肖旸 劉志超 陳龍剛 任帥京 趙帥 周一峰

摘 要：為研究溫度對(duì)煤體力學(xué)特性的影響規(guī)律，采用MTS?880試驗(yàn)系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過不同溫度處理的煤體進(jìn)行單軸壓縮全過程聲發(fā)射測(cè)試。結(jié)果表明，隨著應(yīng)力的增加，經(jīng)不同溫度處理的各組煤體的累積聲發(fā)射數(shù)量也隨之增加，而經(jīng)不同溫度處理的各組煤體所積累聲發(fā)射存在明顯差異，這主要是由于溫度使得煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致。通過區(qū)別各組煤體不同時(shí)段的聲發(fā)射特征，不同溫度條件對(duì)煤體的破壞存在明顯差異，隨著溫度的升高煤體應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中壓密過程延長(zhǎng)，煤體彈性模量和抗壓強(qiáng)度在溫度作用下先增后減，140 ℃時(shí)為最大值;而隨著溫度升高，聲發(fā)射頻率表現(xiàn)愈發(fā)離散，聲發(fā)射振鈴數(shù)與能量在80 ℃時(shí)達(dá)到最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為探究熱效應(yīng)對(duì)煤體作用機(jī)理提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤樣;溫度;應(yīng)力;單軸壓縮;聲發(fā)射

中圖分類號(hào)：TD 75?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0105文章編號(hào)：1672-9315（2019）01-0028-06

Acoustic emission characteristics of coal samples after

different temperature under uniaxial compression

XIAO Yang，LIU Zhi?chao，CHEN Long?gang，

REN Shuai?jing，ZHAO Shuai，ZHOU Yi?feng

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to study the influence of temperature on coal properties，the MTS?880 test system and acoustic emission testing system were used to carry out the uniaxial compression test of coal body after different temperature treatment.The results show that with the increase of stress，the amount of cumulative acoustic emission of each coal body increases with different temperatures，and there is a significant difference in the acoustic emission from each coal body treated at different temperatures，which is mainly due to the change of the internal structure of the coal body.With the increase of temperature，the densifying process is extended during stress?strain process of coal，and the modulus of elasticity and the compressive strength of coal increase gradually，then decreases and reach the maximum at 140 ℃ under the action of temperature.With the increase of temperature，the acoustic emission frequency is more discrete，and the number and energy of acoustic emission reaches the maximum at 80 ℃.The experimental results provide theoretical basis for exploring the mechanism of thermal effect on coal.

Key words：coal specimens;temperature;stress;uniaxial compression;acoustic emission

0?引?言

由于煤炭資源持續(xù)開采，礦井深度不斷增加，深部煤體力學(xué)問題已成為煤礦開采研究的熱點(diǎn)問題之一[1-2]。由于煤為非均質(zhì)體，其內(nèi)部含大量雜質(zhì)且有原始裂隙分布其中[3]，煤在高溫作用后力學(xué)性能與常溫狀態(tài)下有較大不同，因此對(duì)高溫條件下煤體的力學(xué)性能進(jìn)行研究對(duì)于探究熱效應(yīng)對(duì)煤體作用機(jī)理有重要意義。

聲發(fā)射作為一種無損檢測(cè)煤巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的工具，能夠反映出煤巖體在應(yīng)力作用全過程中的裂隙發(fā)育[4-5]。通過對(duì)煤巖體的聲發(fā)射信號(hào)的分析與研究已有大量成果發(fā)表，如李志梁等人采用聲發(fā)射技術(shù)研究了覆巖采動(dòng)時(shí)裂隙發(fā)育過程中的能力釋放規(guī)律[6]。蘇承東等人從應(yīng)力路徑角度研究了義馬耿村煤樣在單軸、三軸和三軸卸圍壓全過程中的聲發(fā)射特征[7]。左建平等人對(duì)巖石、煤和煤巖組合體單軸壓縮下的聲發(fā)射特征進(jìn)行了對(duì)比研究[8]。張朝鵬等人從層理角度研究了煤巖體單軸壓縮下聲發(fā)射特征[9]。G.Manthei使用不同諧振頻率聲發(fā)射傳感器研究了三軸壓縮下巖體聲發(fā)射特征[10]。紀(jì)洪廣、宋義敏和曾鵬等分別研究了花崗巖、紅砂巖和粗砂巖在單軸壓縮下的聲發(fā)射特征[11-13]。這些研究大多數(shù)單純研究煤巖體在應(yīng)力作用下的聲發(fā)射特征，對(duì)于應(yīng)力與溫度共同作用下煤體聲發(fā)射特征的研究較少。文中通過構(gòu)建試驗(yàn)將溫度條件與應(yīng)力條件相結(jié)合，研究不同溫度下煤巖體單軸壓縮聲發(fā)射特征，分析其應(yīng)力-應(yīng)變和能量釋放規(guī)律，為探究熱效應(yīng)對(duì)煤體作用機(jī)理提供一定的理論基礎(chǔ)。

1?煤樣特征和試驗(yàn)方法

1.1?試樣特征

煤樣采自新疆焦煤集團(tuán)硫磺溝煤礦2#煤層，煤種為煙煤。為盡量保持煤樣原生狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)選取從工作面煤壁上采下的完整塊煤，按照規(guī)程[14]要求沿其垂直節(jié)理方向加工成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱體煤樣，共12個(gè)。煤樣兩端不平行度小于0.05 mm，上下端直徑的偏差度小于0.02 mm，天然密度為1 452～1 671 kg/m3，平均密度為1 611 kg/m3.

1.2?試驗(yàn)設(shè)備

升溫設(shè)備采用程序升溫箱，單軸壓縮試驗(yàn)加載設(shè)備采用MTS?880 Material Test System，該系統(tǒng)軸向加載載荷為±250 kN，全數(shù)字計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，采用力、行程多種控制方式，試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)顯示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。聲發(fā)射采用北京軟道時(shí)代科技有限公司開發(fā)的DS2?16B聲發(fā)射檢測(cè)與分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集方式為多通道同步采集。

1.3?試驗(yàn)方法

由于升溫系統(tǒng)與聲發(fā)射難以同步進(jìn)行，因此本次實(shí)驗(yàn)采用升溫，保持，冷卻，加壓方式對(duì)煤體進(jìn)行不同溫度作用后的煤巖體進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射特征研究。具體過程為：將12個(gè)煤巖樣以3個(gè)為一組，共分為4組，并編號(hào)為1-1，1-2，1-3，2--2，2-3，3-1，3-2，3-3，4-1，4-2，4-3.其中1-3，2-3，3-1和4-1試樣在加工時(shí)出現(xiàn)損傷，稱為損傷組，以用于與正常組對(duì)比分析。一般認(rèn)為煤樣熱解特征溫度有：常溫，臨界溫度80 ℃，干裂溫度140 ℃和中高溫分界點(diǎn)200 ℃[15-16]，因此，將煤巖樣放置在程序升溫箱內(nèi)分別進(jìn)行升溫處理，即組1經(jīng)常溫、組2經(jīng)常溫至80 ℃、組3經(jīng)常溫至140 ℃和組4經(jīng)常溫至200 ℃的溫度處理，升溫速率均為2 ℃/min，并在終點(diǎn)溫度下恒溫保持1

h左右[17-18]。由于溫度作用，140，200 ℃組部分試樣有輕微開裂現(xiàn)象。

將4組煤樣進(jìn)行單軸壓縮與聲發(fā)射同步實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)前，選用3個(gè)聲發(fā)射傳感器分別等距布置在煤巖體上中下位置，并將聲發(fā)射傳感器與煤樣接觸面涂抹硅酸酯以提高信號(hào)采集率，膠帶固定。該實(shí)驗(yàn)采用位移控制方式，軸向加載速率為

0.002 mm/s，連續(xù)加載直至試樣完全破壞，系統(tǒng)自動(dòng)記錄試驗(yàn)全過程位移、應(yīng)力及應(yīng)變參數(shù)。聲發(fā)射傳感器布置及單軸壓縮與聲發(fā)射同步試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

2?試樣變形與強(qiáng)度特征

圖2為4組煤樣單軸壓縮試驗(yàn)全程應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比曲線。從圖2可知，煤體單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程分為壓密、彈性、塑性和破壞4個(gè)階段。O?A段為壓密階段，線性表現(xiàn)為斜率逐漸增大的曲線，該階段試樣內(nèi)部原生裂隙在壓力作用下被壓密，試樣強(qiáng)度逐漸提高，相應(yīng)抗變形能力增強(qiáng)。A?B階段為彈性階段，A?B線性特征為斜率恒定的斜線，該階段試樣內(nèi)部原生裂隙被壓密閉合后不再進(jìn)一步發(fā)展，且此階段應(yīng)力對(duì)試樣的影響較小，試樣在此階段強(qiáng)度保持不變。B?C階段為塑性階段，該階段線性特征為斜率減小的曲線，表明試樣內(nèi)部產(chǎn)生裂隙并擴(kuò)展、匯合，最終貫穿導(dǎo)致試樣破壞，在C點(diǎn)達(dá)到峰值強(qiáng)度。C點(diǎn)以后即為破壞階段，主要表現(xiàn)為應(yīng)力瞬間跌落，試樣完全破壞。正常組試樣曲線特征大致相同，在峰值后應(yīng)力跌落迅速，破壞瞬間完成，幾乎不存在殘余強(qiáng)度，表現(xiàn)出脆性特征。而損傷組應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一次或多次的應(yīng)力跌落現(xiàn)象，這是由于在壓縮過程中煤巖體受損之處有較大位移所致。常溫組試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密階段變形不明顯，這表明煤巖體不經(jīng)過溫度處理，其密實(shí)性良好。隨著溫度升高，壓密階段越發(fā)明顯，表明溫度作用使試樣內(nèi)部裂隙增多，壓密過程延長(zhǎng)。常溫組正常試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線吻合度較好，隨著溫度升高，曲線離散性增大，表明溫度的升高導(dǎo)致試樣非均質(zhì)特性更加突出，變現(xiàn)出較大的離散性。

試樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表1.從表1可以看出，1-3，2-3，3-1，4-1數(shù)據(jù)存在較大偏差，這是由于加工后試樣出現(xiàn)裂痕，表明損傷后煤巖體在加壓狀態(tài)下更易被破壞。常溫組與80 ℃組正常試樣的峰值壓強(qiáng)和彈性模量基本保持不變;140 ℃組與80 ℃組試樣相比可知，140 ℃組試樣的峰值強(qiáng)度與彈性模量有較大提升;200 ℃組試件的兩值均為最小值。說明在一定溫度內(nèi)，溫度的升高會(huì)使煤巖體抗壓強(qiáng)度增加，到達(dá)一定溫度后繼續(xù)升溫會(huì)使煤巖體抗壓強(qiáng)度減小。可以理解為在較低溫度范圍內(nèi)，煤巖體內(nèi)部易揮發(fā)物質(zhì)如水分等，在升溫過程中逐漸揮發(fā)殆盡，試樣密實(shí)度提高進(jìn)而抗壓強(qiáng)度提高;而在溫度繼續(xù)提高時(shí)，煤巖體發(fā)生熱解導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)受損，進(jìn)而使其抗壓能力大幅度降低。根據(jù)試樣峰值強(qiáng)度和彈性模量變化可知，本實(shí)驗(yàn)中140 ℃是其峰值強(qiáng)度和彈性模量的突變溫度點(diǎn)，可以作為其熱破壞的征兆溫度點(diǎn)。

3?試樣聲發(fā)射特征

圖3為各組試樣單軸壓縮全過程中的同步聲發(fā)射特征檢測(cè)結(jié)果（每組各取一個(gè)）。

從圖3，圖4可以看出，各組試樣單軸壓縮變形全過程的聲發(fā)射特征有如下規(guī)律。

1）在加載初期，即試樣處于壓密階段時(shí)，聲發(fā)射波形圖出現(xiàn)些許波動(dòng)，聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)較弱，聲發(fā)射振鈴數(shù)較弱。可以理解為在較低的應(yīng)力作用下，試樣內(nèi)部的某些原有裂隙開始閉合，閉合過程及閉合裂隙產(chǎn)生輕微錯(cuò)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生聲波，此時(shí)試樣內(nèi)部能量積蓄不足，聲發(fā)射能量較少，表現(xiàn)出些許波動(dòng)。隨著應(yīng)力的不斷增加，試樣內(nèi)部能量不斷積蓄，裂隙開始發(fā)育，新的裂隙產(chǎn)生并擴(kuò)展，聲發(fā)射信號(hào)表現(xiàn)趨于活躍，振鈴數(shù)較之前有所增加，此現(xiàn)象可以作為判定試樣破壞的前兆。在應(yīng)力增加至試樣極限承載能力時(shí)，試樣內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙發(fā)育完全，裂隙匯合、貫穿，導(dǎo)致宏觀破壞發(fā)生。此階段，裂隙之間相互作用頻繁，聲發(fā)射信號(hào)顯著增強(qiáng)，破壞瞬間聲發(fā)射振鈴數(shù)達(dá)到峰值;

2）常溫組和80 ℃組壓密階段聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，振鈴數(shù)和振幅信號(hào)在整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程分布較為均勻。而隨著溫度升高信號(hào)均勻性變差，壓密階段和彈性階段聲發(fā)射信號(hào)減小。溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)只有在塑性及破壞階段較為明顯，這說明溫度的升高導(dǎo)致壓密階段試樣內(nèi)部裂隙增多，壓密階段延長(zhǎng)。

由于試樣壓縮破壞經(jīng)歷時(shí)間不同，且各試樣破壞方式有所區(qū)別，無法對(duì)其各自聲發(fā)射振鈴數(shù)、能量進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)將其峰值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2.

從表2可以看出，80 ℃時(shí)，振鈴數(shù)達(dá)到最大值，而能量達(dá)到最小值。這可以理解為，80 ℃時(shí)試樣內(nèi)部以物理變化為主，即溫度升高導(dǎo)致煤巖體內(nèi)部水分揮發(fā)和瓦斯脫附等而產(chǎn)生許多微小裂隙，表現(xiàn)為聲發(fā)射振鈴數(shù)較大，而能量分布較為分散以至于能量數(shù)值較小;隨著溫度升高，試樣內(nèi)部以化學(xué)變化為主，煤巖體氧化裂解導(dǎo)致試樣結(jié)構(gòu)破壞損傷加劇，表現(xiàn)為振鈴數(shù)減少，而能量增大。

4?結(jié)?論

1）在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中，隨著溫度升高，其壓密過程延長(zhǎng)，試樣峰值壓強(qiáng)和彈性模量在常溫至140 ℃溫度范圍內(nèi)逐漸增大，并在140 ℃達(dá)到最大值;140～200℃溫度范圍內(nèi)，試樣峰值壓強(qiáng)和彈性模量迅速跌落，140 ℃可作為該煤樣熱破壞的溫度征兆值;

2）聲發(fā)射頻率圖和全應(yīng)力-應(yīng)變圖反映試樣壓縮狀態(tài)一致，其波形密集程度可以較好反映全應(yīng)力-應(yīng)變過程。試樣在塑性階段前聲發(fā)射信號(hào)較弱，在塑性階段后信號(hào)明顯增強(qiáng)，標(biāo)志試樣破壞前兆，破壞時(shí)聲發(fā)射振鈴數(shù)與能量達(dá)到最大值;

3）不同溫度下試樣壓縮時(shí)各個(gè)階段均產(chǎn)生不同程度聲發(fā)射信號(hào)，而隨著溫度升高，試樣壓密階段和彈性階段聲發(fā)射信號(hào)減弱，其波形表現(xiàn)愈發(fā)離散。聲發(fā)射振鈴數(shù)與能量在80 ℃時(shí)達(dá)到最大值，80 ℃可作為煤樣內(nèi)部物理變化向化學(xué)變化過渡的臨界值。

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