孟 磊，王宏偉,李學(xué)華，趙毅鑫

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射行為特性的研究

孟 磊1,2，王宏偉2,李學(xué)華2，趙毅鑫1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

為探求含瓦斯煤失穩(wěn)破壞過程中的聲發(fā)射行為演化規(guī)律，筆者以含瓦斯原煤為研究對(duì)象，利用配備有聲發(fā)射同步監(jiān)測(cè)功能的含瓦斯煤三軸力學(xué)伺服實(shí)驗(yàn)裝置，完成了不同瓦斯壓力條件下含瓦斯煤破裂過程中全應(yīng)力應(yīng)變和聲發(fā)射行為同步監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而探求含瓦斯煤破裂過程中的聲發(fā)射行為演化特性，以及聲發(fā)射行為對(duì)瓦斯壓力變化的響應(yīng)特性。研究發(fā)現(xiàn):含瓦斯煤彈性模量、峰值強(qiáng)度及峰值應(yīng)變均隨吸附瓦斯壓力增加而線性降低，且在瓦斯壓力的影響下應(yīng)力應(yīng)變曲線總體上向“低應(yīng)力誘發(fā)大應(yīng)變”方向遷移；受載煤體在破裂過程中隨時(shí)間變化，聲發(fā)射行為演化過程可以劃分為4個(gè)時(shí)期，分別為Ⅰ平靜期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ穩(wěn)定期，其中提速期和加速期累計(jì)計(jì)數(shù)較平靜期分別最高提高了6.39和37.5倍，能量參數(shù)分別最高提高了8.39和43.7倍；受載不含瓦斯煤樣聲發(fā)射演化過程中提速期和加速期的聲發(fā)射參數(shù)累積量均明顯高于同樣加載條件下的含瓦斯樣品，且在提速期和加速期，瓦斯壓力與聲發(fā)射參數(shù)累積量呈指數(shù)函數(shù)衰減關(guān)系。

含瓦斯煤；聲發(fā)射；時(shí)空演化；損傷破壞

含瓦斯煤巖動(dòng)力災(zāi)害是我國(guó)煤礦最為嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害，具有極大的危害性、較強(qiáng)的突發(fā)性以及復(fù)雜的發(fā)生機(jī)理等特點(diǎn)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生了極大的威脅；并且隨著開采強(qiáng)度的增加以及開采深度的延伸，含瓦斯煤巖動(dòng)力災(zāi)害對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅也日益加重[1-2]。含瓦斯煤巖動(dòng)力災(zāi)害在孕育、形成及發(fā)生的過程中往往會(huì)出現(xiàn)諸如煤炮、片幫、離層破裂以及震動(dòng)等煤巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)改變的前兆信息，且往往以“聲音”形式進(jìn)行傳播[3-5]，而對(duì)這種前兆信息的有效捕捉和監(jiān)測(cè)對(duì)于認(rèn)知含瓦斯煤巖動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理以及防治措施的優(yōu)化具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞煤巖體受載變形過程中的聲發(fā)射行為特點(diǎn)以及前兆信息捕捉等方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了很多研究成果:L.Obert W.I.和Duvall[6]利用聲發(fā)射設(shè)備對(duì)巖石開挖引起的破裂位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)并確定了最大應(yīng)力區(qū)；V.L.Shkuratnik等[7-8]基于煤巖體的單軸和三軸加載實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究煤巖體的聲發(fā)射行為特性；國(guó)內(nèi)學(xué)者蘇承東等[9]利用RMT-150B巖石實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)沖擊性煤樣進(jìn)行了單軸、三軸以及卸圍壓試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了不同應(yīng)力路徑下煤體破壞變形的聲發(fā)射特征以及之間的差異；趙毅鑫和姜耀東[10]基于沖擊傾向性煤樣破裂過程中的聲發(fā)射和熱紅外同步監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，嘗試對(duì)沖擊傾向性煤樣失穩(wěn)破壞前兆信息進(jìn)行捕捉；曹樹剛等[11]以突出煤為研究對(duì)象，完成突出煤全應(yīng)力應(yīng)變過程的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，認(rèn)為振鈴事件比能夠準(zhǔn)確地反映煤體變形破壞過程聲發(fā)射行為變化趨勢(shì)；艾婷等[12]在不同圍壓下對(duì)煤體聲發(fā)射行為時(shí)空演化行為進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射參數(shù)的時(shí)空演化過程與應(yīng)力應(yīng)變曲線具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，煤體失穩(wěn)破壞前兆為應(yīng)力峰值的92%～98%。而在含瓦斯煤的實(shí)驗(yàn)研究方面，學(xué)者們開展了創(chuàng)新性嘗試，并且取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展:P.G.Ranjith等[13]嘗試?yán)寐暟l(fā)射儀器對(duì)吸附CO2氣體后的煤樣破裂和損壞過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于自然條件下煤樣，吸附CO2的受載煤體裂隙發(fā)育和擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力比峰值應(yīng)力百分比有所提高，但裂隙破壞時(shí)則相反；尹光志和趙洪寶等[14-15]開展了三軸壓縮條件下的含瓦斯煤聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究，并建立了基于聲發(fā)射特性的含瓦斯煤損傷變形模型；劉延保等[16]利用分形理論對(duì)含瓦斯煤破裂過程中AE序列(聲發(fā)射)關(guān)聯(lián)維數(shù)演化規(guī)律進(jìn)行了探討。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在受載煤體聲發(fā)射行為演化特性方面的研究取得了豐碩成果，為進(jìn)一步認(rèn)知受載含瓦斯煤裂隙發(fā)育、擴(kuò)展及最終貫通破裂機(jī)制和捕捉受載含瓦斯煤失穩(wěn)破壞的前兆信息奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但由于受制于儀器設(shè)備和方法，所進(jìn)行的相關(guān)研究還處于探索階段，尤其是對(duì)含瓦斯煤失穩(wěn)破壞過程中的微破裂事件捕捉和聲發(fā)射演化規(guī)律，以及受載煤體的聲發(fā)射行為對(duì)瓦斯壓力響應(yīng)的認(rèn)知鮮見報(bào)道。因此筆者以含瓦斯煤為研究對(duì)象，利用四川大學(xué)配備有聲發(fā)射同步監(jiān)測(cè)功能的含瓦斯煤三軸力學(xué)伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展在不同瓦斯壓力下，含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射行為演化規(guī)律，以及聲發(fā)射行為對(duì)瓦斯壓力變化響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

開灤趙各莊礦開采歷史較長(zhǎng)、井巷工程及地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，隨著開采深度的不斷延伸，兼具沖擊地壓特征的煤與瓦斯突出事故也不斷增多，累計(jì)共發(fā)生突出事故20多起，其中有記錄的19起突出事故全部發(fā)生在9號(hào)煤層[17]。目前趙各莊礦已延伸至十三水平，9號(hào)煤層埋深超過千米，含瓦斯煤巖動(dòng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)頻發(fā)。實(shí)驗(yàn)煤樣采自趙各莊礦埋深約為1 100 m的9號(hào)煤層，頂板為褐灰色粉砂質(zhì)泥巖，底板為深灰色粉砂質(zhì)泥巖，煤層小構(gòu)造較多且發(fā)育有軟分層，瓦斯含量約為7.5～8.5 m3/t，頂?shù)装鍘r性較為致密且強(qiáng)度較大，煤的普氏系數(shù)約為0.6～1.0，這種“兩硬一軟”構(gòu)造致使煤層透氣性較差，有利于瓦斯的保存。

由于在成煤過程中歷經(jīng)多次大規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，9號(hào)煤層煤介質(zhì)發(fā)育成為一種復(fù)雜的雙重孔隙介質(zhì)，并且發(fā)育有層理等缺陷，具有明顯非均質(zhì)性和各向異性，煤樣加工制作極為困難，容易造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散型較大。因此為了保證煤樣的完整性，將現(xiàn)場(chǎng)采集的原始煤塊用多層保鮮薄膜密封好并放置在大小適當(dāng)?shù)哪鞠鋬?nèi)，然后用素混凝土進(jìn)行分層澆灌至完全包裹好煤塊為止，待混凝土完全硬化后進(jìn)行取芯和打磨，制作成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)煤樣。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，對(duì)制作成的標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行超聲波測(cè)試，選取縱波波速相近的樣品完成實(shí)驗(yàn)，以盡可能減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性[18]。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用由MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)改裝完成的配備有聲發(fā)射同步監(jiān)測(cè)功能的含瓦斯煤三軸力學(xué)伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置主要包含伺服加載系統(tǒng)、孔隙壓力控制系統(tǒng)以及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 含瓦斯煤聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Acoustic emission testing system of coal absorbed gas

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

在室溫下分別完成圍壓恒定為5 MPa，無孔隙壓力、瓦斯壓力0.5，1.0，2.0，3.0，4.0 MPa時(shí)的含瓦斯煤三軸全應(yīng)力應(yīng)變壓縮及聲發(fā)射同步監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。其中加載速率0.1 mm/min，數(shù)據(jù)記錄頻率是1次/s，操作步驟如下：

(1)氣密性檢查，首先用標(biāo)準(zhǔn)金屬試件檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性；

(2)樣品裝配，將樣品安裝到三軸壓力室樣品平臺(tái)上，用熱縮管封裝煤樣并安裝環(huán)向引伸計(jì)和溫度傳感器，連接好數(shù)據(jù)傳輸線，并將高壓氣瓶連接到系統(tǒng)中，檢查系統(tǒng)各部分運(yùn)行是否正常；

(3)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)脫氣及吸附，先將圍壓和軸壓加載到設(shè)定值并穩(wěn)壓，使用真空泵連續(xù)地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)脫氣，當(dāng)系統(tǒng)氣壓降至50 Pa以下時(shí)，開始進(jìn)行煤樣吸附；

(4)開始實(shí)驗(yàn)，待樣品充分吸附后，按照預(yù)定加載速率和路徑開始加載，并進(jìn)行聲發(fā)射系統(tǒng)同步監(jiān)測(cè)；樣品破壞后，通過更換樣品按照既定實(shí)驗(yàn)方案完成剩余實(shí)驗(yàn)。

2 受載含瓦斯煤變形與強(qiáng)度特征

圖2為圍壓5 MPa下無孔隙壓力和孔隙壓力為3 MPa時(shí)三軸壓縮典型的全應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖中M1為常規(guī)三軸壓縮變形曲線；M2為含瓦斯煤三軸壓縮變形曲線，瓦斯壓力為3 MPa)。

圖2 含瓦斯煤三軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Complete stress-strain curves of coal absorbed gas

從圖2可以明顯看出實(shí)驗(yàn)所用煤樣在三軸壓縮變形過程中均經(jīng)歷了壓密、彈性變形、塑性變形以及斷裂破壞(應(yīng)力跌落和殘余應(yīng)力)4個(gè)階段。但是不含瓦斯煤和含瓦斯煤在三軸壓縮過程中所顯現(xiàn)的變形特性存在明顯不同，相對(duì)于不含瓦斯煤樣，充分吸附瓦斯的原生結(jié)構(gòu)煤樣出現(xiàn)明顯的應(yīng)力應(yīng)變初始?jí)好茈A段且此階段應(yīng)力應(yīng)變曲線顯著彎曲下沉，且在6 MPa應(yīng)力下應(yīng)變從0.002 2突增至0.14，彈性模量也隨之降低，以40%的幅度降低至3.33 GPa；另外煤樣在3 MPa瓦斯壓力影響下其峰值強(qiáng)度從33.8 MPa降低到25 MPa左右，下降幅度達(dá)到23.8%。綜上所述，在瓦斯壓力的影響下應(yīng)力應(yīng)變曲線總體上向“低應(yīng)力誘發(fā)大應(yīng)變”方向遷移。

在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)樣品進(jìn)行了超聲波波速測(cè)定并選取相似波速樣品以便完成同一組實(shí)驗(yàn)，雖然無法完全消除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，但隨瓦斯壓力變化含瓦斯煤力學(xué)參數(shù)整體上依然呈現(xiàn)有規(guī)律可循的變化。隨著瓦斯壓力的增加，峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變以及彈性模量均隨之呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖3)，這主要是由瓦斯氣體在煤體內(nèi)部發(fā)生的滲流-擴(kuò)散-吸附作用所引起，瓦斯氣體通過滲流作用進(jìn)入煤體宏觀裂隙和孔隙內(nèi)，并不斷向包含微小孔裂隙的基質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散，一方面宏觀孔裂隙內(nèi)的游離氣體擠推煤壁擴(kuò)充煤體體積，另一方面通過吸附作用附著在煤基質(zhì)表面的吸附態(tài)瓦斯致使基質(zhì)表面能降低且通過不斷楔入基質(zhì)微孔裂隙內(nèi)部促使基質(zhì)膨脹，因此在吸附態(tài)和游離態(tài)瓦斯氣體共同作用下，含瓦斯煤體發(fā)生膨脹變形[18]，造成含瓦斯煤整體密度降低、煤質(zhì)相對(duì)變軟，并出現(xiàn)明顯彎曲下沉的初始?jí)好軕?yīng)力應(yīng)變曲線。相對(duì)于不含瓦斯煤樣三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，含瓦斯煤樣出現(xiàn)低應(yīng)力高應(yīng)變必然造成彈性階段應(yīng)力應(yīng)變曲線向下偏轉(zhuǎn)、彈性模量降低。

另外基于太沙基有效應(yīng)力原理σp=σ1-?p(圖4中,σ1為外部荷載；σp為有效應(yīng)力；p為孔隙壓力；A—A為橫截面)可以做以下分析，其中系數(shù)?取值范圍0～1，對(duì)于孔裂隙極為發(fā)育且整體上與松散土體較為相似的煤體，其內(nèi)部瓦斯氣體必然造成有效圍壓σp的降低、約束裂隙發(fā)育及擴(kuò)展的能力下降，削弱了含瓦斯煤強(qiáng)度；而隨孔隙壓力增加峰值應(yīng)變減小，是由于攜帶動(dòng)能的游離氣體加速主貫通裂隙發(fā)育和擴(kuò)展并使含瓦斯煤在應(yīng)變很小情況下就發(fā)生斷裂破壞，類似于加載速率對(duì)煤巖體力學(xué)特性的影響規(guī)律[19]。

圖3 不同孔隙壓力下含瓦斯煤力學(xué)參數(shù)Fig.3 Mechanical parameters of coal absorbed gas under different pore pressure

此外，圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示隨著孔隙壓力增加泊松比ν差別不大且基本上在0.22～0.26內(nèi)波動(dòng)，與瓦斯壓力無明顯的相關(guān)性。這主要是由于泊松比ν是由彈性變形階段軸向應(yīng)變?chǔ)舩與橫向應(yīng)變?chǔ)舮的比值所確定，影響因素較多，不僅受應(yīng)力環(huán)境以及煤樣非均質(zhì)性和各向異性的影響，而且還受煤層發(fā)育層理、缺陷等以及煤樣加工制作工藝的約束，因此泊松比對(duì)瓦斯壓力變化的響應(yīng)還需要進(jìn)一步的研究。

圖4 煤樣內(nèi)部受力情況示意Fig.4 Diagrammatic sketch of inner stress in coal

3 受載含瓦斯煤聲發(fā)射參數(shù)演化規(guī)律

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)參數(shù)主要有振鈴計(jì)數(shù)、能量、絕對(duì)能量、信號(hào)強(qiáng)度、幅值等多個(gè)參量[20]。其中振鈴計(jì)數(shù)反映聲發(fā)射源的一次材料局部變化，用來體現(xiàn)聲發(fā)射事件的總量和頻度，以及一定程度的信號(hào)幅值；能量為能夠反映聲發(fā)射事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度；因此這兩個(gè)聲發(fā)射參數(shù)也被大多數(shù)研究受載煤巖聲發(fā)射特性的研究人員所利用[5-12]。筆者選用振鈴計(jì)數(shù)(以下簡(jiǎn)稱計(jì)數(shù))和能量參數(shù)對(duì)含瓦斯煤聲發(fā)射行為特性及演化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)分析。

3.1 聲發(fā)射參數(shù)演化過程分析

不含瓦斯煤和含瓦斯煤在三軸壓縮破裂過程中聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量參數(shù)隨時(shí)間演化如圖5，6所示(由于篇幅所限，只列部分樣品)。根據(jù)煤樣失穩(wěn)破裂過程中隨時(shí)間累計(jì)計(jì)數(shù)和能量變化曲線形態(tài)可以將整個(gè)過程劃分為4個(gè)時(shí)期：Ⅰ平靜期，從開始加載至彈性變形全過程結(jié)束(包括全應(yīng)力應(yīng)變過程中的初始?jí)好芎蛷椥宰冃坞A段)，僅僅發(fā)生原生孔裂隙的壓縮、閉合和骨架的彈性變形，以及應(yīng)變能儲(chǔ)集，而未有顯著的損傷出現(xiàn)，因而這個(gè)時(shí)期只有零星的聲發(fā)射計(jì)數(shù)和極少能量釋放率，累計(jì)計(jì)數(shù)和能量相對(duì)于總數(shù)未產(chǎn)生明顯變化；Ⅱ提速運(yùn)動(dòng)期，當(dāng)荷載增加到煤體屈服強(qiáng)度時(shí)，煤樣出現(xiàn)損傷、裂隙開始發(fā)育及擴(kuò)展，應(yīng)力時(shí)間曲線開始偏離直線進(jìn)入到開始出現(xiàn)損傷的塑性變形階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量釋放率顯著增加，累計(jì)計(jì)數(shù)和能量曲線斜率開始增加，此時(shí)期從煤樣發(fā)生屈服開始至斷裂破壞結(jié)束，且較平靜期的累計(jì)計(jì)數(shù)和能量分別提高2.76～6.39倍和3.05～8.69倍；Ⅲ加速運(yùn)動(dòng)期，此時(shí)期從宏觀主裂隙貫通煤體發(fā)生失穩(wěn)斷裂至應(yīng)力跌落為止，由于煤樣的斷裂破壞，應(yīng)變能大量的釋放，促使聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量急速增加，并將累計(jì)計(jì)數(shù)和能量曲線分別拉升到平靜期的13.2～37.5倍和10.9～43.7倍；Ⅳ 穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)期，在進(jìn)入到殘余應(yīng)力階段后，煤樣強(qiáng)度由穩(wěn)定滑移的斷裂塊體之間剪切力提供，劇烈結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)停止，聲發(fā)射活動(dòng)也趨于平緩，斷裂塊體間的穩(wěn)定滑移所產(chǎn)生較少計(jì)數(shù)和較弱能量釋放率使聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)和能量呈現(xiàn)穩(wěn)定增加的趨勢(shì)。

圖5 煤常規(guī)三軸加載破裂過程中聲發(fā)射參數(shù)演化Fig.5 Acoustic emission parameters of coal in process fracture of under triaxial compression

圖6 含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射參數(shù)演化Fig.6 Acoustic emission parameters of coal in process fracture of under triaxial compression

另外，含瓦斯煤在三軸壓縮變形過程中呈現(xiàn)出兩種應(yīng)力時(shí)間曲線形態(tài)，既有峰后彈性能釋放猛烈的脆性變形也有具有塑形流動(dòng)特性的延性變形，如圖6所示。這兩種含瓦斯煤在失穩(wěn)破壞過程中的聲發(fā)射演化行為存在明顯差別，主要有以下兩點(diǎn)：

(1)對(duì)于具有峰后彈性能釋放猛烈的脆性變形煤樣，其失穩(wěn)破壞過程中聲發(fā)射行為的平靜期、提速期、加速期以及穩(wěn)定期具有明顯范圍和界限，而對(duì)于峰后出現(xiàn)塑形流動(dòng)并未猛烈釋放大量彈性能的煤樣，其聲發(fā)射提速期和加速期界限不明顯，聲發(fā)射參數(shù)時(shí)間曲線在這兩個(gè)時(shí)期保持一致的直線形態(tài)。

(2)另外具有脆性變形特征的煤樣，其聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量瞬時(shí)峰值均出現(xiàn)在加速期；而峰后呈現(xiàn)塑形流動(dòng)變形的煤樣，其聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量的瞬時(shí)峰值則出現(xiàn)在提速期。

3.2 瓦斯壓力對(duì)聲發(fā)射行為演化影響分析

含瓦斯煤力學(xué)參數(shù)在游離態(tài)和吸附態(tài)瓦斯氣體的綜合影響之下發(fā)生變化，瓦斯氣體不僅削弱了含瓦斯煤峰值強(qiáng)度和彈性模量，改變了全應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)，而且還改變了含瓦斯煤破裂失穩(wěn)過程中的聲發(fā)射行為特性。圖7為隨瓦斯壓力變化聲發(fā)射參數(shù)在提速期和加速期的演化規(guī)律。

圖7 含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射參數(shù)演化Fig.7 Acoustic emission parameters of coal in process fracture of under triaxial compression

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在三軸壓縮變形全過程中不含瓦斯煤在提速期的聲發(fā)射參數(shù)(累計(jì)計(jì)數(shù)和能量)均明顯高于同樣加載條件下含瓦斯煤在提速期的聲發(fā)射參數(shù)，其累計(jì)計(jì)數(shù)和能量參數(shù)分別為含瓦斯煤的4.3～7.9倍和3.7～14.1倍。在提速期瓦斯壓力分別與累計(jì)計(jì)數(shù)和能量參數(shù)呈指數(shù)衰減函數(shù)關(guān)系，隨著瓦斯壓力增加，累計(jì)計(jì)數(shù)和能量參數(shù)先是迅速降低而后呈指數(shù)式衰減。

加速期的聲發(fā)射參數(shù)演化特征與提速期較為相似，瓦斯壓力同樣與聲發(fā)射參數(shù)呈指數(shù)衰減函數(shù)關(guān)系，不含瓦斯煤累計(jì)計(jì)數(shù)和能量在加速期相對(duì)于含瓦斯煤分別提高了2.6～6.2倍和3.4～7.8倍。但是在加速期瓦斯壓力和聲發(fā)射參數(shù)擬合吻合程度明顯低于提速期，出現(xiàn)這種情況主要是由此時(shí)期煤體所處應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜性所致，聲發(fā)射行為加速期主要對(duì)應(yīng)煤體的應(yīng)力跌落過程，在此階段煤體失穩(wěn)斷裂成多個(gè)塊體，不僅存在摩擦滑移連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題，還存在斷裂塊體間的結(jié)構(gòu)問題以及高壓瓦斯對(duì)煤巖體沖擊的動(dòng)力學(xué)問題。

瓦斯氣體對(duì)含瓦斯煤聲發(fā)射行為的削弱作用主要存在以下原因：一方面在游離和吸附態(tài)瓦斯氣體的共同作用下弱化了煤體的力學(xué)性能且使其具有了蠕變傾向，降低了變形破壞的激烈程度；另一方面游離態(tài)氣體降低了含瓦斯煤的有效圍壓，降低了裂隙發(fā)育及擴(kuò)展的難度，這兩方面的原因共同造成受載煤體的聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量釋放率減小。此外，含瓦斯煤中瓦斯氣體所形成的“氣墊”對(duì)煤體破裂所釋放彈性能的吸收和緩沖，也在一定程度上弱化了聲發(fā)射行為。

4 結(jié) 論

(1)含瓦斯煤和不含瓦斯煤在三軸壓縮過程中具有相同的變形演化規(guī)律，即均存在壓密、彈性變形、塑性變形以及失穩(wěn)斷裂4個(gè)階段；含瓦斯煤彈性模量、峰值強(qiáng)度及峰值應(yīng)變均隨瓦斯壓力增加而降低，且在瓦斯壓力的影響下應(yīng)力應(yīng)變曲線總體上向“低應(yīng)力誘發(fā)大應(yīng)變”方向遷移。

(2)受載煤體在破裂過程中，隨時(shí)間變化聲發(fā)射參數(shù)演化過程可以劃分為4個(gè)時(shí)期：Ⅰ平靜期，Ⅱ提速期，Ⅲ加速期以及Ⅳ穩(wěn)定期。

(3)在受載不含瓦斯煤在破裂過程中，聲發(fā)射提速期和加速期的累計(jì)計(jì)數(shù)和能量均明顯高于同樣加載條件下的含瓦斯煤樣。且在提速期和加速期，瓦斯壓力與聲發(fā)射參數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著瓦斯壓力增加，累計(jì)計(jì)數(shù)和能量參數(shù)先是迅速降低而后逐漸呈指數(shù)式衰減。

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Investigationonacousticemissioncharacteristicsinfailureprocessofcoalabsorbedmethane

MENG Lei1,2，WANG Hong-wei2,LI Xue-hua2,ZHAO Yi-xin1,2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)

In order to acquire the evolution characteristics of acoustic emission in failure process of coal absorbed methane,the raw coal absorbed gas was used as the object of study in this paper and the acoustic emission behavior evolution characteristics in failure process of coal absorbed gas under different pore pressure was performed by using triaxial servo-controlled press equipment with acoustic emission synchronous detection function for coal absorbed gas.The results show as follows:mechanical parameters of the coal absorbed gas such as elastic modulus,peak strength and peak strain decrease as increase of gas pressure,and the stress-strain curve transfers to“l(fā)arge strain induced by low stress”under the influence of gas;the acoustic emission behavior evolution of coal can be divided into four phases with time,including quiet period,slow acceleration period,acceleration period and stationary period;cumulative ring counts of slow acceleration and acceleration period increases respectively 6.39 and 37.5 times in comparison with quiet period,and energy parameters increases respectively 8.39 and 43.7 times in comparison with quiet period;the acoustic emission parameters of slow acceleration period and acceleration period in failure process of coal mass under load are obviously higher than coal mass absorbed gas under the same conditions,in addition,the acoustic emission parameters have exponential attenuation relationships with gas pressure in the acceleration period.

coal absorbed methane；acoustic emission；time-space evolution；failure and damage

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2002

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226804);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174213);煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(SKLCRSM13KFB10)

孟 磊(1986—)，男，河南鶴壁人，博士。E-mail：tntmlove@126.com

TD315;TD712

A

0253-9993(2014)02-0377-07

孟 磊，王宏偉，李學(xué)華,等.含瓦斯煤破裂過程中聲發(fā)射行為特性的研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):377-383.

Meng Lei，Wang Hongwei,Li Xuehua,et al.Investigation on acoustic emission characteristics in failure process of coal absorbed methane[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):377-383.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2002