煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究.pdf

第2 7 卷第 2 期 2 0 0 8 年 2月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g 、 ， 0 1 ． 2 7 NO．2 Fe b． ， 20 08 煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究 赵毅鑫 一，姜耀东 1 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 ，祝捷 ，孙 冠哲 1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要讨论煤、岩体在 2种组合模式下受压破坏过程中能量集聚与释放规律。通过试验分析，得出 “ 煤 一围岩” 系统失稳规律，并结合红外热像、声发射、应变等监测手段，对 “ 砂岩 一 煤”及 “ 砂岩 一 煤 一泥岩 ”两类组合体 进行单 向压缩试验 ，对 比研 究不同煤 、岩 组合体失稳破坏的前兆信息 ，得到煤、岩组合体失稳破坏过程 中红外热 像、声发射能谱及组合体不同部位应变的变化规律。研究结果表明，对比煤样单体，煤 一岩组合试样失稳更突然， 失稳前兆点更难于捕捉。 关键词采矿工程；组合煤岩；红外；声发射；前兆 中图分类号T D 3 1 5 T D 8 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 0 8 0 23 3 9 0 8 EXPERI M ENTAL STUDY oN PRECURSoRY I N ATI oN oF DE ATI oNS oF CoAL． RoCK CoM PoS I TE S AM P LES BEFoRE FAI LURE ZHAO Yi x i n ’ 。 ， J I ANG Ya o d on g ’ 。 ， ZHU J i e ， SUN Gua n z h e 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fC o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ． 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c s ，A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i ty ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Abs t r ac t Th e f a i l u r e f e a t u r e s o f t he c o mp os i t e s a mpl es un d e r u ni a x i a l l oa d i n g a r e d i s c u s s e d． Th e c h ara c t e ris t i c s o f e n e r gy di s s i p a t i on a nd t r a n s l a t i o n i n t h e p r o c e s s of c o a l r o c k s a mp l e f a i l u r e are a n a l y z e d； a n d a n e x p e rime n t a l s y s t e m f or a na l y z i n g t h e me c ha ni s m a n d p r e c u r s or y i n f o r m a t i o n o f t h e f a i l u r e o f c o a 1 ． r oc k c o mp os i t e s a mp l e s i s d e v e l o p e d ．T h e s y s t e m i s c o mp o s e d o f t h e t h e rm a l i n frare d TI Ro b s e r v a t i o n s y s t e m，t h e s t r e s s a n d s t r a i n me a s u r e me nt s y s t e m ， a n d t h e a c o us t i c e m i s s i on mon i t o ring s ys t e m ． I n or de r t o i nv e s t i g a t e t he TI R a nd a c o us t i c r e s p o ns e s o f d i f f e r e n t ki n ds o f c o a l r o c k c omp os i t e s a mpl e s ， t wo t y pe s o f c o mp os i t e s a r e t e s t e d， wh i c h are c o mpo s e d o f t h r e e b a r s of s a n ds t on e c oa l mu ds t on e a n d t wo bars of s a n ds t on e c o a l ， r e s pe c t i v e l y ．Th e un i a xi a l c o mp r e s s i v e l o a d t e s t s are c a r r i e d ou t t o ob s e r ve t he f e a t u r e s o f TI R， a c o us t i c e mi s s i on a n d s t r a i n p r e c u r s o ry i nf o rm a t i o n i n t h e p r oc e s s of s a mp l e f a i l u r e ．The d e t a i l e d i n v e s t i g a t i ons o n t h e p r e c u r s o r i n a t i on o f s tre s s p oi n t s a r e c on d u c t e d ba s e d o n t h e TI R i ma ge s ，i n fra r e d r a d i a t i on t e mpe r a t u r e，i n frar e d r a d i a t i o n i m a ge s ，a c o us t i c e mi s s i o n， a nd s t r a i n da t e ．Th e a na l y t i c a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e c oa 1 ． r o c k c o mp os i t e s pe c i me n s are u n de r s t r e s s a c c e l e r a t e d a c c u mu l a t i o n s t a t e b e f or e f a i l u r e ．M o r e o v e r ， i t i S m o r e d i f fic ul t t o f o r e c a s t t h e f a i l ur e o f c o a 1 ． r oc k c o mp os i t e s a mpl e s c omp are d wi t h t h e f a i l u r e pr e d i c t i on o f n o rm a l c o a l s a mpl e s ． Ke y wo r ds mi ni ng e n gi ne e rin g； c o mpo s i t e c o a l s a mpl e； t he rm a l i nfrar e d； a c o us t i c e mi s s i o n； p r e c u r s or 收藕 日期2 0 0 7 0 5 0 9 修回 日期2 0 0 71 1 2 9 基金项 目国家 自然科学基金重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 2 ；国家重点基础研 究发展规划 9 7 3 项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 3 ，2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 5 ；国家自然科学基金资助项 目 5 0 7 0 4 0 3 4 ，1 0 5 7 2 1 4 7 ；国家科技支撑计划资助项目 2 0 0 6 B A K0 3 B 0 6 作者简介赵毅鑫 1 9 7 7一 ，男，博士，2 0 0 1 年毕业于 中国矿业大学工程力学专业，现为讲师 ，主要从事岩石力学与采矿 工程方面的教学与研究 工作 。E ma i l z h a o y x c u mt b ． e d u ． c n 维普资讯 3 4 0 岩石力学与工程学报 2 0 0 8 笠 1 引 言 一 些研究结果表明，地震、冲击地压和岩爆等 地质岩体失稳破坏是彼此相互作用的若干地质体组 成的力学系统非稳定变形的共同结果 。而煤矿动力 灾害更是 “ 围岩 一 煤体”系统在开采扰动过程中， 发生整体失稳的一种表征。准确地说，系统中煤体 和围岩任何一种介质失稳都会引起 “ 围岩 一煤体 ” 系统失稳。因此，对 “ 围岩 一煤体 ”系统失稳机制 及前兆信息的研究，将有助于井下冲击地压等动力 失稳灾害的预测和防治【 l J 。 近年来，国内外学者逐渐开展了组合体模型的 研究，如 I ． M． P e t u k h o v和 A． M． L i n k o v [ 2 1 在研究岩 石材料峰后稳定性时，分析了两体系统和 “ 顶底板 一 煤体”系统的稳定性问题。陈忠辉等【 3 利用两体 模型，研究了两岩体相互作用系统的失稳过程，对 地震孕育过程中的微破裂活动及弹性回弹等特性进 行了研究，解释了如变形局部化、弹性回弹等前兆 规律 。谢和平等【 5 J 基于工程体与地质体的相互作用 对两体力学模型进行了初探 。刘建新等【 6 用两体相 互作用理论和 R F P Az D系统对煤岩组合模型变形与 破裂过程进行了理论和数值试验研究。刘 波 7 】 对 不同高度比的煤岩组合体 的力学性质与动态破坏特 性进行了试验研究。齐庆新 】 的研究结果表明，组 合模型破坏可能是由加载过程中积蓄在岩石 中的能 量在煤块破坏时参与所致 。总之 ，大多数学者认为 煤岩动力失稳是 “ 围岩 一 煤体”系统失稳的一种灾 害体现 ，应把煤系地层视为煤层 一 顶底板系统，充 分考虑项板、 煤层和底板各子系统问的相互作用， 从 煤岩体变形能储存和释放及相互作用等方面，研究 子系统及复合系统整体效应对动 力失稳倾 向的影 响。但在研究手段上仍主要采取传统的力学试验方 法，不能有效地分析组合体失稳特征及前兆信息。 目前，国内外对煤样单体破坏前兆研究已取得 一 定成果，如 L ． X． Wu等[ 9 1 1 1 在 “ 遥感 一 岩石力学 ” 理论框架下论述 了岩石破裂和非冲击倾 向性煤体的 热红外前兆，认为微破裂越强，产生的热效应越明 显，红外辐射温度效应最强是在加载达到煤样强度 的 7 0 ％左右的时候 。 董玉芬等【 l 2 J对受载煤体变形破 裂产生的红外辐射信息进行 了初步观测研究。赵毅 鑫等[ 1 3 】 通过试验，发现冲击倾 向性煤样单体在单向 加载条件下的最终破坏前兆为 0 ． 9 0 左右 ，而循 环加载条件下则为 0 ． 8 1 o “c 左右 。因此，在对单体煤 样前兆破坏规律研究的基础上，研究组合体破坏规 律及前兆特征将为分析煤岩结构失稳机制提供新的 方法。 为综合利用红外辐射和声发射等监测手段，本 文采用 自行设计的由加载控制系统、多点应变监测 系统、红外成像系统及多通道声发射监测系统共同 组成的多系统 、同步性试验机构，分别对 “ 项板 砂岩 一 煤 ”及 “ 顶板 砂岩 一煤 一 底板 泥岩”组合 体进行压缩破坏试验，分析组合体结构变形 失稳过 程中的破坏前兆，同时对 比分析声发射、应变、荷 载及红外辐射信号间的相关性。 2 试验设计及方法 试 验 用样 品采 白开滦矿 区赵 各庄 矿 1 2 煤 层 5 0 2 8 工作面及其直接顶底板 ，该工作面附近部分区 域 内直接顶板厚度 、直接底板厚度均与煤层厚度接 近。因此 ，将煤样和岩样加工成 5 0 minx 5 0 mm的 短柱型单元，不仅便于组合试验，而且可近似模拟 现场工程条件。 试验系统组成如图 1 所示【 。 样品 两端面 加工后 的平整度为 0 ． 0 2 mm；端面垂直于 试样轴线，最大偏差不超过0 ． 2 5 。 ；沿试样高度上直 径误差不超过0 ． 3 m m。赵各庄矿1 2 煤层为强冲击倾 向性煤层，并多次发生冲击地压灾害【 】 “ 】 。 Il口 1 DPAE 发 射 加 载 控 制 系 统 墓 l 既 l00数 匡 声 发 射 监 测 系 统 l ．■[ 1 l 应变监测系统 l jj■ 压 Y E 6 2 6 3 应变采集仪 a 试验系统示意图 凰 I R 9 1 3 A红外摄像仪 红外监测系统 红外监 声发射监 应变监 红外热 加载加载监测、 测系统 测系统测系统 像仪 装置 控制系统 b 试验系统外观照片 图1 试验系统组成图[ 1 4 1 Fi g． 1 Di a g r a m o f e xp e r i me n t a l s ys t e m 【 l 4 】 维普资讯 第 2 7 卷第 2期 赵 毅鑫 ，等． 煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究 3 4 1 采用位移控制进行加载，加载速率恒为 0 ． 2 ram／ mi n 。试验环境温度为 1 7 ． 7℃，湿度为 3 2 ％。分别 采用 “ 砂岩 一 煤 ”和 “ 砂岩 一煤 一泥岩 ”组合体试 样，自然接触方式叠放。为减少组合体偏心 ，采用 直角钢尺在试样表面任意三条铅垂线方 向同时标定 使组合体中各单元柱面对齐。试验 中监测组合体各 部分环 向和轴 向应变及煤、岩接触面变形特征，并 采用两通道同步式声发射监测系统，分析组合体微 破裂特征 。1 声发射探头固定在煤样上；2 声发射 探头布置在砂岩岩样上。为减少周围环境对煤岩红 外辐射的影响，将煤岩试样放置在 由纸箱板围成的 半封闭空间内，前方正对红外热像仪 的一面敞开， 后面则衬 以白色湿布背景。试验时注意关闭窗帘、 避免人员从红外热像仪后面走过，尽量避免太阳光 的散射影响。为保证试验的稳定性和互补性，不同 组合条件下各完成 2组试验。 3 试验结果及分析 试验采用声发射能量数和红外辐射温度作为前 兆信息提取和判断的指标。同时，采用煤样中部表 面平均红外辐射温度 。 作为统计量，对 。 随时 间的变化进行分析。 在组合体最终失稳前某 时刻 ，组合体 内裂纹突 然扩展、贯通 ，在很短 时间内释放大量能量，定义 该时刻点为组合体 “ 最终失稳前兆点 ” ，该点直接 预示着组合体最终承载结构失效的开始 。同时，在 加载过程中，在 “ 最终失稳前兆点”所对应的时刻 之前，组合体内往往要经历多次微破裂，为便于分 析组合体失效过程 ，定义其 中释放能量最大的一次 微破裂所对应 的时刻为 “ 关键前兆点”l 1 8 】 。 3 ． 1 “ 砂岩 一煤 组合体破坏过程前兆分析 “ 砂岩 一煤”组合体失稳破坏荷载 一时间曲线 表现 出非常陡的峰后部分，说明煤体失稳断裂非常 突然、猛烈，但峰后仍有一个衰弱的峰值点，说 明 该组合体失稳 是 由材料失稳而 引起 的结构 失稳 。 根据 荷载 一加载 时间和应变 一加 载时间 曲线及 声 发射 能量数和加载时间关系 见图 2 ～4 ， 信息 见图 5 及热红外图像 见图 6 得出 1 上压盘接触砂岩时，2 传感器开始被触发 ， 而 1 传感器并没被触发 ，说明煤 一岩 自然接触面中 的空气能有效阻隔中小能量声发射信号，在一定程 度上避免了信号问干扰，可保证声发射事件初步定 位 的需要。2 传感器先于 1 传感器接收到的声发射 信号可能是压盘与砂岩接触后，其接触面 以及煤、 加载时间／ s 图 2 两体组合加载条件下荷载 一 加载 时间曲线 Fi g． 2 Loa d t i me c ur v e of t he c oa l r oc k s a mp l e t e s t u nd e r un i a x i a l c ompr e s s i on 皇 坦 薛 ● 皇 迢 薛 皇 、 坦 薛 加载 时 间／ s a 顶板砂岩环向应变 b 煤体中部环向应变 c 煤、岩接触面附近环向应变 煤 图 3 两体组合加载条件下环 向应 变 一 加载 时间 曲线 Fi g．3 S t r a i n t i me c ur v e s i n r i ng d i r e c t i o n of t he c o a l r o c k s a mpl e s t e s t u nd e r ui na x i a l c omp r e s s i o n 砂岩 间接触面上碎粒状物质破裂造成，由于冲击倾 向性煤体中富含孔隙和原生裂 隙，部分初始微弱声 发射信号在煤样传播中逐渐衰减 、消失，而在较密 实的砂岩中却能够传播并被捕捉到，如 图4所示。 ∞知如O如如 ∞舳∞如 ㈣如。 ㈣ 喜 i 姗 维普资讯 3 4 2 岩石力学与工程学报 2 O 0 8 年 8 O 。 4 o 杂 2 0 0 2 栅 杂 恨 ． 1 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 加载时间， s a l 探头声发射能谱 煤 加载时间／ s b 2 探头声发射能谱 砂岩 图 4 煤、砂岩声发射能量数随加载时间变化 F i g ． 4 En e r g y s p e c t r o me t r y o f a c o u s t i c e mi s s i o n i n c o a l a n d s a nds t o n e s a mpl e s t e s t un d e r l oa d i n g 加载时间／ s 图 5 煤样中部一点平均温度变化曲线上 一 加载时间曲线 F i g ． 5 - t i me c u r v e o f a p o i n t i n t h e mi d d l e o f c o a l s a mp l e t es t u nd e r l o a di n g 温度， ℃ 1 9．6I- 蠹 7 9 ． 1 81 s 1 5 7 ．4 7 7 s 2 2 9 ． 0 8 3 s 2 9 3 ．7 5 9 s 5 4 2 ．0 8 1 s 5 5 4 ． 2 1 1 s 5 6 1 ． 7 2 5 s 6 0 7 ． 3 3 1 s 6 4 0 ．2 4 7 s 破坏后试样 图6 两体加载过程中不同时刻组合体红外热像变化 Fi g．6,Va r i a t i o n o f i n f r a r e d t he r r no gr a ph y of c o a l r o c k s a mpl e e x p e rime n t s un de r d i ffe r e nt p e riods 2 1 ，2 传感器几乎同时在 t 2 4 2 S 左右开 始接收到声发射信号，此时荷载强度比为 1 ． 9 ％， 应变 一载荷 随时间变化 曲线 由此均开始进入快速 增长阶段 ， 曲线处于局部 “ 波谷”位置 ，如图 5 所示。当加载到 t 2 8 9 S时，煤样 中首先发生了较 强烈的裂纹扩展事件 ，荷载强度 比为 1 1 ． 0 ％。煤样 中部环 向应变和 2 传感器对此事件 响应有一定滞 后煤样中部环 向应变在 t 3 1 0 S 左右突然缩小， 2 传感器在 t 3 0 5 S 时出现突跳，对应荷载强度 比 分别为 1 7 ． 1 ％和 1 5 ． 8 ％。 3 加载到 t 3 0 8 S 时，对照 1 ， 2 传感器信号 发现，在砂岩内部发生了较强烈微破裂，此时荷载 强度比为 4 4 ． 7 ％。随后在t 3 8 5 S 时，砂岩环 向应变 突然减小，应变片失效，砂岩 内集聚的弹性应变能 突然释放，但仅引起煤样中部环向应变微动。此时， 煤样在不断聚集能量，加之砂岩释放的部分应变能 转移、贮存在煤样中，因此 m曲线表现出局部 “ 升 温”特征。在 t 4 0 0 S 时，受煤样应变能集中的影 响，将发生突然膨胀；内部裂纹非稳定扩展、贯通 至表面，此时 接近局部峰值。 4 2 传感器信号在 t 4 7 7 S 时达到其最大值 ， 此时荷载强度比为 9 3 ． 9 ％；砂岩内应变能再次释放， 受其影响，煤、岩接触面附近煤样发生碎裂 ；煤样 内能量缓慢释放 ，随后发生内部裂纹突然扩展、贯 通 ，此时荷载强度 比为 9 8 ． 6 ％。在峰值荷载时，煤 样左上部已经出现 明显碎裂 。煤样中主承载结构 已 经破断，但仍有残余 “ 骨架 ”支撑组合体结构 。1 声发射传感器在 t 5 3 6 S 时，出现峰后较强烈信号， 丁 曲线处于上升阶段。2 传感器在 t 5 5 0 S时， 也捕捉到砂岩峰后最为强烈微破裂事件，正是由于 煤体 内最后承载 “ 骨架 ”破坏 以及砂岩 内应变能的 不断释放 ，组合体在 t 5 6 0 S 时失去整体稳定性， 失稳破坏 。 5 加载过程 中煤 、岩接触面附近存在明显的 端部应变能集中效应 ，煤样上表面相对于顶部砂岩 仍表现出一定的非稳定滑动特征。 丁 曲线总体趋势是降低的，但煤样破坏表现 出明显的升温前兆。煤样材料破坏和砂岩 内应变能 释放共同诱发组合体整体结构失稳。对煤样中心区 域绘制 了 m一时问曲线，如图 5所示。 综合分析两体试验结果，可得 出以下结论 1 对于 “ 砂岩 一煤”组合体受压破坏，关键 前兆点位置区别较大 ，主要因为煤样个体之间的区 维普资讯 第 2 7卷第 2期 赵毅鑫，等．煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究 别和非均质性。最终前兆点位置基本一致，0 ． 9 6 1 荷载强度点可以认为是组合体受压破坏中热红外、 声发射和应变监测的最终失稳前兆点。0 ． 9 3 4 能量 强度点为外界对组合体做功的危险点，如表 1 所示。 表 1 “ 砂岩 一煤 ”组合体单 向压缩下破坏前兆点 Ta bl e 1 Compa ris o n of p r e c ur s o r f a i l ur e s t r e s s e s f o r s a n ds t o ne c oa l s a m p l e s un de r un i a x i a l c omp r e s s i o n 注 1 加载速率为 0 ．2 mm ／ mi n ，砂岩在上，煤样在下； 2 带 “ 者为砂岩试样。 2 煤 一 岩接触面采用 自然接触 ，能够有效地 保证煤 一 岩 间的滑动摩擦， 自然接触面可以削弱在 煤 、岩样上声发射信号的相互干扰 ，能够保证微破 裂事件的初步区域化定位。对于两体失稳破坏前兆 的响应顺序 ，按先后排列仍是声发射 、热红外和应 变 。顶部砂岩进入关键前兆点范围后 ，发生明显先 于煤样最终前兆的两次声发射响应；顶部砂岩的释 能直接加速 了煤样失稳。该结果也说明可通过顶板 前兆信息预测整体结构失稳 。 3 从对能量集 中情况的响应而言 ，热红外前 兆 明显先于声发射和应变前兆，最大不超过能量强 度 9 ． 0 ％；说明热红外监测对能量聚集最为敏感 ；但 从材料破坏的角度 ，仍然是声发射前兆最为敏感 。 3 ． 2 “ 砂岩 一煤 一泥岩 组合体破坏过程前兆分析 本文的试验中，1 声发射传感器贴于煤样上， 2 声发射传 感器置于顶部砂岩上 。根据 声发射 能 谱 、应变、荷载、 信息与时间的关系 曲线及热 红外图像 ，如图7 ～1 1 所示，综合对比分析后得出 1 2 传感器仍先于1 传感器开始接收到声发 射信号。组合体破坏过程中，煤样内微破裂较砂岩 内更为频繁。加载到 t 3 6 3 s 时，煤样中发生一次 能量相对较高的微破裂， 曲线在t 3 6 5 s 时处于 局部微小波动 的峰值点；而应变对此事件响应并不 明 显。 时间／ s 图 7 三体组合加 载条件下荷载 一时间曲线 Fi g． 7 Lo a d t i me c u r ve of t he t h r e e ba r s a mpl e t e s t un de r un i a x i a l c omp r e s s i o n n 0 ．遥 薛 n 0 遥 景 n 0 ．宦 薛 n 0 宦 景 加载时间／ s a 顶板砂岩环向应变 加载时间／ s b 顶板砂岩轴向应变 加载时间／ s C 煤样环向应变 加载时间／ s d 煤样轴向应变 维普资讯 3 4 4 岩石力学与工程学报 2 0 0 8 笠 甲 0 倒 足 薄 甲 0 倒 足 黎 加载时间／ s e 泥岩环向应变 加 载时间／ s f 泥岩轴向应变 图 8 三体组合加载条件下应变 一加载时间曲线 F i g ． 8 S t r a i n t i me c u r v e s o f t h e thr e e b a r s a mp l e t e s t u n d e r uni a x i a l co mp r e s s i o n 金 豳 正 蒜 韫 金 豳 韶 韫 加载时fq ／ s a 1 探头声发射能谱 煤 加载时fq ／ s b 2 探头声发射能谱 砂岩 图 9 三体组合声发射 能谱 随加载时 间变化 Fi g．9 Ene r gy s pe c t r o me t r y of a c ou s t i c e mi s s i on i n t h r e e bar s a mpl e t e s t un de r l oa d i n g 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 加载时Iq ／ s 图 l O 三体组合煤样中部 一加载时间曲线 Fi g． 1 O m t i me c urve i n t h r e e bar s a mpl e t e s t un de r l oa d i ng 7 ． 3 3 3 s 7 9 ． 2 1 8 S 1 8 1 ． 3 5 2 S 3 3 0 5 0 5 S 3 8 6 ． 7 S 4 4 4 ． 5 0 2 S 4 8 3 ． 9 6 5 S 5 0 0 ． 1 4 8 S 5 0 3 ． 9 5 2 S 5 0 6 ． 6 6 7 S 5 1 5 ．3 0 7 S 5 1 9 ． 6 3 S 破坏后试样 图 1 1 三体加载过程中不同时刻组合体红外热像变化 Fi g． 1 1 Va r i a ti o n o f i n f r are d the r mo gr a p hy of t hr e e bar s am pl e e xp e r i me n t s un de r di ffe r e n t p e r i o ds 2 加载到t 4 1 6 S 时，砂岩 内发生相对集 中 的微破裂；受其影响，煤样 曲线在 t 4 2 2 S 左 右突然下降，表明煤体内也发生了裂纹扩展、贯通， 集 中的能量通过裂纹不断耗散，所监测区域能量降 低 。加载到t 4 6 1 S 时，砂岩 内再次发生较剧烈的 微破裂事件 ，但是煤样上 和应变仍仅出现微小 波动。 3 继续加载，2 传感器在 t 5 0 2 S 时达到最大 值，I 感器在t 5 0 3 S 接收到较强烈声发射信号， 此时荷载强度 比为 9 9 ． 3 ％。由热红外图像可知，在 t 5 0 4 S 左右煤体 已经开始发生碎裂、崩落，而在 t 5 0 6 S 时，荷载达到最大值 2 8 ． 5 8 4 k N。煤样 内在 t 5 1 2 S 时突然发生破裂 ，释放大量能量。组合体 整体失稳是在煤样材料失稳后，由砂岩、泥岩 内应 变能释放诱发的结构性冲击 失稳 。 ， 在 t 5 1 0 S 左右的升温，是由于煤块剥落后，煤样内较高温度 的新鲜表面暴露在热红外仪 的监测区域而造成的。 4 试验前 由于组合体各个部分温度不均一， 造成了红外热像的差异 。但随着加载的进行，能量 O 8 6 4 2 O 8 6 加 p ∞ 柏 如 ∞ 鲫 ∞ 柏 加 O 加 维普资讯 第 2 7卷第 2期 赵毅鑫 ，等．煤岩 组合 体变 形破坏前 兆信 息的试验研究 3 4 5 不断由顶部砂岩和底部泥岩 向煤样内传递 ，最终在 煤 一砂岩接触面附近产生能量集 中现象，并且导致 煤 一岩接触面附近煤体最先破裂 ，尤其表现为顶部 砂岩和煤接触面附近煤体 的碎裂。在这种条件下， 顶、底板对煤体的约束随接触面附近煤体碎裂、脱 落而逐渐 降低 ，煤样相对于顶、底部岩石发生非稳 定滑动，如图 1 2所示。顶、底部岩石内应变能量的 间断性释放，更加剧了煤样的碎裂、崩落，最终导 致组合体整体失稳。 a 煤 一砂岩接触面附近煤样的环向应变一加载时间 b 煤 一泥岩接触面附近煤样环向应变 一 加载时间 图 1 2 组合体 中砂岩 一 煤 一泥岩接触面煤样 的环 向 应变 一 加载 时问 F i g． 1 2 S t r a i n l oa d i n g t i me c ur v es of r i ng di r e c t i on of s a n ds t o ne ．． c o a 1 ．． muds t o ne c o nt a c t f a c e s i n t he t h r e e ba r c o mpr e s s i on t e s t 5 曲线总体趋势是降低的。由热红外图像 发现，煤体破坏后崩裂弹射出的碎粒显现出较高的 温度，说明煤体 内部在加载过程中聚集 了较高的能 量 。 综合分析三体试验结果，得出以下结论 1 对于 “ 砂岩 一煤 一泥岩 ”组合体受压破坏， 2组试验关键前兆点、最终前兆点位置基本一致 0 ． 9 7 4 荷载强度点可认为是组合体受压破坏 中热 红外 、声 发射 和应 变 监测 的最 终 失稳 前 兆 点 ， 0 ． 9 4 4 能量强度 点为外 界对组 合体做 功 的危 险 点，二者都很接近最后的荷载极限，说 明三体串联 组合体破坏更突然，更难预测，具体见表 2 。 表 2 “ 砂岩 一 煤 一 泥岩 ”组合体单 向压缩下破坏前兆点 Ta b l e 2 Co mpa r i s o n of p r e c u r s o r f a i l u r e s t r e s s e s f o r t hr e e b ar s a mp l e f a i l ur e u nd e r u ni a x i a l c o mp r e s s i on 注加载速率为 O 2 mm／ mi n ，砂岩在上，煤样在中，泥岩在下。 2 “ 砂岩 一煤 一泥岩”试样失稳形式更复杂 。 两组试验表现 出两种失稳模式一是 由底部岩样材 料失稳，而造成的组合体失稳，煤样破坏但未发生 大量煤块碎裂、弹射现象；二是在煤样材料失稳的 情况下，顶、底部岩样释放所聚集 的弹性应变能， 造成煤样冲击 ，大量煤屑弹射、飞出，组合体整体 结构失稳 。相 比较而言，第二种失稳模式破坏性更 强，在现场也更为普遍。 3 从能量集 中和传递的角度而言，三体组合 体失稳过程有明显的能量 、热量 向煤层传递现象， 煤层和顶、底部岩石接触面附近最容易形成能量集 中，造成微裂纹首先分布在其附近 。热红外图像可 以清晰地反映 由变形、破裂导致的能量转移及其路 径。煤样温度表现为先降后升前兆型和降温前兆型 两类，主要是 由试块 间的物理力学性质的整体差异 性决定 。同时，由红外热像发现，煤样 中裂缝位置 可通过高温或低温条带来确定 ，高温条带是应力局 部化的一种反映，而低温条带则标明应力释放区域。 4 结论 1 对于 “ 砂岩 一煤 ”组合体和 “ 砂岩 一煤 一 泥岩”组合体受压破坏，其关键前兆点位置区别较 大 ，其主要 由煤样个体之间区别和非均质性决定。 最终前兆点位置具有明显的规律性。对于两体组合 体 ，0 ． 9 6 1 荷载强度点可认为是其热红外、声发射 和应变共同监测的失稳前兆点；0 ． 9 3 4 能量强度点 为外界对组合体做功的危险点。对于三体串联组合 体 ，0 ． 9 7 4 荷载强度点可作为多系统共同监测到 的失稳前兆应力点，而 0 ． 9 4 4 能量强度点则为外 界对组合体做功的危险点。相比较而言，三体串联 组合体失稳前兆点比两体组合体失稳前兆点滞后， 说明三体串联组合体最终失稳更突然 ，更难预测 。 维普资讯 3 4 6 岩石力学与工程学报 2 0 0 8 年 2 组合体失稳破坏前兆的响应顺序，按时间 先后顺序排列分别是声发射、热红外和应变。热红 外监测对能量聚集、耗散最为敏感。从统计意义上， 热红外前兆在外界对试样做功 的响应方面，要先于 声发射和应变监测 。同时，实验发现在 “ 关键前兆 点”后，顶部砂岩或底部泥岩中发生的微破裂所造 成的应变能释放往往更易诱发组合体整体失稳。因 此，通过对顶、底部岩石声发射和应变的监测，配 合煤岩失稳监测，能够更有效地预测组合体最终整 体失稳。 3 从能量集 中和传递的角度而