非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤試樣受載破壞過程聲電特征研究

周浩 趙洋 吳子謙 武浩 王平勇

安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院 淮南 232001

非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤試樣受載破壞過程聲電特征研究

周浩 趙洋 吳子謙 武浩 王平勇

安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院 淮南 232001

為研究非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤試樣受載破壞過程的聲電特征，進(jìn)行了非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤的單軸和單軸循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，并同步采集了聲發(fā)射和電磁輻射信號。分析了單軸加載和單軸循環(huán)加載過程的聲電信號特征，分析了不同階段煤體所釋放的電磁輻射能量特征。結(jié)果表明：煤體受載破壞過程的聲電信號均雖應(yīng)力的增大而增大，具有較好的同步性；非標(biāo)準(zhǔn)煤樣的破裂形式與標(biāo)準(zhǔn)煤樣不同，呈現(xiàn)了環(huán)狀裂紋。

非標(biāo)準(zhǔn)試樣；聲發(fā)射；電磁輻射；環(huán)狀裂紋

引言

近年來，針對煤巖受載破裂、瓦斯吸附等過程中聲發(fā)射、電磁輻射信號特征的實(shí)驗(yàn)研究逐漸成為煤巖動(dòng)力災(zāi)害研究的主要方向之一。大量研究表明，采用聲發(fā)射和電磁輻射信號的采集分析能有效揭示煤巖內(nèi)部的細(xì)微受載破壞活動(dòng)，從而推斷煤巖內(nèi)部損傷演化的某些規(guī)律，在預(yù)測、預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害中起到了一定的作用。

然而，以往的實(shí)驗(yàn)研究多使用煤巖樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸，而現(xiàn)場條件很少出現(xiàn)這種理想狀態(tài)，為研究非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤試樣受載破壞過程的聲電特征，本文設(shè)計(jì)進(jìn)行了非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤的單軸和單軸循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果可作為此類實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)補(bǔ)充及其他方面的參考。

1、煤樣壓縮實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由YAW系列微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、GP6高效電磁屏蔽系統(tǒng)、CTA-1聲電數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)煤樣采自淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦原煤，經(jīng)加工制成實(shí)驗(yàn)所需樣本。樣本尺寸設(shè)置為Φ=75mm×40mm。根據(jù)工程中可能出現(xiàn)的應(yīng)力途徑，設(shè)計(jì)了單軸加載和單軸循環(huán)加載兩種形式的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共采用4組試樣，單軸加載和單軸循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)各兩組，每組中運(yùn)用聲發(fā)射探頭，電磁輻射探頭各三個(gè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中的聲發(fā)射、電磁輻射信息，以用于后期理論分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)測試方案

兩種實(shí)驗(yàn)加載方式均采用力控制，加載速度均保持在200N/s。單軸加載方式是指對煤體進(jìn)行一次軸向壓縮直至煤體破壞。單軸循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)的過程：將煤體載荷值加載到4KN后保持速度-200N/s卸載到零負(fù)載，然后保持空載90s。第一個(gè)循環(huán)完成，繼續(xù)加載，并將每次循環(huán)載荷峰值設(shè)置為比上一循環(huán)載荷峰值增加4KN。循環(huán)全部結(jié)束后，以200N/s加載直至試樣破壞。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同加載方式的聲電響應(yīng)特征

2.2.1 聲發(fā)射特征

聲發(fā)射是指材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣在受到單軸加載方式的作用下，初始階段煤體處于壓實(shí)階段，聲發(fā)射信號波峰值很小，在75s，90s，100s，110s時(shí)聲發(fā)射能量有較大幅度的變動(dòng)，煤樣內(nèi)部開始出現(xiàn)細(xì)微裂紋，且出現(xiàn)波峰的時(shí)間間隔趨于縮短，表明內(nèi)部破壞速度加快。在120s時(shí)聲發(fā)射能量達(dá)到最大，表示非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣內(nèi)部發(fā)生了較大的破壞；非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣在受到單軸循環(huán)加載方式的作用下，初始階段聲發(fā)射信號值較小且呈平穩(wěn)狀態(tài)，隨著單軸循環(huán)加載載荷達(dá)到峰值，聲發(fā)射能量也出現(xiàn)小幅度的增長達(dá)到該時(shí)間點(diǎn)鄰域內(nèi)的極大值，但前幾次不同峰值下聲發(fā)射能量相當(dāng)，到770s時(shí)，聲發(fā)射能量激增，達(dá)到最大值后下落，表明非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣發(fā)生了較大的破壞。

3、總體能量釋放特征對比

“DM”的代表意義是單向壓縮煤樣樣本，“XM”代表循環(huán)加卸載煤巖樣本。將DM-1與XM-4對比，DM-3與XM-2對比，發(fā)現(xiàn)單軸循環(huán)加載方式的總釋放能量更大；平均每秒的能量釋放量為單軸加載方式的30%~60%；單軸循環(huán)加載形式的單次信號能量值比單軸加載形式高出將近一倍。

在本實(shí)驗(yàn)的單軸循環(huán)加載過程中，加、卸載速率設(shè)為定值，從表2中可以看出，每次加、卸載的能量釋放值相差不大，說明在加載時(shí)，非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣由于受壓內(nèi)部摩擦和產(chǎn)生裂隙所釋放的能量值與卸載時(shí)由于彈性形變還原時(shí)內(nèi)部摩擦等過程所釋放的能量值基本一致。因此，非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣采用單軸循環(huán)加載作用形式時(shí)，一次形變與還原過程中均釋放能量，且釋放時(shí)間較長，能量釋放量比純單軸加載形式高。結(jié)合兩種加載形式破壞過程的載荷特征，可知單軸循環(huán)加載形式煤體破壞過程釋放能量緩慢但總量卻極大，表明內(nèi)部破壞程度高，所以單軸循環(huán)加載形式作用下的破壞載荷比單軸加載形式作用下的破壞載荷高。

4、結(jié)論

⑴非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤在單軸循環(huán)加載形式作用下，破壞速率慢，破壞強(qiáng)度小。

⑵聲發(fā)射能量在煤體破壞的小范圍時(shí)間內(nèi)都出現(xiàn)了累加波動(dòng)：先小范圍的增值，在破壞時(shí)大范圍增值。電磁輻射能量在單軸循環(huán)加載形式的作用下初期小，中期波動(dòng)幅度較大，后期波動(dòng)范圍變小并趨于平穩(wěn)。

⑶單軸循環(huán)加載作用下非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣的總能量釋放比單軸加載形式作用下非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤的總能量釋放大。平均每秒釋放能量與每次信號的能量釋放量不同，呈此消彼長的特征，印證了總耗散能量是聲發(fā)射的總機(jī)械能量和電磁輻射能量的累加。

⑷單軸循環(huán)加載形式作用過程中，加載階段和卸載階段均釋放能量，且能量值基本相當(dāng)。每一個(gè)循環(huán)壓卸載過程中釋放電磁能大體相當(dāng)。

⑸單軸循環(huán)加載形式作用下和單軸加載形式作用下非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣破壞載荷值與其總能量釋放有關(guān)，能量釋放越大，破壞載荷值越低。

⑹非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤的破壞外觀是層裂，裂紋呈環(huán)形紋路，區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造煤樣的破壞外觀。其機(jī)理是加載過程中，先產(chǎn)生裂隙，卻未完全破裂，當(dāng)力加載到破壞載荷值時(shí)，所有的裂隙貫穿起來使煤樣完全破壞并釋放較大能量。

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