非标准构造煤试样受载破坏过程声电特征研究

2015-12-06周浩赵洋吴子谦武浩王平勇

决策与信息 2015年21期

关键词：非标准电磁辐射煤岩

周浩赵洋吴子谦武浩王平勇

安徽理工大学能源与安全学院淮南 232001

非标准构造煤试样受载破坏过程声电特征研究

周浩赵洋吴子谦武浩王平勇

安徽理工大学能源与安全学院淮南 232001

为研究非标准构造煤试样受载破坏过程的声电特征，进行了非标准构造煤的单轴和单轴循环加载实验，并同步采集了声发射和电磁辐射信号。分析了单轴加载和单轴循环加载过程的声电信号特征，分析了不同阶段煤体所释放的电磁辐射能量特征。结果表明：煤体受载破坏过程的声电信号均虽应力的增大而增大，具有较好的同步性；非标准煤样的破裂形式与标准煤样不同，呈现了环状裂纹。

非标准试样；声发射；电磁辐射；环状裂纹

引言

近年来，针对煤岩受载破裂、瓦斯吸附等过程中声发射、电磁辐射信号特征的实验研究逐渐成为煤岩动力灾害研究的主要方向之一。大量研究表明，采用声发射和电磁辐射信号的采集分析能有效揭示煤岩内部的细微受载破坏活动，从而推断煤岩内部损伤演化的某些规律，在预测、预报煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害中起到了一定的作用。

然而，以往的实验研究多使用煤岩样标准尺寸，而现场条件很少出现这种理想状态，为研究非标准构造煤试样受载破坏过程的声电特征，本文设计进行了非标准构造煤的单轴和单轴循环加载实验，研究结果可作为此类实验的数据补充及其他方面的参考。

1、煤样压缩实验

1.1 实验系统

实验系统由YAW系列微机控制电液伺服压力试验机、GP6高效电磁屏蔽系统、CTA-1声电数据采集处理系统组成。

1.2 实验样品及实验内容

实验煤样采自淮南矿业集团潘三矿原煤，经加工制成实验所需样本。样本尺寸设置为Φ=75mm×40mm。根据工程中可能出现的应力途径，设计了单轴加载和单轴循环加载两种形式的实验。实验共采用4组试样，单轴加载和单轴循环加载实验各两组，每组中运用声发射探头，电磁辐射探头各三个，实时监测实验过程中的声发射、电磁辐射信息，以用于后期理论分析。

1.3 实验测试方案

两种实验加载方式均采用力控制，加载速度均保持在200N/s。单轴加载方式是指对煤体进行一次轴向压缩直至煤体破坏。单轴循环加载实验的过程：将煤体载荷值加载到4KN后保持速度-200N/s卸载到零负载，然后保持空载90s。第一个循环完成，继续加载，并将每次循环载荷峰值设置为比上一循环载荷峰值增加4KN。循环全部结束后，以200N/s加载直至试样破坏。

2、实验结果与分析

2.1 不同加载方式的声电响应特征

2.2.1 声发射特征

声发射是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象。非标准构造煤样在受到单轴加载方式的作用下，初始阶段煤体处于压实阶段，声发射信号波峰值很小，在75s，90s，100s，110s时声发射能量有较大幅度的变动，煤样内部开始出现细微裂纹，且出现波峰的时间间隔趋于缩短，表明内部破坏速度加快。在120s时声发射能量达到最大，表示非标准构造煤样内部发生了较大的破坏；非标准构造煤样在受到单轴循环加载方式的作用下，初始阶段声发射信号值较小且呈平稳状态，随着单轴循环加载载荷达到峰值，声发射能量也出现小幅度的增长达到该时间点邻域内的极大值，但前几次不同峰值下声发射能量相当，到770s时，声发射能量激增，达到最大值后下落，表明非标准构造煤样发生了较大的破坏。

3、总体能量释放特征对比

“DM”的代表意义是单向压缩煤样样本，“XM”代表循环加卸载煤岩样本。将DM-1与XM-4对比，DM-3与XM-2对比，发现单轴循环加载方式的总释放能量更大；平均每秒的能量释放量为单轴加载方式的30%~60%；单轴循环加载形式的单次信号能量值比单轴加载形式高出将近一倍。

在本实验的单轴循环加载过程中，加、卸载速率设为定值，从表2中可以看出，每次加、卸载的能量释放值相差不大，说明在加载时，非标准构造煤样由于受压内部摩擦和产生裂隙所释放的能量值与卸载时由于弹性形变还原时内部摩擦等过程所释放的能量值基本一致。因此，非标准构造煤样采用单轴循环加载作用形式时，一次形变与还原过程中均释放能量，且释放时间较长，能量释放量比纯单轴加载形式高。结合两种加载形式破坏过程的载荷特征，可知单轴循环加载形式煤体破坏过程释放能量缓慢但总量却极大，表明内部破坏程度高，所以单轴循环加载形式作用下的破坏载荷比单轴加载形式作用下的破坏载荷高。