體瓦斯吸附滲流過程及聲發射特性實驗研究[J]. 煤炭學報，2012(4)

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Predictionstudyonbrittlenessandplasticitycharacteristicsofcoalsamplesbasedonacousticemissioncounts

Zhang Lei1， Jia Qifeng2

(1. School of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong, Shanxi 037004, China; 2. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China)

Prediction methods for brittleness and plasticity characteristics of coal samples were important to exactly predict coal samples failure. The characteristics of stress-strain and acoustic emission in the loading process of coal samples from the research area were tested and analyzed by using RMT-150B type rock mechanics experimental system and CDAE-1 full-digitalization acoustic emission test and analysis system. The analysis results showed that the acoustic emission counts characteristics of the plastic coal sample and the brittle coal sample had significant differences; comparing to the brittle coal sample, the acoustic emission of plastic coal sample was earlier and the mutability of the acoustic emission peak was not obvious, the intensity of acoustic emission reduced slowly. It could predict brittleness and plasticity characteristics of coal samples based on the change characteristics of acoustic emission counts, which was important for the application of acoustic emission counts in coal mine disaster prediction.

coal sample failure, acoustic emission counts， brittleness-plasticity characteristics, prediction

山西省科學技術發展計劃(工業)項目(20140321003-05)

張磊，賈奇鋒. 基于聲發射計數的煤樣脆塑性特征預測研究[J].中國煤炭，2017，43(10)：102-104，131.

Zhang Lei，Jia Qifeng. Prediction study on brittleness and plasticity characteristics of coal samples based on acoustic emission counts [J].China Coal，2017，43(10)：102-104，131.

TD32

A

張磊(1984-)，男，山西大同人，講師，碩士，主要研究方向為礦山壓力與防治。

(責任編輯 王雅琴)