煤岩声发射时空演化规律的实验研究

煤岩声发射时空演化规律的实验研究

20世纪50年代，对采石场和阿尔伯茨克的声音发射特征的研究始于20世纪50年代。然而，与其他岩石相比，在变形和破坏过程中的声音传播特征方面几乎没有成果。主要原因有2个:一是煤岩材料特殊,结构复杂,其AE特性研究相对较复杂。煤岩是一种生物高聚合物沉积岩,岩体中分布着大量的孔隙、裂隙、层理等诸多缺陷,具有明显的非均质性和各向异性;从力学行为上讲,煤具有瞬时变形、弹性迟滞和不可逆转的塑性变形等黏弹性材料具有的特性,因此,典型弹塑性岩石材料AE特征不能简单用于描述煤岩的性质。二是从实验实施的角度来说,煤样制作加工较困难,试验结果离散性大,对仪器精度及抗噪等要求高。基于以上原因,只有少部分学者对煤岩体在三轴等复杂应力状态下的声发射特性进行了研究。苏承东等研究了冲击倾向性煤在三轴和三轴卸围压条件下的声发射特性,并将两种情况加以比较;曹树刚等研究了不同围压下煤样AE信号的变化趋势,并将其与单轴情况进行了比较;刘保县等引入了损伤变量,建立了损伤变量与AE累计振铃数的关系式;ShkuratnikVL等通过开展循环加载实验,研究了煤岩在复杂应力过程中声发射的记忆效应;VoznesenskiiAS等研究了加载过程中试件上下2个部分对应的AE参数特征,并着重分析比较了它们在主裂纹形成阶段的差异性;赵洪宝等研究了含瓦斯煤样在三轴压缩过程中的声发射特性,建立了基于声发射特性的含瓦斯煤岩损伤方程。然而,大部分学者主要研究了煤岩声发射的时间序列特征,并且主要集中于中低围压下(主要是在10MPa以下)煤岩声发射特征的研究,对于煤岩微破裂事件的空间演化规律及较高围压下的AE活动研究较少。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一,随着国民经济的发展,开采力度的加大,煤炭开采逐渐向深部化、高强集约化等方向发展。同时,我国的煤层具有构造复杂、地质问题突出等特点,对煤矿的开采工作带来了诸多不便。声发射作为研究岩石力学性质的一种有效的声学方法,开展煤岩体在复杂应力下特别是较高围压时的声发射特性研究,对揭示不同应力环境下深部煤岩体微破裂事件的时空分布特征,预防煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿井下灾害具有重要意义。本文以煤岩室内三轴压缩实验为基础,通过分析煤岩在不同围压下声发射的时空演化及能量释放规律,探讨了煤岩破裂过程中的损伤演化特征。1试样装置与实验装置煤样取自大同煤业集团塔山矿8105工作面,煤层平均厚度为18.17m。煤样加工成标准试件(ϕ50mm×100mm),实物照片如图1所示,实际制样尺寸见表1。可以看到其表面裂隙较发育,且布满了很多白色的裂隙充填物。利用四川大学分析测试中心的X射线衍射仪和X射线荧光光谱仪对煤样进行成分分析,测试结果显示煤样主要由碳、方解石、高岭石3种矿物组成,其中,碳占72.09%,方解石占18.46%,高岭土占3.9%。实验设备采用四川大学岩土工程省重点实验室的MTS815FlextestGT混凝土与岩石力学试验系统,声发射测试采用美国PAC公司的PCI-2声发射监测系统,如图2所示,该系统可同时实现AE时序特征和空间定位研究。试样表面放置8个AE传感器,均匀分布在上下两端,试样加压两端及与声发射传感器接触处均经过磨光,以便消除初始加载时产生的干扰信号。为保证传感器与试样的耦合效果,在二者接触部位涂耦合剂凡士林;同时为尽量减小端部效应,在试样和上下压头之间加垫聚四氟乙烯。试件安装在三轴筒内进行充油排气后,首先按3MPa/min的速度逐步施加σ1=σ3至预定围压值下,再保持围压恒定,待系统稳定之后以30kN/min的速度施加轴压。先采用轴向荷载控制,再采用环向变形控制。围压等级为:3.2、9.6、16.0和22.4MPa。实验开始后加载系统和声发射系统同时进行记录,以保证加载和数据采集同步。煤岩试件物理力学参数见表1。2静水围压段ae事件的表现加工后的试件除了存在原生裂隙、孔洞等,加工过程也可能导致缺陷产生,施加不同围压会使得这些缺陷不同程度地闭合压密,且已被大量学者证明了其为裂隙岩体三轴实验初期AE事件的主要来源。如图3所示,静水压力作用时,3.2、9.6、16.0MPa的围压下仪器均检测到了明显的AE信号。具体而言,围压等级为3.2MPa时,仅在1～2MPa时检测到了一个AE定位点;围压等级为9.6MPa时,随着围压的增长AE定位点零散地分布于试样内部,稳压段无定位点出现;围压等级为16.0MPa时,定位点的产生几乎贯穿于整个静水围压段,且主要产生于前中期,后期仅检测到了少量定位点;而当围压为22.4MPa时无明显AE现象发生。图4给出了施加轴压三向加载阶段的应力应变曲线,可观察到:围压等级为3.2MPa时起始部分经历了一小段上凹过程才进入弹性阶段,说明在后期施加轴压过程中煤样仍经历了较低程度的压密作用;而围压等级为9.6、16.0、22.4MPa时从起始位置便体现出了非常明显的弹性特征。结合图3中AE定位图可以知道,在3.2MPa围压下,由于围压较低,静水围压段不足以完成全部压密过程;9.6MPa围压下,在施加围压的前中期试件初始缺陷已经完全闭合,整体性和均匀性得到了提高,稳压段便出现了定位点暂时的空白现象;在16.0MPa的围压下,该阶段首先在前中期完成了裂隙压密过程,为静水围压阶段AE事件的主要来源,后期已经压密的裂隙表面的相互作用可继续承载,裂隙之间微小的滑移也产生了少量的AE事件。总体而言,16.0MPa以前,随着围压升高,AE定位点的数目呈增多趋势。与表1中煤岩试件的密度结合起来,试件密度越小,说明内部孔隙裂隙越发育,闭合压密的过程通过AE活动体现得越明显。而围压等级为22.4MPa的M21号煤样,由于其密度较大煤样较密实,原生裂隙、空洞相对不发育,裂隙闭合压密活动引起的AE活动较弱,且受仪器灵敏度等因素影响,少量的AE信号未能被准确检测到。由于煤样个体差异,静水压力条件下的煤岩声发射现象与围压的高低没有明显的规律可循。说明煤岩的结构状态、胶结情况、原生空隙发育等内在性质是静水压力状态下声发射特征的主控因素。从空间定位形态来说,AE定位点无明显规律,只是零散分布于煤样内部。煤岩原生裂隙、空隙的不均匀分布决定了静水围压阶段在裂隙的闭合、滑移中伴生的AE事件的随机性分布。3在3个轴加载过程中，声音传输行为和机制的研究3.1压密阶段和弹性阶段单一地研究AE空间定位或AE时序特征均不能全面地研究材料的性质和损伤演化过程,只有将两者结合起来才更有说服力。图5给出了煤样施加轴压过程中的AE空间定位,图6～9给出了试件在不同围压下的声发射参数随时间演化图。主要采用的AE参数:声发射总振铃数、声发射总能量、声发射振铃计数率和声发射能量率。首先以围压3.2MPa为例,分析三轴加载过程中AE时空演化行为。试件在轴压加载初期经历了小段裂隙压密的过程,该阶段在试件的中上部检测到了少量的AE定位点;之后进入弹性阶段,试件整体性和均匀性经过前期压密作用得到了提高,该阶段主要依靠压密后的裂隙面之间的相互作用继续承载,随着轴压的增加,裂隙会产生轻微的滑移,定位点在试件的中上部小幅度增多;压密阶段和弹性阶段前期,对应声发射率和振铃率幅值几乎为0,说明该过程只产生了少量低能量的AE事件。峰前50%～60%峰值应力间定位点显著增多,应力应变曲线进入弹性阶段中后期,时间振铃曲线开始缓慢上升,声发射逐渐增多,表明煤样内部强度较低的材料开始屈服破坏,微裂纹在岩体内部稳定扩展,但能量仍然较低。t=275s左右振铃率开始小幅度增加,对应试件开始产生明显的扩容现象。当t=320s时,能量时间曲线明显上升,对应应力应变曲线的屈服点附近,此时空间定位点在试件中上部初步成核,表明试件压缩变形已由主弹性向主塑性转化。t=330s左右,振铃时间曲线和能量时间曲线斜率显著增加,能量率开始小幅值增长,该时间点对应应力位于峰前90%～100%峰值应力之间,定位点骤然增多,形成明显的主聚集区,已形成的裂纹在试件内部快速不稳定扩展,标志破坏前兆。随着应力进一步增加,振铃率和能量率幅值整体上明显增大,表明试件内部由低能量的小破裂事件向高能量的大破裂事件转化。当荷载达到煤的极限承载能力时(t=341s),能量时间曲线呈90°笔直上升,能量率出现了第1个大幅值突变,此时主裂纹贯通并逐渐形成了宏观破裂面。峰后100%～90%峰值应力阶段产生的定位点最多,振铃率最大幅值出现在峰值附近,能量率多次出现大幅值,对应的破裂事件规模大,能量高。对同一煤样而言,9.6、16.0、22.4MPa围压下AE参数整体变化趋势与3.2MPa时大致相同。加载初期,AE信号较微弱,定位点零星分布,振铃率与能量率稀疏分布,幅值几乎为0;屈服和破坏阶段AE信号变强,振铃率与能量率呈现时间上的丛集。3.2围压对ae信号的影响在煤三轴声发射研究成果中,大部分学者仅研究了围压为10.0MPa下的情况,并认为不同围压下的AE信号变化趋势大致相同,且加载前期的AE信号随围压升高有减弱趋势。本文分析3.2、9.6、16.0、22.4MPa围压下煤样的损伤演化过程,重点将10.0MPa以上与10.0MPa以下的声发射时空演化行为进行比较。3.2.1静水围压对煤体原生裂隙的影响轴向加载初期的声发射信号总体特征为:围压为3.2MPa的定位点少于9.6MPa,与已知结论相符,且两者定位点均极少量,而16.0MPa时明显增多。但定位点并未随着围压升高继续增多,22.4MPa下在该阶段几乎未能检测到AE信号。这与常规认识中的加载前期AE信号随围压升高有减弱的趋势存在不同,分析产生此现象的原因是:由图3知,围压16.0MPa的煤样在静水围压阶段的中后期包括稳压阶段均有AE定位点产生,而3.2、9.6MPa的较低围压时却无此现象。结合表1知围压16.0MPa的煤样密度最小,其原生裂隙较发育。表明当围压为16.0MPa时,静水围压阶段除了裂隙压密过程,还依靠裂隙面的相互作用承载,裂隙间的摩擦滑移作用也会产生部分AE活动。因此,施加轴压后,依靠裂隙面的相互作用承载的时间相对较短,局部材料很快屈服,产生小范围的塑性变形,伴生较多的AE信号。而3.2、9.6MPa的较低围压下,轴向加载初期试件整体性较好,还未出现明显损伤,AE信号较少。同时发现高围压对AE活动的抑制作用,即声发射的围压效应,具体表现为:22.4MPa下整体的AE信号较前3个围压要弱。这种抑制作用可用式(1)在机制上予以说明。τeff=σs−(c0+σNtanφ)(1)τeff=σs-(c0+σΝtanφ)(1)其中,τeff为裂隙面的有效应力;σs为围压和轴压共同提供的沿裂隙面的切应力分量,据图10的几何关系可知σs=(σ1-σ3)cos2β+σ3sin2β,β为裂隙面的倾角;c0为裂隙面的黏聚力;σN为围压和轴压共同提供的垂直于裂隙面的正应力分量,由图10有σN=(σ1-2σ3)sinβcosβ;φ为裂隙面的内摩擦角。显然,对于相同的轴压σ1-σ3,较大的围压σ3可使裂隙面的有效切应力τeff始终为负值,即裂隙面在较大围压下可不存在相对滑移。以上是围压为22.4MPa下煤样整体的AE信号较前3个围压较弱的主要原因,由于高围压的作用使得众多裂隙面的滑移得到抑制;而低围压时这种抑制十分有限,故产生较多AE信号。另外围压为22.4MPa的M21号煤样,由于其密度较大煤样较密实,原生裂隙、空洞相对不发育,这也是其AE信号较其他煤样偏少的原因之一。3.2.2ae活动比较首先根据AE时空演化和空间定位信息等确定煤岩破裂过程中的初始损伤点。联合分析图6中累计振铃数曲线斜率与图5中定位点信息,将斜率和定位点发生第1次明显增加的区域认为是煤岩破裂的初始损伤点,研究发现该点在应力强度百分比为30%～60%的区域。从初始损伤至破坏阶段整体的AE活动比较如下:由应力应变曲线可以看出,3.2MPa下破坏前主要表现为弹性特征,塑性区较小;随着围压升高,可以明显观察到斜率的变化,塑性特征逐渐明显,塑性区增大,这导致了围压为3.2MPa时的AE信号较围压等级为9.6、16.0MPa要少。9.6、16.0MPa阶段的AE活动信号较稳定,都检测到了较多的定位点,特别是进入屈服阶段后定位点逐渐密集,无法明显比较两种情况下的定位点数目。但从AE参数分布曲线可看出,相比其他3个围压,16.0MPa时振铃率、能量率丛集程度最高,范围最广,大幅值突变分布较均匀,表明其塑性损伤程度最剧烈,多次发生高能量大破裂事件。从时间能量曲线也可观察到,在峰值前,3.2MPa下出现了一次竖直向上的跃变,9.6MPa出现了2次,而16.0MPa出现了3次,如图8所示。时间能量曲线出现跃变表明能量在瞬间突增,说明16.0MPa下峰值前多次发生了不稳定高强度破裂。3.2.3试样定位点周边区域的宏观缺陷由图5可看出,围压等级为3.2MPa时,定位点首先在试件中上部产生并沿着右下方聚集;9.6MPa的围压下,定位点首先在试件中下部产生并向上聚集;围压为16.0MPa时,加载初期试件上半部分和下半部分均有定位点存在,同时向中部聚集;而围压在22.4MPa时,定位点沿着破坏面的产生、聚集方式显得较为随机,无明显规律。这种不同围压下裂纹延伸方向的差异性可能与裂纹交界附近结构的不均匀性相关。图11为试件最终破坏形态与AE定位形态比对图。其中,M19号、M1号已完全破坏,主破裂面完全贯通;M5号、M21号破坏面并未完全贯通,宏观裂纹未完全形成。可看出:定位点与最终形成的宏观裂纹吻合较好,在主破裂面之外也零星分布了一些定位点,推测这与煤岩结构的多裂隙以及不均匀性有关。3.3煤岩破坏浚补性参数分析如3.2.2节所述,根据AE时空演化和空间定位信息确定的煤岩破裂过程中初始损伤点在应力强度百分比为30%～60%的区域。由图4知,围压为3.2、9.6、16.0、22.4MPa的煤岩屈服点应力强度百分比约为91%、88%、87%、82%。将煤岩破裂过程中的初始损伤点、屈服点和应力峰值点在图6～9中分别标示,如3条虚线所示。发现在产生初始损伤、屈服、破坏时AE特征均会产生明显的某一突变,如曲线斜率的变化,幅值上的跳跃或定位点的突增。其次分析煤岩破裂的损伤演化过程与AE参数的对应关系。煤岩受载破坏初期,内部微裂纹和缺陷的滑移使得局部应力分布不均匀,微裂纹尖端和空隙周围形成屈服区。煤岩中局部强度较弱材料发生屈服产生初始损伤,此时能量特征体现并不明显,但振铃时间曲线的斜率却出现了第1次明显增大,且3.2、9.6、16.0MPa的围压下对应定位点数目也出现了第1次突增,不过这种定位点数目的突增在围压为22.4MPa时不太明显。随着轴向荷载的增加,微裂纹、缺陷的演化区域,也称过程区,逐步扩大并初步成核。事实上,围压为3.2MPa所对应的试件的轴向应力此时已达到屈服点,相应的振铃时间曲线的斜率出现第2次明显增大,对应的能量时间曲线斜率也开始明显增加。围压为9.6、16.0、22.4MPa所对应的试件当能量时间曲线出现第1个竖直向上的跃变时其轴向荷载也都到达了屈服点;结果还显示,其能量率时间曲线的第1次大幅值跳跃也发生在屈服点附近。不同围压下的煤岩试件屈服点后声发射事件均异常活跃,标志着煤岩破坏前兆。最后基于AE时序参数和能量释放特征,确定煤岩的破坏前兆信息,见表2。可知围压为3.2、9.6、16.0、22.4MPa的煤岩破坏前兆综合信息点的应力强度百分比约为98%、98%、95%、92%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。对