不同节理夹角煤单轴压缩力学和声发射响应及影响机制

煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要,为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响,对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验,并分析了力学和声发射信号响应规律。结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大,峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势,峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象,单轴抗压强度和应变量均小于α45°的煤样。α45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主,更容易产生沿节理面的滑移破坏,振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段,声发射信号与应力降具有很高的相关性。α45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主,更容易产生挤压摩擦破坏,在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号,大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大,煤样表现出的冲击倾向性越强,声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。因此,鉴定煤冲击倾向性和利用声发射进行冲击地压监测预警时,需充分考虑煤层节理面与现场受力情况。     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。     

突出煤体受载变形破坏声发射行为演化特征

采用TAW-2000三轴伺服试验机和Vallen AMSY-6声发射信号采集系统,对寺家庄煤矿15号煤的碎裂煤原煤单体试件、糜棱煤型煤单体试件和原煤-型煤组合试件进行单轴载荷作用下变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:原煤试件表现为弹塑性材料特性,以弱面剪切破坏为主,其失稳破坏的前兆信息表现为弹塑性阶段出现"应力跌落"和"应力回升"现象,振铃计数出现峰值,累计能量曲线出现"台阶式"上升;型煤试件表现为理想塑性材料特性,呈现渐进变形破坏特征,以剪切粉化破坏为主,其峰前变形破坏过程中声发射始终保持在相对稳定且较低的水平,累计能量增幅不大,失稳破坏的声发射前兆信息特征并不明显;原煤-型煤组合试件的应力-应变曲线兼具了原煤试件和型煤试件的特征,其峰值应力介于单体原煤和型煤试件之间,失稳破坏的声发射前兆信息与原煤单体试件类似,但受型煤影响,高幅值振铃数和事件数与原煤单体试件相比明显减少,累计能量曲线呈现"缓台阶式"上升特征。     

漳村煤矿两种尺度煤样单轴压缩声发射特征的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统,对潞安漳村煤矿3号煤层两种尺度煤样进行单轴压缩声发射试验。标准煤样为50 mm×100 mm,大煤样为155 mm×155 mm×125 mm,两种尺度煤样含有原始节理,裂隙等缺陷存在差异,表现出单轴压缩试验过程的变形、强度和声发射参数有所不同。试验结果表明：大煤样单轴压缩试验过程的变形、强度参数明显低于标准煤样,单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的降幅依次19.7%,35.7%和55.4%;两种尺度煤样单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段,4个阶段均产生不同强度和数量的声发射事件,于此对应可分为平静期、过渡期、活跃期和衰减期,活跃期可作为煤体破坏前兆信息;大煤样产生声发射事件的强度和数量明显高于标准煤样,瞬时最大能量、累计能量分别提高16.6倍和6.4倍;瞬时最大计数、累计计数分别提高11.1倍和8.1倍;瞬时峰值计数和累计峰值分别提高7.4倍和6.6倍;标准煤样的声发射特征值作为煤与瓦斯突出及冲击地压等煤岩动力灾害预测、预报偏于保守,采用大煤样的声发射特征值更加合理。     

高温作用后坚硬煤样单轴压缩过程中的变形强度与声发射特征

为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测,而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。研究结果表明:①高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段,经历温度越高压密和屈服阶段越明显,峰值后应力跌落速度有所减缓;②高温后坚硬煤样的弹性模量、变形模量和抗压强度随温度升高呈阶段性降低,在100和500℃高温对煤样弹性模量、变形模量和抗压强度的影响显著。在100～400℃高温,高温对煤样弹性模量、变形模量的影响作用相差不大。与常态25℃煤样比较,经历100,200,300,400和500℃高温后,煤样弹性模量平均降幅依次为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%,抗压强度平均降幅依次为47.88%,49.99%,56.24%,56.91%和87.57%;③高温后坚硬煤样在单轴压缩变形破坏过程中始终伴随有声发射信息,在煤样加载过程中的声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系,不同高温后煤样的声发射特征存在差异,声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生,声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点,且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前,而累计计数和能量曲线转折点推迟现象;④高温后煤样声发射参数与温度的关系具有分段特征,其累计幅值和计数随温度升高先增加后降低,累计能量随温度变化具有波动性;⑤高温后煤样的抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系,抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。经历100～500℃高温作用后煤样结构发生了变化,煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而增加,煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的原因。     

不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

岩石劈裂实验声发射的特性研究

对云南南坡铜矿三种砂岩进行了巴西劈裂和单轴压缩条件下的声发射特性试验。结果表明,不同种类岩石的声发射特性差别较大。劈裂条件下,三种岩石试件的抗拉强度之比为1∶0.82∶0.52;累计AE事件数之比为1∶0.61∶0.80;累计能量之比为1∶0.52∶0.87。尤其是层理明显的第一组和第二组岩石,压缩条件下,沿垂直层理方向加载的声发射活动要比沿平行层理方向加载时强的多;劈裂条件下,沿垂直层理方向加载时的累计声发射数比沿平行层理方向加载时多,而累计能量的结果正好相反。同时压缩条件下的累计声发射数和累计能量远大于劈裂条件下的情况。多数劈裂试件在垂直层理加载时,破坏前有一段声发射活动和能量相对较少的平静期;但平行层理加载时并不明显。     

循环荷载作用下煤岩力学及声发射特征研究

为研究平行层理方向煤岩体变形破坏力学特性及声发射b值演化规律,以贵州毕节矿区煤样为研究对象。借助MTS815配套声发射开展室内煤样多级循环加卸载试验。结果表明:煤的弹性模量呈现出3阶段的变化趋势,即急剧增加-缓慢增加-急剧降低;煤的泊松比与不可逆应变也呈现出3阶段的变化趋势,即缓慢增加-逐渐增加-急剧增加。随着应力水平的增加,声发射b值出现一定的波动,然后又趋于平稳。当煤样接近失稳破断时,声发射b值进一步降低。     

不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究

为研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生的机理,从细观角度对三交河煤矿、屯留煤矿、平煤十矿煤样原生孔隙和裂隙等参量进行分析,选取平煤十矿煤样作为力学试验研究对象,采用自主研发的含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置,利用DS-5型全信息声发射信号分析仪,分析其在不同瓦斯压力条件下力学性质和声发射特征,并对声发射的计数、累计计数、能量、累计能量等在不同瓦斯压力下的演化规律进行了对比分析。结果表明:随着瓦斯压力的增大(0~2 MPa),煤样的峰值强度和弹性模量呈降低趋势,泊松比呈升高趋势,其抗压强度下降22.61%,弹性模量下降23.97%,泊松比增加33.67%;不同瓦斯压力下煤样受载破坏过程中的声发射都经历了平静期、活跃期、提速运动期、残余运动期4个阶段,且煤样的声发射累计计数和累计能量随着瓦斯压力的增加而降低,其声发射累计计数减小了32%,累计能量降低了25.32%。研究成果有利于发现煤岩体破坏的细观机理,为找到煤岩体破坏失稳预测预报方法和指标提供了依据。     

循环载荷下煤样裂隙演化试验及数值模拟

为了从宏观和细观角度深入研究煤样在循环载荷下的裂隙发育过程,基于声发射监测技术,研究了煤样在循环加、卸载条件的宏观变形及声发射特征,并采用PFC2D数值模拟软件,从细观层面分析了煤样在疲劳损伤过程中的裂隙演化规律;结果显示:循环载荷下煤样单次加、卸载产生的残余变形量经历减小、稳定和增大3个阶段,变形曲线呈"疏-密-疏"的特征;声发射参量表现为降低、稳定和升高阶段,峰值振铃计数呈"U"型,累计能量和撞击计数呈倒"S"型。数值模拟结果看出:循环初期煤样的微裂纹随机分布,中期微裂纹不断积聚,并初步形成剪切破裂带,循环后期主剪切破裂带形成,最终导致煤样破坏,煤样的破坏以剪切破坏为主。     

突出危险煤吸附、解吸瓦斯变形特性试验研究

采用自主研制的煤体高压吸附-解吸变形试验系统,进行了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附-解吸变形全过程试验,探讨了突出危险煤吸附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形这一特有的力学行为。研究结果表明,突出危险煤在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的演化规律,即先后经历抽真空收缩变形、充气压缩变形、吸附膨胀变形、卸压膨胀变形、卸压后弹性恢复变形和解吸收缩变形等6个阶段;吸附膨胀变形和解吸收缩变形过程中,煤样的应变变化率绝对值均随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值,其变形规律服从朗格缪尔方程;煤样的吸附膨胀变形和解吸收缩变形均呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,使垂直层理方向的应变明显大于平行层理方向的应变;煤样吸附膨胀变形值与瓦斯压力关系对二次函数和朗格缪尔方程均具有较好的拟合效果,煤样解吸收缩变形值与原始瓦斯压力呈很好的幂函数关系和二次函数关系;煤样解吸瓦斯后存在一定的残余变形值。     

基于间接拉伸试验的煤岩层理效应研究

采用多种先进的宏细观测试手段,探究煤的层理构造和矿物分布。进行加载方向与煤岩层理面平行和垂直的间接拉伸以及实时声发射(AE)试验,分析了煤的破坏机理、拉伸力学特性以及在拉伸过程中声发射时空序列特征和损伤变量演化的层理效应。研究表明:方解石矿物主要沿煤层理面分布,对裂隙的萌生和发展起着关键作用;加载方向平行和垂直于层理面煤岩的抗拉强度分别为0.706和1.039 MPa;平行组试样声发射活动的整体水平弱于垂直组,但平行组试样AE事件在破坏前短期内激增,总能量释放少,破坏突然,主裂纹沿层理面发展,垂直组试样的AE信号在低应力水平出现,AE振铃计数率和能率均强于平行组,空间定位点有明显的成核区域;垂直组和平行组损伤变量D值变化曲线分别呈现出阶梯式和两段式特征,具有明显差异,基于AE能量计算的岩石损伤状态更加符合实际。     

红庆河煤矿弱胶结砂岩单轴加载条件下声发射特征研究

对红庆河煤矿弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究,根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了全过程应力-应变、应力-时间-累计计数率、应力-时间-绝对能量率以及峰值前、后的应力-应变-累计计数率、应力-时间-绝对能量率曲线。据所得应力-应变曲线将该类砂岩破坏分为2种形式:一种为传统4阶段岩石破坏形式,另一种为5阶段破坏形式。5阶段破坏模式在应变软化阶段后出现了应力不变,应变继续增大的胶结延性阶段。对比2种破坏模式的声发射特征,峰值后的声发射现象较峰值前的均有量级的变化,抗压强度相近时,弹性模量小的试样产生更多的声发射现象,但产生的绝对能量属于同一量级。累计计数率能够作为判断试样是否发生完全破坏的参数。     

加载角度对煤声发射特征的影响试验研究

为得到不同层理煤声发射参数并为其破裂机制和破裂前兆分析及判定提供参考,进行了层理角度为45°、90°、0°煤样单轴压缩声发射实验研究,分析不同加载角度煤样b值与应力及能量所对应关系,研究其声发射参数RA与AF值变化规律,并分析了加载角度为0°下的声发射b值与声发射r值。结果表明：峰值应力之后能量大量释放导致微裂纹贯通成大裂纹;加载角度为45°和90°的煤样b值相接近且明显大于0°煤样,各试件在达到峰值应力后b值均有下降趋势;加载角度为45°时,煤样破坏形式为张剪复合破坏;加载角度为90°和0°时煤样破坏形成为张拉破坏;b值大幅下降时段与r值大幅增加时段相同,r值可作为描述煤破坏程度的1个指标。     

单轴受压条件下煤岩非均质性对其破坏特征的影响

以忻州窑14号煤为研究对象,基于波速测试、CT扫描和三维重构技术,分析了煤岩内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布的非均质特征,研究了单轴受压条件下,沿不同方向加载时,煤样内部结构分布的非均质性对煤岩破坏特征的影响。研究发现,煤样内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布方向的非均质性是造成不同加载方向上煤岩破坏特征差异性的原因:煤样内部原生裂隙、矿物夹杂沿层理方向分布和延伸,造成沿垂直层理加载煤样的单轴抗压强度、总声发射计数等参数的均值高于沿平行层理加载的煤样;割理的横向截割作用使沿垂直割理加载煤样整体性低于沿平行割理加载煤样,并造成其单轴抗压强度,总声发射计数等参数的均值以及加载过程中声发射现象的规律性略低于后者;煤样单轴抗压强度与纵波波速呈指数函数关系,煤样内部非均质性对其单轴抗压强度的影响可由非均质系数表示,且2者呈负相关。     

含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究

为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性。研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向"低应力诱发大应变"方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不含瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系。     

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程,以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆,利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明:在多级应变和应力加载条件下,振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高,临近破坏时振铃计数急剧增加趋势;每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势;受加载方式的影响,应力加载条件下振铃计数更高,且在载荷转换阶段,煤样有明显声发射现象,煤样内部结构劣化较快,单循环损伤程度严重,煤样累计损伤增长更快;伴随循环级数的增加FR值逐渐降低,且呈现加速下降趋势;循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段,损伤程度低,Kaiser效应显著,上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后,煤样损伤加剧,在次级加载时Felicity效应显著。     

钻孔密封段异质结构变形破坏特征试验研究

瓦斯抽采钻孔密封段是由煤-水泥-抽采管组成的异质结构体,为了研究钻孔密封段煤-水泥异质结构的变形破坏特征,采用Vallen AMSY-6声发射信号采集系统和TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机相结合的方法,对煤单体、水泥单体及煤-水泥组合试件进行了单轴载荷作用下的变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:煤-水泥组合试件的峰值应力介于煤单体试件和水泥单体试件之间,煤单体试件的强度是水泥单体试件强度的2.1倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的体应变突降点后伴随着声发射振铃计数的激增,而水泥单体试件的声发射指标增长较为平缓,且不同试件都在应力峰值处声发射指标达到最大值,煤-水泥组合试件的振铃计数峰值约为水泥单体试件振铃计数峰值的112倍;煤-水泥组合试件及煤单体试件的应力应变曲线表现出峰后的脆性变形特征,而水泥单体试件的应力应变曲线则表现出峰后的塑性变形特征,煤-水泥组合试件的破坏形态为剪切破坏,煤单体试件的破坏形态为"X"状共轭剪切破坏和拉伸破坏,水泥单体试件的破坏形态为拉伸破坏。现阶段我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔材料大多选取水泥基封孔材料,钻孔密封段煤-水泥异质结构的强度同时受到煤体和水泥材料性质的影响;井下水泥基封孔材料选取时,可优先选取凝固后与煤岩体强度差异较小的水泥基封孔材料。     

不同加载速率下小纪汗煤矿煤样强度及声发射特征研究

利用材料力学试验机及声发射信号检测分析系统,对小纪汗煤矿煤样进行了不同加载速率下单轴压缩过程中的声发射试验,得到了煤样应力应变全过程的声发射特征曲线,分析了不同加载速率下煤样的强度极限、声发射能量及振铃计数等特征参数的变化规律。研究表明:随着加载速率的增加,煤样抗压强度和压缩率呈现先上升后降低的变化趋势,煤样声发射能量释放形式由孤震型向震群型转变,在低加载速率下岩样能量释放形式主要表现为孤震型,在较高加载速率下则主要表现为震群型;不同加载速率下煤样振铃计数变化趋势大致相同,都经历缓慢增加与快速增加阶段,且随着加载速率的提高,声发射累计振铃计数明显减少;单轴压缩时煤样的破坏表现为单剪及双剪破坏,煤样声发射三维定位图与破裂实物图吻合较好。     

原煤与型煤破裂过程中声发射特征对比研究

为探讨原煤与型煤失稳破坏过程中的声发射特征差别,文章利用RMT150-B型岩石实验系统对原煤与型煤进行单轴压缩实验,并通过DS-5型声发射仪对其失稳破坏过程中的声发射现象进行监测,对比分析原煤与型煤失稳破坏过程中声发射现象之间的差别。结果表明:在整个失稳破坏过程中,都伴随有声发射现象的产生,型煤的声发射峰值计数与能量、累计声发射计数与能量都小于原煤;两者都在塑性阶段的后期声发射计数与能量达到峰值,标志着煤样破坏的前兆。