鈕月，　李忠輝，　王紅浩，　王佳麗，　劉帥杰，　殷山，　孔艷慧，　洪森

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州　221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州　221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116； 4.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司裴溝煤礦， 河南 新密　452382； 5.新鄭煤電有限責(zé)任公司， 河南 新鄭　451100)

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含瓦斯煤受載損傷演化聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究

鈕月1,2,3，李忠輝1,2,3，王紅浩4，王佳麗5，劉帥杰1,3，殷山1,3，孔艷慧1,3，洪森1,3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州221116； 4.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司裴溝煤礦， 河南 新密452382； 5.新鄭煤電有限責(zé)任公司， 河南 新鄭451100)

搭建了含瓦斯煤單軸壓縮信息采集系統(tǒng)，測試了煤樣受載破壞過程中聲發(fā)射及力學(xué)特性參數(shù)的變化，并對煤巖損傷演化模型及聲發(fā)射特性進(jìn)行了深入的分析研究。研究結(jié)果表明，含瓦斯煤在受載破壞過程中能夠產(chǎn)生聲發(fā)射信號，在受載前期聲發(fā)射信號較少，受載后期較多，載荷峰值附近聲發(fā)射信號達(dá)到最大值；聲發(fā)射脈沖數(shù)及能量與載荷的變化趨勢一致，能夠直觀地反映含瓦斯煤損傷程度；基于聲發(fā)射特性參數(shù)的損傷演化模型，根據(jù)聲發(fā)射脈沖數(shù)及能量所計算的損傷值與實(shí)測值變化趨勢基本一致；作為前兆信息，聲發(fā)射信號能夠表征煤巖損傷演化規(guī)律，反映煤巖受載破壞狀態(tài)。該研究成果將為現(xiàn)場煤巖瓦斯動力災(zāi)害的監(jiān)測及預(yù)防提供參考。

含瓦斯煤； 受載損傷； 聲發(fā)射特性； 演化規(guī)律； 力學(xué)參數(shù)； 監(jiān)測預(yù)警

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1027.010.html

0　引言

隨著煤層開采深度的增加和開采強(qiáng)度的增大，煤礦的高應(yīng)力、高瓦斯現(xiàn)象日益突出，導(dǎo)致了沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1]。煤巖在受載過程中會產(chǎn)生變形破壞，釋放出彈性能，產(chǎn)生聲發(fā)射信號。聲發(fā)射的強(qiáng)度和頻度能夠反映煤巖體的受載破壞及損傷程度[2]。含瓦斯煤層在發(fā)生動力災(zāi)害的過程中常常伴有大量的瓦斯涌出，瓦斯對于煤體損傷演化的過程具有重要的影響。因此,通過研究含瓦斯煤巖在受載破壞過程中聲發(fā)射參數(shù)的變化，探究煤巖損傷演化規(guī)律，對于監(jiān)測預(yù)報含瓦斯煤層動力災(zāi)害具有重要的意義。

目前，廣大學(xué)者對煤巖材料受載過程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象已經(jīng)有了深入的研究。鄒銀輝[3]研究了煤巖聲發(fā)射特征的產(chǎn)生機(jī)理，并推導(dǎo)了理論模型。曹樹剛等[4]研究了煤樣在不同圍壓條件下受載破壞聲發(fā)射信號的變化趨勢，并將其與單軸情況做了比較。劉?？h等[5]建立了煤巖損傷變量與聲發(fā)射累計振鈴數(shù)的關(guān)系式。以上研究已經(jīng)取得了顯著的效果，并用于現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐[6-8]。但目前針對含瓦斯煤受載過程中力學(xué)及聲發(fā)射特性參數(shù)與煤巖損傷演化規(guī)律間的定量研究相對較少。因此，筆者搭建了含瓦斯煤單軸壓縮信息采集系統(tǒng)，用于測試含瓦斯煤受載破壞過程中力學(xué)及聲發(fā)射特性參數(shù)的變化。根據(jù)力學(xué)理論，構(gòu)建煤巖損傷模型，得到聲發(fā)射參數(shù)積累量與煤樣損傷變形之間的理論關(guān)系，為煤巖損傷破壞演化規(guī)律找到合適的參數(shù)推導(dǎo)模型。實(shí)驗(yàn)室條件下的成果有望用于煤礦現(xiàn)場，指導(dǎo)煤巖瓦斯動力災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)防。

1　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用含瓦斯煤單軸壓縮信息采集系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)主要包括應(yīng)力加載系統(tǒng)、聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、密封缸體、瓦斯及氮?dú)庵胤畔到y(tǒng)。

1-氮?dú)鈿馄浚?2-開關(guān)； 3-壓力表； 4-電液伺服壓力機(jī)；5-缸體； 6-瓦斯氣瓶； 7-密封圈； 8-煤巖試樣； 9-熱縮管；10-聲發(fā)射傳感器； 11-前置放大器； 12-力學(xué)參數(shù)采集儀；13-聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集儀； 14-卸壓閥

(1) 應(yīng)力加載系統(tǒng)。包括電液伺服壓力機(jī)、力學(xué)參數(shù)采集儀，可實(shí)時顯示測試數(shù)據(jù)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線、載荷-時間曲線，記錄力學(xué)參數(shù)。

(2) 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集儀等，將采集到的聲發(fā)射信號放大、濾波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并實(shí)時顯示。

(3) 密封缸體。包括缸體實(shí)體(內(nèi)置煤樣)、密封圈、熱縮管等，用于創(chuàng)造密封環(huán)境。

(4) 瓦斯及氮?dú)庵胤畔到y(tǒng)。包括氮?dú)鈿馄?、瓦斯氣瓶、開關(guān)、壓力表、卸壓閥等，向缸體中充入氮?dú)?，?chuàng)造圍壓條件，向熱縮管內(nèi)充入瓦斯，使之與煤樣充分接觸,構(gòu)建含瓦斯煤環(huán)境。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)煤樣取自徐州某煤礦，將井下煤塊加工成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 連接好缸體、氣瓶等元器件，將煤樣用熱縮管密封，置入缸體中，確保缸體密封。

(2) 利用真空泵將缸體內(nèi)抽成真空狀態(tài)，打開氮?dú)鈿馄块_關(guān)，向缸體內(nèi)充入一定壓力的氮?dú)猓纬蓢鷫?，打開瓦斯氣瓶，向熱縮管充入一定壓力的瓦斯，使之與煤樣充分吸附(持續(xù)8 h)。

(3) 連接力學(xué)參數(shù)采集儀、聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集儀等，進(jìn)行調(diào)試。

(4) 啟動電液伺服壓力機(jī)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案控制電液伺服壓力機(jī)，以 1 000 N/s的力控速度對缸體施加載荷，使煤樣受載破壞，同時記錄力學(xué)參數(shù)，采集聲發(fā)射信號。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選取有代表性的試樣加載結(jié)果(氮?dú)鈬鷫簽? MPa，瓦斯壓力為0.6 MPa)進(jìn)行分析。含瓦斯煤樣在受載過程中的載荷及聲發(fā)射特性參數(shù)隨時間變化曲線如圖2所示。

(a) 載荷隨時間變化曲線

(b) 聲發(fā)射脈沖數(shù)隨時間變化曲線

(c) 聲發(fā)射能量隨時間變化曲線

由圖2可知，含瓦斯煤樣在受載破壞過程中，能夠產(chǎn)生聲發(fā)射信號。受載前期，載荷較小，局部產(chǎn)生微破裂損傷，信號較少。受載后期，載荷不斷升高，裂隙穩(wěn)步擴(kuò)展，聲發(fā)射信號不斷增強(qiáng)。載荷峰值附近，裂隙貫通，形成主破壞，聲發(fā)射脈沖數(shù)及能量達(dá)到了最大值。聲發(fā)射信號的產(chǎn)生來源于煤巖內(nèi)部損傷過程裂隙的閉合及擴(kuò)展，聲發(fā)射脈沖數(shù)反映微裂紋破壞的次數(shù)，而聲發(fā)射能量則反映破壞的強(qiáng)度，兩者與載荷的變化趨勢具有一致性，能直觀地反映含瓦斯煤損傷過程。

3　基于聲發(fā)射特性參數(shù)的含瓦斯煤損傷演化分析

3.1基于聲發(fā)射脈沖數(shù)的含瓦斯煤損傷演化模型

HEIPLE C R等認(rèn)為聲發(fā)射信號發(fā)生于材料的受載破壞過程中，與材料內(nèi)部的剝離、斷裂及裂紋擴(kuò)展所釋放的應(yīng)變能成正比。因此，本文利用聲發(fā)射脈沖數(shù)及能量來描述煤巖的損傷特性。

根據(jù)Kachanov理論，將損傷變量定義為D：

(1)

式中：Ad為承載斷面上微缺陷的所有面積；A為初始時無損的斷面積。

若無損材料整個截面完全破壞累計產(chǎn)生的聲發(fā)射脈沖數(shù)為N0，單位面積微破壞時的聲發(fā)射脈沖數(shù)為Nw，則有

(2)

當(dāng)斷面損傷面積達(dá)到Ad時，聲發(fā)射脈沖數(shù)累計為Nd,則有

(3)

經(jīng)過運(yùn)算，得

(4)

試驗(yàn)過程中，煤樣尚未完全破壞時，電液伺服壓力機(jī)就停止加載。因此，對損傷變量做了修正。設(shè)DU為損傷的臨界值，則有

(5)

為了便于計算，可設(shè)

(6)

式中：σc為殘余強(qiáng)度；σp為峰值強(qiáng)度。

根據(jù)連續(xù)損傷力學(xué)理論，所建立的損傷破壞模型如下:

(7)

式中：σ為理論應(yīng)力值；E為彈性模量；ε為應(yīng)變；σε為應(yīng)變ε未經(jīng)修正的應(yīng)力值。

設(shè)D(t)、Nd(t)、σ(t)和ε(t)分別為不同加載時刻t的損傷參量、累計脈沖數(shù)、應(yīng)力和應(yīng)變，則可推導(dǎo)出基于聲發(fā)射脈沖數(shù)的單軸壓縮含瓦斯煤的損傷模型為

σ(t)=[1-(1-σc/σp)Nd(t)/N0]Eε(t)

(8)

3.2基于聲發(fā)射能量的含瓦斯煤損傷演化模型

假設(shè)聲發(fā)射能量與煤樣損傷演化過程中的耗散能成正比關(guān)系，耗散能導(dǎo)致材料的內(nèi)部損傷和塑性變形，那么損傷變量可用聲發(fā)射的能量積累來表示：

(9)

式中：ΣW為損傷至t時刻累計聲發(fā)射能量；Wm為煤樣完全被破壞時累計的聲發(fā)射能量。

同理可得出基于聲發(fā)射能量的單軸壓縮含瓦斯煤損傷模型為

(10)

3.3含瓦斯煤受載損傷演化分析

根據(jù)式(4)和式(9)對圖2中試樣測得的聲發(fā)射脈沖數(shù)及能量進(jìn)行歸一化處理，試樣累計損傷結(jié)果如圖3所示。結(jié)合式(8)、式(10)，根據(jù)不同應(yīng)變水平聲發(fā)射脈沖數(shù)或能量及應(yīng)變計算應(yīng)力，得出基于聲發(fā)射脈沖數(shù)和能量的應(yīng)變-損傷關(guān)系曲線，并與實(shí)測值對比，如圖4所示。

(a) 基于聲發(fā)射脈沖數(shù)

(b) 基于聲發(fā)射能量

從圖3、圖4可以看出，理論值與實(shí)測值趨勢基本吻合，說明利用聲發(fā)射特性參數(shù)表征損傷變量是合理的。

圖4　損傷理論值與實(shí)測值對比

結(jié)合圖2、圖4可知，基于聲發(fā)射參數(shù)的含瓦斯煤受載損傷演化主要經(jīng)歷了4個階段。第1階段：初始受載至應(yīng)變值達(dá)0.8×10-2，此階段煤巖處于彈性變形狀態(tài)，為初步損傷狀態(tài)，損傷量較小，聲發(fā)射信號較少。第2階段：加載至應(yīng)變值為1.3×10-2，此階段煤樣處于微破裂穩(wěn)定發(fā)展、損傷變量不斷增大狀態(tài)，此時聲發(fā)射信號隨應(yīng)力增加而逐漸提高。 第3階段：加載至應(yīng)變值為2.1×10-2，此階段損傷加速且不穩(wěn)定發(fā)展，損傷變量急劇上升至煤樣破壞，煤樣內(nèi)部的微破裂迅速擴(kuò)展、貫通，在表面出現(xiàn)了顯著的宏觀破壞，伴隨著大量聲電信號產(chǎn)生。 第4階段：煤樣處于主破裂后的狀態(tài)，此時煤樣基本失去承載能力，在殘余載荷的作用下，破碎塊體之間相互摩擦,產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射信號。

煤樣在初始加載階段存在塑性形變，導(dǎo)致彈性模量不穩(wěn)定變化，因此，在同一應(yīng)力值時,實(shí)際應(yīng)變值大于由式(8)、式(10)計算的理論應(yīng)變值。而在第2—第4階段，基于聲發(fā)射脈沖數(shù)及能量的理論損傷曲線與實(shí)測的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢具有較強(qiáng)的一致性，聲發(fā)射信號變化能夠很好地表征煤樣受載破壞過程中的損傷演化規(guī)律。理論計算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值超前于實(shí)測曲線峰值，這對于煤礦現(xiàn)場預(yù)測動力災(zāi)害具有重要的指導(dǎo)意義。 聲發(fā)射信號(脈沖數(shù)及能量)作為含瓦斯煤受載破壞的前兆信息，能夠反映煤巖體的受載破壞狀態(tài)，為包括煤與瓦斯突出、含瓦斯煤沖擊地壓等在內(nèi)的動力災(zāi)害的監(jiān)測及預(yù)防提供了理論依據(jù)。

4　結(jié)語

搭建了圍壓條件下含瓦斯煤單軸壓縮信息采集

系統(tǒng)，測試了聲發(fā)射及力學(xué)特性參數(shù)的變化并進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

(1) 含瓦斯煤樣在受載破壞過程中，能夠產(chǎn)生聲發(fā)射信號。在受載前期，載荷較小，聲發(fā)射信號較少；在受載后期，載荷不斷升高，聲發(fā)射信號增多；在峰值載荷附近，聲發(fā)射信號達(dá)到最大值。聲發(fā)射的脈沖數(shù)及能量與載荷的變化趨勢一致，能夠直觀地反映含瓦斯煤損傷程度。

(2) 建立了基于聲發(fā)射特性參數(shù)的損傷演化模型，分析了含瓦斯煤受載破壞過程中應(yīng)力、應(yīng)變與聲發(fā)射特性參數(shù)的相互關(guān)系，根據(jù)模型所計算的損傷值與實(shí)測值的變化趨勢基本一致，聲發(fā)射脈沖數(shù)及能量的變化能夠表征含瓦斯煤損傷演化規(guī)律。

(3) 聲發(fā)射信號是含瓦斯煤受載破壞的前兆信息，能反映煤巖體的受載破壞狀態(tài)。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

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Experimental study on characteristics of acoustic emission for coal containing gas damaged evolution under loading

NIU Yue1,2,3,LI Zhonghui1,2,3,WANG Honghao4,WANG Jiali5,LIU Shuaijie1,3,YIN Shan1,3,KONG Yanhui1,3,HONG Sen1,3

(1.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines of Ministry of Education,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;3.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;4.Peigou Coal Mine, Zhengzhou Coal Industry(Group) Co., Ltd., Xinmi 452382, China;5.Xinzheng Coal Electricity Co., Ltd., Xinzheng 451100, China)

An information collection system of coal containing gas under uniaxial compression was built, dates' change of acoustic emission and mechanical parameters while coal samples loaded were tested, and damaged evolution model of coal and rock and characteristic of acoustic emission were studied deeply. The research results show that there are acoustic emission signals produced during loaded process for coal containing gas. The number of acoustic emission singles is less at early stage and more at later stage, while achieves the maximum value when the load reaches peak value. The change trend of pulse number and energy of acoustic emission is consistent with the load value, which can reflect damage degree of coal containing gas well. Based on the coal damaged evolution model of acoustic emission characteristics parameters, change trend of damage value calculated from the acoustic emission pulse number and energy and the actual measured value are basical identical. As a precursor information, the acoustic emission signal can represent damage evolution laws of coal and rock and reflect damage state under loaded state. The research result would provide reference for monitoring and preventing of gas dynamic disaster of coal and rock in coal mine.

coal containing gas; loaded damage; acoustic emission characteristics; evolution law; mechanical parameter; monitoring and warning

1671-251X(2016)06-0037-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.010

2015-12-28；

2016-01-27；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51574231)；煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項目(SKLCRSM15X03)；江蘇省“青藍(lán)工程”資助項目(201010290-02)。

鈕月(1991-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向?yàn)榘踩O(jiān)測監(jiān)控，E-mail：ahsyls69@cumt.edu.cn。

TD713

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-01 10:27

鈕月，李忠輝，王紅浩，等.含瓦斯煤受載損傷演化聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究[J].工礦自動化，2016,42(6)：37-41.