不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究

　第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１　　２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ.２０１８　不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究高保彬１ꎬ２ꎬ３ꎬ吕蓬勃１ꎬ２ꎬ３ꎬ郭　放１ꎬ２ꎬ３(１.煤炭安全生产河南省协同创新中心ꎬ河南焦作　４５４００３ꎻ２.河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地ꎬ河南焦作　４５４００３ꎻ３.河南理工大学安全科学与工程学院ꎬ河南焦作　４５４００３)摘　要:为研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生的机理ꎬ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ꎬ选取平煤十矿煤样作为力学试验研究对象ꎬ采用自主研发的含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置ꎬ利用ＤＳ－５型全信息声发射信号分析仪ꎬ分析其在不同瓦斯压力条件下力学性质和声发射特征ꎬ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ꎮ结果表明:随着瓦斯压力的增大(０~２ＭＰａ)ꎬ煤样的峰值强度和弹性模量呈降低趋势ꎬ泊松比呈升高趋势ꎬ其抗压强度下降２２.６１％ꎬ弹性模量下降２３.９７％ꎬ泊松比增加３３.６７％ꎻ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ꎬ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ꎬ其声发射累计计数减小了３２％ꎬ累计能量降低了２５.３２％ꎮ研究成果有利于发现煤岩体破坏的细观机理ꎬ为找到煤岩体破坏失稳预测预报方法和指标提供了依据ꎮ关键词:含瓦斯煤ꎻ动力灾害ꎻ单轴压缩ꎻ声发射中图分类号:ＴＤ７１２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－０１１２－０８ＳｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅＧＡＯＢａｏｂｉｎ１ꎬ２ꎬ３ꎬＬＹＵＰｅｎｇｂｏ１ꎬ２ꎬ３ꎬＧＵＯＦａｎｇ１ꎬ２ꎬ３(１.ＣｏａｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳａｆｅｔｙＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｉｎＨｅｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＪｉａｏｚｕｏ　４５４００３ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｕｌｔｉｖａｔｉｏｎＢａｓｅｏｆＰｒｏｖｉｎｃｅａｎｄＭｉｎｉｓｔｒｙＪｏｉｎｔＥｓｔａｂｌｉｓｈｅｄＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ－ＨｅｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｆＧａｓＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＧａｓＣｏｎｔｒｏｌꎬＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ　４５４００３ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｃｈｏｏｌｏｆＳａｆｅｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ　４５４００３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇａｓｓｙｃｏａｌ－ｒｏｃｋｃｏｍｐｌｅｘｄｙｎａｍｉｃｄｉｓａｓｔｅｒꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｒｉｍａｒｙｐｏｒｏｓｉｔｙａｎｄｆｒａｃ￣ｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓｏｆｔｈｅＳａｎｊｉａｏｈｅｃｏｌｌｉｅｒｙꎬＴｕｎｌｉｕｃｏｌｌｉｅｒｙａｎｄｔｈｅ１０ｔｈＭｉｎｅｏｆＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎｃｏａｌｇｒｏｕｐꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｅｌｅｃｔｅｄｔｈｅｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓｏｆＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎａｓｓｕｂｊｅｃｔ.Ｔｈｅｎꎬｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｅｌｆ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｄｅｖｉｃｅｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｅｄｔｈｅｇａｓａｎｄｃｏａｌ－ｒｏｃｋｓａｍｐｌｅｓｉｎｄｅ￣ｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｕｎｄｅｒｌｏａｄａｎｄＤＳ－５ｆｕｌｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓｉｇｎａｌａｎａｌｙｚｅｒꎬｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐ￣ｅｒｔｉｅｓａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌ－ｒｏｃｋｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｉｔａｌｓｏａｎａｌｙｓｅｄｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｏｕｎｔꎬｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｃｏｕｎｔꎬｅｎｅｒｇｙꎬａｎｄａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｅｎｅｒｇｙｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔ:ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｇａｓｐｒｅｓ￣ｓｕｒｅ(０~２ＭＰａ)ꎬｔｈｅｐｅａｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓｄｅｃｒｅａｓｅꎬｂｕｔｔｈｅＰｏｉｓｓｏｎ̓ｓｒａｔｉｏｉｎｃｒｅａｓｅｓ.Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙ２２.６１％ꎬｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙ２３.９７％ａｎｄＰｏｉｓｓｏｎ̓ｓｒａｔｉｏｉｎｃｒｅａｓｅｓｂｙ３３.６７％.Ｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｈａｖｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄｆｏｕｒｓｔａｇｅｓ:ｓｔａｔｉｏｎａｒｙｐｅｒｉｏｄꎬａｃｔｉｖｅｐｅｒｉｏｄꎬｓｐｅｅｄ－ｕｐｍｏｖｅｍｅｎｔｐｅｒｉｏｄａｎｄｒｅ￣ｓｉｄｕａｌｍｏｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ.Ｔｈｅｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓ’ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｃｏｕｎｔａｎｄａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅꎬａｎｄｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｃｏｕｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙ３２％ａｎｄｔｈｅｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｅｎｅｒｇｙｄｅｃｌｉｎｅｓｂｙ２５.３２％.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｈｅｌｐｆｕｌｔｏｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｍｅｓｏ－ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｏａｌａｎｄａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｍａｓｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇａｓｓｙｃｏａｌꎻｄｙｎａｍｉｃｄｉｓａｓｔｅｒꎻｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎꎻａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎ收稿日期:２０１７－１１－２４ꎻ责任编辑:代艳玲　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０１􀆰０１６基金项目:国家自然科学基金委员会－河南省人民政府人才培养联合基金资助项目(Ｕ１３０４５０２)ꎻ教育部博士点项目(新教师类)基金资助项目(２０１３４１１６１２０００１)作者简介:高保彬(１９７７—)ꎬ男ꎬ河南民权人ꎬ副教授ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:高保彬ꎬ吕蓬勃ꎬ郭　放􀆰不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):１１２－１１９ꎬ１４９􀆰ＧＡＯＢａｏｂｉｎꎬＬＹＵＰｅｎｇｂｏꎬＧＵＯＦａｎｇ􀆰Ｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):１１２－１１９ꎬ１４９􀆰２１１高保彬等:不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究２０１８年第１期０　引　　言近些年ꎬ随着我国煤炭开采深度的逐渐增加ꎬ冲击地压、煤与瓦斯突出等复合动力灾害发生的频度和强度日益增加ꎮ煤作为复杂多孔介质ꎬ其孔隙裂隙结构及赋存的瓦斯对煤的物理力学性质有重要影响ꎮ因此ꎬ利用细观试验研究煤体内部的结构特征ꎬ对其进行不同瓦斯压力下的力学试验ꎬ并通过声发射监测技术对煤体破坏过程中的声发射信息进行监控ꎬ可为研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理ꎬ探究其破坏失稳的预测、预报方法和指标提供依据ꎮ为了研究含瓦斯煤岩失稳破裂的发生机理ꎬ预防动力灾害事故的发生ꎬ国内外学者对此做了大量的研究ꎮ文献[１－４]利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置ꎬ进行不同加载条件下含瓦斯煤力学特性的试验研究ꎮ结果表明ꎬ不同加载条件下含瓦斯煤的力学性质存在较大差异ꎬ含瓦斯煤的弹性模量和承载强度随加载条件的变化呈现一定的规律ꎮ赵洪宝等[５－７]在单轴压缩条件下利用ＭＴＳ８１５岩石力学试验系统对含瓦斯煤岩的力学特性进行了研究ꎬ研究结果认为ꎬ瓦斯参与后煤岩试件破坏的脆性增强ꎬ强度降低ꎮ王家臣等[８]以具有突出倾向的原煤粉制备的型煤试件为研究对象ꎬ研究了瓦斯对突出煤体的力学性质的影响ꎮ研究结果认为ꎬ瓦斯对煤样的三轴强度、变形模量及峰值应变等性质有较大影响ꎮ吕有厂等[９]利用自主研制的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置对含瓦斯煤岩进行了三轴卸围压试验ꎮ李晓泉[１０]对含瓦斯煤力学特性及煤与瓦斯延期突出机理进行了研究ꎮ黄启翔[１１]对卸围压条件下含瓦斯煤岩的力学特性进行了研究ꎮ李宏艳等[１２]采用声发射探测手段对不同冲击倾向性煤体失稳破坏进行试验研究ꎬ发现不同冲击倾向煤体失稳破坏过程中振铃计数、ＡＥ能量、频谱及ｂ值变化存在差异ꎻ宋真龙等[１３]从能量角度研究了不同瓦斯压力下煤样的冲击倾向性ꎬ指出瓦斯的参与使得煤样的冲击破坏性降低ꎻ王振等[１４]、李铁等[１５]都对瓦斯对煤岩体的冲击特性的影响进行了研究ꎬ研究表明在深部煤炭开采过程中冲击地压的发生与瓦斯有着密切的联系ꎮＭＡＪＥＳＳＫＡ等[１６]通过对煤样在瓦斯和二氧化碳吸附解吸过程中的声发射及应变特征分析ꎬ认为在瓦斯和二氧化碳吸附解吸过程中其声发射与应变特征具有差异性ꎮ从以上研究成果发现ꎬ过去学者对含瓦斯煤的力学性质的研究多是在三轴含瓦斯条件下ꎬ而单轴含瓦斯条件下的煤岩物理力学性质的研究很少ꎬ这与国标规定的单轴测定煤样冲击倾向性指标的方法不符ꎮ基于此ꎬ笔者从细观结构对三交河煤矿、屯留煤矿、平煤十矿煤样原生孔隙和裂隙进行了分析ꎬ并结合研发的含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置ꎬ研究了平煤十矿煤样在不同瓦斯压力下经单轴压缩后的煤岩力学性质ꎬ此外ꎬ利用声发射仪对其受载破坏过程中的声发射信息进行同步监测ꎬ从中提取声发射参量ꎬ根据所得应力－应变曲线及声发射特性ꎬ找到含瓦斯煤失稳破坏的声发射前兆信息ꎬ以期对煤岩瓦斯复合动力灾害进行监测、预测和防控ꎮ１　煤样的低场核磁共振测试及分析煤样的孔裂隙结构不仅决定着瓦斯的吸附、解吸、扩散等特性ꎬ而且对煤的力学性质有一定的影响ꎬ是判定煤层是否具有突出危险性的重要依据之一ꎮ采用ＭｅｓｏＭＲ２３－０６０Ｈ－Ｉ型核磁共振仪对煤样的孔裂隙结构进行定量分析ꎬ该设备主要由电磁系统、电子控制系统和分析软件等部分组成ꎬ如图１所示ꎮ图１　低场核磁共振设备Ｆｉｇ.１　Ｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ(ＮＭＲ)试验煤样采用屯留煤矿、三交河煤矿以及平煤十矿变质程度不同的煤块ꎮ煤样加工采用水平钻法将煤块制作成ø５０ｍｍ×１００ｍｍ的圆柱形ꎮ在进行核磁共振测试之前ꎬ需要对各矿煤样进行饱水处理以及仪器初始参数设置ꎬ试验结果如图２所示ꎬ其中区Ⅰ为微小孔ꎬ区Ⅱ为中大孔ꎬ区Ⅲ为裂隙ꎮ１)平煤十矿煤样的核磁共振结果分析ꎮ从图２ａ可以看出ꎬ该组煤样的Ｔ２图谱为双峰结构ꎬ非零谱段在３个区域都有出现ꎬ这说明微小孔、中大孔和裂隙在煤样中都有发育ꎬ但主峰主要存在于区域Ⅰꎬ说明微小孔比较发育ꎬ而在区域Ⅲ则逐渐降为零ꎬ说明该组煤样裂隙较少ꎬ不发育ꎮ此外ꎬ３个区域之间３１１２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷没有零点ꎬ连通性比较好ꎬ说明孔隙裂隙之间有部分沟通ꎬ利于煤体中的流体储存和运移ꎮ而且Ｔ２谱曲线对应的孔隙度分量值较大ꎬ说明该组煤样孔隙度较大ꎬ实测该组煤样的平均核磁共振孔隙度达到１４.２７４％ꎮ图２　不同煤样的Ｔ２谱分布Ｆｉｇ.２　ＴｈｅＴ２ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐｉｃｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏａｌｓａ