突出煤岩纵波波速与应力相关关系

薛雅荣 宋大钊 何学秋

摘 要：为探究井下煤与瓦斯突出灾害的发生机理并实现监测预警，运用微机控制电液伺服岩石试验机对突出型煤试样进行单轴加载破坏实验，分析了试样破坏特征及力学特性，采集震动波信号，与实际结果拟合后得到波速与应力的耦合规律，并建立了波速与应力间的试验关系模型，利用矿震信号进行了突出煤层震动波层析成像现场试验验证。结果表明，在单轴加载条件下，纵波波速与突出煤样应力之间存在指数函数关系Vp=a+kerx，在加载初始阶段纵波波速变化梯度大，随后变化梯度逐渐减小并趋于线性，与实测值的相关系数计算结果表明模型相关度达0.883，能较准确描述波速与应力的变化关系。现场震动波层析成像得到的应力异常区域与现场采掘地质条件对应良好，验证了上述突出煤岩纵波波速与应力的正相关关系。震动波层析成像可应用于突出煤层应力集中区探测，对矿井突出危险区域预测具有重要的现实意义。

关键词：煤与瓦斯突出;突出煤岩;震动波波速;应力与波速相关关系;震动波速层析成像

中图分类号：TD 324           文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2019）05-0826-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0512  开放科学（资源服务） 标识码（OSID）：

Abstract：In order to explore the mechanism of coal and gas outburst disasters and to realize monitoring and early warning，the uniaxial compression failure test of the briquette coal samples was carried out by electro-hydraulic servo rock testing machine，and the failure characteristics and mechanical properties of the samples were analyzed.The P-wave generated during the experiment was collected to fit the actual shock wave，so as to discover the coupling law between wave velocity and stress and establish the experimental correlation model between them.Finally，the field test verification of mine tremor velocity tomography was conducted by the mine seismic signal.The results showed that under the condition of uniaxial compression，there was an exponential function relationship between P-wave velocity and stress Vp=a+kerx.At the initial stage of compression，the P-wave velocity changed greatly，and then the gradient gradually decreased and tended to linearity.The model correlation is 0.883，which could accurately describe the correlation between wave velocity and stress.The stress anomaly region obtained by mine tremor velocity tomography corresponded well with the on-site mining geological conditions，which verified the positive correlation between P-wave velocity and stress.Mine tremor velocity tomography can be applied to the exploration of stress concentration areas in coal seams，which has important practical significance for the prediction of mine dangerous areas.

Key words：coal and gas outburst;outburst coal-rock;shock wave velocity;stress and wave velocity correlation;mine tremor velocity tomography

0 引 言

煤與瓦斯突出是一项典型的煤矿动力灾害事故，它具有破坏性强、危害性大等特点[1]。近年来，随着煤矿井下开采深度不断延伸，地应力和瓦斯压力随之增大，并且地应力成为影响煤与瓦斯突出灾害的主要因素，煤与瓦斯突出灾害日益严重[2]。目前，煤与瓦斯突出灾害的监测预警方法一般有 K1 值监测、钻屑法监测等，这些方法多采用抽检或定点式指标，且钻孔工程量较大，通常会在一定程度上影响生产[3-4]。同时，它们在时域上无法做到连续监测，空域上均体现为“点评价”形式，难以反映采掘过程大区域内应力分布状况及煤与瓦斯突出突出危险性变化过程。

近年来，震动波CT技术被广泛应用于井下的勘探断层及应力状态等过程中[5]。其探测原理为：利用震动波CT技术反演得到目标区域的纵波波速分布，根据波速与煤岩应力之间的正相关关系评价目标区域的应力分布，进而识别应力集中区，划定危险区域[6-7]。该技术目前主要应用于冲击地压灾害严重的矿井，进行冲击地压危险区域的评价、探测和监测。彭苏萍、Du等将震动波CT探测技术应用于地质构造勘探，该技术探测精度高且构造线性成像明显[8-9]。曹安业等将震动波CT技术应用于揭示临近断层处孤岛工作面应力演化过程，其动力显现位置与反演结果相吻合[10]。窦林名、解嘉豪、巩思园、杨纯东等将震动波CT技术和微震实时监测预警相结合，目前已在数十个矿井取得了成功应用，同时也开始尝试将微震技术应用于煤与瓦斯突出矿井的监测预警[11-14]。窦林名等提出动态负载扰动和静态应力集中是煤与瓦斯突出的2个主要影响因素，利用微震判别煤与瓦斯突出是可行的，为煤与瓦斯突出灾害提出新的预警思路[15]。雷文杰、李绍泉等进行了微震响应煤与瓦斯突出模拟试验，得到了煤与瓦斯突出孕育、激发、发生、残余4个阶段微震时频特征[16-17]。朱权洁等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，开展了瓦斯突出全过程的监测试验，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[18]。目前对含有煤与瓦斯突出倾向的煤岩样纵波波速与应力间相关关系研究不足，而要将震动波 CT 技术应用于有煤与瓦斯突出危险的矿井中首先要解决的关键基础性科学问题是研究纵波波速与煤岩应力之间的相关关系。

基于此，文中研究了含有煤与瓦斯突出倾向性煤岩样在单轴加载方式下纵波波速与应力间的相关关系，并建立其试验关系模型，在突出矿井进行现场实证。

1 试样单轴加载波速测试实验系统

1.1 实验系统

实验在YAW-600 微机控制电液伺服岩石试验机上进行。该试验机主要用于煤岩和软岩的单轴压缩试验，可测定单轴压缩抗压强度、弹性模量、切线模量、割线模量、泊松比、软化系数等。并且该试验机具备试验力、变形、位移3种控制方式，这3种控制方式可在试验中进行无冲击、平滑转换，可自动控制试验机全过程。声发射信号数据采集及处理装置采用DS5系列全信息声发射信号分析系统，其结构主要有DS5声发射仪、传感器、放大器、DS5声发射软件等。实验过程中，声发射系统与YAW-600岩石试验机同时工作，其工作原理如图1所示，打开岩石试验机对型煤试样加载同时声发射信号仪产生激发纵波，利用安装于试样表面的声发射探头传递和接收波形信号，并经由声发射前置放大器和高速数据采集仪传至计算机中记录文件。

1.2 试样制备

本实验分别制备突出型煤试样和原煤试样，原料分别取自贵州金佳矿（突出矿井）和新疆乌东矿（冲击矿井）。

型煤试样制作过程：首先利用煤样筛筛取粒径分别为1 mm和3 mm的煤粒，将其与腐植酸钠、水混合搅拌均匀，原料组分见表1.将原料装入模具后捣实并放置在压力机下，缓慢加压到30.00 kN并保压15 min.最后将试件放置于干燥箱中，以105 ℃恒溫干燥，共分为6次，每次干燥4 h，中间间隔不少于1 h得到型煤试样如图2所示。

原煤试样制作过程：根据国标GB/T 23561制作直径50 mm，高100 mm的圆柱煤样，首先通过 SC-300型自动取芯机在原煤样品上钻取直径为50 mm的圆柱体试件，再通过SCQ-A型自动切石机将直径为50 mm的圆柱体试件切成高为100 mm的圆柱体试件，最后采用SCN-200型双面磨石机加工，使两端面保持平行。各试样尺寸及重量见表2.

1.3 声波测试原理及方法

由于纵波具有传播速度快且易收集等特征，故选取纵波波速作为研究对象。首先对试样预加载荷500 N，避免加载装置与试样之间出现空隙以影响实验结果，再根据测量信号的强弱，调节接收传感器测得纵波信号的增益和时间单位刻度，设置自动采集的脉冲宽度为20 μs，脉冲周期为2 000 μs 后保存该文件。

实验中，首先运行参数设置文件，并将存储设置为连续存储波形文件，运行后自动采集数据，根据试样加载过程中得到的纵波波形信息，通过式（1）计算相应的纵波波速

式中 VP为所测得纵波波速，m/s;T1为发射探头开始传播纵波信号的时间，s;T2为接收探头接收到纵波信号的时间，s;L为传感器之间的距离，mm;T2-T1表示试样在加载过程中通过长度为L时所需要的传播时间，s.通过式（1）计算出同一个试样在不同载荷及角度下的纵波波速。

图3为纵波的标波原理示意图。不同探头接收到的波形如图中所示位于不同通道上，用SEISGR软件对每个通道的波形文件进行标波，标记探头接收到纵波的位置，再将其对应的时间节点找出，就可以计算出试样在加载过程中通过长度为L时所需要的传播时间。

1.4 实验方案

煤岩试样在单轴加载条件下进行纵波波速测试，分为单轴压缩和单轴循环压缩2种方式，其中单轴循环加载试验主要用于研究试样在卸载过程中波速与应力的关系。每种方法中都分别对突出型煤试样和冲击原煤试样进行加载，其中原煤试样用于作对比实验。

单轴压缩实验是对试样进行单轴压缩直至破坏，型煤和原煤试样的轴压加载速率分别为5和15 N/s，每3 s进行纵波波速测试，断裂百分比达到70%结束实验。而单轴循环压缩实验则是首先对试样进行加载直至最大抗压强度的70%，卸载后再次加载直至试样破坏，循环的起点为最大抗压强度的70%，其中最大抗压强度由试样同一矿区煤样的强度来确定，其余参数与单轴压缩实验相同。实验方案如图4所示。

2.1 单轴压缩波速变化情况

对4组试样分别进行单轴压缩实验，其中3组型煤试样的纵波波速测试结果和应力变化曲线如图5所示。

测试结果表明，纵波波速与应力变化有着明显的正相关关系，在加载过程中，随着应力的增加，纵波波速也随之上升，并且在加载各个阶段变化特征也不同。纵波波速的最大值为1 826.01 m/s，最小波速为274.64 m/s.在实验中控制程序运行前预加了500 N的载荷，使试样处于压密阶段，所有试样在此阶段都表现出波速迅速上升的特点，图5（d）的JJK-1-02#试样中在该阶段内波速变化梯度明显较大，分析认为试样受载荷影响使内部裂隙迅速闭合导致波速增加梯度大。随着载荷的增高，试样变形表现出一定的线性特征，如图5（a）、（b）、（e）、（f）中JJK-1-01#和JJK-1-03#试样，这是由于煤样内部的缝隙被进一步压实，但此时煤样内部孔隙压力较前一阶段高，故变化幅度小于上一阶段，表现出线性特征。接着到裂隙产生阶段，载荷的增加已经对试样造成了损伤，逐渐产生平行于加载方向的裂纹，如图6所示，该裂纹对纵波波速的传递影响较小，随着时间的推移裂纹进一步发展成较大的裂隙最终导致煤样破裂，大的裂隙在产生瞬间会伴有较大噪声，表现为波速增长，如图5（b）和（c）所示。

原煤试样的应力变化曲线和纵波波速测试结果如图7所示。

将原煤试样与型煤试样实验结果作对比后发现，其应力与波速的变化趋势与型煤试样受载变化趋势相似，在受载荷开始后波速迅速上升，一定时间后波速与应力变化表现出一定的线性相关性。

同时发现，原煤试样不同通道间波速差值较型煤试样大，最大可达3 590.2 m/s，即原煤试样对应力增加的敏感度要强于型煤试样。但原煤试样的波速增加趋势整体没有型煤明显，离差较小，这是由于型煤试样具有均质性，其波速呈稳定上升趋势，而原煤试样由于内部存在骨架结构，有较强的冲击性，使得加载过程中产生的噪声较多，其与声发射设备产生的纵波交叠导致分辨率不高，测得有效的纵波波速值较少，故曲线整体变化趋势没有均质的型煤煤样明显，且试样表面裂纹扩散无固定规律，发展到一定程度后试样破坏。即煤岩样的纵波波速变化不仅与受载大小有关，还受煤岩自身性质及内部结构分布影响。

2.2 单轴压缩下波速与应力的试验关系模型

上述结果表明在单轴压缩实验中，试样在应力加载初始阶段波速增加幅度最大，后变化梯度减小并逐渐趋于线性，在破裂前夕由于试样产生较大裂纹，波速又再次上升。在应力升高到一定阶段后，其对波速大小的影响逐渐减弱。故分析认为波速与应力间存在指数函数关系，提出以下试验关系模型，如式（2）

结果表明在应力加载初始阶段，拟合曲线增长幅度较大，随着进一步加载，曲线梯度减小并趋于线性，在试样破裂前夕由于产生大裂缝导致波速迅速上升，符合实际结果，认为该模型能体现煤岩样中纵波波速与应力的相关关系。计算模型波速与实测波速的相关系数后发现，除原煤试样的拟合度较低外，其余型煤试样的拟合度都较高，平均可达0.883，即说明突出型煤的纵波波速与应力间有较强的正相关关系，且满足指数函数模型。

而原煤试样的拟合度则低于突出型煤，平均相关系数为0.717，这是由于其内部存在骨架结构使加载过程中产生噪声较多，与声发射设备产生的纵波相干扰从而分辨率較低导致的，但可以明显看出其纵波波速随着应力的增加而增加，并且满足指数函数形式。

2.3 单轴循环加载波速与应力的关系

对3组试样进行单轴循环加载实验。由于原煤试样内部骨架结构导致噪声较多，难以测得卸载过程波速变化，故此处不再赘述。其中型煤试样的应力变化曲线和纵波波速测试结果如图9所示，图中左轴为实验测得的纵波波速，对应下轴的时间序列，表示实验中声发射设备每3 s产生一次激发波后对应试样的测量波速值;右轴表示载荷，单位为MPa，对应上轴的时间变化，表现压力试验机在试验过程施加给试样的载荷变化。

结果表明，纵波波速与应力变化有较强的相关性，在卸载阶段波速会随之降低，如图9所示，应力上升至波峰时波速也随之变化到波峰，相应的当应力下降到波谷时，波速也变化到波谷，经分析后认为，在加卸载过程中型煤试样内部的裂隙会在加载过程中闭合、在卸载过程中张开，从而使波速呈现为先上升再下降的趋势。但在第二次加载时测得的起始波速较第一次加载前的起始波速大，这是由于试样内部颗粒间孔隙和裂隙只有部分恢复，其余是永久闭合的，再次加载中试样内部孔隙减少，压密阶段减少，随后试样内部产生裂缝。

3 突出危险煤层纵波波速与应力关系

3.1 金佳矿现场概况

金佳矿井位于贵州省六盘水市境内，井田南北走向长 15.0 km，井田宽2.0 km，总面积30.0 km2，矿井地质储量5.6亿t，共12层可采煤层，平均总厚度为21.86 m.本次试验现场选在金佳矿11224回采工作面，该工作面埋深300～400 m之间，开采22#煤层，22#煤层为无烟煤 ，煤层坚固性系数f值0.5～0.6，瓦斯含量为7.82～22.7 m3/t，具有煤与瓦斯突出危险性。

该矿井安装了SOS微震监测系统，位于金佳矿金一采区22#煤层的11224工作面掘进运输巷、回风巷等位置，该工作面巷道管路图如图10所示。

3.2 震动波CT技术划分突出危险区

由图13可明显看出，11224工作面区域应力分布不均，受附近采掘活动等因素影响，具体分析如下

1）图14为此反演时段11224工作面的应力集中区，主要位于回风巷靠近上下山侧，表明这些位置存在煤与瓦斯突出危险。在与井下采掘工程日报表相对比后发现，此时段11224工作面回风巷共进尺 17.6 m，受采掘活动的影响，此处为应力集中区，与震动波CT反演结果相吻合。

2）图13中9#煤层采空区边缘附近为红色，表示应力较其他地方集中，在现场实际中也发现此处存在顶板下沉并伴有少量碎石，目前已采取合适的卸压措施，日后随时间推移此处支护。研究表明通常情况下，采空区边缘由于应力分布不均易产生应力集中现象，发生煤与瓦斯突出的可能性较其他区域大，应注意防护。

3）金佳矿上下山巷道错综复杂，应力分布较附近区域更为集中，已有研究表明，通常情况下井下上下山巷道交错区域应力集中，应注意加强防护措施。

4 结 论

1）单轴加载实验中，纵波波速随应力的增加而增加，在初始阶段波速迅速上升，梯度较大，后该变化趋于线性，至煤样破坏前夕波速又突然增大直至破裂。分析后认为：应力使得煤样自身的颗粒间孔隙和裂隙闭合，导致内部接触更加紧密，纵波波速迅速增加，随后由于试样内部孔隙压力增加、缝隙密度变小使得波速增加值逐步降低，表现出一定的线性特征。随着应力进一步增大，试样内部产生平行于加载方向的裂纹，裂纹逐渐发展，大裂缝会产生一定噪声，使得破坏前夕波速迅速增大。

2）试样卸载过程中，波速随之降低，但下降幅度远小于起始波速增幅。分析后认为：试样颗粒间孔隙在卸载时再度张开，内部孔隙压力减小，导致波速下降，但部分裂隙永久性闭合，故循环起始波速较大。

3）纵波波速与应力之间存在指数函数关系，据此建立了波速与应力间的试验关系模型Vp=a+kerx，该模型计算值与实测值拟合度较大，达到0.883，能够较好的表现波速与应力间的相关关系。

4）根据现场矿震信号进行震动波CT反演，将反演所得波速及波速异常值的分布云图与井下巷道现场情况及采掘活动相结合，结果较好地对应了采掘工作面应力集中区、采空区边缘应力集中区等位置，表明震动波CT技术应用于煤与瓦斯突出危险预测预报是可行且准确的。

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