聲發射技術在研究煤層解吸破壞過程中的應用

崔波 邵芳 金志遠

摘 ?要：文章是在假設瓦斯解吸過程會導致煤層動力失穩的基礎上通過聲發射實驗觀測和分析的。通過聲發射技術實驗觀測在煤層吸附和解吸附的過程中產生的體積應變、孔隙壓力變化來研究和模擬煤層瓦斯導致的煤層體積變形和動力破壞。通過分析傳感器接收并處理過的信號來解釋煤層發生動態失穩的機理，實驗結論與預期取得較好的吻合。

關鍵詞：煤層變形;聲發射;應力波;解吸附;動力失穩

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0139-04

Abstract： This paper is completed on the hypothesis of desorption may induce the energetic failure of coal seam. In this article， the volumetric strain and pore pressure changes induced by sorption and desorption will be used to study the deformation and energetic failure by AE technology in coal cores. By analyzing results received by sensor and compared it with what we supposed before the experiment， the result fits very well with what we expected.

Keywords： coal seam deformation; AE technology; stress wave; desorption; energetic failure

煤巖受力變形時，在其內部原先存在或新產生的裂紋周圍形成應力集中，這些局部應力集中區不均勻發展，當外力增加到一定大小時，在缺陷部位會發生微觀損傷、屈服或變形，裂縫擴展，從而使得應力松弛，貯藏的部分能量將以彈性應力波的形式釋放出來，從而產生聲發射[1]。材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射（Acoustic Emission，簡稱AE），有時也稱為應力波發射。在采深條件下易發生動力破壞的煤層強度很低，層理紊亂，對具突出危險煤受力過程中的聲發射特征的研究主要通過成型煤樣試驗或數值模擬的方法來實現。目前國內外對聲發射傳播規律進行了大量的研究，同時也取得了一定的理論成果[2]。在煤巖動力災害預測研究中，已將聲發射作為一種新的探測途徑[3～6]。目前，對于利用聲發射試驗研究煤層吸附和解吸附過程中造成煤層變形或動力破壞的研究較少，而在此基礎上對煤巖動力災害進行預測預報卻還是空白。

通過對具有發生動力失穩破壞危險的原始煤樣在解吸附和孔隙壓力變化致使的煤層體積變形過程中的聲發射特征進行研究，探索具突出危險煤樣的破壞機理、力學表現與聲發射特征參數之間的關系，為聲發射技術預測礦山煤巖動力災害的工程應用提供基礎性研究成果。實驗室研究所采用的煤巖樣品均采自開采中的礦山，通過對樣品加壓模擬原巖狀態下的圍壓，所加壓力控制在一定范圍，記錄的數據包括瓦斯解吸附速度、滲透率變化情況、煤巖樣品變形和聲發射的發射波波形的變化情況。這些數據用來定義動力失穩的模式，包括解吸附對煤層動力失穩的作用。

1 AE技術在監測煤層動態變形過程中的應用

聲發射的形成是力學現象，對于最低能量信號，聲發射源是斷裂，就像金屬研究中的結果一樣。根據塑性變形的斷裂理論，彈性波的發射僅在斷裂速度變化時發生，即在斷裂的加速或延緩時發生。對于較高能量的聲發射信號，則是巖石的脆性破壞，顆粒間的滑移，以及塑性滑移和塑性變形。而再大一些的能量信號則是巖石的宏觀破裂或位于不同部位的巖石位移產生的[7]。

由應力產生的微裂隙和裂隙內表面成為向周圍煤巖體組成的變形系統釋放瓦斯（甲烷）的主要構成體系。如果解吸所產生的瓦斯集聚速率超過瓦斯擴散的速率，將會產生孔隙壓力，從而可能以兩種形式導致動力失穩的發生：（1）有效應力減小，壓力和剛度將發生改變，持續增加的孔隙氣體壓力很快促使系統失穩（沖擊地壓）;（2）緩慢增加的可壓縮瓦斯氣體內逐漸儲蓄大量的勢能，遇到擾動時，產生的高應變能密度可以在瞬間釋放，造成巨大破壞（瓦斯突出）。現在，假設游離瓦斯從煤體中快速解吸釋放出時，不斷增強的壓力可以使煤層發生動力失穩。為了檢驗這個假設，本文對煤核樣品進行AE實驗，監測解吸過程中煤核從體積應變到大的變形直至發生動力破壞的過程。

2 聲發射實驗過程

2.1 實驗內容

微觀條件下，煤和瓦斯分子間的特殊作用十分復雜。過去的研究表明，聲發射（AE）技術可以用來研究煤層吸附-解吸附的過程，也可以反映各品味的煤趨于瓦斯爆炸的可能性。AE技術利用變形材料內瞬時發射的彈性波來記錄材料內部變化情況。材料內部一點的彈性波到達材料邊界的信號被安裝在研究對象上的傳感器捕獲并記錄下來。通過傳感器的信號被放大后再傳輸到監控系統，進行下一步的調整和處理。信號波的波形特點取決于聲發射源的狀態、彈性波在介質中的傳輸途徑、傳輸介質的彈性特征以及監控系統的特點[8]。下面的實驗將檢驗通過AE技術觀測瓦斯吸附-解吸附過程中煤層體積應變的情況。

2.2 實驗材料和儀器簡介

由于篇幅所限，本文僅研究一個煤巖樣品的聲發射實驗研究的過程和結果。實驗所用樣品為較大的固體煤巖樣品，而非粉狀或粒狀煤樣，煤巖樣品物理性質如表1所示，將煤巖樣品切割成直徑20mm，長50mm的圓柱狀備用。

實驗設備安裝結構如圖3所示，壓力泵為監測煤巖樣品周邊提供壓力，模擬原巖所處環境下的圍壓。氣瓶內裝有CH4和CO2氣體。通過改變氣瓶內氣壓和圍壓的變化監測在此過程中接收到的聲發射信號并分析在這個過程煤巖內部結構變化狀況。

利用設定好的計算程序從時間與頻率兩個方面分析獲得的AE信號。使用四個貼在煤巖表面的應變片來測量煤巖的體積變化，兩個測量軸向應變，其余兩個測量徑向應變。

2.3 實驗過程

為減小端面效應的影響，試樣兩端面均涂固體硬脂酸。在煤樣側面磨2個邊長為8mm×8mm的對稱平面，安裝聲發射傳感器。傳感器與煤樣之間用黃油進行耦合，并用膠帶固定。為盡可能減少外界噪音的干擾，設定聲發射采樣閾值為45～500kHz，相對濕度（80+2）%，并保持實驗過程的溫度恒為298K。煤層解吸附動力破壞試驗是增壓的過程，為了模擬煤層解吸附過程中瓦斯壓力對煤層的動力破壞，實驗設計如下：（1）首先，將甲烷通入樣品，并保持壓力值1.0MPa，過程持續10小時，觀察接收到動態吸附過程的信號變化，但并不記錄;（2）關閉甲烷氣瓶，并打開二氧化碳氣瓶，將壓力值增大到1.6MPa，過程持續0.6小時，觀察甲烷解吸附過程接收信號的變化;（3）增加壓力值到2.0MPa，過程持續0.6小時，觀察甲烷解吸附過程接收信號的變化;（4）繼續增加壓力值到2.8MPa，過程持續0.6小時，觀察甲烷解吸附過程接收信號的變化;（5）關閉二氧化碳氣瓶并打開甲烷氣瓶，壓力減小至2.8MPa，過程持續0.6小時，觀察接收到的信號變化情況，（6）繼續壓力減小至2.0MPa，過程持續0.6小時，觀察接收到的信號變化情況;（7）最后，壓力減小至1.6MPa，過程持續0.6小時，觀察接收到的信號變化情況。試驗過程中煤巖樣品變形狀況被傳感器捕獲并傳輸到分析系統。由AE傳感器輸出的信號被放大后傳入AE分析系統做進一步的分析和處理。

2.4 實驗結果

在聲發射監測中，超過閾值并使某一通道獲取數據的任何信號稱之為一個撞擊。一個或幾個撞擊對應一個聲發射事件。把整個研究對象看作一個系統，研究它的發生、發展和破壞過程。

圖4，圖5可以看出，隨著時間推移，AE能量逐漸增強，體積應變增長較快，并且可以看到，一開始AE能量與體積應變呈現梯度關系，在體積應變達到0.8%之后，呈波浪狀關系;體積應變一開始與吸附體積是線性關系，在達到1%的閾值后，有一個平緩的過渡期，之后出現躍升并在體積應變達到1.37%左右時刻，陡然下降;最終吸附體積下降至樣品最大吸附能力的一半左右。實驗獲取的AE和應變特征表明，在一定范圍內AE和應變具有相同的誘發因素。另外，從圖5不難看出樣品表現出的吸附膨脹具有不可逆的特點。實驗煤核樣品隨時間變化出現的動力現象見表2。

表2所示為隨時間變化，煤核的體積應變和動力失穩情況。在0.6小時時刻，體積應變為1.06%，此刻無動力現象;1.2小時時刻，對應的峰值體積應變為1.37%，此刻出現動力現象;之后，在3.0小時時刻，體積應變減小至0.59%，此刻仍有動力現象。礦山煤巖受力變形都在一定的時間和空間中進行，其力學參數必然表現為時間和空間的函數。在某些條件下，時間因素對煤巖材料受力變形影響很小，可以忽略，但在研究相對較軟或具有突出危險煤巖體力學行為時，則必須考慮時間因素對其力學性能變化的影響。在地應力作用下，有突出傾向的煤體往往處于蠕變狀態，條件具備時發生煤與瓦斯突出[5]。

3 結論

（1）煤巖的孔隙及裂隙網絡結構對于煤巖吸附能力、應變性能及AE信號特征具有較大的影響。

（2）煤核在變形過程中，伴隨著剪切失穩破壞裂隙沿著煤核試驗樣品傳播，高頻的AE信號一直占主導地位，而且產生于動力失穩破壞區域。

（3）煤層氣從煤基質中解吸過程中當時間達到1.2小時的時候，體積應變達到1.37%，這時候煤核出現動力現象;這個過程在現實煤層中達到某種條件可以產生運動和加速度，從而可能產生失穩破壞。

（4）與吸附過程相反，伴隨解吸附的進行，緩慢增加的壓縮瓦斯氣體在煤巖內逐漸儲蓄大量的勢能，遇到外界作用時，產生的高應變能密度可以在瞬間釋放，從裂隙處破壞巖層，促使動力失穩和災害的發生。而聲發射技術在一定程度上可以對煤巖的體積膨脹和裂隙擴張進行分析和預警。因此，認識突出煤體蠕變狀態下的聲發射特征，對探討煤與瓦斯突出機理，進行有效的預報、預防是非常重要的。

參考文獻：

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