原煤与型煤破裂过程中声发射特征对比研究

2021-07-13赵乾甫

煤 2021年7期

赵乾甫

(西山煤电(集团) 杜儿坪矿，山西太原 030000)

煤体力学特性的研究主要通过煤样的强度特征进行分析，实验室所用煤样主要分为两类：Ⅰ-Ⅱ类煤直接采用原煤[1-3]；Ⅲ-Ⅴ类煤，由于其变形严重、强度较低，无法制备原煤，故前人多采用型煤[4-5]。而对于原煤与型煤之间的差别，国内外众多学者[6-7]进行过对比。尹志光等[8]认同以上观点，但同时指出除泊松比外，原煤的其他力学指标均大于型煤，故要得到切实可行的煤样力学参数，应尽量多使用原煤。煤与岩石材料本身内部都存在孔隙、裂隙、空洞等缺陷，尤其是煤样，内部缺陷较为明显，且强度较低。在巷道掘进及煤壁推进过程中，煤样会发生破坏变形，在外力作用下煤样内部的孔隙、裂隙会产生应力集中。损伤会以弹性波的形式传递释放应变能[8]，并且会在煤体中传播，这种声发射的声音只有利用声发射仪器才能监测到，因此研究煤样在破坏失稳过程中的声发射现象，有助于维护采掘过程中煤壁的稳定性，对煤与瓦斯突出预测也具有重要意义。因此，本文通过对比原煤与型煤单轴压缩过程中的声发射现象进行对比分析。

1 煤样制备与实验方法

本文试验选取的煤样为Ⅱ类煤，岩芯钻机上，垂直于层理方向钻取D50 mm×100 mm圆柱煤芯，利用钻取原煤后剩余煤样，用球形磨煤机将其破碎，统一过2 mm筛子，按一定比例加入2%的水混合均匀，在200 kN压力条件下稳压30 min制得型煤。

本文中所用的声发射设备为DS-5型声发射仪，可以同时实现对信号的采集、空间定位波形处理以及事件发生的时间。系统主要由主机、信号分析系统、电缆、前置放大器和传感器组成。利用RMT150-B型岩石实验系统对制备的原煤与型煤试样进行单轴压缩试验，并对其破裂过程中的声发射现象进行监测。

本文中声发射信号的主要表征参数有：声发射计数、声发射累计计数、能量、累计能量。在监测过程中，将超过设定的声发射事件信号值称为声发射计数，或者称为脉冲数；当超过阀值的信号持续一段时间，累计这些振铃脉冲数就是累计计数，对衡量和评测材料的断裂和损伤程度具有十分重要的作用。

2 原煤与型煤失稳破坏过程声发射特征分析

本节主要对原煤试样与型煤试样破裂过程中的声发射表征参数进行分析，原煤与型煤单轴压缩失稳破坏过程中，声发射计数与累计计数特征值与时间关系曲线如图1所示。

图1 原煤试样与型煤试样声发射计数、能量与时间关系曲线

其声发射计数与声发射能量特征值见表1。

表1 声发射计数与能量特征

从图1与表1中可以看出，原煤与型煤在单轴压缩过程中声发射现象有一定的相似性与差异性。相似性为：①在单轴压缩煤样失稳破坏过程中，声发射活动与应力-应变曲线有明显的对应关系大致可划分为四个过程：压密、线弹性、塑性与破坏；②在压密阶段、线弹性阶段，原煤与型煤试样声发射事件数、振幅、能量都相对较少，在煤样达到极限载荷时进入塑性阶段，声发射计数与声发射能量都达到最大值，标志着煤样破坏的前兆，在应力跌落过程中，声发射事件变少，声发射计数及声发射能量也随之逐渐降低。

差异性主要表现为以下几个方面：①原煤声发射峰值计数是型煤的9倍，声发射峰值能量是型煤的3.8倍，整个压缩过程的累计峰值计数与能量，原煤试样要高于型煤试样；②在压密与线弹性阶段[9]，原煤试样内部原始裂隙与空洞在压力作用下逐渐闭合，几乎不产生新裂隙，此时声发射事件较少，声发射来源可认为是在裂隙闭合过程中粗糙接触面的相互摩擦；由于型煤试样是由煤粉颗粒压制而成，结构较原煤松散，因此在压密阶段，型煤试样声发射事件源还包括颗粒之间的相互咬合[10]，相较于原煤试样，型煤试样声发射事件活动相对活跃；③塑性阶段，声发射事件开始活跃，声发射源由煤样内部在较大压力下开始出现新的细微裂纹产生。型煤试样在此阶段，较大的煤粉颗粒开始破断，煤样内部颗粒开始慢慢搓动重新排列。由图1可知，型煤试样的失稳破坏初期表现为煤样外壁不断脱落，从而消减轴向压力，在此阶段前期，原煤开始产生少量声发射事件，在塑性阶段后期，原煤与型煤声发射事件逐渐趋于活跃，计数和能量大幅度增大；④在破坏阶段，原煤试样在达到其极限载荷后，应力呈“断崖”式跌落，其声发射事件也随之迅速降低；型煤试样在达到其极限载荷后，应力也随之降低，存在一定的残余应力，但由于试样外壁不断脱落，因此应力的降低呈锯齿形，声发射事件也随应力的降低缓慢减少。