三軸壓縮條件下含瓦斯煤應(yīng)力信號(hào)的影響因素研究

三軸壓縮條件下含瓦斯煤應(yīng)力信號(hào)的影響因素研究

隨著中國(guó)井深度和開采規(guī)模的增加，災(zāi)害的數(shù)量也在增加。影響和突出的礦山也發(fā)生了災(zāi)難，嚴(yán)重影響了中國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。研究表明,煤巖體在壓縮變形破裂過程中能夠產(chǎn)生電荷,且這些電荷信號(hào)包含大量的煤巖物理力學(xué)信息,因此應(yīng)用電荷感應(yīng)的方法來探測(cè)和預(yù)測(cè)這些重大災(zāi)害的發(fā)生強(qiáng)度、位置和時(shí)刻將是一種很有發(fā)展前景的方法。日本學(xué)者研究了巖石單軸壓縮破壞過程中的瞬態(tài)電信號(hào),認(rèn)為巖石表面捕獲的電信號(hào)與地震前電磁現(xiàn)象有關(guān)。文獻(xiàn)[8-11]做了不同圍壓和孔隙壓力下煤巖的壓縮試驗(yàn),闡述了煤巖力學(xué)變形性質(zhì);文獻(xiàn)[12-13]研究了煤巖在不同圍壓作用下的聲發(fā)射試驗(yàn),并應(yīng)用RFPA軟件做了數(shù)值模擬,闡述了應(yīng)力與聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系;潘一山等研究了煤巖單軸應(yīng)力下不同加載速率對(duì)電荷信號(hào)的影響,并將電荷儀應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試,得出檢測(cè)巖體電荷能夠?qū)?dòng)力現(xiàn)象作出預(yù)測(cè)的結(jié)論。在煤礦井下采動(dòng)過程中,煤體總是處于一定的地應(yīng)力和瓦斯壓力作用之下,受單軸載荷無瓦斯作用的情況較少。因此,在解決礦井工程地質(zhì)和技術(shù)問題時(shí),研究含瓦斯煤在三軸壓縮條件下的力學(xué)特性具有重要意義。應(yīng)用自主研制的非接觸式、高放大倍數(shù)、快速的電荷傳感器采集煤樣變形破裂過程中的電荷信號(hào),經(jīng)測(cè)試該電荷傳感器能夠檢測(cè)到煤巖變形破裂過程中產(chǎn)生的電荷信號(hào)。試樣取自某礦區(qū)的原煤,在不同圍壓和孔隙瓦斯壓力條件下對(duì)煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集,初步得出圍壓和孔隙瓦斯壓力對(duì)電荷感應(yīng)信號(hào)的影響規(guī)律。1試驗(yàn)系統(tǒng)1.1實(shí)驗(yàn)材料的選取本次試驗(yàn)煤樣取自某礦戊9-10-12160采煤工作面,煤樣為原煤樣,它是由井下切取的大塊煤體,通過切割機(jī)加工而成,試樣切割成50mm×50mm×100mm的長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)樣品,為盡可能減小煤樣力學(xué)離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,選取了兩個(gè)大塊煤體,加工成表面無明顯缺陷的6塊煤樣進(jìn)行試驗(yàn)。1.2u3000tst2915動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)和裝置如圖1和2所示。系統(tǒng)由加載系統(tǒng),屏蔽系統(tǒng)及電荷信號(hào)采集系統(tǒng)組成。(1)加載系統(tǒng)。軸向壓力采用100kN的液壓試驗(yàn)機(jī),采用惰性氣體氬氣施加圍壓、甲烷氣體施加孔隙壓力,由調(diào)壓閥控制圍壓和孔隙壓力大小。載荷傳感器和位移傳感器通過TST5915動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接到計(jì)算機(jī),采樣頻率設(shè)置為200Hz。(2)屏蔽系統(tǒng)。由于煤巖體在變形破裂過程中產(chǎn)生的電荷感應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度很弱,為減小外界環(huán)境干擾,要求采取嚴(yán)格的電磁屏蔽措施。試驗(yàn)中采用網(wǎng)格尺寸小于0.1mm的銅網(wǎng)作屏蔽系統(tǒng),銅網(wǎng)直接接地。試驗(yàn)時(shí),將電荷傳感器、位移計(jì)、載荷傳感器和壓機(jī)壓頭等一起放入屏蔽系統(tǒng)內(nèi)。系統(tǒng)各部分之間的信號(hào)傳輸采用同軸屏蔽電纜,電纜的屏蔽層直接接地。(3)電荷信號(hào)采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)由電荷傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集器等組成。數(shù)據(jù)采集器可以同時(shí)連續(xù)進(jìn)行信號(hào)的采集,其程序由VisualBasic編制,具有良好的可視化操作界面。包括的功能有:設(shè)置取樣參數(shù)、信號(hào)采集、信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等,本次試驗(yàn)采樣頻率設(shè)置為2500Hz,通道采用單獨(dú)的同軸屏蔽電纜和前置放大器。2試件安裝試驗(yàn)中圍壓分別定為0,1,3MPa3個(gè)等級(jí),孔隙瓦斯壓力為0,1,2MPa進(jìn)行。采用先加圍壓、孔隙瓦斯壓力至預(yù)定值,再以緩慢的軸向速度加載至煤樣破壞的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方案見表1。試驗(yàn)時(shí),需按如下步驟進(jìn)行:(1)安裝熱縮管。首先取1段200mm左右的熱縮管包住煤樣,并用電吹風(fēng)將熱縮管均勻吹緊,保證熱縮管與煤樣側(cè)面緊密接觸,然后將加工好的煤樣置于壓力室的上下2個(gè)壓頭之間,讓試件與上下2個(gè)壓頭緊密接觸。(2)裝機(jī)。把電荷傳感器布置在煤樣表面,探頭正對(duì)煤樣表面中心,距離5~10mm。安裝好三軸壓力室,擰緊螺絲,罩上屏蔽網(wǎng),調(diào)試是否與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接好。(3)加壓。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試好后,為了避免壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā),先啟動(dòng)壓力機(jī),按照表1方案先施加一較小的軸向壓力,使壓頭與煤樣充分接觸,再以緩慢速率施加圍壓至設(shè)定值,同理施加孔隙壓力。(4)開始試驗(yàn)。待圍壓、孔隙壓穩(wěn)定后,同時(shí)啟動(dòng)載荷位移記錄系統(tǒng)和電荷感應(yīng)系統(tǒng),緩慢施加軸向壓力直至試件破壞。(5)試驗(yàn)結(jié)束后,先停止信號(hào)采集,再停止壓力機(jī)。取出破壞后的煤樣,對(duì)采集電荷信號(hào)煤樣的表面拍照處理,觀察其破壞形式。3試驗(yàn)結(jié)果與分析試驗(yàn)結(jié)束后,觀察各個(gè)煤樣破壞后的宏觀裂紋,如圖3所示。3.1圍壓煤樣荷感應(yīng)信號(hào)曲線分析當(dāng)孔隙瓦斯壓力為0,圍壓分別0,1,3MPa時(shí),考慮圍壓對(duì)煤樣破壞過程中電荷感應(yīng)信號(hào)的影響,煤樣三軸壓縮時(shí)間-軸向應(yīng)力、時(shí)間-電荷感應(yīng)信號(hào)曲線如圖4(a)~(c)所示。分析圖3和4(a)~(c)可知,當(dāng)孔隙瓦斯壓力為0時(shí),隨著圍壓升高,煤樣的極限強(qiáng)度逐漸增加,煤樣均發(fā)生剪切破壞。圍壓為1MPa的煤樣和圍壓為3MPa的煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)曲線峰值主要集中在極限強(qiáng)度之后,在極限強(qiáng)度之前較平穩(wěn)。圍壓為1MPa的煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)曲線連續(xù)正負(fù)擺動(dòng)幅值相對(duì)于無圍壓的煤樣較為強(qiáng)烈,圍壓為3MPa的煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)曲線連續(xù)正負(fù)擺動(dòng)幅值相對(duì)于無圍壓的煤樣和圍壓為1MPa的煤樣波動(dòng)更為強(qiáng)烈,主要體現(xiàn)在電荷感應(yīng)信號(hào)曲線峰值大、數(shù)量多。當(dāng)孔隙瓦斯壓力為1MPa,圍壓分別為1和3MPa時(shí),考慮圍壓對(duì)煤樣破壞過程中電荷感應(yīng)信號(hào)的影響,煤樣三軸壓縮時(shí)間-軸向應(yīng)力、時(shí)間-電荷感應(yīng)信號(hào)曲線如圖4(d),(e)所示。分析圖3和圖4(d),(e)可知,在1MPa孔隙瓦斯壓力情況下,隨著圍壓升高,煤樣的極限強(qiáng)度增加,煤樣受孔隙瓦斯壓力作用發(fā)生了膨脹變形。圍壓為3MPa的煤樣和圍壓為1MPa的煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)曲線峰值主要集中在極限強(qiáng)度之后,且圍壓為3MP的煤樣相對(duì)于圍壓為1MPa的煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)曲線峰值大、數(shù)量多。以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知,煤樣在圍壓作用下,促進(jìn)了煤體的收縮程度,阻礙煤體內(nèi)部裂紋發(fā)生、發(fā)展,增強(qiáng)了宏觀裂縫面間的摩擦因數(shù),在軸向應(yīng)力作用下,煤樣不斷的積累能量,當(dāng)軸向應(yīng)力超過極限強(qiáng)度后,煤體內(nèi)部大量裂紋迅速擴(kuò)展、聚集、匯合形成新的裂紋,煤體晶粒間局部被束縛電荷迅速逃逸成為自由電荷,因此電荷感應(yīng)信號(hào)主要集中在極限強(qiáng)度之后,相同孔隙壓力情況下,圍壓越大,電荷感應(yīng)信號(hào)曲線波動(dòng)越強(qiáng)烈,圍壓對(duì)電荷信號(hào)起到放大、強(qiáng)化作用。3.2圍壓情況下的荷應(yīng)信號(hào)特性當(dāng)圍壓為1MPa,孔隙瓦斯壓力分別為0,1MP時(shí),考慮孔隙瓦斯壓力對(duì)煤樣破壞過程中電荷感應(yīng)信號(hào)的影響,煤樣三軸壓縮時(shí)間-軸向應(yīng)力、時(shí)間-電荷感應(yīng)信號(hào)曲線如圖4(b)和(d)所示。分析圖3、圖4(b)和(d)可知,在1MPa圍壓情況下,孔隙瓦斯壓力由0升高到1MPa,煤樣極限強(qiáng)度變化不明顯,無孔隙瓦斯壓力的煤樣發(fā)生剪切破壞,孔隙瓦斯壓力為1MPa的煤樣骨架發(fā)生膨脹變形。其電荷感應(yīng)信號(hào)曲線峰值主要集中在極限強(qiáng)度之后,孔隙瓦斯壓力為1MPa的煤樣相對(duì)于無孔隙瓦斯壓力的煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)曲線峰值數(shù)量減少,大小降低。圍壓3MPa,孔隙壓力2MPa的煤樣在軸向應(yīng)力在達(dá)到約極限強(qiáng)度的70%時(shí),有一幅值范圍約3000pC的波動(dòng)。當(dāng)圍壓為3MPa,孔隙壓力分別0,1和2MP時(shí),考慮孔隙瓦斯壓力對(duì)煤樣破壞過程中電荷感應(yīng)信號(hào)的影響,煤樣三軸壓縮時(shí)間-軸向應(yīng)力、時(shí)間-電荷感應(yīng)信號(hào)曲線如圖4(c),(e),(f)所示。分析圖3、圖4(c),(e)和(f)可知,在3MPa圍壓情況下,無瓦斯壓力煤樣易發(fā)生剪切破壞,含瓦斯煤樣易發(fā)生膨脹變形,隨著孔隙瓦斯壓力升高,電荷感應(yīng)信號(hào)曲線峰值主要集中在極限強(qiáng)度之后,電荷感應(yīng)信號(hào)曲線峰值數(shù)量減少,大小降低。圍壓3MPa,孔隙瓦斯壓力1MPa的煤樣軸向應(yīng)力在達(dá)到約極限強(qiáng)度的45%時(shí),有幅值范圍約3000pC的波動(dòng),圍壓3MPa,孔隙瓦斯壓力2MPa的煤樣軸向應(yīng)力在達(dá)到約極限強(qiáng)度的60%時(shí),有幅值范圍約1000pC的波動(dòng)。以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知,煤體吸附瓦斯后,使煤體的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)及變形均發(fā)生改變?？紫锻咚箟毫σ泽w積力形式作用于煤體,使煤樣易于發(fā)生膨脹變形,瓦斯壓力增加,阻礙了煤體的收縮程度,促進(jìn)煤體內(nèi)部裂紋發(fā)生、發(fā)展,減弱了宏觀裂縫面間的摩擦因數(shù),使煤巖晶粒間局部被束縛電荷逃逸成為自由電荷的數(shù)量減少,因此相同圍壓情況下,孔隙瓦斯壓力越大,電荷感應(yīng)信號(hào)曲線波動(dòng)越小,孔隙瓦斯壓力對(duì)電荷信號(hào)起到了縮小、弱化作用。同時(shí)煤樣在瓦斯的力學(xué)和非力學(xué)吸附解析作用下,在煤樣達(dá)到極限強(qiáng)度前一部分自由電荷會(huì)迅速逸出,被電荷感應(yīng)系統(tǒng)接收,以此可以用來判斷含瓦斯煤樣的破壞程度。從圖4整體分析可知,當(dāng)圍壓與孔隙壓力差值較大時(shí),電荷感應(yīng)信號(hào)變化強(qiáng)烈。如4號(hào)煤樣其圍壓與孔隙瓦斯壓力差值為3MPa,圖4(c)中電荷感應(yīng)信號(hào)曲線在煤樣極限強(qiáng)度后波動(dòng)最為強(qiáng)烈,2號(hào)和5號(hào)煤樣圍壓與孔隙瓦斯壓力差值分別為1和2MPa,圖4(b)和(e)電荷感應(yīng)信號(hào)曲線波動(dòng)較為強(qiáng)烈,3號(hào)和6號(hào)煤樣圍壓與孔隙瓦斯壓力差值較小,圖4(d)和(f)中電荷感應(yīng)信號(hào)曲線波動(dòng)較小。4煤體破壞過程中荷信號(hào)的變化(1)圍壓和孔隙瓦斯壓力對(duì)煤體破壞過程中電荷信號(hào)的影響有不可忽視的