含水煤岩单轴压缩微震信号特征试验研究*

刘玉春，赵扬锋，张　超，程传杰

(1.辽宁工程技术大学 理学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

0　引言

煤层底板突水是威胁矿井安全生产的重大问题。近年来，随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了极大的提高，但煤矿突水事故却频繁发生，随着矿井水文地质条件的复杂化，突水事故还会越来越严重。煤矿底板突水由于其发生机理复杂，前兆信息难以捕捉，因此预测非常困难，虽提出了许多预测方法，但目前的预测准确率仍达不到令人满意的程度。

微震技术是近年来出现的一种新的预测方法，对于微震技术的研究有着非常广阔的应用前景：如冲击地压、煤与瓦斯突出、煤层底板突水等。微震的本质是煤岩体弹性波的释放，是材料内部由于应力应变的瞬间变化而释放的弹性应变能，其与材料内部的微小裂隙的产生、扩展以及闭合有关。利用微震技术预测煤层底板突水的关键在于了解含水煤岩在压力作用下的微震信号特征规律, 并且得出能够准确反应煤层底板突水过程中的危险程度。

对岩石的微震实验[1-3]研究，大多是以矿山现场微震数据为基础，对岩石破裂微震信号进行研究。许晓阳等[4]研究了混凝土、原煤试样在单轴压缩加载破坏过程中微震信号的频谱特征并进行对比；杨永杰[5]对煤岩强度、变形及微震特征进行较系统地分析研究；王晓南等[6]研究由顶板-煤体-底板所构成的煤岩组合体变形破裂声发射和微震的规律，得到不同组合试样在受载破坏过程中的声发射和微震信号；李成武等[7]通过所搭建的大型振动试验装置和微震监测系统，探究不同激励加速度和频率条件下整体煤岩试件的振动破坏特性；朱权洁等[8]利用大型煤与瓦斯突出模拟试验系统和高灵敏微震监测系统，开展瓦斯突出全过程监测试验，有效收集了从突出孕育到发生完成全过程的微震动响应事件；唐书恒等[9]进行了饱和含水煤岩单轴压缩破裂实验以及声发射测试；于岩斌等[10]利用MTS电液伺服岩石试验系统对煤岩试件进行了饱水与自然2种状态下的单轴压缩与拉伸试验，发现与自然状态煤样相比，饱水煤样单轴抗压强度降低了26.71%，弹性模量降低26.85%，轴向应变增大，普氏系数与泊松比均有所降低；秦虎等[11]进行不同含水率煤样在常规单轴压缩下的声发射特征试验，发现含水率的不同使煤样的强度和声发射特征产生明显差异，随着含水率的增加，煤样的单轴抗压强度逐渐减小；罗浩等[12]研究含水煤体失稳破坏过程中电荷感应规律；赵扬锋等[13]建立了岩石变形破裂过程多参量综合监测系统，包括微震、电荷感应、自电位和声发射等监测手段，研究了花岗岩和大理岩在不同加载速率下变形破裂过程多参量变化规律。

综上所述，虽然许多学者对岩石变形破裂过程的微震信号变化规律进行了大量的实验研究，不断增强了人们对煤岩微震信号特性的认识，但是对含水煤岩变形破坏过程中微震信号特征方面的研究涉及较少。因此本文采用自制的煤岩微震监测系统，对干燥煤岩和含水煤岩进行单轴压缩试验，观测煤岩变形破坏过程的微震信号变化规律，研究成果对煤层底板突水微震监测具有重要的实际意义。

1　实验研究

1.1　试验样品

试验所用试样为煤岩，均取自阜新当地煤矿，切割获得尺寸为φ50 mm×100 mm的试样，将两端磨平 (端面的平行度控制在±0.1 mm以内)，处于自然干燥状态。选取煤岩岩样12块分成2组，一组6个，煤样不做任何改变，保持自然干燥状态；另一组6个，煤样浸泡于水中置放48 h，进行饱水处理，从而制成试验所需的饱和含水与干燥煤样。

1.2　试验系统

试验系统包括加载和载荷-位移记录系统，微震信号数据采集系统组成。微震信号数据采集系统采用自行研制的多通道数据采集器，采样频率最高100 kHz/Ch，实验时采样频率设为12.5 kHz/Ch。实验时该试验系统可同步采集载荷、位移、微震信号，其中微震信号3通道。微震传感器选择1个PS-10B(垂向)与2个PSH-10B (水平向)速度传感器组装成3分向传感器，该传感器对于频率在10 Hz至1.4 kHz内的振动信号能够平坦响应。微震传感器的前端放大器增益为32倍，经过标定微震传感器灵敏度为22.7±5% V/m/s，可测的振动速度范围为±2.1×10-7～6.883×10-3m/s，该传感器用耦合剂粘贴于试验机试验台上。本文对干燥煤岩和饱水煤岩进行了加载速度为0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s的微震监测试验。

2　试验结果分析

2.1　不同加载速度下煤单轴压缩全过程微震信号变化特征

图1～3分别是加载速度为0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s时煤样单轴压缩全过程的时间应力曲线和时间微震信号关系曲线。

由图1～3可知：干燥煤岩在加载速度为0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s时的峰值强度分别为4.689 MPa，6.037 MPa，11.2 MPa，随着加载速度的增大煤岩的峰值强度也增大，峰值前变形几乎是线弹性的，随着加载速度的增大峰值强度前后的应变比和时间比都增大，随着加载速度的增大煤岩应力达到峰值强度后更容易发生破坏。煤岩变形破裂过程可分为压实阶段、线弹性变形阶段和破裂发展阶段。在压实阶段，煤体中含有大量的孔隙和裂隙发生闭合，引起轻微的微震信号，信号幅值都在0.5×10-3m/s以下；在线弹性变形阶段，由于煤体的变形及破裂是不连续的，是阵发性的，接收到的微震信号也是不连续的、阵发性的，微震信号幅值可达2×10-3m/s；在破裂发展阶段，煤体中产生大量的微裂纹并汇合、贯通，形成大的裂隙，直至煤体破坏，在此阶段接收到的微震信号最强，微震事件数也最多，微震信号幅值达到6×10-3m/s。在煤岩应力达到煤岩峰值强度前煤岩体都会产生振幅很大的微震信号，幅值可达6×10-3m/s，当加载速度为0.2 kN/s时，煤岩应力在209.5 s达到峰值强度，在208.64 s产生微震信号，且信号幅值达到6×10-3m/s(见图1)；当加载速度为0.4 kN/s时，煤岩应力在268.5 s达到峰值强度，在260.32 s产生微震信号，且信号幅值达到6×10-3m/s(见图2)；当加载速度为0.6 kN/s时，煤岩应力在161.7 s达到峰值强度，在158.47 s产生微震信号，且信号幅值达到6×10-3m/s(见图3)。随着加载速度的增大，煤体产生微震信号事件数也显著增多，大振幅的微震信号也增多。

图1　加载速率为0.2 kN/s时煤的微震信号、应力与时间关系曲线Fig.1　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.2 kN/s

图2　加载速率为0.4 kN/s时煤的微震信号、应力与时间关系曲线Fig.2　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.4 kN/s

图3　加载速率为0.6 kN/s时煤的微震信号、应力与时间关系曲线Fig.3　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.6 kN/s

2.2　不同加载速度下饱和含水煤岩单轴压缩全过程微震信号变化特征

图4～6分别是加载速度为0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s时饱和含水煤样单轴压缩全过程的时间应力曲线和时间微震信号关系曲线。

图4　加载速率为0.2 kN/s时饱和含水煤的微震信号、应力与时间关系曲线Fig.4　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for moisture-containing coal at the rate of 0.2 kN/s

图5　加载速率为0.4 kN/s时饱和含水煤的微震信号、应力与时间关系曲线Fig.5　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for moisture-containing coal at the rate of 0.4 kN/s

图6　加载速率为0.6 kN/s时饱和含水煤的微震信号、应力与时间关系曲线Fig.6　Relationship curves among microseismic signals, stressand time for moisture-containing coal at the rate of 0.6 kN/s

由图4～6可知：饱和含水煤岩在加载速度为0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s时的峰值强度分别为2.985 MPa，5.264 MPa，4.916 MPa，随着加载速度的增大煤岩的峰值强度也增大，与干燥煤岩相比峰值强度降低，在峰值强度后发生失稳破坏的时间也较长，煤岩含水后降低了煤岩的冲击倾向性。饱和含水煤岩变形破裂过程可分为压实阶段、线弹性变形阶段和破裂发展阶段，与干燥煤岩变形破裂过程大致相同，在压实阶段，微震事件数和信号幅值都较少，随着应力的增大，微震事件数和信号幅值都增大，在破裂发展阶段，微震事件数和信号幅值迅速增大，大幅值的微震事件显著增多。在相同加载速度下，饱和含水煤岩的峰值强度降低，微震信号事件数和信号幅值也降低。饱和含水煤岩在变形破裂过程中在应力降时有较大的微震信号，这是由于在应力降发生时，煤体形成大的裂隙，释放出较大能量，因此产生大振幅的微震信号。当加载速度为0.2 kN/s时，煤岩应力在299.7 s达到峰值强度，而在335.46 s产生较大微震信号，信号幅值达到2×10-3m/s(见图4)，在煤样破坏前产生的微震事件数较小，且信号幅值也不大，仅达到2～2.5×10-3m/s；当加载速度为0.4 kN/s时，煤岩应力在132.6 s达到峰值强度，在85.32 s产生微震信号，且信号幅值达到5.2×10-3m/s(见图5)；当加载速度为0.6 kN/s时，煤岩应力在55.4 s达到峰值强度，在44.8 s产生微震信号，且信号幅值达到5.3×10-3m/s(见图6)。饱和含水煤岩随着加载速度的增大，煤体产生微震信号事件数也显著增多，大振幅的微震信号也增多。

4　结论

1)自然干燥煤岩和饱和含水煤岩随着加载速度的增大煤岩的峰值强度也增大，与自然干燥煤岩相比，饱和含水煤岩的峰值强度得到降低，饱和含水煤岩冲击倾向性也降低，微震信号事件数和信号强度也降低。

2)自然干燥煤岩和饱和含水煤岩随着加载速度的增大，煤体产生微震信号事件数也显著增多，大振幅的微震信号事件也增多，出现应力降也即煤岩形成较大裂隙时产生强度较大的微震信号。

3)自然干燥煤岩和饱和含水煤岩变形破裂过程可分为压实阶段、线弹性变形阶段和破裂发展阶段。在每个阶段都有微震信号产生，但在破裂发展阶段，微震事件数和信号幅值最大。饱和含水煤岩塑性较强，破裂发展阶段也较明显，在表观线弹性阶段微震信号事件数和信号强度都很低，进入破裂发展阶段，微震信号事件数和信号强度迅速增加。

4)对利用微震技术进行煤层底板突水预测具有一定的参考价值。通过研究不同加载速度下自然干燥和饱和含水煤岩的微震特性，有助于掌握煤层底板突水的信息特征，为灾害预测奠定基础。

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