含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射時空演化規(guī)律研究

含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射時空演化規(guī)律研究

0聲發(fā)射特性研究巖漿巖斷裂過程中的聲音傳輸信號反映了巖漿巖的微觀破傷活動，與巖漿巖的破壞密切相關(guān)。通過對含瓦斯煤聲發(fā)射信號的分析,可以推斷含瓦斯煤內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化,有助于揭示含瓦斯煤的損傷演化規(guī)律。20世紀(jì)60年代,Konstantinova開展了煤樣加載過程中聲發(fā)射的研究,但由于煤樣含有大量原生缺陷,聲發(fā)射信號十分復(fù)雜,再加上技術(shù)手段和試驗設(shè)備的限制,相對于其他巖石,煤樣破裂過程中聲發(fā)射特性研究較少。Shkuratnik等[2~4]研究了單軸壓縮和常規(guī)3軸壓縮下無煙煤煤樣的聲發(fā)射規(guī)律,得到了聲發(fā)射參數(shù)與煤樣力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系;曹樹剛等采用多種聲發(fā)射參數(shù)綜合分析了突出煤樣單軸壓縮下的聲發(fā)射特性;劉?？h等研究了型煤煤樣單軸壓縮下聲發(fā)射特征;來興平等研究了平行和垂直層理加載下大尺寸立方體煤樣的聲發(fā)射特征;蘇承東等研究了單軸、3軸和3軸卸圍壓條件下沖擊傾向性煤樣的聲發(fā)射特性;劉向峰等研究了單軸壓縮下煤樣的聲發(fā)射能量特征;王恩元等研究了單軸壓縮下煤樣聲發(fā)射信號頻譜特征;曹樹剛等研究了不同圍壓下煤樣3軸壓縮聲發(fā)射振幅和頻率特征。這些研究大都集中于煤樣的聲發(fā)射時域和頻域特征,很少涉及聲發(fā)射3維空間分布特征,而聲發(fā)射事件的空間演化規(guī)律對于揭示煤樣內(nèi)裂紋擴展和損傷分布具有重要意義。左建平等研究了單軸壓縮下單體巖樣、單體煤樣和煤巖組合體的聲發(fā)射行為和空間分布規(guī)律,分析了3種試樣的破壞機制;艾婷等研究了3軸壓縮下煤樣的聲發(fā)射時序參數(shù)、能量釋放和空間分布規(guī)律,分析了圍壓對煤樣聲發(fā)射時空演化的影響。這些研究主要以普通煤樣為對象,對于載荷作用下含瓦斯煤樣的聲發(fā)射特征研究較少。文光才等進行了含瓦斯煤體中聲發(fā)射應(yīng)力波傳播理論分析,得到了含瓦斯煤體中應(yīng)力波的波動方程。趙洪寶等開展了含瓦斯煤破壞過程中聲發(fā)射特性試驗研究,分析了3軸壓縮下含瓦斯煤的聲發(fā)射特性。但由于原煤煤樣制作困難和試驗設(shè)備限制,試驗多采用型煤煤樣,且主要集中在中低圍壓下煤樣的聲發(fā)射特性研究,對高圍壓下含瓦斯原煤煤樣破裂過程的聲發(fā)射特性研究較少。煤炭是中國的主體能源,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,煤炭資源逐漸向深部化轉(zhuǎn)變。深部煤炭資源所具有的高地應(yīng)力、高瓦斯和低滲透率等特點嚴(yán)重影響了煤炭安全開采,制約了經(jīng)濟發(fā)展。因此,開展含瓦斯煤巖體在復(fù)雜應(yīng)力下特別是較高圍壓和高瓦斯壓力下的聲發(fā)射特性研究,對揭示不同應(yīng)力環(huán)境下深部高瓦斯煤巖體微破裂事件的時空分布特征、保障深部高瓦斯煤層安全開采具有重要意義。本文利用具有3維聲發(fā)射定位功能的MTS815巖石力學(xué)試驗系統(tǒng),開展不同瓦斯壓力下含瓦斯原煤煤樣3軸壓縮聲發(fā)射定位試驗,得到了聲發(fā)射空間分布規(guī)律,分析了含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射時空演化規(guī)律,探討了瓦斯壓力對聲發(fā)射特征的影響。1試驗系統(tǒng)及條件試驗煤樣全部取自平煤八礦己15煤層14120工作面,在井下工作面煤壁處選取完整性較好、未風(fēng)化的代表性煤塊。煤塊尺寸要求長、寬大于250mm,高大于200mm。煤塊升井后用塑料膜包裹,鋸末隔離裝箱,運輸至實驗室加工成標(biāo)準(zhǔn)原煤煤樣。本次共采集到符合標(biāo)準(zhǔn)的塊煤5塊,成功制備標(biāo)準(zhǔn)原煤煤樣10塊,成功率不到20%。煤樣制備過程中降低機器轉(zhuǎn)速、減少機器晃動能夠有效提高制樣成功率和減少機械擾動對原煤力學(xué)性質(zhì)的影響。試驗設(shè)備采用四川大學(xué)MTS815FlexTestGT巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)和氣體滲透試驗系統(tǒng),聲發(fā)射定位測試采用美國PAC公司PCI-2聲發(fā)射試驗系統(tǒng)。試驗氣體采用99.9%甲烷氣體,試驗圍壓10MPa,氣體壓力p分別為1,2,3,5MPa。通過波速測試,選取波速相近的4個原煤煤樣進行試驗,每個試驗水平進行1組試驗。聲發(fā)射門檻值設(shè)為30dB,8個聲發(fā)射傳感器對稱分布在壓力室外壁。煤樣裝配后,按3MPa/min施加3向靜水壓力至10MPa。保持靜水壓力不變,充入甲烷氣體,待煤樣內(nèi)瓦斯壓力均衡并吸附飽和后,保持圍壓和氣體壓力不變,按10kN/min增加軸壓。峰后采用環(huán)向位移控制,按0.04mm/min加載。為保證應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)同步,試驗開始后MTS系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)同時進行記錄。試驗采用基于最小二乘法的蓋格爾算法,根據(jù)不同位置傳感器接收到P波的時間差反演得到聲發(fā)射源的空間位置。2試驗結(jié)果的分析2.1聲發(fā)射特征對比通過含瓦斯原煤煤樣3軸壓縮聲發(fā)射定位試驗,獲得3軸壓縮下含瓦斯煤樣的聲發(fā)射參數(shù),如圖1所示。在峰值偏應(yīng)力的80%以前,煤樣內(nèi)聲發(fā)射定位點較少且隨機分布;從峰值偏應(yīng)力的80%后,煤樣內(nèi)的聲發(fā)射定位點逐漸增多;峰值偏應(yīng)力的90%和峰值偏應(yīng)力處,煤樣內(nèi)出現(xiàn)大量聲發(fā)射定位點且密集分布在破壞主裂紋面附近;與峰值處相比,峰后80%和65%的峰值偏應(yīng)力處,煤樣內(nèi)的累計聲發(fā)射定位點在數(shù)量和分布范圍上均大幅增加。累計聲發(fā)射參數(shù)表現(xiàn)了煤樣破裂過程中的整體聲發(fā)射特征,不能體現(xiàn)煤樣破裂不同階段聲發(fā)射參數(shù)的變化規(guī)律,掩蓋了煤樣破壞的一些內(nèi)在特征。以10%的峰值偏應(yīng)力為增量,分段統(tǒng)計各載荷區(qū)間內(nèi)的聲發(fā)射振鈴計數(shù),如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)一些數(shù)值前的“—”代表煤樣處于峰后階段。由圖2可以看出,軸壓加載初期為沉寂期,單位載荷區(qū)間的聲發(fā)射振鈴數(shù)較少或為零;偏應(yīng)力增加到一定程度后進入低水平穩(wěn)定期,該階段內(nèi)單位載荷區(qū)間的聲發(fā)射振鈴數(shù)較少但基本不變;峰值偏應(yīng)力70%后為快速發(fā)展期,單位載荷區(qū)間的聲發(fā)射振鈴數(shù)快速增加,至峰值階段達到最大值;峰后階段進入高水平穩(wěn)定期,各單位載荷區(qū)間的聲發(fā)射振鈴數(shù)保持在較高水平且基本不變。3軸壓縮下含瓦斯原煤煤樣的聲發(fā)射時空演化規(guī)律與單軸壓縮下原煤煤樣的聲發(fā)射時空演化規(guī)律及3軸壓縮下含瓦斯型煤煤樣的聲發(fā)射特征均存在較大差異。單軸壓縮條件下煤樣內(nèi)大量原生裂紋未被壓密,而型煤煤樣松軟、強度較低,所以兩種試驗條件下煤樣在加載初期就監(jiān)測到一定數(shù)量的聲發(fā)射事件,且隨載荷的增加在時間和空間上都均勻增加。試驗原煤煤樣較為堅硬,且軸壓加載之前經(jīng)歷了較長時間的靜水壓力作用,煤樣中的原生裂紋已被壓密,煤樣整體性增強,所以試驗中煤樣的聲發(fā)射時空演化呈現(xiàn)階段性特征,與巖石的聲發(fā)射特征類似。2.2煤樣聲發(fā)射特征瓦斯作用影響了煤樣的力學(xué)性質(zhì),煤樣的聲發(fā)射特征也隨之變化。由圖1和圖2可以看出,瓦斯壓力1MPa條件下的煤樣在50%的峰值偏應(yīng)力前各單位載荷區(qū)間的聲發(fā)射振鈴數(shù)為0,煤樣內(nèi)未監(jiān)測到任何聲發(fā)射定位點,而瓦斯壓力5MPa條件下的煤樣在10%的峰值偏應(yīng)力后就可以監(jiān)測到相當(dāng)數(shù)量的聲發(fā)射信號。煤樣加載初期的聲發(fā)射活動隨瓦斯壓力的增加逐漸增多。圖1中,聲發(fā)射定位點和累計振鈴數(shù)曲線斜率的第一次明顯增加代表煤樣進入損傷發(fā)展階段,圖中虛線對應(yīng)煤樣的初始損傷點。由于煤樣的離散性較大,掩蓋了瓦斯壓力對煤樣破裂過程中損傷發(fā)展和聲發(fā)射特征的影響。利用峰值偏應(yīng)力和峰值累計振鈴數(shù),分別對初始損傷偏應(yīng)力和累計振鈴數(shù)進行歸一化處理,可以分析瓦斯壓力對煤樣初始損傷及對應(yīng)聲發(fā)射特征的影響。不同瓦斯壓力下煤樣的歸一化初始損傷偏應(yīng)力及累計振鈴數(shù)如圖3所示。圖3表明,隨著瓦斯壓力的增加,煤樣的歸一化初始損傷偏應(yīng)力指數(shù)減小,而歸一化的初始損傷累計振鈴數(shù)近似線性增大。由此可以看出,瓦斯氣體增強了損傷前煤樣的聲發(fā)射活躍度,減小了煤樣的初始損傷應(yīng)力,促進了煤樣的損傷發(fā)展。3聲發(fā)射定位點分布通過不同瓦斯壓力下含瓦斯原煤煤樣3軸壓縮聲發(fā)射試驗,研究了含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射時空演化規(guī)律。主要結(jié)論如下。(1)隨著含瓦斯煤樣的變形破壞發(fā)展,煤樣內(nèi)的聲發(fā)射定位點及聲發(fā)射振鈴數(shù)逐漸增加。80%的峰值偏應(yīng)力前聲發(fā)射定位點較少且隨機分布,峰值偏應(yīng)力前后及峰后階段聲發(fā)射定位點顯著增加且主要分布在主裂紋面附近。(2)