程肖禾，宋大釗，邱黎明，王洪磊，王安虎

（北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京100000）

煤炭安全對(duì)于我國(guó)的能源安全有著重要意義[1]。在各類煤礦事故中，煤與瓦斯突出事故造成的后果往往是最嚴(yán)重的，為了實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)以及連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，許多新的煤與瓦斯突出監(jiān)測(cè)技術(shù)被提了出來(lái)[2-4]，如：聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)、電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)和無(wú)線電波透視監(jiān)測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，震動(dòng)波CT 技術(shù)也作為一種新的地球物理方法被應(yīng)用于礦山工程與地質(zhì)診斷。該技術(shù)通過(guò)分析微震臺(tái)和礦震站間的彈性波射線，從而對(duì)勘探區(qū)域進(jìn)行波速反演，進(jìn)而評(píng)價(jià)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)工作面超前應(yīng)力探測(cè)[5]。在煤與瓦斯突出及地下動(dòng)力災(zāi)害中，巖體縱波波速和各地應(yīng)力之間往往存在著一系列的關(guān)系[6]。Young[7]等根據(jù)對(duì)地下煤巖破碎區(qū)域的縱波波速的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了大型的掘進(jìn)和地震活動(dòng)區(qū)域通常對(duì)應(yīng)著高波速事件的分布，而低波速區(qū)域基本上沒(méi)有掘進(jìn)和地震事件的發(fā)生。鞏思園等[8-9]發(fā)現(xiàn)對(duì)于循環(huán)加載的煤樣，它們內(nèi)部的裂隙會(huì)隨著應(yīng)力的增大而被壓實(shí)，此時(shí)波速會(huì)增大；當(dāng)應(yīng)力減小時(shí)，裂隙又被重新張開(kāi)，波速減??；并從中發(fā)現(xiàn)了煤樣所受應(yīng)力與縱波波速間存在著冪函數(shù)關(guān)系。除了縱波波速與巖石應(yīng)力的耦合關(guān)系外，關(guān)于波速與其他因素的之間得耦合關(guān)系也有諸多研究，如與氣壓，溫度，滲透壓，裂隙發(fā)育程度等之間的關(guān)系[10-14]。從各類研究中發(fā)現(xiàn)：波速越大的地方，煤巖所受應(yīng)力越大，那么如果煤巖在三軸受力，并含氣體的情況下，波速與應(yīng)力又存在怎樣的關(guān)系呢?；诖耍瑢㈤_(kāi)展三軸受力條件下的含氣體煤巖循環(huán)加載試驗(yàn)，并采集其縱波信號(hào)，揭示含氣體突出煤巖與各應(yīng)力耦合間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MTS815 電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由動(dòng)力加載系統(tǒng)、聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)和氣體通入系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)工作流程圖如圖1。它能測(cè)試巖石材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的各種力學(xué)與滲流特征，并擁有氣壓供入系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 System work flow

1.2 樣品的加工與安裝

實(shí)驗(yàn)煤樣取自貴州盤江金佳煤礦11227 工作面。首先準(zhǔn)備好原煤，腐植酸鈉，水，凡士林以及檢驗(yàn)篩等工具，利用篩子篩取粒徑分別為0～＜1 mm 和1～3 mm 煤粉（骨料不同粒徑質(zhì)量分布為：0～＜1 mm 占比76%，1～3 mm 占比24%）。稱量精度為：骨料±1%，腐植酸鈉為0.5%。原料準(zhǔn)備好后，放入磨具后壓制。原煤基本參數(shù)見(jiàn)表1。

由于所用壓力機(jī)的圍壓由油壓提供，所制成的型煤需要被完全密封才能放入壓力室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，先將試樣固定在下方傳感器壓頭上，將“O”型圈放在壓板中間，切割60 mm 熱縮管，用3 層熱縮管包好樣品，然后讓熱電鼓風(fēng)機(jī)加熱熱縮管使其密封。密封完畢后，用金屬絲緊固“O”形圈，并在它上下斷面墊上鉛箔。放置圓周伸長(zhǎng)計(jì)后，將上部傳感器壓頭安裝至試樣上方，隨后放入壓力室。煤樣上部壓頭接出氣管，下部壓頭接通氣管。一共進(jìn)行了5 組實(shí)驗(yàn)，型煤基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 原煤基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal sample

表2 型煤基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of briquette

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

由于CH4氣體易燃易爆，若用CO2氣體替代它，又存在腐蝕設(shè)備的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)選擇用N2氣體替代CH4[14]。實(shí)驗(yàn)主要分為變氣壓實(shí)驗(yàn)和循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)2部分。

1）變氣壓實(shí)驗(yàn)。J1 樣品一開(kāi)始將軸壓圍壓同步升高到12 MPa，隨后立刻通入0.5 MPa 的氣體，并開(kāi)始進(jìn)行聲發(fā)射波形采集，隨后將氣壓升高到1 MPa和3 MPa，每個(gè)階段進(jìn)行5 min 的波形采集，每10 s采集1 次波形。J2 樣品和J1 的加載方式一樣，其通入的氣壓分別為0.5、1、2、4、5 MPa，每個(gè)階段都保持5 min 的采樣時(shí)間，每10 s 采集1 次波形。

2）循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)。J3 樣品一開(kāi)始將軸壓圍壓同步升高到12 MPa，隨后立刻通入1 MPa 氣體，在通入結(jié)束后開(kāi)始進(jìn)行波形采集和循環(huán)加載過(guò)程，直至樣品破壞，每10 s 采集1 次波形。J4 與J5 的循環(huán)加載過(guò)程和J3 一樣，所通入的氣壓分別為3、5 MPa，每10 s 采集1 次波形，直至樣品破壞。

所有的加載方式均為位移加載，加載速度為0.04 mm/min。循環(huán)加載方式如圖2。

圖2 循環(huán)加載方式Fig.2 Cyclic loading mode

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 三軸載荷下氣壓與縱波波速的耦合關(guān)系

對(duì)于突出型煤試樣加載過(guò)程中得到的波形信號(hào)，可以通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：vp為縱波波速，m/s；L 為探頭兩端距離，具體距離要考慮到樣品軸向形變，m；T1為縱波開(kāi)始傳播時(shí)刻；T2為接受探頭接受到縱波的時(shí)刻。

利用式（1）可以求出通過(guò)樣品的激發(fā)波波速。實(shí)驗(yàn)中J1 和J2 樣品為安全起見(jiàn)，在一開(kāi)始將軸壓和圍壓同步升高到12 MPa，隨后再通入氣壓，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最后得到了在不同氣壓下，波速的變化情況，以此來(lái)分析氣壓對(duì)三軸載荷試樣縱波波速的影響。需特別說(shuō)明的是，由于部分采集到的波形難以辨別，剔除這些波形后，選取容易辨別的波形，計(jì)算出波速大小，按選取到的波形采集時(shí)刻先后順序進(jìn)行作圖，波速與氣壓關(guān)系如圖3。

當(dāng)軸壓圍壓都保持不變時(shí)，所測(cè)波速隨著通入氣壓的增大而減小，而在不同氣壓階段的初始，波速都會(huì)有明顯的增加趨勢(shì)，隨后在慢慢下降趨于平穩(wěn)，這是氣壓環(huán)境不穩(wěn)定情況下所造成的波速奇異點(diǎn)，當(dāng)穩(wěn)定的氣壓充滿壓力室后，波速平穩(wěn)下來(lái)。接著隨著氣壓的增大，特別是氣壓超過(guò)1 MPa 后，更多的氣體被壓入試樣，逐漸填滿孔隙，波速變化也趨于穩(wěn)定，但受到氣體介質(zhì)和煤樣整體應(yīng)力降低的影響，波速總體呈下降趨勢(shì)。J2 平均氣壓與波速關(guān)系擬合圖如圖4，擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)R2為0.79。

圖3 波速與氣壓關(guān)系圖Fig.3 Relation between wave velocity and air pressure

圖4 J2 平均氣壓與波速關(guān)系擬合圖Fig.4 Curve fitting of J2 average pressure and wave velocity

2.2 軸壓與縱波波速耦合關(guān)系

為了探明試樣在三軸循環(huán)加載下，縱波波速與其應(yīng)力耦合之間的關(guān)系，進(jìn)行了3 組不同氣壓下的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)。剔除難以辨別的波形，選取采集到的容易辨識(shí)的波形，計(jì)算出其波速，軸壓、圍壓和波速隨時(shí)間序列的變化如圖5。

圖5 軸壓、圍壓和波速變化圖Fig.5 Variation diagram of axial pressure, confining pressure and wave velocity

從圖5 可以看出，縱波波速大小的變化趨勢(shì)，基本上和軸壓變化類似。在循環(huán)過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力上升到波峰時(shí)，測(cè)量到的大部分波速也隨之上升到波速波峰位置；波谷位置也滿足該規(guī)律。說(shuō)明在循環(huán)加載過(guò)程中，因?yàn)檩S壓的增大減小，試樣內(nèi)部的孔隙也隨著軸壓的大小不停閉合和張開(kāi)，當(dāng)裂隙閉合較多時(shí)，軸壓偏大，波速也偏大；反之，當(dāng)縫隙較多的時(shí)候，軸壓偏小，此時(shí)波速也就偏小了。通常在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)下，巖石樣品完全破壞瞬間時(shí)的縱波波速會(huì)異常增大，隨后急劇下降。但是實(shí)驗(yàn)煤樣完全破壞時(shí)，它的波速增大幅度較小，且下降趨勢(shì)也不明顯，縱波波速的變化比較穩(wěn)定，僅有100～200 m/s 的變化幅度。試樣在全過(guò)程的波速變化幅值普遍在800 m/s 左右，而單軸壓縮循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)的波速變化普遍都在1 500 m/s 以上[15]，除了樣品間的個(gè)體差異外，圍壓和氣壓也對(duì)波速有一定的穩(wěn)定作用。

為了定量分析軸壓與縱波波速之間的關(guān)系，分別選擇圍壓為12、14、16、18 MPa 時(shí)的縱波波速與軸壓大小，對(duì)兩者進(jìn)行擬合，其中試樣J3 在圍壓18 MPa 下波速與軸壓擬合圖如圖6。

圖6 試樣J3 在圍壓18 MPa 下波速與軸壓擬合圖Fig.6 Fitting diagram of wave velocity and axial pressure of J3 under 18 MPa confining pressure

在圍壓不變的情況下，波速明顯隨著軸壓的增加而增加。當(dāng)軸壓偏低時(shí)，內(nèi)部壓實(shí)程度還不夠，波速偏低，但波速的變動(dòng)幅度較大；隨后試樣進(jìn)入到彈性變化階段，波速也接近線性變化，在試樣被破壞后波速大小比較穩(wěn)定，總體符合指數(shù)函數(shù)變化：y=ABCx，y 為波速，x 為軸壓，A、B、C 為擬合曲線參數(shù)。當(dāng)軸壓達(dá)到16 MPa 以上時(shí)，波速劇增明顯，隨后穩(wěn)定在1 000 m/s 左右，巖石破壞時(shí)波速可以達(dá)到1 200 m/s 以上。試樣J3、試樣J4、試樣J5 的軸壓與波速擬合曲線參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試樣J3、試樣J4、試樣J5 軸壓與波速擬合曲線參數(shù)Table 3 Fitting curves parameters of J3, J4, J5 axial pressure and wave velocity

求得3 組擬合的平均相關(guān)系數(shù)有0.63，屬于“顯著相關(guān)”的范圍（相關(guān)系數(shù)大于等于0.6），這說(shuō)明試驗(yàn)關(guān)系模型具有較好的擬合度，軸壓與縱波波速的耦合關(guān)系在該模型下能被很好的表達(dá)。

2.3 圍壓與縱波波速之間的應(yīng)力耦合關(guān)系

從圖5 可以明顯看出，波速的大小隨著圍壓的增大而逐漸增大。每個(gè)階段內(nèi)波速最大的點(diǎn)，幾乎都隨著圍壓增大而增大。選取軸壓循環(huán)起始8 MPa和每個(gè)循環(huán)最大值16 MPa 條件下的圍壓和波速大小，探究?jī)烧唛g的耦合關(guān)系。用線性函數(shù)y=EX+F對(duì)其進(jìn)行擬合，y 為波速，X 為圍壓，E、F 為擬合曲線參數(shù)。試樣J3、J4、J5 的圍壓與波速擬合曲線參數(shù)見(jiàn)表4。試樣J5 在圍壓8 MPa 下波速與圍壓擬合圖如圖7。

表4 試樣J3、J4、J5 圍壓與波速擬合曲線參數(shù)Table 4 Parameters of curves fitting of J3, J4, J5 confining pressure and wave velocity

圖7 試樣J5 在圍壓8 MPa 下波速與圍壓擬合圖Fig.7 Fitting diagram of J5 wave velocity and confining pressure under 8 MPa confining pressure

由圖表可知：當(dāng)軸壓不變時(shí)，波速隨著圍壓的增大而增加。這是因?yàn)殡S著圍壓的增加，試樣的內(nèi)部裂隙也逐漸閉合，因裂隙而產(chǎn)生的噪音減少，對(duì)激發(fā)波的擾動(dòng)減低，內(nèi)部更加緊密，激發(fā)波能更好的穿過(guò)試樣，波速得到明顯增大。總的來(lái)說(shuō)，每個(gè)不同圍壓階段的波速變化還是較大，但是各個(gè)階段變化幅度卻十分均勻，與圍壓變化大致成一種線性正相關(guān)關(guān)系。且3 組擬合的平均相關(guān)系數(shù)有0.67，屬于“顯著相關(guān)”的范圍，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)關(guān)系模型具有較好的擬合度，軸壓與縱波波速的耦合關(guān)系在該模型下被很好的表現(xiàn)出來(lái)。但是圍壓對(duì)波速的影響沒(méi)有軸壓對(duì)其的影響大，這是由于圍壓壓實(shí)閉合的孔隙大部分是平行于軸壓加載方向的裂紋，通常這些裂紋對(duì)波速產(chǎn)生的影響較小。

3 結(jié) 論

1）通過(guò)創(chuàng)新的含氣體煤樣三軸加載實(shí)驗(yàn)，得到了應(yīng)力與波速的相關(guān)關(guān)系：氣壓不變時(shí)，縱波波速越大，應(yīng)力集中程度越高。

2）對(duì)于三軸受壓不變的煤樣，在通入氣體后會(huì)產(chǎn)生波速的震蕩，隨后波速才開(kāi)始降低，最終波速大小趨于平穩(wěn)，與通入氣壓大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3）三軸循環(huán)加載條件下，波速會(huì)隨著軸壓和圍壓的增高而增加，變化趨勢(shì)幾乎和軸壓大小的變化趨勢(shì)類似。當(dāng)圍壓與氣壓不變時(shí)，波速與軸壓成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4）圍壓壓實(shí)閉合的孔隙大部分是平行于軸壓加載方向的裂紋，這些裂紋對(duì)波速影響較小。當(dāng)軸壓和氣壓不變時(shí)，波速與圍壓呈線性正相關(guān)關(guān)系。

5）尋找相關(guān)度更高的數(shù)學(xué)模型和如何將氣體影響運(yùn)用于CT 反演技術(shù)之中可以作為今后的進(jìn)一步研究方向。