煤岩压缩过程中微震破坏模式的实验研究

煤岩压缩过程中微震破坏模式的实验研究

影响煤炭岩体的破裂和破坏，影响地压等煤矿灾害，极大地影响了煤炭的安全生产。在发生煤体断裂压缩,均伴有微地震事件的发生。对煤体的压缩破坏产生的微地震信号的研究,揭示煤体微观破裂过程和煤岩体微震应力的变化,促进煤岩体微地震监测技术的发展和应用,具有重要的理论和现实意义。许多学者研究发现,在煤石的破裂过程中伴随着微地震事件的产生,但目前对微地震事件产生的机理没有统一结论。因此,寻求科学可靠的微地震监测方法,提出针对性防范措施,是我国煤炭工业急需解决的问题。根据煤动力灾害过程中能量耗散机理,在煤动力灾害的预测预报方法中,众多学者分别利用了电磁辐射(EMR)、声发射(AE)、微震(MS)、红外技术等多种现代化预测预报手段,从而实现了连续、动态、实时监测煤动力灾害事故。微震监测技术是利用煤体受力变形和破坏后本身发射出地震波来进行监测工程煤体稳定性的技术方法。1特征及实验方法1.1实验样品的制备实验的样品以煤矿煤体为主,由井下采集的大块煤体,在中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室煤层控制实验中心加工,单轴压缩实验煤样,加工成ϕ50mm×100mm的圆柱形样品,加工成型后自然干燥。为保证实验结果的可靠性和可比性,同种煤样在一大块上钻取岩芯,成型后对其外观仔细观察,确定没有明显的节理及裂纹等宏观缺陷,实验煤样两端稳定不平行度<0.05mm最终选取煤样各6个分别进行单轴压缩强度变形实验。1.2实验系统组成实验在中国矿业大学新三思微机控制电液伺服压力试验机MTS815.02上进行。实验系统由微机控制电液伺服压力试验机、微应变数据采集系统、电磁屏蔽系统、微震(MS)信号采集和数据处理系统组成,建立了煤变形破坏过程微地震实验系统示意图,如图1。根据实验目的,尽可能模拟煤矿井下煤石的受力状况,设计单轴全程压缩加载过程实验,实验在型号为AFGP-∏的屏蔽室内进行,减少外界的各种干扰,微震信号采集使用KBD9多通道数据采集,微震传感器使用高阻抗电荷输出通用型BW27200型加速度传感器,探头灵敏度范围在0.5～3000Hz,测量范围是8000m/s。实验主要研究煤样单轴压缩破坏全过程应力应变特征及微地震信号特征。2两个通道的振幅变化通常,随着荷载增大MS事件不断发生,直到煤体破坏失去承载能力。在实验过程中,煤样在单轴加载压缩破坏全部过程中均有微地震信号的产生,微地震信号是不连续的,阵发性的;在整个加载过程中,微地震信号的波形图是不断变化的。此外,虽然波形图是不断变化的,但从振幅统计图上,综观整个加载过程,可以看出在破坏前期,振福的变化很小,对比两个通道的振幅变化图发现,二者的振幅变化特征均有各自的特点。对于微震信号强度而言,两个通道的微地震信号的强度在整体上呈现的变化过程基本上是一致的。并且在主破裂发生时微地震信号振幅达到最大值。图2是对煤样单轴加载试验的波形图。图3为煤样单轴压缩加载的平均振幅-时间统计图。图4煤样试验信号变化趋势图。3微震波形的特征在实验过程中,由于煤样的非均质性,加载初期,试样内部随机产生一些微小破裂,外观上看不出变化,随着载荷增加,微破裂不断叠加汇合,并逐步集中于一个破裂带内,最终导致煤样煤体破裂,破裂过程体现出明显的脆性特征,破裂时试样抖动,煤屑飞溅且发出声响。煤样在单轴加载压缩全部过程中均有微震信号产生,微震信号不是连续的,阵发性的,但在整个加载过程中,微震信号的主频率是不断变化的。但综观整个加载过程,煤样在破坏前期比较缓慢,振幅变化较小。通过对2个通道波形,振幅等的对比可以发现,煤样在前期被压缩的过程中,微震信号的波形变化,振幅变化都很小。对应力的变化而言,在整体上呈现先增大后降低又增大的过程,并且在主破裂发生时应力达到最大值。从图2可见,质点的振动波形呈一系列的波浪线,而且其P波和S波的分界不易识别。这样的波形不利于正确地拾取S波的到达时间。从图3振幅—时间曲线可看出,在加载初期,煤样的振幅基本是没有的,但是随着加载的进行,振幅逐渐增大,在主破裂时达到最大值。从图4微震信号变化趋势,可以看出该信号可明显分为2部分,一个较小信号后面紧跟一个较大信号;从幅频曲线也可看出,频率出现2次高峰,表明信号由2种不同特性的波构成通过傅里叶变换,分析各种微震信号的幅频特性,如图3,图5,总结出微地震波形的一些重要特征,进而可较快的识别出接收的信号的类型,尤其是快速识别冲击危险信号便于及时采取有效解危措施,并为研究微震活动规律提供重要依据。由图4煤样试验信号变化趋势图,图5微震信号最大值曲线变化,图6应力与时间变换曲线图,可以说明微震的信号的变化基本上和应力的变化是相对应的。从而,可以分析出变形破裂全应力变化过程各阶段的力学特性如图7。1裂隙是剂采用压的方向煤样受载压缩后,内部原来张开的各层次的空隙、裂隙在受压方向逐渐闭合。在压密阶段,试样的体积减小,密度增大,整体受力结构逐渐形成,压缩变形主要表现为非线性特征,曲线呈上凹型。2a段线弹性步骤段在线弹性阶段,孔隙和微裂隙已完全闭合。弹性变形是试样变形的主要部分,即随着载荷增加,其变形基本上按比例增长。3应力的增加与试样破裂的关系当应力水平超过煤弹性极限后,试样进入弹塑性变形阶段。随着应力的不断增加,试样内部开始出现破裂,且随着应力的增加而发展。载荷接近煤峰值强度时,裂纹扩展与产生数量急剧增长,裂隙由随机分布逐步向局部的宏观裂隙过渡。4主轴破裂面之刻峰后塑性软化阶段又称滑移(张裂)阶段。峰值强度到来之时,就是贯穿试样的主控破裂面开始产生之刻。该阶段的力学行为主要受贯穿试样的主控破裂面支配,而微小孔隙和细微裂隙对变形的贡献和影响则变得微不足道。5de段其他强度阶段在残余强度阶段,煤样在较低的应力水平下,主破裂面两侧的煤块沿主控破裂面滑移或张开,产生较大的变形,表现出在恒压下的流动特征。4号破产时的频率特性在实验过程中,煤体在单轴全程加载压缩