申志亮　蔣元男

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150022)

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循環(huán)荷載下強(qiáng)沖擊傾向煤樣聲發(fā)射特征參數(shù)分析★

申志亮蔣元男

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150022)

采用巖石三軸試驗機(jī)，對具有強(qiáng)沖擊傾向性煤樣進(jìn)行了常規(guī)單軸循環(huán)加卸載試驗，在加載卸載過程中對煤樣進(jìn)行聲發(fā)射同步監(jiān)測，分析了煤樣循環(huán)荷載下聲發(fā)射特征參數(shù)的前兆變化規(guī)律，該研究成果為具有沖擊傾向性危險區(qū)域的煤巖體預(yù)測和預(yù)警進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

沖擊煤層，循環(huán)加載，聲發(fā)射，失穩(wěn)前兆

0　引言

在礦山?jīng)_擊地壓防治過程中，準(zhǔn)確預(yù)測煤層失穩(wěn)破壞對于沖擊地壓的防治具有重要的作用。就煤礦井下煤巷和工作面推進(jìn)而言，煤體始終處于加卸載過程中，因而進(jìn)行循環(huán)荷載監(jiān)測試驗，探尋煤樣承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前兆變化規(guī)律，對受開采反復(fù)擾動的具有強(qiáng)沖擊傾向煤層的失穩(wěn)預(yù)測預(yù)警具有重要的作用。

肖福坤等[1，2]通過循環(huán)荷載聲發(fā)射監(jiān)測試驗，對聲發(fā)射特征參數(shù)和塑性能分段函數(shù)進(jìn)行了研究，同時還研究了不同應(yīng)力水平和監(jiān)測手段煤巖石損傷破壞的聲發(fā)射規(guī)律；李庶林等[3]對巖石不同加卸載方式的聲發(fā)射特征進(jìn)行研究;蔣宇等[4]對循環(huán)荷載條件下巖石受載破壞的過程中聲發(fā)射特征和變形規(guī)律進(jìn)行了研究；吳剛和肖福坤等[5-7]研究了不同卸載方式的聲發(fā)射特征；李宏艷等[8]對不同沖擊傾向煤樣失穩(wěn)破壞聲發(fā)射先兆信息進(jìn)行了分析，提出不同沖擊傾向煤體失穩(wěn)破壞過程中振鈴計數(shù)、AE能量、頻譜及b值變化存在差異。煤體沖擊傾向性增強(qiáng)，加載過程煤體振鈴計數(shù)、AE能量趨向于高應(yīng)力區(qū)域集中;劉剛和肖福坤等[9,10]對花崗巖損傷破壞的聲發(fā)射評價進(jìn)行研究，提出脆性花崗巖損傷三個階段，劃分了預(yù)警時刻六級區(qū)間，認(rèn)為聲發(fā)射計數(shù)最早報警，但最終要通過能量變化判斷花崗巖是否失穩(wěn)。還對煤樣循環(huán)加卸載中滯回環(huán)與彈塑性應(yīng)變能的關(guān)系進(jìn)行了研究。

1　試驗煤樣和設(shè)備

為進(jìn)行循環(huán)荷載聲發(fā)射監(jiān)測試驗，從寶泰隆西部礦區(qū)26a和26b煤層取回大塊煤樣，在實驗室加工成50 mm×50 mm×100 mm的長方體試樣，為滿足試驗和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，將煤

樣兩端面進(jìn)行打磨，使其不平行度小于0.05 mm。

實驗所用壓力機(jī)控制閥為國外進(jìn)口，控制精度能夠滿足加卸載過程中的要求。軸向變形用8 mm 位移傳感器測量，精度為1.0×10-5mm。軸向荷載用2 000 kN力傳感器測量，精度為 1.0×10-3kN。壓力機(jī)由計算機(jī)控制，可實現(xiàn)實時顯示和自動采集數(shù)據(jù)。聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備采用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的SH-Ⅱ型聲發(fā)射全天候健康監(jiān)測系統(tǒng)和四個傳感器(頻帶為125 kHz～750 kHz)。

2　實驗過程

本次試驗主要是想研究循環(huán)荷載作用下具有沖擊傾向煤樣的聲發(fā)射變化規(guī)律，因此試驗前首先完成了兩煤層沖擊傾向性的鑒定工作，鑒定結(jié)果見表1。

表1　煤層沖擊傾向性判定

其次，對具有沖擊傾向性的煤樣進(jìn)行循環(huán)荷載聲發(fā)射監(jiān)測試驗。具體過程為:將具有沖擊傾向性的煤樣加載至預(yù)計峰值強(qiáng)度的75%～85%后再卸載至預(yù)計峰值強(qiáng)度的1%～5%，之后再加載，此時加載至預(yù)計峰值強(qiáng)度的加載點比上一次提高 5%左右，依據(jù)此加載方式反復(fù)加卸載直至煤樣最終破壞為止。循環(huán)過程中監(jiān)測設(shè)備聲發(fā)射系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為1 MHz，前置放大器增益設(shè)為40 dB,門檻值設(shè)為35 dB。

3　試驗結(jié)果分析

通過上述試驗對循環(huán)荷載過程中強(qiáng)沖擊傾向煤樣的聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行分析，特別是煤樣失穩(wěn)前的聲發(fā)射特征參數(shù)的前兆變化特征。下面依據(jù)試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)將聲發(fā)射特征參數(shù)(能量(E)、累積能量(∑E)、計數(shù)(N)、累積計數(shù)(∑N))和應(yīng)力在時間上的演化過程進(jìn)行對比，來分析單軸循環(huán)加卸載作用下強(qiáng)沖擊傾向性煤樣失穩(wěn)過程中的聲發(fā)射參數(shù)演化特征。

由圖1可以看出，第1次循環(huán)AE能量和計數(shù)大量出現(xiàn)，煤樣26a-c08，26b-c15和26a-c05此循環(huán)累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為9%，30%，11%,累積計數(shù)占總累積計數(shù)依次為10.7%，28%，18.4%。從第2次循環(huán)到試樣失穩(wěn)的最后一次循環(huán)，煤樣26a-c08，26b-c15和26a-c05的AE能量隨著循環(huán)次數(shù)的增加依次增加，能量釋放量與循環(huán)次數(shù)成正相關(guān)性，AE計數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而隨機(jī)出現(xiàn)，無規(guī)律性。AE累積能量和AE累積計數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加成階梯式增長，循環(huán)后期AE累積能量比AE累積計數(shù)增長明顯。煤樣26a-c08和26a-c05倒數(shù)第3次循環(huán)累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為8%,20%，累積計數(shù)占總累積計數(shù)依次為8%,9.9%。煤樣26a-c08和26a-c05倒數(shù)第2次循環(huán)累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為18%,34%，累積計數(shù)占總累積計數(shù)依次為13.4%,11.5%。煤樣26a-c08

和26a-c05最后一次循環(huán)累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為 29%,2%，累積計數(shù)占總累積計數(shù)依次為12.2%,4.7%。煤樣26b-c15的AE能量和計數(shù)從第2次～第4次循環(huán)增長緩慢，在第4次循環(huán)時的信號消失。從第5次循環(huán)開始隨著循環(huán)次數(shù)的增加，AE能量和計數(shù)開始大量出現(xiàn)。最后一次循環(huán)AE累積能量釋放量占累積總能量釋放量依次為 31%,累積計數(shù)占總累積計數(shù)依次為13.5%。

通過上述分析可知：煤樣循環(huán)加載初期AE能量和AE計數(shù)信號顯現(xiàn)明顯，煤樣循環(huán)荷載過程中AE能量演化比AE計數(shù)演化具有規(guī)律性， 煤樣循環(huán)荷載后期，煤樣失穩(wěn)破壞前AE能量突增明顯。通過統(tǒng)計分析可將累積能量釋放量占總累積能量釋放量的30%作為煤樣結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的警戒值，當(dāng)煤樣AE累積能量釋放量達(dá)到此值時預(yù)示著煤樣即將失穩(wěn)破壞。AE能量比AE計數(shù)能更好的預(yù)測具有沖擊傾向性煤樣失穩(wěn)破壞。

4　結(jié)語

1)在循環(huán)荷載過程中聲發(fā)射能量和累積能量比聲發(fā)射計數(shù)和累積計數(shù)能更好的反映煤樣內(nèi)部的變形破壞過程。

2)煤樣失穩(wěn)前聲發(fā)射能量釋放量突增明顯，煤樣失穩(wěn)時AE累積能量釋放量基本都占總累積能量釋放量的30%以上。

3)通過統(tǒng)計分析可將累積能量釋放量占總累積能量釋放量的30%作為煤樣結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的警戒值。

[1]肖福坤，劉剛，申志亮.桃山90號煤層有效彈性能量釋放速度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015(S2)：4216-4225.

[2]肖福坤，申志亮，劉剛，等.沖擊傾向性煤樣單軸加載紅外探測研究[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報，2015(1)：6-10.

[3]李庶林,唐海燕.不同加載條件下巖石材料破裂過程的聲發(fā)射特性研究[J].巖土工程學(xué)報,2010,32(1):147-152.

[4]蔣宇，葛修潤，任建喜.巖石疲勞破壞過程中的變形規(guī)律及聲發(fā)射特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(11)：1810-1814.

[5]吳剛，趙震洋.不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石類材料破壞的聲發(fā)射特性[J].巖土工程學(xué)報，1998，20(2)：82-85.

[6]肖福坤，申志亮，劉剛，等.循環(huán)加卸載中滯回環(huán)與彈塑性應(yīng)變能關(guān)系研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014(9)：1791-1797.

[7]肖福坤，樊慧強(qiáng)，劉剛，等.三軸壓縮下含瓦斯煤樣破壞過程的聲發(fā)射特性[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2013,23(1)：10-15.

[8]李宏艷，康立軍.不同沖擊傾向煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射先兆信息分析[J].煤炭學(xué)報，2014(2)：384-388.

[9]劉剛，張艷軍，申志亮，等.花崗巖損傷破壞的聲發(fā)射評價[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報，2015(11)：615-620.

[10]肖福坤，馬紅濤，劉剛.煤體恒定加載蠕變損傷實驗的研究[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報，2014，24(6)：563-568.

Parameters analysis on strong bumping coal AE characteristics under recycled load★

Shen ZhiliangJiang Yuannan

(CollegeofMiningEngineering,HeilongjiangUniversityofScience&Technology,Harbin150022,China)

Applying rock tri-axis testing machine, the paper carries out normal single-axis recycling load test for strong bumping coal sample, meanwhile monitors the coal sample AE in loading and unloading process, and analyzes AE parameter precursory changing law under coal sample recycling load. The research achievements have laid a foundation for further studying the bumping hazardous region prediction and alarming.

bumping coal layer, recycled load, Acoustic Emission(AE), instability precursory

1009-6825(2016)19-0049-02

2016-04-26★：2015年黑龍江科技大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新科研項目(項目編號：YJSCX2015-012HKD)

申志亮(1988- )，男，碩士，實驗員；蔣元男(1984- )，男，碩士，講師

TD823

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