峰值前后多次加載下煤樣聲發(fā)射特征
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賈炳，魏建平，溫志輝
（1．河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南焦作454000；
2．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；
3．煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454000）
摘要：掌握峰值前后多次加載下煤樣聲發(fā)射變化規(guī)律，對(duì)研究煤礦開采中不同變形部位煤巖裂縫演化至關(guān)重要。利用RMT - 150B型巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及CDAE -1全數(shù)字化聲發(fā)射檢測(cè)及分析系統(tǒng)，采取焦作礦區(qū)煤樣進(jìn)行了峰值前后多次加載下的應(yīng)力一應(yīng)變一聲發(fā)射測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果顯示：首次加載時(shí)聲發(fā)射參數(shù)呈現(xiàn)“漸變性”的變化特征，隨后加載時(shí)聲發(fā)射變化呈現(xiàn)“分段性”特征。并且隨著加載次數(shù)的增加煤巖的Felicity效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，體現(xiàn)了煤巖記憶的超前性。同時(shí)，隨著加載次數(shù)的增加，煤樣時(shí)間一聲發(fā)射曲線較時(shí)間一應(yīng)力曲線的滯后性逐漸增強(qiáng)。這些特征的研究可以為煤礦井下地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；加卸載；聲發(fā)射；實(shí)驗(yàn)
0 引言
隨著煤礦開采過(guò)程中回采工作面的推進(jìn)，地應(yīng)力不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致其周圍煤巖體處于近似多次加卸載狀態(tài)。由于不同區(qū)域煤巖體距離工作面長(zhǎng)度不一，受力狀態(tài)不同，對(duì)于不同區(qū)域，煤巖變形破壞特征也呈現(xiàn)差異性。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)作為煤礦目前廣泛應(yīng)用的安全監(jiān)測(cè)手段，準(zhǔn)確掌握不同變形、破壞過(guò)程聲發(fā)射的變化規(guī)律，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤巖破壞特征，及時(shí)采取防治措施具有重要意義。針對(duì)煤巖變形、破壞過(guò)程中聲發(fā)射變化特征以往學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。其中一些學(xué)者通過(guò)改變加載速度、加載方式、圍壓大小等靜態(tài)測(cè)試條件以及變圍壓、動(dòng)態(tài)干擾等動(dòng)態(tài)測(cè)試條件，研究不同測(cè)試條件下聲發(fā)射參數(shù)的變化特征。一些學(xué)者結(jié)合應(yīng)力一應(yīng)變、巖石變形等加載過(guò)程對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行階段劃分，分析不同加載階段聲發(fā)射參數(shù)的變化特征及其異同。一些學(xué)者主要是從測(cè)試結(jié)果人手，分析樣品的Felicity效應(yīng)特征、Kaiser效應(yīng)特征、頻譜特征、破壞前兆特征以及聲發(fā)射與內(nèi)部損傷之間的關(guān)系。以往學(xué)者在聲發(fā)射方面進(jìn)行了較多的研究，但是對(duì)于多次加卸載過(guò)程中峰前加卸載與峰后加卸載、峰前多次加卸載、峰后多次加卸載的聲發(fā)射特征差異性對(duì)比方面研究相對(duì)較少�；诖�，本文采用三軸應(yīng)力加載裝置和聲發(fā)射接收裝置，進(jìn)行了峰前、峰后多次加卸載實(shí)驗(yàn)，分析其聲發(fā)射特征。以期提高采用聲發(fā)射對(duì)煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害、沖擊地壓等災(zāi)害預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
1 峰值前后加載時(shí)聲發(fā)射測(cè)試
1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及原理
試驗(yàn)系統(tǒng)采用河南理工大學(xué)的RMT - 150B型巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)和CDAE -1聲發(fā)射儀，其中巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)主要是包括軸壓加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)等，聲發(fā)射儀主要是包括聲發(fā)射采集探頭、前置放大器、帶有數(shù)據(jù)采集軟件的主機(jī)等，試驗(yàn)裝置原理示意圖如圖1所示。
巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)通過(guò)軸壓系統(tǒng)和圍壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣的加載與控制，通過(guò)傳感器對(duì)加載過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。在煤樣加載變形過(guò)程中，由于煤巖內(nèi)部原有裂隙的閉合與張開、新生裂隙的形成，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的不同頻度、幅度的聲發(fā)射信號(hào)。這些信號(hào)通過(guò)安裝在樣品缸外壁的聲發(fā)射采集探頭進(jìn)行采集，采集以后經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)行預(yù)處理，最后以數(shù)據(jù)、圖表等形式顯示出加載過(guò)程的聲發(fā)射特征。
1.2樣品制備及實(shí)驗(yàn)方案
根據(jù)實(shí)驗(yàn)煤樣制作要求，在焦作礦區(qū)采集煤樣后，采用切割機(jī)、制樣機(jī)將煤樣制成直徑為50 mm，長(zhǎng)度為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)柱狀樣。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣峰值前、峰值后加載過(guò)程中聲發(fā)射特征的分析與對(duì)比。在考慮煤樣強(qiáng)度，保證完成測(cè)試的前提下，進(jìn)行四次加卸載，其中包含兩次峰值前加卸載和兩次峰值后加卸載。由于隨著煤巖與采掘面之間距離的減小，煤巖的變形、破壞逐漸增強(qiáng)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這一過(guò)程的近似模擬，將加載峰值依次設(shè)計(jì)為峰值時(shí)位移量的70%、90%、110%、130%，并對(duì)加卸載過(guò)程中的應(yīng)力一應(yīng)變一聲發(fā)射特征進(jìn)行了測(cè)試與記錄。最終得出峰值前后加卸載過(guò)程中聲發(fā)射特征。
在實(shí)驗(yàn)儀器啟動(dòng)以后，將煤樣放入樣品缸內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)置加載參數(shù)。①采用圍壓／力加載方式，將圍壓以0.5 MPa/s的速度，加載到5.00 MPa，同時(shí)軸向應(yīng)力以1. 00 kN/s的速度進(jìn)行加載，當(dāng)圍壓達(dá)到5.00MPa時(shí)結(jié)束。②保持圍壓不變，采用位移控制模式，以0. 005 0 mm/s速度，繼續(xù)軸向加載，加載至應(yīng)力峰值時(shí)位移量（實(shí)驗(yàn)前同類樣測(cè)試值的均值）的70 %附近停止。③保持圍壓不變，采用位移控制模式，以0. 005 0m m/s速度進(jìn)行卸載。④重復(fù)步驟②~③依次加載至應(yīng)力峰值時(shí)位移量的90%、110%、130 %，直至測(cè)試結(jié)束。
1.3煤樣應(yīng)力一應(yīng)變測(cè)試結(jié)果
根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皩?shí)驗(yàn)方案要求，對(duì)煤樣進(jìn)行了峰值前后加載過(guò)程中的聲發(fā)射測(cè)試，由于不同煤樣的聲發(fā)射變化規(guī)律相似，為了避免重復(fù)性論述，以1#、2#煤樣為例進(jìn)行論述，其中應(yīng)力一應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖2所示。
2 峰值前后加載時(shí)聲發(fā)射特征的差異性
本文選取代表性煤樣1#、2#煤樣測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，其中以1#煤樣論述為主。
2.1 峰值前后加載時(shí)聲發(fā)射特征
為了考慮峰值破壞對(duì)煤樣聲發(fā)射特征的影響，將其加卸載過(guò)程的聲發(fā)射過(guò)程分為峰值前加卸載過(guò)程和峰值后加卸載過(guò)程兩個(gè)階段分開進(jìn)行分析、對(duì)比。
2.1.1 峰值前加載過(guò)程聲發(fā)射變化特征
根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)煤樣進(jìn)行了峰值前兩次加卸載過(guò)程聲發(fā)射參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
通過(guò)對(duì)上述測(cè)試結(jié)果分析可知兩個(gè)煤樣的變化規(guī)律相似，以1#煤樣為例進(jìn)行論述，通過(guò)峰前加卸載過(guò)程的聲發(fā)射特征進(jìn)行分析得出，隨峰前加卸載進(jìn)行，聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量的變化趨勢(shì)大致相同，其中具體變化特征如下：
1)峰值前第一次加載過(guò)程中，加載至峰值破壞時(shí)位移量的79. 6%，在加載初期煤樣主要是處于壓密階段和彈性變形階段，有零星的聲發(fā)射事件，聲發(fā)射幅度較小，能量較弱。該階段聲發(fā)射事件的產(chǎn)生主要是由于孔裂隙的閉合以及局部弱面的壓實(shí)，在煤樣內(nèi)部形成損傷變形，產(chǎn)生少量的聲發(fā)射事件。隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量均快速增加，直至第一次加載至46MPa結(jié)束。該階段聲發(fā)射事件的產(chǎn)生主要是由于加載引起煤樣內(nèi)部局部弱面發(fā)生塑性變形，造成損傷，產(chǎn)生了新生裂隙，聲發(fā)射計(jì)數(shù)逐漸增加。并且隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，塑性變形區(qū)域逐漸增大，產(chǎn)生聲發(fā)射事件的幅值逐漸增大，聲發(fā)射能量增加。
2)峰值前第一次卸載過(guò)程中，在卸載初期聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度快速降低，其中聲發(fā)射能量降低速度相對(duì)前兩者較慢。隨后，隨著卸載進(jìn)行，聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量均逐漸減小，同時(shí)降低速度逐漸減小。這主要是由于隨著卸載進(jìn)行，煤巖塑性變形區(qū)域受到的應(yīng)力逐漸減小，繼續(xù)造成損傷的能力降低，新生損傷量增加速度逐漸降低造成的。
3)峰值前第二次加載過(guò)程中，加載至峰值破壞時(shí)位移量的93. 0%。在加載初期聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量逐漸增加，但是增加速度較第一次緩慢，存在一個(gè)相對(duì)平靜期。這主要是由于一次加載過(guò)程中對(duì)煤樣內(nèi)部的孔裂隙、弱面進(jìn)行了壓實(shí)，一些尖銳棱角被磨平。在二次加載過(guò)程中這些弱面被再次壓實(shí)時(shí)，可被破壞弱面減少，加載初期損傷量減少。因此，產(chǎn)生破壞的聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度均減小。當(dāng)繼續(xù)加載至45 MPa附近時(shí)，由于煤樣內(nèi)部的一些次級(jí)弱面開始發(fā)生破壞，產(chǎn)生新生裂縫，聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量均開始快速增加，并且增加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加載初期，顯示了煤巖較強(qiáng)的記憶性。
4)峰值前第二次卸載過(guò)程中，聲發(fā)射參數(shù)的變化規(guī)律和第一次卸載時(shí)大致相似。但是其聲發(fā)射幅度整體上大于第一次卸載時(shí)的聲發(fā)射幅度。主要是由于加載次數(shù)的增加，導(dǎo)致塑性區(qū)域逐漸增大，易于在煤巖內(nèi)部形成損傷，即使是在較小應(yīng)力下也能產(chǎn)生幅值較大的聲發(fā)射事件。
2.1.2峰后加卸載時(shí)聲發(fā)射特征
峰值后加卸載過(guò)程中測(cè)的聲發(fā)射參數(shù)特征如圖4所示。
通過(guò)對(duì)上述測(cè)試結(jié)果分析可知兩個(gè)煤樣的變化規(guī)律相似，以1#煤樣為例進(jìn)行論述，其變化規(guī)律如下：
1)峰值后第一次加載時(shí)，加載至峰值破壞時(shí)位移量的110. 8%，在加載前期聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量都呈逐漸增加的趨勢(shì)，但是增加速度緩慢，存在相對(duì)的平靜期。當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到41 MPa時(shí)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量開始呈線性快速增加。時(shí)間一聲發(fā)射曲線較時(shí)間一應(yīng)力曲線具有一定的滯后性。主要是由于峰值破壞引起煤巖內(nèi)部較大范圍發(fā)生塑性變形，造成大面積損傷，導(dǎo)致煤巖抵抗變形能力降低。雖然應(yīng)力開始減小，但是較小的應(yīng)力依然可以引起煤巖發(fā)生破壞，聲發(fā)射參數(shù)繼續(xù)增加。同時(shí)，由于煤樣本身的Felicity效應(yīng)，導(dǎo)致聲發(fā)射快速增加時(shí)的應(yīng)力值小于前一次加載時(shí)的最大應(yīng)力值。與前兩次加載相比，由于塑性變形區(qū)域的逐漸增大，所以再次加載至破壞時(shí)，聲發(fā)射的計(jì)數(shù)、幅度、能量均大于之前的峰值。
2)峰值后第一次卸載時(shí)，在卸載初期聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量快速降低。主要是由于隨著應(yīng)力卸載對(duì)煤巖的擠壓作用減小，煤巖內(nèi)部再次損傷減弱，聲發(fā)射參數(shù)減小。在卸載后期，聲發(fā)射參數(shù)降低速度逐漸變緩，但是聲發(fā)射參數(shù)整體高于峰值前卸載時(shí)的聲發(fā)射參數(shù)值。尤其是聲發(fā)射幅度，在降低一段時(shí)間后，又開始上升，維持在較高水平波動(dòng)。主要是由于破壞區(qū)域比較大，易于形成較大范圍的應(yīng)力集中，發(fā)生破壞時(shí)產(chǎn)生聲發(fā)射事件的幅度比較大。
3)在峰值后第二次加載時(shí)，加載至峰值破壞時(shí)位移量的130. 1%，其變化規(guī)律和峰值后第一次加載時(shí)相似。當(dāng)加載到應(yīng)力為39 MPa左右時(shí)，聲發(fā)射快速增加。其時(shí)間一聲發(fā)射曲線稍微滯后于時(shí)間一應(yīng)力曲線。并且聲發(fā)射快速增加的加載應(yīng)力小于上一次的最大加載應(yīng)力48 MPa。
4)峰值后第二次卸載時(shí)，在卸載初期聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、能量快速降低。其原因和峰值后第一次卸載時(shí)相似。在卸載后期，聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量維持在一定水平波動(dòng)，聲發(fā)射幅度又有所上升�？傮w上，聲發(fā)射參數(shù)值較前一次有所上升。
2.2 峰值前后加載時(shí)煤樣的Kaiser效應(yīng)和Felicity效應(yīng)特征
煤巖本身具有較好的記憶性，不同煤巖記憶特征的不同，導(dǎo)致聲發(fā)射特征也呈現(xiàn)差異性。Kaiser效應(yīng)是指加載過(guò)程中當(dāng)加載應(yīng)力超過(guò)上一次最大加載力時(shí)，聲發(fā)射快速產(chǎn)生的現(xiàn)象。Felicity效應(yīng)是指加載過(guò)程，在加載應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到上一次最大加載應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射就快速產(chǎn)生的現(xiàn)象。其中Kaiser效應(yīng)的強(qiáng)弱可以采用加載時(shí)聲發(fā)射快速產(chǎn)生時(shí)的應(yīng)力值與上一次加載時(shí)最大應(yīng)力值的比值表示，即：
式中：σ，為聲發(fā)射快速產(chǎn)生時(shí)的應(yīng)力值，MPa；σ，為上次加載時(shí)的應(yīng)力最大值，MPa。
對(duì)于1#煤樣，在第一次加載時(shí)，加載至46 MPa，然后卸載；第二次加載時(shí)，當(dāng)加載至45 MPa時(shí)，聲發(fā)射參數(shù)開始快速增加，此時(shí)F，=97.8%，繼續(xù)加載至51MPa，加載結(jié)束；第三次加載至45 MPa時(shí)，聲發(fā)射參數(shù)開始快速增加，此時(shí)F。‘=88.2%，繼續(xù)加載至48 MPa，加載結(jié)束；第四次加載時(shí)，加載至39 MPa時(shí)，聲發(fā)射參數(shù)開始快速增加，此時(shí)Fe= 81. 3%。
從各階段計(jì)算結(jié)果可以看出：隨著加載次數(shù)的增加，F(xiàn)。值逐漸減小，顯示出較好的Felicity效應(yīng)，體現(xiàn)了煤樣對(duì)聲發(fā)射記憶的超前性，并隨加載次數(shù)增加逐漸增強(qiáng)。主要是由于隨著加載進(jìn)行，在煤樣內(nèi)部引起損傷量增加，抵抗能力減弱，在應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到上次加載應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射事件就大量產(chǎn)生。
2.3 峰值前后加載時(shí)聲發(fā)射差異性
通過(guò)對(duì)峰值前后多次加載過(guò)程聲發(fā)射特征的測(cè)試與分析可以得出峰值前后加卸載過(guò)程中聲發(fā)射特征具有以下差異性：
1)多次加卸載過(guò)程中，一次加載時(shí)聲發(fā)射參數(shù)呈現(xiàn)出一直增加的趨勢(shì)，并且增加速度緩慢增加。二次及以后加載時(shí)．聲發(fā)射參數(shù)變化呈現(xiàn)兩個(gè)階段性特征，開始階段增加緩慢，為相對(duì)平靜期；在加載至一次加載峰值時(shí)，聲發(fā)射參數(shù)開始呈現(xiàn)出近似指數(shù)形式的快速增加。聲發(fā)射參數(shù)呈現(xiàn)這種變化規(guī)律主要是由于兩方面原因：一是一次加載時(shí)對(duì)孔裂隙的不可恢復(fù)性壓密以及對(duì)存在棱角弱面的擠壓、磨平，使后期再次加載時(shí)，在加載初期存在一個(gè)相對(duì)的平靜期。二是煤樣本身較強(qiáng)的記憶性。因此，在進(jìn)行煤礦井下地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)時(shí)，要加強(qiáng)周期來(lái)壓過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)平靜期特征的分析，以便于及時(shí)掌握煤巖變形特征。
2)隨著加卸載次數(shù)的增加，煤樣逐漸顯現(xiàn)出較強(qiáng)的Felicity效應(yīng)，體現(xiàn)了煤樣對(duì)聲發(fā)射記憶的超前性，這一規(guī)律與文獻(xiàn)[13]得出的趨勢(shì)相似。主要是隨著加卸載次數(shù)的增加，煤巖本身強(qiáng)度逐漸降低，抵抗變形破壞的能力逐漸降低，在較小的應(yīng)力下就可以引起較大范圍的塑性變形與破壞。所以，在應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到上一次加載時(shí)的應(yīng)力時(shí)，就開始有大量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生。利用煤樣的這一特征，可以及時(shí)掌握煤巖的受力情況，為災(zāi)害的預(yù)測(cè)提供應(yīng)力特征信息。
3)加卸載過(guò)程中峰值后聲發(fā)射參數(shù)在整體上大于峰前聲發(fā)射參數(shù)。在峰后聲發(fā)射參數(shù)具有較高值，主要是經(jīng)過(guò)峰值后破壞階段，煤巖發(fā)生了較大范圍的塑性變形，煤巖強(qiáng)度降低，在較低的應(yīng)力作用下，就會(huì)在煤巖內(nèi)部產(chǎn)生變形、破壞，發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)。
3 結(jié)論
1)首次加載時(shí)聲發(fā)射參數(shù)具有漸變性增加的特征，隨后加載時(shí)聲發(fā)射變化呈現(xiàn)出分段性特征。即在煤礦開采過(guò)程中，初次來(lái)壓時(shí)，煤巖聲發(fā)射參數(shù)呈現(xiàn)出漸變性；在隨后周期來(lái)壓過(guò)程中，煤巖聲發(fā)射變化呈現(xiàn)出階段性特征。
2)隨著加載次數(shù)的增加煤巖的Felicity效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，體現(xiàn)了煤巖記憶的超前性。在基于聲發(fā)射進(jìn)行煤礦井下地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)時(shí)，要注意煤巖的Felicity效應(yīng)影響。
3)加卸載過(guò)程中，聲發(fā)射變化特征與應(yīng)力變化特征相比具有一定滯后性，并且峰值后聲發(fā)射參數(shù)整體上較峰值前大。所以，對(duì)于處于不同受力狀態(tài)煤巖，其聲發(fā)射特征要區(qū)別對(duì)待，才能起到較好預(yù)測(cè)效果。
