趙乾甫

(西山煤電(集團) 杜兒坪礦，山西 太原 030000)

煤體力學(xué)特性的研究主要通過煤樣的強度特征進行分析，實驗室所用煤樣主要分為兩類：Ⅰ-Ⅱ類煤直接采用原煤[1-3]；Ⅲ-Ⅴ類煤，由于其變形嚴重、強度較低，無法制備原煤，故前人多采用型煤[4-5]。而對于原煤與型煤之間的差別，國內(nèi)外眾多學(xué)者[6-7]進行過對比。尹志光等[8]認同以上觀點，但同時指出除泊松比外，原煤的其他力學(xué)指標(biāo)均大于型煤，故要得到切實可行的煤樣力學(xué)參數(shù)，應(yīng)盡量多使用原煤。煤與巖石材料本身內(nèi)部都存在孔隙、裂隙、空洞等缺陷，尤其是煤樣，內(nèi)部缺陷較為明顯，且強度較低。在巷道掘進及煤壁推進過程中，煤樣會發(fā)生破壞變形，在外力作用下煤樣內(nèi)部的孔隙、裂隙會產(chǎn)生應(yīng)力集中。損傷會以彈性波的形式傳遞釋放應(yīng)變能[8]，并且會在煤體中傳播，這種聲發(fā)射的聲音只有利用聲發(fā)射儀器才能監(jiān)測到，因此研究煤樣在破壞失穩(wěn)過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象，有助于維護采掘過程中煤壁的穩(wěn)定性，對煤與瓦斯突出預(yù)測也具有重要意義。因此，本文通過對比原煤與型煤單軸壓縮過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象進行對比分析。

1 煤樣制備與實驗方法

本文試驗選取的煤樣為Ⅱ類煤，巖芯鉆機上，垂直于層理方向鉆取D50 mm×100 mm圓柱煤芯，利用鉆取原煤后剩余煤樣，用球形磨煤機將其破碎，統(tǒng)一過2 mm篩子，按一定比例加入2%的水混合均勻，在200 kN壓力條件下穩(wěn)壓30 min制得型煤。

本文中所用的聲發(fā)射設(shè)備為DS-5型聲發(fā)射儀，可以同時實現(xiàn)對信號的采集、空間定位波形處理以及事件發(fā)生的時間。系統(tǒng)主要由主機、信號分析系統(tǒng)、電纜、前置放大器和傳感器組成。利用RMT150-B型巖石實驗系統(tǒng)對制備的原煤與型煤試樣進行單軸壓縮試驗，并對其破裂過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象進行監(jiān)測。

本文中聲發(fā)射信號的主要表征參數(shù)有：聲發(fā)射計數(shù)、聲發(fā)射累計計數(shù)、能量、累計能量。在監(jiān)測過程中，將超過設(shè)定的聲發(fā)射事件信號值稱為聲發(fā)射計數(shù)，或者稱為脈沖數(shù)；當(dāng)超過閥值的信號持續(xù)一段時間，累計這些振鈴脈沖數(shù)就是累計計數(shù)，對衡量和評測材料的斷裂和損傷程度具有十分重要的作用。

2 原煤與型煤失穩(wěn)破壞過程聲發(fā)射特征分析

本節(jié)主要對原煤試樣與型煤試樣破裂過程中的聲發(fā)射表征參數(shù)進行分析，原煤與型煤單軸壓縮失穩(wěn)破壞過程中，聲發(fā)射計數(shù)與累計計數(shù)特征值與時間關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 原煤試樣與型煤試樣聲發(fā)射計數(shù)、能量與時間關(guān)系曲線

其聲發(fā)射計數(shù)與聲發(fā)射能量特征值見表1。

表1 聲發(fā)射計數(shù)與能量特征

從圖1與表1中可以看出，原煤與型煤在單軸壓縮過程中聲發(fā)射現(xiàn)象有一定的相似性與差異性。相似性為：①在單軸壓縮煤樣失穩(wěn)破壞過程中，聲發(fā)射活動與應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的對應(yīng)關(guān)系大致可劃分為四個過程：壓密、線彈性、塑性與破壞；②在壓密階段、線彈性階段，原煤與型煤試樣聲發(fā)射事件數(shù)、振幅、能量都相對較少，在煤樣達到極限載荷時進入塑性階段，聲發(fā)射計數(shù)與聲發(fā)射能量都達到最大值，標(biāo)志著煤樣破壞的前兆，在應(yīng)力跌落過程中，聲發(fā)射事件變少，聲發(fā)射計數(shù)及聲發(fā)射能量也隨之逐漸降低。

差異性主要表現(xiàn)為以下幾個方面：①原煤聲發(fā)射峰值計數(shù)是型煤的9倍，聲發(fā)射峰值能量是型煤的3.8倍，整個壓縮過程的累計峰值計數(shù)與能量，原煤試樣要高于型煤試樣；②在壓密與線彈性階段[9]，原煤試樣內(nèi)部原始裂隙與空洞在壓力作用下逐漸閉合，幾乎不產(chǎn)生新裂隙，此時聲發(fā)射事件較少，聲發(fā)射來源可認為是在裂隙閉合過程中粗糙接觸面的相互摩擦；由于型煤試樣是由煤粉顆粒壓制而成，結(jié)構(gòu)較原煤松散，因此在壓密階段，型煤試樣聲發(fā)射事件源還包括顆粒之間的相互咬合[10]，相較于原煤試樣，型煤試樣聲發(fā)射事件活動相對活躍；③塑性階段，聲發(fā)射事件開始活躍，聲發(fā)射源由煤樣內(nèi)部在較大壓力下開始出現(xiàn)新的細微裂紋產(chǎn)生。型煤試樣在此階段，較大的煤粉顆粒開始破斷，煤樣內(nèi)部顆粒開始慢慢搓動重新排列。由圖1可知，型煤試樣的失穩(wěn)破壞初期表現(xiàn)為煤樣外壁不斷脫落，從而消減軸向壓力，在此階段前期，原煤開始產(chǎn)生少量聲發(fā)射事件，在塑性階段后期，原煤與型煤聲發(fā)射事件逐漸趨于活躍，計數(shù)和能量大幅度增大；④在破壞階段，原煤試樣在達到其極限載荷后，應(yīng)力呈“斷崖”式跌落，其聲發(fā)射事件也隨之迅速降低；型煤試樣在達到其極限載荷后，應(yīng)力也隨之降低，存在一定的殘余應(yīng)力，但由于試樣外壁不斷脫落，因此應(yīng)力的降低呈鋸齒形，聲發(fā)射事件也隨應(yīng)力的降低緩慢減少。

3 結(jié) 語

1) 型煤的聲發(fā)射峰值計數(shù)與能量、累計聲發(fā)射計數(shù)與能量都小于原煤，在單軸壓縮過程中各個階段均有不同程度的聲發(fā)射事件。

2) 壓密段型煤小的聲發(fā)射事件相對明顯；原煤在塑性階段前期產(chǎn)生少量聲發(fā)射事件，兩者都在塑性階段后期聲發(fā)射事件逐漸趨于活躍，計數(shù)和能量大幅度增大，并在峰值強度附近達到峰值計數(shù)與能量，是煤樣破壞的前兆。