循环荷载下强冲击倾向煤样失稳的前兆信息分析

肖福坤， 侯志远， 于 涵

(1.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨150022; 2.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022)

循环荷载下强冲击倾向煤样失稳的前兆信息分析

肖福坤1，2， 侯志远2， 于 涵2

(1.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨150022; 2.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022)

为探求强冲击倾向煤样在循环荷载作用下失稳前兆变化规律，利用声发射(AE)设备对循环加载过程进行全程监测，通过实验数据对比分析煤样失稳前的变形特征和声发射特征参数。结果表明:煤样循环过程中当失稳荷载小于承载的最大荷载时，试样失稳前几次循环将会出现较明显的径向变形量。当结构失稳荷载为结构承载的最大荷载时，试样失稳前几次循环变形量将无明显变化，破坏具有一定的瞬时性。通过实验对比提出的煤样结构失稳“径向警戒线”适用于非瞬时破坏煤样失稳预警，而对于瞬时破坏煤样则起不到预警作用。循环荷载过程中AE能量和AE累积能量可以完整的表达煤样破坏过程。对煤样的AE特性分析，可将煤样结构失稳的警戒值设置为累积能量释放量占总累积能量释放量的30%。

冲击煤层;循环加载;声发射;失稳前兆

0 引言

在煤矿井下开采过程中，随着工作面的推进，前方煤体原有应力状态发生变化，煤体承载能力也相应发生变化。由于受超前支撑压力的作用以及工作面的动载作用，煤体一直处于加载的过程，并且随着工作面老顶的周期性断裂，前后所产生的压力经常会引发冲击地压。因此，对冲击倾向煤层进行循环加卸载实验，对其进行声发射监测，探索其承载结构失稳前兆的规律变化，对强冲击倾向煤层在反复扰动下引起冲击地压的监测预警具有重要意义。

苏承东等［1］对不同应力路径下煤样变形破坏过程的声发射特征进行实验研究，结果表明煤样在不同应力路径下加载变形破坏过程中产生的声发射特征有所差异。肖福坤等［2－3］对有效弹性能量的释放速度进行研究，结果表明有效弹性能释放速度与冲击能量指数、单轴抗压强度、有效弹性能成正相关，与破坏时间成负相关;李庶林等［4］研究不同加载条件下岩体的声发射特性;蒋宇等［5］对循环荷载作用下的岩石疲劳破坏过程中声发射特征和变形规律进行了研究;张晖辉等［6］利用声发射对岩石的宏观破坏前兆进行研究;吴刚和肖福坤等［7－8］研究了岩石类材料加、卸载以及不同卸载方式的声发射特性;李宏艳等［9］通过声发射装置对不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息进行了分析;何俊等［10］研究三轴循环加卸载作用下的煤样声发射特性，提出煤样在常规三轴和循环加卸载破坏过程中声发射突变点在应力峰值的85%左右，可以作为判定煤样破坏的前兆，由于循环加卸载过程中声发射记忆具有超前效应，所以利用kaiser作为煤体稳定性指标有待考虑。刘保县［11］研究了重塑煤样在单轴压缩过程中的变形特征及声发射特性。肖福坤和刘刚等［12－15］通过声发射对花岗岩的变形破坏作出评价，认为花岗岩宏观破坏形态与应力－应变曲线峰值应力瞬时下滑趋势存在一致性。上述实验研究大多是针对岩石或普通煤样的声发射前兆信息，针对强冲击倾向煤体在循环荷载下的声发射前兆信息鲜有报道。文中采用TWA－2000电液伺服岩石三轴实验机对宝泰隆矿区具有强冲击倾向的煤样进行单轴循环加卸载实验，在加载卸载过程中对煤样进行声发射同步监测，分析其变形破坏前的声发射特征。

1 实验方法

煤样来自宝泰隆西部矿区，从工作面煤壁上选取相对较为完整块体，在实验室沿垂直于层理方向切割成50 mm×50 mm×100 mm的长方体试样，试样两端面利用双端面磨石机进行打磨，使其不平行度小于0.05 mm，加工标准满足煤炭行业标准的要求。实验前完成3煤层冲击倾向性鉴定，鉴定结果见表1。

实验在TWA－2000电液伺服岩石三轴实验机上进行。为了保证加载过程中的控制精度，实验阀采用德国进口高精度控制阀。利用计算机进行控制，实时显示，自动采集实验数据。实验机具有良好的动态响应功能，能够得到煤样单轴压缩应力–应变全程曲线。8 mm位移传感器测量轴向变形，精度为1.0×10－5mm;2 000 kN力传感器测量轴向荷载，精度为1.0×10－3kN。试验加载至预计峰值强度的75%～85%时，卸载至预计峰值强度的1%～5%后再加载，此时加载点比上一次提高约5%，依次反复加卸载直至煤样最终破坏为止。利用美国物理声学公司生产的SH－II型声发射监测系统进行声发射信号采集。

表1 煤样冲击倾向性Table 1 Classification and parameters of strata

2 实验结果分析

对循环荷载下的煤样声发射数据进行分析研究，发现煤样失稳前其变形(径向变形和横向变形)和声发射AE特征参数包含明显的失稳前兆特征信息，通过对前兆信息进行分析，找出其前兆变化规律，可为煤样变形失稳破坏提供预测预警。为煤层冲击地压监测预报预警的研究提供理论基础。

2.1 煤样变形破坏前兆预警分析

图1和2分别为22 kN附近强冲击倾向性煤样在循环荷载下的应力－应变和应变－时间曲线。图3和4为30 kN附近煤层应力－应变和应变－时间曲线。

图1 22 kN附近煤层的应力－应变曲线Fig.1 22 kN near stress-strain curves of coal seam

从图1可以看出，煤样在前期压密阶段轴向变形较大，径向变形较小。轴向变形斜率小于径向变形。随着循环荷载的增加煤样承载结构逐渐被打破，试样损伤加剧，轴向变形随着循环次数的增加逐渐增大，与循环次数成正相关性。径向变形随着循环次数的每一循环，其变形量也成增加的趋势，与循环次数成正相关性。径向变形与轴向变形区别点在于变形量的程度，在试样失去承载结构的前几次循环，径向变形量相对轴向变形量较大，且每一次循环其径向变形量变化也比较大。径向较大的变形量为试样变形破坏提供了预测的可行性。

图2 22 kN附近煤层的应变－时间曲线Fig.2 22 kN near strain-time curves of coal seam

在上述应力—应变曲线图中对试样变形量较大处用横杠标出，从第一次循环出现较大变形量开始标记一条横杠，第二次循环出现较大变形量时用二条横杠标出，以此类推，直到试样破坏为止，用杠条数作为试样承载结构失稳的预警级别(图1a一条横杠，图1b六条横杠，图1c三条横杠，图2b三条横杠)。从变形和应力的角度看，图1 a、b和图2b试样的最后循环应力都较上一次循环应力较小。其破坏具有一定的延性。

图3 30 kN附近煤层应力－应变曲线Fig.3 Stress-strain curves near by 30 kN

通过上述实验数据，对22 kN附近循环荷载应变和时间对应关系研究发现，在试样承载结构失稳前轴向和径向变形随着加卸载控制循环呈现规律性变化。轴向加载时径向变形量加大，轴向卸载时径向变形量回弹，径向变形量随轴向加载和卸载的变化而变化，伴随每次循环荷载的增加径向变形量以一定的增长速率成线性变化。将循环荷载下每次循环径向的最大变形量相连画一条直线，发现试样循环荷载前期径向应变量随着循环增长速率相同，而失稳前期径向应变增长速率发生突变，之后试样承载结构失稳。这是由于荷载随着循环次数的增加，试样内部损伤不断加剧，承载结构不断减弱造成的，而径向应变增长速率发生突变为试样的结构破坏提供了明显的前兆信息，将这条线称为试样结构失稳的“径向警戒线”，变形量超过这条线试样将会失稳破坏。从图2可以明显的看出，26A－C08预警时间为19.83 s，26B－C15预警时间为97.84 s，26AC05预警时间为57.95 s，26B－C14预警时间为54.29 s，为试样结构失稳提供了一定的预警时间。

图4 30 kN附近煤层应变－时间曲线Fig.4 Strain-time curves near by 30 kN

图3为30 kN附近强冲击倾向性煤样在循环荷载下的应力－应变曲线，图3 a为26煤层05号试样，图3c为26B煤层17号试样，图3为26煤层08号试样。

从图2 a、c、e可以看出煤样在前期压密阶段轴向变形较大，特别是第一次循环的压密阶段变形量最大，26－C05压密阶段变形量占总变形量的46.9%，26B－C17压密阶段变形量占总变形量的55.8%，26－C08压密阶段变形量占总变形量的66.6%，平均压密阶段占总变形量的49.9%。将上述3个试样压密阶段变形量与试样最大载荷对比见图5。

图5 压密阶段变形量与试样破坏荷载Fig.5 Pressure dense phase distortion and fracture load

由图5可见，发现载荷越大压密阶段变形量越大，加载初期压密阶段变形量与最大荷载成正相关性。径向变形在试样承载结构失稳前变形量相对较小，未见明显的变形前兆。在试样承载结构失稳时，伴随破坏荷载瞬时产生大的变形量，其破坏具有一定的瞬时性。从应变—时间曲线图上可以看出“径向警戒线”失去了预警作用，径向变形量速率突然增加，径向变形量瞬间突破“径向警戒线”试样承载结构失稳破坏。试样破坏的瞬时性表现明显。

通过上述分析可见，循环荷载实验试样加载前期轴向变形变化明显，轴向变形量大于径向变行量，试样加载后期径向变形变化明显，轴向变形量小于等于径向变行量。循环荷载试样径向变形量按试样承载结构失稳前、后分两种情况:一是试样结构失稳前几次循环荷载出现相对较明显的径向变形量，其变形量占失稳前总变形量的38.25%，试样的结构失稳荷载小于结构承载的最大荷载，破坏具有一定的延性。二是前期循环变形量无明显差异变化，结构失稳荷载与结构承载的最大荷载相同，随着结构失稳径向变形量瞬时增大，破坏具有一定的瞬时性。

2.2 煤样失稳前兆声发射特征参数分析

煤岩样的声发射监测，主要是依据声发射参数在时间上的变化过程来对其进行稳定性评价，其中时间是监测预报的核心，也是监测预报的基本变量。文中采用参数当中的能量(E)、累积能量(∑E)、计数(N)、累积计数(∑N)在时间上的变化过程，来分析强冲击倾向的煤样在失稳破坏前的声发射参数特性，进而可以总结出强冲击倾向煤样失稳破坏前的特征。图6为22 kN附近单轴压缩过程中声发射检测结果。

图6 22 kN附近单轴压缩过程中声发射检测结果Fig.6 Acoustic emission test results in process of uniaxial compression near by 22 kN

从图6中可以明显地看出，声发射各项参数在时间的变化过程中呈动态变化。样品煤26A－C08、26B－C15和26A－C05的每次循环所产生的能量与计数分别由图6中的a、c、e和b、d、f表示，从图6 a、c、e、可以明显的观察首次循环时的累积能量释放量，分别占总能量释放量的10%、29%、12%，从图6b、d、f中可以观察出首次循环累积计数的释放量，分别占到总累积计数的10.6%、27%、18.5%。随后的一系列循环中，声发射能量的改变受该实验中循环的次数的影响，当次数增加能量也随之变大，以阶梯形规律显现，而声发射计数则是在循环次数逐渐增大的过程中，以无规律性随机显现，且声发射积聚能量增长的速率大于其积聚计数增加的速度。从图6 a、e和b、f可以看出，在倒数第三次循环中，26A煤层C08和C05试样所产生的声发射累积能量释放量和累积计数释放量分别占到总能量释放量和总累积释放量的7.0%、21.0%和7.0%、9.8%。在倒数第二次循环中，C08和C05煤样积聚能量和积聚计数，在总能量积聚释放量和总计数中的比例分别17.0%、35.0%和13.5%、11.6%。最后一次循中，C08和C05煤样积聚能量和积聚计数，在总能量积聚释放量和总计数中的比例分别为28.0%、2.1%和2.30%、4.65%。在第二次和第四次循环中，26B煤层C15号煤样的声发射能量和计数增长的速度放缓，在第四次循环中声发射信号消失。在第五次循环中，声发射信号重新显现，并受循环次数的影响，当循环次数增加声发射信号增长。在最后一个循环中，声发射能量的积聚释放量和计数在总能量积聚释放量和总计数中的比例分别为32.0%和13.7%。

图7是30 kN附近声发射的检测结果。从图7 a～d可以看出，煤样加载初期第一次循环便产生大量声发射信号，包括AE能量和AE计数，且煤样AE计数信号显现明显大于AE能量显现。随着循环荷载的增加，AE累积能量和AE累积计数总体演化趋势相同。从图7 a、b中可以观察到，26－C05煤样从第1次循环到4次循环随着每次循环荷载的增加，每次循环出现的AE能量和AE计数呈递减趋势，AE累积能量和累积计数增长幅度逐渐变小，此阶段积聚的能量达到总能量的47.5%，积聚的计数达到总计数的48%。从第5次到第12次循环，AE能量随着每次循环荷载量的增加，每次循环释放的能量较少，此阶段累积能量几乎不增长。AE计数呈V字形变化，计数的积聚变缓。此时积聚的能量占总能量的11.7%，积聚计数占总计数的29%。从第13次循环开始到第15次循环，声发射的能量与计数都随着循环荷载次数的增加而增加，且声发射的能量与计数积聚都呈阶梯形的趋势增长。此阶段能量释放量占总能量释放量的40.8%，最后一次能量释放占总能量释放的31%，累积计数占总累积计数的23%。

图7 30 kN附近单轴压缩过程中声发射检测结果Fig.7 30 kN near acoustic emission in process of uniaxial compression test results

从图7 c、d中可以明显的观察到，26－C08煤样第一次循环AE能量和计数出现了突增，AE累积能量和累积计数上升明显，此循环积聚的能量占总能量16%，积聚的计数达到总计数的37.3%。从第2次到第7次循环，AE能量和计数随着循环荷载的增加而增加，积聚的声发射能量和计数也随着循环次数的增长而增加，只是每次的涨幅较小。此阶段积聚的能量占总能量的10.6%，积聚的计数达总计数的30.8%。从第8次到第12次循环，AE能量和计数随着循环荷载的增加而明显增加，积聚的能量与计数也伴随循环次数的增长呈现阶梯式增长。此阶段累积能量释放量占累积总能量释放量的73.4%，第10次循环累积能量释放量占累积总能量释放量的8%，第11次循环累积能量释放量占累积总能量释放量的15%，第12次循环累积能量释放量占累积总能量释放量的38%。循环累积计数占总累积计数的31.9%。

综合以上因素可知，循环刚开始时，声发射的能量和计数信号显著。随着循环的开始，声发射能量在其过程中的改变以阶梯形规律显现，而声发射计数的发展趋势是无规律随机显现。到了循环的中后期，声发射能量信号由弱变强，在第五次循环中表现显著，对声发射信号进行统计记录采用分析的方法得出，当积聚能量释放量在总的积聚释放量中所占的比例超过30%时，煤样开始失稳，所以将总能量积聚的30%作为失稳的分界线。鉴于上述分析，采用正确的方法对AE能量和AE计数进行比较能够对煤样的失稳破坏进行更加精准的预测。

3 结论

(1)循环荷载试样径向变形量按试样承载结构失稳前、后分两种情况:一种为，试样的结构失稳荷载小于结构承载的最大荷载，试样结构失稳前几次循环出现相对较明显的径向变形量。另一种为，结构失稳荷载与结构承载的最大荷载相同，前期循环变形量无明显差异变化，破坏具有一定的瞬时性。

(2)循环荷载加载前期轴向变形量大于径向变行量，加载后期轴向变形量小于等于径向变行量。通过实验对比提出的煤样结构失稳“径向警戒线”适用于非瞬时破坏煤样失稳预警，而对于瞬时破坏煤样则起不到预警作用。

(3)在循环加载过程中，对声发射能量、积聚能量的释放量和计数的统计分析，可以映射出煤样的变形破坏过程。当积聚能量释放量在总的积聚释放量中所占的比例超过30%时，煤样开始失稳，所以将AE累积释放能量达到总累积释放量的30%作为失稳的分界线。

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(编辑 晁晓筠 校对 李德根)

Analysis of precursor information of strong impact tendency coal under cyclic loading

Xiao Fukun1，2， Hou Zhiyuan2， Yu Han2
(1.Heilongjiang Ground Pressure＆Gas Control in Deep Mining Key Laboratory，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2.School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

This paper is devoted to exploring the variation law underlying the instability precursor of the strong impact tendency coal samples under cyclic load by monitoring of cyclic loading equipment using acoustic emission(AE).The research is focused on using experimental data top provide a comparative analysis of deformation characteristics before the stability loss of coal samples and acoustic emission characteristic parameters.The results show that the way the process of coal sample circulation sees the instability load less than the maximum load means an obvious radial deformation in several cycles before sample instability;the time when the structure buckling load represents the maximum bearing load for the structure implies no obvious change in the amount of cyclic deformation before the specimen is unstable，suggesting the instantaneous failure;the“radial cordon”derived from the contrast experiment of coal structure instability works for the instability warning of non instantaneous destruction of coal sample but not for instantaneous destruction of coal sample;cyclic loading in the process of AE energy and AE cumulative energy could provide a better reflection of the coal sample failure process.The statistical analysis shows that the cumulative energy release accounts for 30%of the total cumulative energy release as a warning value of coal sample structure instability.

impact of coal seam;cyclic loading;acoustic emission;unstable precursor

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.010

TD324

2095－7262(2017)04－0371－07

:A

2017－05－10

国家自然科学基金项目(51574115;51374097);黑龙江省教育厅科学技术研究重点项目(12541z009)

肖福坤(1971–)，男，辽宁省西丰人，教授，博士，研究方向:矿山压力与控制，E-mail:xiao_fukun@163.com。