组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究.pdf

第 26 卷 第 12 期 岩石力学与工程学报 Vol.26 No.12 2007 年 12 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2007 收稿日期：收稿日期：20070209；修回日期：修回日期：20070509 基金项目：基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAK04B02，2006BAK03B06)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2005CB221504)；国家自然科学基金资助项目(50490273，50474068)；江苏省研究生创新工程计划项目(6A070190)；中国矿业大学青年科研基金项目(OA060084)作者简介：作者简介：陆菜平(1978)，男，2001 年毕业于中国矿业大学能源与安全工程学院采矿专业，现为博士研究生、讲师，主要从事冲击矿压防治方面的教学与研究工作。E-mail： 组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究 陆菜平1，窦林名1，吴兴荣2 (1.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.徐州三河尖煤矿，江苏 徐州 221613)摘要：摘要：在采掘工作面及巷道中，顶板、煤层、底板共同组成一个力学平衡系统，当这个系统受到采动的影响时，就有可能诱发煤岩体所积聚的弹性能通过弱面结构突然释放，形成冲击矿压灾害。因此，研究不同组合类型的顶板煤样底板组合试样的冲击倾向性演化及声电效应规律对于监测、预警冲击矿压灾害及强度弱化治理起到非常重要的指导作用。通过大量组合煤岩试样的冲击倾向性及声电效应的试验研究发现，随着煤样强度、顶板岩样强度及其厚度的增加，组合试样的冲击倾向性随之增强，且电磁辐射与声发射信号强度随着组合试样的强度、顶板岩样的高度比例以及冲击能指数的增加而增强。同时发现试样冲击破坏前，声电信号的强度达到极值，冲击破坏之后，信号强度均产生突降。上述研究成果对于指导现场冲击矿压灾害强度的弱化控制以及卸压解危效果的检验具有重要的意义。关键词：关键词：采矿工程；冲击矿压；组合煤岩；冲击倾向性；声电效应 中图分类号：中图分类号：TD 324 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2007)12254907 EXPERIMENTAL RESEARCH ON RULES OF ROCKBURST TENDENCY EVOLUTION AND ACOUSTIC-ELECTROMAGNETIC EFFECTS OF COMPOUND COAL-ROCK SAMPLES LU Caiping1，DOU Linming1，WU Xingrong2(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.Sanhejian Mine of Xuzhou Coal Mining Group，Xuzhou，Jiangsu 221613，China)Abstract：In the mining(drifting)faces and roadways，the roof，coal seam and floor all together compose a mechanical equilibrium system.When the system is disturbed by mining effect，the elastic energy accumulated in coal or rock materials can be induced to release through weak structure suddenly and rockburst will be formed.So，to monitor and forecast rockburst，and to deal with strength weakening，the rules of rockburst tendency evolution of different types of compound samples composed of roof，coal seam and floor and acoustic-electromagnetic effect will have a very important practical function.Based on a great number of experimental researches on rockburst tendency and acoustic-electromagnetic effect of compound samples，it is found that the higher the strengths of coal seam and roof samples are，the stronger the rockburst liability is；and the rockburst liability indexes increase with the height ratio of roof to coal.The higher the strength，roof height ratio and rockburst liability indexes of compound samples are，the stronger the intensity of electromagnetic emission(EME)and acoustic emission(AE)signals is.The experimental results also show that the intensity of EME and AE signals rise up slowly before rockburst failure，and increase to the maximum when rockburst precursor，and suddenly decline after rockburst.Above conclusions will have an important directive significance to 2550 岩石力学与工程学报 2007年 weaken the strength of rockburst in field and to check the effect of relieve-shot.Key words：mining engineering；rockburst；compound coal-rock；rockburst tendency；acoustic-electromagnetic effect 1 引引 言言 冲击矿压作为一种典型的煤岩动力灾害，其发生的突然性和剧烈破坏特征对煤矿安全构成了极大的威胁1，2，其中煤岩的冲击倾向性是冲击矿压发生的必要条件。冲击倾向性能识别煤岩体发生冲击破坏的能力，鉴定其是否具有发生冲击矿压的固有力学性质3，4。我国开展冲击倾向性研究已有 20 余年，在借鉴国内外研究成果的基础上，通过大量实验室研究，已初步形成适合我国煤矿的冲击倾向性评价方法，并制定了相应的行业标准。但是，三河尖煤矿 7 煤发生的多起冲击矿压灾害说明，现行的纯煤冲击倾向性鉴定结果不能反映现场煤岩结构的受力状态及其方式5。该矿 72043工作面仅推进 125 m，就发生 5 次冲击矿压。1998年 12 月 6 日再次发生冲击矿压，破坏巷道达 500余米，迫使工作面停产。在恢复生产过程中，先后诱发 38 次冲击矿压。因此，7 煤当属强冲击危险性煤层，但实验室的鉴定结果却为弱冲击性。为了揭示顶、底板对煤层冲击倾向性的影响机制，有必要研究在顶板与煤或顶板、煤与底板组合条件下，试样冲击倾向性的演化规律，尤其是与煤样强度、顶板岩样强度及其厚度、岩样高度所占比例之间的相互关系。关于组合煤岩冲击倾向性的试验研究，国内外已经开展了一些研究工作。王淑坤和张万斌6通过煤岩复合模型试验证明了顶板厚度及结构特征对煤层冲击是有影响的，厚层砂岩顶板易发生冲击矿压，岩层越厚，冲击矿压的强度越强。万志军等7发现顶板岩石对煤层冲击有一定的影响，且顶板厚度越大，对煤层冲击影响越大。潘结南等8发现煤系岩石的冲击倾向性与其物质成分有密切关系，随着岩石的强度和刚性增强，岩石的冲击倾向性增加。曲华等9通过数值模拟研究了组合煤岩试样的冲击倾向性，发现组合煤岩与纯煤的冲击倾向性不同，煤岩系统冲击倾向性随顶板强度会发生明显变化。李纪青等3发现煤岩组合模型的冲击倾向性指标均高于纯煤试件，岩石高度所占比例越大，冲击倾向性越强。刘 波等10通过组合试件力学与动态破坏特性的试验研究发现，试样的冲击倾向性随着顶板与煤高度比的增加而增强。J.A.Wang和H.D.Park11、A.M.Linkov 12在研究煤岩冲击倾向性指标时，提出利用试样的单轴抗压强度和脆性系数衡量冲击能力，发现试样的单轴抗压强度越高，脆性系数越大，则煤岩冲击倾向性越强。上述研究只是定性描述了组合煤岩试样的冲击倾向性随顶板岩样的强度及厚度的变化情况，并没有深入研究组合煤岩试样的冲击倾向性与煤样强度、顶板岩样强度及其厚度、岩石高度所占比例之间的定量化关系及其演化规律。另外，为利用电磁辐射以及微震系统监测预警冲击矿压强度，以及对卸压爆破解危的效果进行检验，需要研究组合煤岩试样变形破裂特别是冲击破坏过程中的电磁辐射与声发射效应规律。经过大量文献资料检索，对于组合煤岩试样变形破裂的电磁辐射与声发射效应规律研究甚少。只有部分学者通过声发射测试手段研究了复合岩石试样变形损伤的力学特性。如刘 立等1315通过声发射测试研究了层状复合岩石试样损伤破坏的特征，认为复合岩石的损伤扩展演变过程明显受各亚层岩石层面倾角、各亚层岩石构成与性质(强度)以及加载情况等的影响；发现各亚层岩石强度越高，则破坏时的声发射峰值越强，而波形相对较窄、集中。Z.H.Chen 等16采用数值模拟和实验室试验等手段，通过组合岩石试样试图研究冲击矿压发生机制，发现试样从加载到主破裂，声发射信号表现为从无序渐进到有序，提出声发射信号的突降或者异常平静可以作为试样冲击破坏的前兆信息。以上研究没有揭示组合试样的强度以及顶板岩样的尺寸、试样的冲击倾向性与电磁辐射、声发射信号强度之间的关系，也没有研究清楚组合试样从开始加载到冲击破坏全过程中电磁辐射与声发射的效应规律。2 组合试样的加工及声电测试系统组合试样的加工及声电测试系统 2.1 组合煤岩试样的加工组合煤岩试样的加工 从三河尖煤矿、济三煤矿、古城煤矿、海孜煤矿以及星村煤矿采集煤岩样，遵照相关标准的有关第 26 卷 第 12 期 陆菜平，等.组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究 2551 规定，首先将煤岩块夹持在钻石机的平台上，用金刚石钻头钻取直径为 50 mm 的煤岩试样，然后用锯石机将煤岩试样锯成高 20，30，35，70 mm 左右的圆柱体。最后在磨平机上将煤或岩石试件两端磨平，要求试件两端面不平行度0.01 mm，上、下端直径的偏差0.02 mm。将加工好的试件，按不同的高度比和不同的强度组合形式，用 AB 强力胶黏合成 50 mm100 mm的标准试样。图 1 所示为部分组合试样的照片。图 1 部分组合试样的照片 Fig.1 Photo of partial compound samples 2.2 试验系统试验系统 加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油压的美国 MTS 公司的 MTS815.02 电液伺服材料试验系统，用于进行组合试样加载和应力应变全过程曲线的测定，试验系统见图 2。该系统可以在试样发生不受外因控制的变形速率情况下获得应力应变全过程曲线，这更符合现场发生冲击矿压时的实际情况。图 2 MTS 电液伺服材料试验系统 Fig.2 MTS electro-hydraulic servo testing system 声发射与电磁辐射信号采集工作采用美国 PAC公司生产的 DISP24 声电测试系统，该系统为当今世界上最先进的、全数字声发射监测仪器之一，能同时采集 24 个通道的声发射和电磁辐射信号，其中12 个通道能进行波形采集和实时或事后频谱分析。图 3 所示为 DISP24 声电测试系统。图 3 DISP24 声电测试系统 Fig.3 DISP24 acoustic-electromagnetic testing system 2.3 试验系统参数试验系统参数 DISP24 声电测试系统采用 4 个通道，其中Ch1 通道采集声发射信号，Ch2，Ch3，Ch4 通道采集电磁辐射信号。声发射和电磁辐射前置放大均为40 dB，声发射探头中心频率为 7.5 kHz，门槛值为60 dB。电磁辐射点频天线中心频率分别为 20，800 kHz，门槛值分别为 90，50 dB，宽频电磁辐射天线门槛值为95 dB。声电信号采样速率均为 2 000 kHz，采样长度为 5 kB。为了减少外界电磁信号干扰影响，采用了网格尺寸小于 0.5 mm 的铜网作为屏蔽系统。试验时，将电磁辐射天线、声发射探头、伺服材料试验机压头等一起放入屏蔽系统内。3 组合试样冲击倾向性的演化规律组合试样冲击倾向性的演化规律 3.1 组合煤岩试样各亚层的单轴抗压强度组合煤岩试样各亚层的单轴抗压强度 在测试组合试样冲击倾向性之前，首先对各矿区的顶板、煤层与底板的单轴抗压强度进行了试验确定。表 1 为各矿区组合煤岩试样中顶板、煤层与底板的单轴抗压强度数值。表 1 组合试样中顶板、煤层与底板的单轴抗压强度 Table 1 Uniaxial compressive strengths of roof，coal and floor of compound coal-rock samples 单轴抗压强度/MPa 矿区名称 顶板 煤层 底板 三河尖 169.7 37.7 54.3 古城 122.0 26.0 50.0 济三 90.0 15.9 55.0 星村 92.5 14.5 16.5 海孜 65.2 6.7 15.0 2552 岩石力学与工程学报 2007年 3.2 组合试样与纯煤试样冲击倾向性差异组合试样与纯煤试样冲击倾向性差异 试验发现，组合试样单轴抗压强度较高，且变形破裂特别是冲击破坏时更加猛烈，并伴随有大量小的煤碎块以较快速度飞出。计算可知，济三煤矿组合试样冲击破坏时煤碎块的最大飞溅初速度达到5.37 m/s。从破坏形态看，煤样通常发生粉碎性冲击破坏，同时发出剧烈声响，而顶板岩样一般不会破坏。从冲击倾向性参数看，组合试样的冲击倾向性普遍高于纯煤试样。表 2 所示为组合试样与纯煤试样冲击能指数平均值的比值。表 2 组合试样与纯煤试样冲击能指数平均值的比值 Table 2 Ratios of average impact energy index between compound samples and coal samples 矿区名称 KEz/KEc 三河尖 1.27 古城 1.93 济三 1.44 星村 1.59 海孜 1.13 注：KEz与 KEc分别为组合试样与纯煤试样的冲击能指数平均值。3.3 煤样强度对试样冲击倾向性的演化规律煤样强度对试样冲击倾向性的演化规律 选取济三煤矿的顶、底板岩样，煤样分别取自上述 5 个矿区，加工成 5 组顶板煤样底板高度比值相同或非常接近的组合试样，每组 3 个试件，进行单轴循环加卸载抗压试验。图 4 所示为试样的冲击能指数 KE、弹性能指数 WET与抗压强度c的关系曲线。图 4 冲击能指数及弹性能指数与抗压强度之间的关系 Fig.4 Relations between impact energy index，elastic energy index and compressive strength 从图 4 可知，随着组合试样单轴抗压强度的增加，冲击能指数和弹性能指数亦随之增加，且回归成一次线性关系，说明煤样的单轴抗压强度与组合试样的冲击倾向性成正相关关系。3.4 顶板强度对试样冲击倾向性的演化规律顶板强度对试样冲击倾向性的演化规律 试验测定了 2 组不同强度顶板的组合试样在加载过程中的声发射信号，测试参数为计数率 N。2 组试样中顶板单轴抗压强度分别为 169.7 和 65.2 MPa，底板均为粉细砂岩，2 组试样中顶板高度所占百分比均为 60%。图 5 所示为 2 组试样测试的声发射计数率分布。(a)顶板单轴抗压强度为 169.7 MPa (b)顶板单轴抗压强度为 65.2 MPa 图 5 试样变形破裂声发射计数率分布 Fig.5 Distribution of AE count rate induced by failure and damage of samples 从图 5 可知，试样中顶板强度越高，组合试样变形破裂越猛烈，且呈脆性爆炸式破坏，声发射信号的计数率相对集中且较高，说明顶板岩样强度越高，则冲击倾向性越强。3.5 顶板厚度对试样冲击倾向性的演化规律顶板厚度对试样冲击倾向性的演化规律 选取三河尖煤矿的顶、底板和煤样，加工成 6组顶板煤体高度比值不同的组合试样，每组 3 个试件，进行单轴循环加卸载抗压试验。图 6 所示为冲击能指数和顶板与煤样高度比值之间的一次线性关系。由图 6 可知，当顶板与煤样厚度比值大于 0.75时，顶板厚度越高，冲击能指数越大，则组合试样的冲击倾向性就越强。0 10 20 30 40 0 1 2 34 56c/MPa 冲击能指数 KE，弹性能指数 WET c=3.400 8KE+14.33R2=0.832 4 c=6.034 6WET+5.729 6 R2=0.978 6 020406080 100 120 14016001002003004005006007008009001 000时间/s 声发射计数率 0204060 80 100120020406080100120140160180200时间/s 声发射计数率 第 26 卷 第 12 期 陆菜平，等.组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究 2553 图 6 冲击能指数和顶板与煤样高度比值的关系 Fig.6 Relation between impact energy index and ratio of roof height to coal height 4 组合煤岩冲击破坏声电耦合规律组合煤岩冲击破坏声电耦合规律 4.1 试样抗压强度与电磁辐射的耦合规律试样抗压强度与电磁辐射的耦合规律 试验测定了三河尖煤矿 2 个组合试样变形破裂直至冲击破坏全过程的电磁辐射信号能量率，其中试样的单轴抗压强度分别为 20.07，15.55 MPa。图 7所示为 2 个试样在循环加载过程中测定的电磁辐射信号能量率分布。(a)试样单轴抗压强度为 20.07 MPa (b)试样单轴抗压强度为 15.55 MPa 图 7 试样变形破裂电磁辐射能量率分布 Fig.7 Distribution of EME energy rate induced by failure and damage of samples 由图 7 可知，强度较高的试样变形破裂产生的电磁辐射能量率明显高于强度较低的试样，说明组合试样的单轴抗压强度越高，则电磁辐射信号越强。4.2 试样的顶板尺寸比例与声电效应的耦合规律试样的顶板尺寸比例与声电效应的耦合规律 试验测定了济三煤矿组合试样变形破裂直至冲击破坏的声电信号。其中试样 a 的顶板岩样比例为69%，试样 b 为 45%。图 8 所示为 2 个试样循环加载测定的电磁辐射脉冲数与声发射计数率分布。(a)试样 a (b)试样 b 图 8 试样变形破裂的声电效应 Fig.8 Acoustic-electromagnetic effect induced by failure and damage of samples 0 1 2 3 4 5 6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.21.3 1.4 1.5 1.61.7 顶板与煤样高度比值 冲击能指数 y=5.408 5x3.489 5 R2=0.980 6 声发射计数率 声发射计数率 2554 岩石力学与工程学报 2007年 由图 8 可知，试样中顶板岩样尺寸越高，则变形破裂的声电信号越强。试样 b 静态缓慢破坏直至失效，电磁辐射脉冲数较平稳，且数值较低。试样a 的电磁辐射脉冲数在冲击破坏时产生突降，冲击前兆最大值接近 120。说明顶板岩样的尺寸对电磁辐射特性及声发射信号强度产生显著影响。4.3 试样冲击倾向性与声发射的耦合规律试样冲击倾向性与声发射的耦合规律 图 9 所示为 2 个试样变形破裂时测定的声发射信号能量率分布，其中试样的冲击能指数分别为10.12，2.39。(a)冲击能指数为 10.12 (b)冲击能指数为 2.39 图 9 试样变形破裂声发射信号能量率分布 Fig.9 Distribution of AE signal energy rate induced by failure and damage of samples 由图 9 可知，随着试样的冲击能指数的增加，声发射信号的能量率也随之增强。说明试样的冲击倾向性越高，则声发射信号越强。4.4 试样变形破裂的电磁辐射与声发射规律试样变形破裂的电磁辐射与声发射规律 图 10 所示分别为组合试样在载荷作用下变形破坏的应力与时间 t 关系曲线、电磁辐射能量率以及声发射计数率的分布。试验研究结果表明：(1)试样受载变形破裂过程的峰前阶段，电磁辐射及声发射信号基本上随着载荷的增大而增强。第 1 次载荷极值点(26 s 左右)电磁辐射及声发射信号强度均出现一次明显增加，并达到最大值。第 2次载荷最值点(71 s 左右)及第 3 次(128 s 左右)电磁辐射与声发射信号亦如此。(a)应力时间曲线 (b)电磁辐射能量率分布 (c)声发射计数率分布 图 10 组合试样变形破裂电磁辐射与声发射规律 Fig.10 EME and AE rules induced by failure and damage of compound samples (2)组合试样在发生冲击性破坏以前，电磁辐射信号强度增幅与载荷增幅呈正相关关系，而在冲击破坏前，电磁辐射信号强度突然增加，冲击破坏之后产生突降，声发射信号亦如此。(3)组合试样应力开始卸载后，电磁辐射与声发射信号产生突降，随着应力的进一步降低，电磁辐射与声发射信号总体强度不再随着应力的降低而减弱，而是稳定在某一水平。再次进行加载时，载荷必须大于或等于之前的载荷极值，电磁辐射与声发射信号才会明显显现。由图可知，电磁辐射与声发射信号强度在组合试样发生冲击破坏前，首先增加至极值，冲击破坏后，信号产生突降。因此，煤岩体卸压爆破后电磁辐射信号强度能否产生突降就成为检验卸压解危效果的一个重要依据。声发射计数率 第 26 卷 第 12 期 陆菜平，等.组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究 2555 5 结结 论论 本文通过大量组合煤岩试样冲击倾向性以及声电效应规律的测试研究，得到如下结论：(1)采用组合煤岩模型判别煤层的冲击倾向性更为接近井下实际情况。(2)组合煤岩试样的冲击倾向性与煤样的强度、顶板岩样的强度及其厚度成正相关关系；试样的单轴抗压强度与冲击倾向性指数成一次线性关系；试样中顶板强度越高，变形破裂的声发射信号及冲击倾向性越强；当顶板与煤层厚度比值大于0.75 时，顶板厚度越高，则冲击倾向性越强。(3)随着组合煤岩试样的强度、顶板高度比例以及冲击倾向性的增加，电磁辐射与声发射信号越强，其中顶板岩样的尺寸对电磁辐射特性及声发射信号强度会产生显著影响。(4)组合煤岩试样冲击破坏前，电磁辐射与声发射信号强度突增至最大值，冲击破坏之后，信号强度产生突降并恢复至正常值。参考文献参考文献(References)：1 布雷迪 B H G，布朗 E T.地下采矿岩石力学M.冯树仁，佘诗刚，朱祚铎，等译.北京：煤炭工业出版社，1990.(BRADY B H G，BROWN E T.Rock mechanics for underground miningM.Translated by FENG Shuren，SHE Shigang，ZHU Zuoduo，et al.Beijing：China Coal Industry Publishing House，1990.(in Chinese)2 窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术M.徐州：中国矿业大学出版社，2001.(DOU Linming，HE Xueqiu.Prevention theory and technology of rockburstM.Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2001.(in Chinese)3 李纪青，齐庆新，毛德兵，等.应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探讨J.岩石力学与工程学报，2005，24(增1)：4 8054 810.(LI Jiqing，QI Qingxin，MAO Debing，et al.Discussion on evaluation method of bursting liability with composite model of coal and rockJ.Chinese Journal of 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