楊 磊，毛德兵

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害日趨嚴(yán)重。沖擊地壓是煤巖體失穩(wěn)破壞的宏觀表現(xiàn)，煤巖體失穩(wěn)破壞過程中伴隨著彈性能、聲能、電磁能等多種能量信號(hào)的釋放，其中聲發(fā)射是一種常用的研究煤巖破壞特性的指標(biāo)［1］。

早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)學(xué)者Obert和Duvall就應(yīng)用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)來確定巖石受壓后的破裂位置［2］。隨后國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤巖破壞過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，李庶林等［3］對(duì)單軸受壓巖石破壞全過程進(jìn)行了聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了巖石破壞過程中的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征;王恩元等［4］對(duì)單軸壓縮煤體破裂過程中聲發(fā)射的頻譜特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)煤體聲發(fā)射的頻譜特征變化與煤體變形破裂過程密切相關(guān);楊永杰等［5］對(duì)單軸壓縮條件下煤樣的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究，得出了預(yù)測(cè)煤樣破裂時(shí)間的指標(biāo);左建平等［6］對(duì)煤巖組合體破壞過程的聲發(fā)射行為進(jìn)行了研究，并獲得了聲發(fā)射三維空間分布規(guī)律。

目前，將聲發(fā)射與沖擊傾向性相聯(lián)系的研究相對(duì)較少，寧超等［7］研究了單軸壓縮下沖擊煤巖的聲發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)了沖擊煤巖屈服階段聲發(fā)射參數(shù)的平靜現(xiàn)象;趙毅鑫等［8］對(duì)沖擊傾向性煤體破壞過程中的聲熱效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)沖擊傾向性煤體的失穩(wěn)破壞更突然、更難于預(yù)測(cè)。因此，本文將沖擊傾向性煤樣與無(wú)沖擊傾向性煤樣破壞時(shí)的聲發(fā)射特征進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)研究沖擊煤樣破壞時(shí)的聲發(fā)射特征，探索沖擊煤樣失穩(wěn)破壞的前兆信息，這對(duì)沖擊地壓和煤巖體失穩(wěn)破壞的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)煤樣及試驗(yàn)方法

1.1 煤樣的選取與制備

試驗(yàn)所用沖擊煤樣取自新疆某礦井，無(wú)沖擊煤樣取自內(nèi)蒙古東部的褐煤，試驗(yàn)前對(duì)其沖擊傾向性再次進(jìn)行鑒定，均符合要求。為盡可能保持煤樣原有狀態(tài)，從回采工作面煤壁選取比較完整的大煤塊，按照規(guī)程的要求，沿垂直層理方向加工成φ50mm×100mm的圓柱體煤樣，煤樣兩端不平行度小于0.05mm。為盡可能降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性，試驗(yàn)所用的同一類煤樣均取自同一大煤塊，共做了40個(gè)煤樣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)加載設(shè)備采用德國(guó)WPM巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大軸向加載載荷為1000kN。聲發(fā)射裝置采用美國(guó)物理聲學(xué)公司 (Physical Acoustic Corporation)生產(chǎn)的PCI－2全數(shù)字化聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)，采樣率設(shè)為1MHz。采用雙通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)，在煤樣中部?jī)蓚?cè)對(duì)稱布置2個(gè)聲發(fā)射傳感器，傳感器與煤樣表面之間用凡士林耦合，并用膠帶固定。

1.3 測(cè)試方法

每次試驗(yàn)前，在傳感器附近進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，以確保傳感器與試樣耦合良好，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械噪音進(jìn)行測(cè)定，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，最終將門檻值設(shè)定為45dB。試驗(yàn)時(shí)，采用軸向位移加載控制方式，并保持加載過程與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)同步。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

沖擊傾向性受到時(shí)間和能量的雙重影響，本文從能夠同時(shí)反映時(shí)間和能量效應(yīng)的聲發(fā)射能率角度來研究單軸壓縮破壞過程中沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射特征，探索沖擊傾向性煤樣失穩(wěn)破壞的前兆信息。

2.1 沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率特征

圖1為2個(gè)典型沖擊傾向性煤樣聲發(fā)射能率與應(yīng)力－時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖1 沖擊傾向性煤樣應(yīng)力、聲發(fā)射能率與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖1中可以看出，沖擊傾向性煤樣從初始加載至峰值應(yīng)力90%左右的過程中，聲發(fā)射能率一直保持非常低的水平，表明煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，承載能力較強(qiáng)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力的90%左右時(shí)，聲發(fā)射能率出現(xiàn)明顯的突增，之后隨著載荷的繼續(xù)增加，聲發(fā)射能率呈臺(tái)階式增長(zhǎng)，增長(zhǎng)過程中聲發(fā)射能率出現(xiàn)突增－平緩－突增現(xiàn)象，表明煤樣內(nèi)部經(jīng)歷著裂紋擴(kuò)展、積累能量、裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，峰值應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射能率達(dá)到最大值，且高出上一個(gè)能率峰值很多，之后迅速降低到最小值。

圖2為無(wú)沖擊傾向性煤樣聲發(fā)射能率與應(yīng)力－時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在初始加載階段，無(wú)沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率也一直保持非常低的水平，偶爾出現(xiàn)稍高的聲發(fā)射能率，當(dāng)加載到峰值應(yīng)力的50%左右時(shí)，聲發(fā)射能率開始明顯增加，之后隨著載荷的繼續(xù)增加，聲發(fā)射能率也呈臺(tái)階式增長(zhǎng)，峰值應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射能率達(dá)到最大值，這一階段與沖擊傾向性煤樣類似，峰值應(yīng)力過后，聲發(fā)射能率并不是直接降為零，而是臺(tái)階式地逐漸降到最小值。

圖2 無(wú)沖擊傾向性煤樣應(yīng)力、聲發(fā)射能率與時(shí)間關(guān)系曲線

對(duì)圖1、圖2進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，沖擊傾向性煤樣與無(wú)沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率有較大差別:沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率活躍點(diǎn)在峰值應(yīng)力的90%左右，此時(shí)能率開始出現(xiàn)小幅度的突增現(xiàn)象，表明煤樣開始緩慢釋放能量，在峰值應(yīng)力處，能率曲線迅速達(dá)到峰值隨后降到最小值，表明此時(shí)煤樣釋放出非常高的能量;而無(wú)沖擊傾向性煤樣的能率活躍點(diǎn)在峰值應(yīng)力的50%左右，峰值應(yīng)力處，釋放較高能量，之后仍緩慢釋放能量;在峰值應(yīng)力處，沖擊傾向性煤樣釋放的聲發(fā)射能率高達(dá)21000，而無(wú)沖擊傾向性煤樣釋放的能率剛接近3000，由此可見，沖擊傾向性煤樣充分展示了瞬間釋放高能量的特征。

2.2 沖擊煤樣聲發(fā)射b值的動(dòng)態(tài)特征

b值是介質(zhì)控制所積累的能量的釋放能力［10］。在巖石力學(xué)領(lǐng)域，可以把巖石破壞過程中的聲發(fā)射事件當(dāng)作地震活動(dòng)，用聲發(fā)射b值來研究巖石破壞的前兆特征。

假設(shè)AE事件的相對(duì)震級(jí)M正比于AE振幅A，把AE頻度的對(duì)數(shù) (lg N)與M的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為lg N與振幅A的線性關(guān)系，然后計(jì)算出b值。

本文采用最小二乘法進(jìn)行b值計(jì)算。在b值計(jì)算過程中，M按2dB分檔，取256s內(nèi)的AE事件為一組數(shù)據(jù)，按128s進(jìn)行時(shí)間滑動(dòng)取樣計(jì)算，得出b值隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線。線性最小二乘法的b值由下式給出:

式中，m為震級(jí)分檔總數(shù);Mi為第i檔震級(jí)中數(shù);Ni為第i檔震級(jí)的AE事件數(shù)。

圖3為2個(gè)沖擊傾向性煤樣b值的動(dòng)態(tài)變化曲線。

圖3 沖擊煤樣聲發(fā)射b值動(dòng)態(tài)變化曲線

對(duì)比2個(gè)煤樣的b值動(dòng)態(tài)變化曲線可以得出，2個(gè)煤樣的b值動(dòng)態(tài)曲線在很大程度上具有相似的變化規(guī)律，在進(jìn)入彈性階段后，2個(gè)煤樣的聲發(fā)射b值基本上是呈線性增長(zhǎng)，說明煤樣內(nèi)部裂隙開始不斷擴(kuò)展，低能量的AE事件所占比例較多;當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力的80%左右時(shí)，兩煤樣的聲發(fā)射b值均較平緩地下降，說明此時(shí)高能量的AE事件所占比例開始增加，較大尺度的破裂開始出現(xiàn);隨后聲發(fā)射b值快速下降，說明高能量的AE事件顯著增加，破裂開始擴(kuò)展貫通，意味著煤樣即將失穩(wěn)破壞，因此將聲發(fā)射b值的“平緩下降期”作為判定沖擊傾向性煤樣破壞的前兆信息更具有實(shí)際意義。

3 結(jié)論

(1)本文選取能夠同時(shí)反映時(shí)間和能量效應(yīng)的聲發(fā)射能率參數(shù)作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)沖擊傾向性煤樣和無(wú)沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射能率活躍點(diǎn)分別為峰值應(yīng)力的90%和50%，且聲發(fā)射能率的變化特征很好地詮釋了沖擊傾向性的本質(zhì)。

(2)聲發(fā)射b值的變化反映了煤樣內(nèi)部不同能量事件所占的比例，其平緩下降的特征可以作為沖擊傾向性煤樣失穩(wěn)破壞的前兆信息。因此，研究聲發(fā)射能率和b值的動(dòng)態(tài)變化特征有利于預(yù)測(cè)沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

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