周浩 趙洋 吳子謙 武浩 王平勇

安徽理工大學能源與安全學院 淮南 232001

非標準構(gòu)造煤試樣受載破壞過程聲電特征研究

周浩 趙洋 吳子謙 武浩 王平勇

安徽理工大學能源與安全學院 淮南 232001

為研究非標準構(gòu)造煤試樣受載破壞過程的聲電特征，進行了非標準構(gòu)造煤的單軸和單軸循環(huán)加載實驗，并同步采集了聲發(fā)射和電磁輻射信號。分析了單軸加載和單軸循環(huán)加載過程的聲電信號特征，分析了不同階段煤體所釋放的電磁輻射能量特征。結(jié)果表明：煤體受載破壞過程的聲電信號均雖應力的增大而增大，具有較好的同步性；非標準煤樣的破裂形式與標準煤樣不同，呈現(xiàn)了環(huán)狀裂紋。

非標準試樣；聲發(fā)射；電磁輻射；環(huán)狀裂紋

引言

近年來，針對煤巖受載破裂、瓦斯吸附等過程中聲發(fā)射、電磁輻射信號特征的實驗研究逐漸成為煤巖動力災害研究的主要方向之一。大量研究表明，采用聲發(fā)射和電磁輻射信號的采集分析能有效揭示煤巖內(nèi)部的細微受載破壞活動，從而推斷煤巖內(nèi)部損傷演化的某些規(guī)律，在預測、預報煤與瓦斯突出等煤巖動力災害中起到了一定的作用。

然而，以往的實驗研究多使用煤巖樣標準尺寸，而現(xiàn)場條件很少出現(xiàn)這種理想狀態(tài)，為研究非標準構(gòu)造煤試樣受載破壞過程的聲電特征，本文設計進行了非標準構(gòu)造煤的單軸和單軸循環(huán)加載實驗，研究結(jié)果可作為此類實驗的數(shù)據(jù)補充及其他方面的參考。

1、煤樣壓縮實驗

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由YAW系列微機控制電液伺服壓力試驗機、GP6高效電磁屏蔽系統(tǒng)、CTA-1聲電數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。

1.2 實驗樣品及實驗內(nèi)容

實驗煤樣采自淮南礦業(yè)集團潘三礦原煤，經(jīng)加工制成實驗所需樣本。樣本尺寸設置為Φ=75mm×40mm。根據(jù)工程中可能出現(xiàn)的應力途徑，設計了單軸加載和單軸循環(huán)加載兩種形式的實驗。實驗共采用4組試樣，單軸加載和單軸循環(huán)加載實驗各兩組，每組中運用聲發(fā)射探頭，電磁輻射探頭各三個，實時監(jiān)測實驗過程中的聲發(fā)射、電磁輻射信息，以用于后期理論分析。

1.3 實驗測試方案

兩種實驗加載方式均采用力控制，加載速度均保持在200N/s。單軸加載方式是指對煤體進行一次軸向壓縮直至煤體破壞。單軸循環(huán)加載實驗的過程：將煤體載荷值加載到4KN后保持速度-200N/s卸載到零負載，然后保持空載90s。第一個循環(huán)完成，繼續(xù)加載，并將每次循環(huán)載荷峰值設置為比上一循環(huán)載荷峰值增加4KN。循環(huán)全部結(jié)束后，以200N/s加載直至試樣破壞。

2、實驗結(jié)果與分析

2.1 不同加載方式的聲電響應特征

2.2.1 聲發(fā)射特征

聲發(fā)射是指材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現(xiàn)象。非標準構(gòu)造煤樣在受到單軸加載方式的作用下，初始階段煤體處于壓實階段，聲發(fā)射信號波峰值很小，在75s，90s，100s，110s時聲發(fā)射能量有較大幅度的變動，煤樣內(nèi)部開始出現(xiàn)細微裂紋，且出現(xiàn)波峰的時間間隔趨于縮短，表明內(nèi)部破壞速度加快。在120s時聲發(fā)射能量達到最大，表示非標準構(gòu)造煤樣內(nèi)部發(fā)生了較大的破壞；非標準構(gòu)造煤樣在受到單軸循環(huán)加載方式的作用下，初始階段聲發(fā)射信號值較小且呈平穩(wěn)狀態(tài)，隨著單軸循環(huán)加載載荷達到峰值，聲發(fā)射能量也出現(xiàn)小幅度的增長達到該時間點鄰域內(nèi)的極大值，但前幾次不同峰值下聲發(fā)射能量相當，到770s時，聲發(fā)射能量激增，達到最大值后下落，表明非標準構(gòu)造煤樣發(fā)生了較大的破壞。

3、總體能量釋放特征對比

“DM”的代表意義是單向壓縮煤樣樣本，“XM”代表循環(huán)加卸載煤巖樣本。將DM-1與XM-4對比，DM-3與XM-2對比，發(fā)現(xiàn)單軸循環(huán)加載方式的總釋放能量更大；平均每秒的能量釋放量為單軸加載方式的30%~60%；單軸循環(huán)加載形式的單次信號能量值比單軸加載形式高出將近一倍。

在本實驗的單軸循環(huán)加載過程中，加、卸載速率設為定值，從表2中可以看出，每次加、卸載的能量釋放值相差不大，說明在加載時，非標準構(gòu)造煤樣由于受壓內(nèi)部摩擦和產(chǎn)生裂隙所釋放的能量值與卸載時由于彈性形變還原時內(nèi)部摩擦等過程所釋放的能量值基本一致。因此，非標準構(gòu)造煤樣采用單軸循環(huán)加載作用形式時，一次形變與還原過程中均釋放能量，且釋放時間較長，能量釋放量比純單軸加載形式高。結(jié)合兩種加載形式破壞過程的載荷特征，可知單軸循環(huán)加載形式煤體破壞過程釋放能量緩慢但總量卻極大，表明內(nèi)部破壞程度高，所以單軸循環(huán)加載形式作用下的破壞載荷比單軸加載形式作用下的破壞載荷高。

4、結(jié)論

⑴非標準構(gòu)造煤在單軸循環(huán)加載形式作用下，破壞速率慢，破壞強度小。

⑵聲發(fā)射能量在煤體破壞的小范圍時間內(nèi)都出現(xiàn)了累加波動：先小范圍的增值，在破壞時大范圍增值。電磁輻射能量在單軸循環(huán)加載形式的作用下初期小，中期波動幅度較大，后期波動范圍變小并趨于平穩(wěn)。

⑶單軸循環(huán)加載作用下非標準構(gòu)造煤樣的總能量釋放比單軸加載形式作用下非標準構(gòu)造煤的總能量釋放大。平均每秒釋放能量與每次信號的能量釋放量不同，呈此消彼長的特征，印證了總耗散能量是聲發(fā)射的總機械能量和電磁輻射能量的累加。

⑷單軸循環(huán)加載形式作用過程中，加載階段和卸載階段均釋放能量，且能量值基本相當。每一個循環(huán)壓卸載過程中釋放電磁能大體相當。

⑸單軸循環(huán)加載形式作用下和單軸加載形式作用下非標準構(gòu)造煤樣破壞載荷值與其總能量釋放有關，能量釋放越大，破壞載荷值越低。

⑹非標準構(gòu)造煤的破壞外觀是層裂，裂紋呈環(huán)形紋路，區(qū)別于標準構(gòu)造煤樣的破壞外觀。其機理是加載過程中，先產(chǎn)生裂隙，卻未完全破裂，當力加載到破壞載荷值時，所有的裂隙貫穿起來使煤樣完全破壞并釋放較大能量。

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