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第 3 O 卷第 8 期 2 0 1 1 年 8 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 fR 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 Vl0l - 3 O N0． 8 Au g． ， 201 1 煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制 左建平 。 。，裴建良 ，刘建锋 3 彭瑞东1 7李岳春 f 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 1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 力学与建筑工程学院岩石力学 与分形研究所 北京 1 0 0 0 8 3 ；3 ．网川大学 水利水电学院，P q f l成都6 1 0 0 6 5 摘要利用 MT S 8 1 5 试验机和声发射监测系统对单体岩石、单体煤和煤岩组合体进行单轴试验下的声发射测试， 找出三者之间破坏机制的差异，从而为现场微震监测提供指导。试验结果表明，随着荷载的增加，单体岩石、单 体煤及煤岩组合体的累积声发射数都增加，并且煤及煤岩组合体单位体积的声发射数要比岩石的声发射数高 1个 数量级，这主要是煤的强度较低且内部结构松软破碎所致。通过区分不同时段的声发射特征，得出三者破坏存任 本质差异随着荷载的增加，岩石的时段声发射数逐渐增多，煤的时段声发射数逐渐减少，而煤岩组合体的时段 声发射先逐渐增加后逐渐减少。岩石的抗拉强度最高，煤的最低，而煤岩组合体的位于单体岩石和煤之间。对于 煤岩组合体，岩石内部的声发射数约占声发射总数的 1 0 ％3 0 ％，煤体占 7 0 ％～9 0 ％；并且声发射的卒问分布丰 要受煤体结构及原生裂隙的影响。 关键词岩石力学；煤岩组合体；声发射；破坏机制；三维空间定位 中图分类号T U 4 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 1 1 0 81 5 6 40 7 I NVESTI G TI oN oN ACoUSTI C EM I SS I oN BEHAVI oR AND I TS TI M E． SPACE EVoLUTI oN M ECHANI S M I N FAI LURE PRoCES S oF CoAL． RoCK CoM BI NED BoDY ZUO J i a n pi n g t 2 7 PEI J i a nl i a n g ， LI U J i a n f e ng ， PENG Ru i d o ng ， LI Yue c h u n f 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 o f Mi 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 2 ． I n s t i t u t e o f R o c k Me c h a n i c s a n d F r a c t a l s ，S c h o o l o fMe c h a n i c s 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 o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e o i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 3 ． C o l l e g e o fW a t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ，S i c h u a n U n i v e r s i ty，C h e n g d u ， S i c h u a n 6 1 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t B o t h o f MT S 8 1 5 t e s t i n g s y s t e m a n d a c o u s t i c e mi s s i o n AE mo n i t o r i n g s y s t e m a r e u s e d t o me a s u r e t h e AE a c t i v i t i e s o f s i n g l e r o c k ， s i n g l e c o a l a n d c o a 1 ． r o c k c o mb i n e d b o d y u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t ． We f o C t l S o n fi n d i n g t h e d i s c r e p a n c i e s o f f a i l u r e me c h a n i s ms o f t h e t h r e e ；a n d t h e n i t c a n p r o v i d e g u i d a n c e f o r ml c r o s e l s ml c mo n i t o r i n g i n t h e fi e l d ． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t wi th t h e i n c r e a s e o f I o a d ， the c u mu l a t i v e AE n u mb e r s o f s i n g l e r o c k．s i n g l e c o a l a n d c o a l r o c k c o mb i n e d b o d i e s a r e i n c r e a s i n g ． I n a d d i t i o n ，t h e AE n u mb e r s o f u n i t v o l u me o f s i n g l e c o a l o r c o a l 。 r o c k c o mb i n e d b o d y i S a b o u t 1 o r d e r o f ma g n i t u d e mo r e t h a n t h o s e o f s i n g l e r o c k ． I t c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e l o w c o a l s t r e n g t h a n d i t s i n t e r n a l f r a c t ure d s t r u c t u r e ． T h r o u g h c o mp a r i s o n o f t h e AE n u mb e r S o f d i f f e r e n t p e r i o d s ，we fi n d t h e e s s e n t i a l c h a r a c t e r i s t i c s a mo n g t h e t h r e e k i n d s o f s a mp l e s ． Wi t h t h e i n c r e a s e o f l o a d ，t h e AE n u mb e r i n a t i me i n t e r v a l g r a d u a l l y i n c r e a s e s i n r o c k ， d e c r e a s e s i n c o a l ，a n d i n c r e a s e s i n i t i a l l y a n d t h e n d e c r e a s e s i n c o a 1 ． r o c k c o mb i n e d b o d v ． I n t h e t h r e e k i n d s o f s a mp l e s ，s i n g l e r o c k a n d c o a l h a v e the ma x i mu m a n d t h e mi n i mu m f a i l ure s t r e n g t h， r e s p e c t i v e l y ． Ho we v e r ， t h e f a i l u r e s t r e n g t h o f c o a l r o c k c o mb i n e d 收稿 日期2 0 1 1 0 21 4 ；修回 日期l 2 0 1 1 0 3 3 1 基金项目高等学校全 国优秀博士学位论文作者专项资金 2 O 1 0 3 O ；国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 O 1 O cB 7 3 2 O 0 2 教育部新世纪优秀人才支 持计划f NC E T一 0 9 0 7 2 6 作者简介 左建平 1 9 7 8一 ，男，博士，1 9 9 9年毕业于中南大学机电工程学院机辆工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学、损伤、断裂及数值计 算等方面的教学与研究丁作。E ma i I z j p c u mt b ． e d u c n 第 3 0卷第 8期 左建平等 煤岩体破裂过程 中声发射行 为及 时空演 化机 制 1 5 6 5 b o d y l i e s i n b e t we e n t h e s i n g l e r o c k a n d c o a 1 ． F o r t h e c o a l - r o c k c o mb i n e d b o d y， t h e AE n u mb e r a c c o u n t s f o r a b o u t 1 0 ％ 一3 0 ％ i n r o c k， a n d a bo u t 7 0 ％ 一9 0 ％ i n c oa 1 ． I n a d di t i o n， t he s pa t i a l d i s t r i b u t i on of AE a c t i v i t y i s ma i nl y a f f e c t e d b y t h e c o a l i n i t i a l i n t e r n a l mi c r o s t r u c t u r e a n d t h e p r i ma r y mi c r o c r a c k s ． Ke y wo r d s r o c k me c h a n i c s ；c o a l r o c k c o mb i n e d b o d y；a c o u s t i c e mi s s i o nf a i l ure me c h a n i s m；3 D s p a t i a l l o c a t i o n 1 引 言 矿井灾害的发生直接威胁到矿井 的安全高效生 产，但这些灾害发生前或多或少都有一定的规律和 特征 。如煤与瓦斯突出前出现 由远而近的雷鸣声、 鞭炮声，现场称之为响煤炮 ，而响煤炮的大小与问 隔时间随地质条件而异；深部煤层或岩层离层时发 出劈裂声，甚至 由此 引发煤壁震动和支架发 出 “ 吱 嘎声 ” ；顶板来压时顶板有明显的噼啪响声；矿井水 灾事故前煤岩层有时发出 “ 吱吱”水 叫声。这些事 故发生时都有一个共同的特征，那就是发射出 “ 声” 。 这种 “ 声”本质是煤岩体受外力或内力作用发生变 形和断裂 时释放出的瞬时弹性波 ，这种弹性波通常 以脉冲 的形 式释 放 出来 ，被 称 为声发射 a c o u s t i c e mi s s i o n ，简称A E 。因此 ，如果能监测到荷载下煤 岩体的声发射 ，对认识矿井煤岩灾害 的发生机制和 及时预警调控有重要作用。 有关声发射 的研究 ，L ． O b e r t 等l 1 之 】 为了预测岩 石开挖过程的失稳现象，最早应用声发射检测技术 来确定岩石开挖诱发的破裂位置，并 由此确定岩石 中的最大应力区。E ． J ． K a i s e r 首次将声发射同金属 材料的力学过程联系起来 ，并认为声发射具有不可 逆性，这在声发射技术发展史上具有里程碑的作用 。 目前，对煤岩声发射的理论研究主要集中在煤岩体 受载过程中的声发射规律、Ka i s e r效应及声发射损 伤理论等方面 。李庶林等 1 对单轴受压岩石破坏全 过程和疲劳荷载过程进行了声发射试验 ，分析 了岩 石破坏过程中的力学特性和 声发射特征 。C． L i和 E ． No r d l u n d [ 6 1 对 8种岩石进行了声发射试验，发现 大部分岩石具有 Ka i s e r效应 ，但唯独铁矿石没有 K a i s e r效应 。在岩石声发射的应用研究方面，张立 杰等 J 基于声发射的煤岩动力失稳行为对试验与现 场监测结果进行了比较 ，综合分析 了复杂变化环境 下煤岩 的失稳声发射定量规律 。姜永东等 j 应用弹 性理论推导出地下岩体测点处的地应力表示方法和 地应力椭球基本方程 ，研究了利用声发射 Ka i s e r 效 应来测定岩体地应力的原理、方法和测试技术。赵 奎等【 9 J 将小波分析技术应用到岩石声发射测量地应 力信号处理分析中，为研究岩石声发射测量地应力 机制提供 了新的研究思路和方法 。许 江等u U J 就单 轴荷载下岩石声发射定位 的影响因素进行 了详细地 分析。 单纯 对岩 体 或煤 体 的破坏研 究 较 多 ，M．S ． P a t e r s o n 等 [ 1 1 - 1 2 J 对 国际上岩石 的脆性破坏研 究做 了 非常详细的综述；K． Mo g i [ 1 3 J 详细介绍 了自主设计的 三轴试验仪器的试验结果，并讨论了中间主应力对 岩石破坏模式的影响；陈 颐等【 1 ] 对岩石物理力学 性状及其在地球物理学中的应用做 了细致地分析和 讨论 。无论是单轴和三轴条件下岩石和煤的声发射 现象 ，大家基本接受的观点是随着应力的增加，岩 石和煤的平均声发射率也都有所增加，并且与煤岩 体的非弹性变形有密切关系。但深部矿井灾害更多 受到煤岩组合体整体结构的影响，再加上深部高应 力环境，很多矿井灾害表现 出煤岩整体破坏失稳现 象 。因此，获得煤岩单体和组合体破坏机制 的差异 对于认识矿井灾害的发生机制及预防矿井灾害和保 障煤矿安全开采具有十分重要的意义 。左建平等I l 5 】 对钱家营岩体、煤体和煤岩组合体进行 了单轴和三 轴压缩试验，获得 了不同应力条件下煤岩、单体及 组合体 的破坏模式和力学行为 ，并 比较 了异 同。本 文通过带有三维定位实 时监测装置 的MT S 8 1 5 试验 机，实时监测了单轴荷载下煤体、岩体和煤岩组合 体三者破坏过程 的声发射行为及力学行为的关系 ， 并获得 了声发射三维空间分布规律，这对认识矿井 煤岩体灾害的发生机制 ，以及更好地实施矿井微震 监测都具有一定的指导意义。 2 煤岩矿物组成及试样加工制备 试验所用煤岩体采自开滦钱家营矿 2 0 7 1工作 面 ，埋深一 8 5 0 m。该工作面煤层为稳定的中厚煤层， 煤厚平均3 - 5 m，局部煤层松软易片帮；煤层平均f }页 角 7 。 。该工作面巷道近期表现 出围岩大变形 、巷道底 臌严重 、两帮煤体收缩量大等 问题，这些是煤岩组 合体整体变形特征。分别在 7 煤层及煤层顶板钻取 岩石 力学与工程学报 煤样和岩样 。在中国石油勘探开发研究院进 行 x 衍射分析，得到钱家营顶板砂岩及煤的矿物成分见 表 1 。 表 1 x衍射分析钱家营典型砂岩和煤样的矿物组成 T a b l e 1 Mi n e r a l c o m p o s i t i o n o f Q i a n j i a y i n g t y p i c a l s a n d s t o n e a n d c o a l s a mp l e s b y X r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s i s 垂直顶板钻取的岩芯直径为 9 0 mm，在实验室 再通过岩芯管 5 mm和0 5 0 ram 钻取。煤样从一 大块煤体中钻取，并且从同一方 向钻取，保证 了其 节理方 向的一致性。最后在磨平机上将试样两端磨 平，保证试样两端表面平行、光滑，没有大的划痕。 研磨时要求试样两端面不平行度小于 0 ． 0 1 mm，上、 下端直径的偏差小于 0 ． 0 2 mm。由于煤样松软破碎 ， 加工较为困难 ，并且试验量大，因此单体煤加工为 0 5 0 mmx 7 0 mm；而组合体试样中煤和岩石的尺寸 均为 5 mmx 3 5 mm，组合后的尺寸为 5 mmx 7 0 mm，即径高比为 1 2 ，组合体采用黏结剂黏结； 单体岩石的尺寸为0 5 0 mm 1 0 0 mm。煤样 、岩样及 煤岩组合体试样如 图 1 所示 。 ■豳 圄 a 煤样 b 岩样 c 煤岩组合体 岩上煤下 图 1 煤样、岩样及煤岩组合体试样 F i g ． 1 S a mp l e s o f s i n g l e r o c k ， s i n g l e c o a l a n d r o c k - c o a l c o mb i n e d b o d y 3 MT S试验机和声发射测试系统 单轴压缩试验是在四川大学MT S 8 1 5 试验机上 完成。其最大轴向荷载4 6 0 0 k N，单轴引伸计横向 量程为一4 ～ 4 r n l T l ，轴向行程为 0 ～1 0 0 mm[ 】 。各 测试传感器 的测试精度均 为当前等比标定量程点的 0 ．5 ％，试验系统如图2 所示。对于单轴岩样加载采 取力加载模式，加载速率为 1 k N／ s ；对于煤样及煤 岩组 合体采 取位移 加载模 式 ，加 载速 率为 1 0 mm ／ s 。试验过程中，在加载的同时，通过分布于试 图 2 MT S 8 1 5试验 机及 声发射 测试 系统 F i g ． 2 M TS 8 1 5 t e s t i n g ma c h i n e a n d AE mo n i t o r i n g s y s t e m 件两端的声发射f AE 】 三维定位系统实时监测煤岩体 内微破裂发出的声发射信号。 AE 监测系统采用美 国 物理声学公司生产的声发射测试分析系统，该系统 采用 了P C I I I 板卡，具有超快处理速度、低噪声、 低 门槛值和可靠的稳定性等特性，最大限度地降低 了采集噪声；系统采用 了1 8 位A／ D转换技术，在对 声发射信号实时采集的同时，可对波形信号进行实 时采集和存储 。为了构建三维A E 空间分布，采用6 个声发射探头分布于煤岩组合体的侧面进行探测。 为了增强声发射探头与试样的耦合效果，采用凡士 林作为AE 传感器耦合剂 ，然后采用胶带固定，以减 少声发射信号的衰减 见 图2 。 声发射 的定位算法有很多，常见的有最小二乘 法 、相对定位法 、Ge i g e r 定位法[ 和单纯形定位 方法_ l 9 J 等。Ge i g e r 定位法是Ga u s s Ne w t o n 最小拟合 函数的应用之一，适用于小区域地震事件 。本文为 实验室尺度 的煤岩组合体 的破坏 ，因此采用Ge i g e r 定位算法来确定声发射位置 。Ge i g e r 定位法是基于 最小二乘法，对给定初始点的位置坐标 0进行反复 迭代，每一次迭代都获得一个修正向量A O，把 A O叠 加到上次迭代 的结果上，得到一个新的试验点，然 后判断该点是否满足要求。如果满足要求，则该点 即为所求声发射位置；如不满足，则继续迭代，直 到满足要求为止。 试验 中可将几个声 发射 传感器按一 定位 置 固 定，通过测定不 同位置各个传感器拾取P 波的相对时 差，从而实现对声发射事件 的定位，即 x i 0 一 0 Z i z 0 v t i f 0 1 式中 ． ， ，Z i 为第 个接收到 P波的传感器的坐 标值 ； x 。 ， 。 ，Z 。 为试 验点坐标 值 初 始值人 为设 定 ；v 为 P波波速；f 为第 i 个传感器接收到 P波 第 3 0卷第 8期 左建平等煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制 1 5 6 7 的时间； 为声发射源发出信号的时间。 式 1 中有 4个未知量，即x i ，Y ，z 和 t ，因此 至少通过 4个不共面的传感器确定声发射源 的空间 位 置 。 对于第 i 个传感器检测的 P波到达时间 ． ， ，可 用试验点坐标计算出的到达时间的一阶 T a y l o r 展开 式表示 ， O x 熹 誓 △ Z O t 2 a d 1， Olz 其 中， 堕 生 ，堕 丛 ，望 三 ， 1 a Z a f 2 b R ／ x i Y i z i z 2 c 式中 t ⋯ 为由试验点坐标计算出的P 波到达第i 个传 感器的时间。 对于／ t 个传感器 ，就可 以得到 个方程，写成矩 阵的形式为 盟 亟 1 d x d y dz 堕 1 d x d y d z ； ； 监监监1 Ax Az △f 用Ga u s s 消元法 求解式 3 可得 修正 向量 A O [ ， ，△ Z ，△ f ] 。通过对每一个可能的声发射源坐 标矩阵形式计算求 出修正 向量 AO后 ，以 AO 为新 的试验点继续迭代 ，直到满足误差要求 ，该坐 标即可确定为声发射源的最终定位坐标。 4 钱家营煤岩体声发射试验结果及分 析 通过 3个标准试样 5 0 mm 1 0 0 ram 获得单轴 荷载下岩石 的力学及声发射特性，典型岩石应力 一 应变 曲线及声发射时空演化规律如图 3 a 所示 。随 着荷载的增加，大约 3 MP a时，试样就有 AE发生， 但总体 AE数相比煤体而言非常少 。这个阶段产生 的 AE主要是岩石 内部原生裂隙的闭合效应及极弱 裂隙扩展所致。当压密阶段过后，进入岩石的 线性 和非线性 弹性阶段时，AE非常缓慢增加；直到达 到峰值荷载 的 8 0 ％以后 ，A E 数才迅速增加；当达 到峰值荷载时，岩石破裂 ，此时 AE发展最迅速 。 1 。 。 8 。 垂 6 。 。 2 。 O O 1 2 3 4 5 6 7 8 应变／ ltl a 岩样 R一 02 试样 2 。 l 5 皇 。 毯 5 0 应变／ u ￡ b 煤样 M一 01 试样 1 O O ％ 0 l 2 3 4 5 应变／ I t s C 煤岩组合体 R M一 0 图3 典型试样单轴应力 一应变曲线及声发射时空演化规律 F i g ．3 Un i a x i a l s t r e s s - s t r a i n c u r v e s a n d AE t i me - s p a c e e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t y p i c a l c o a l s a mp l e s 9 8 ， ， 样 6 试 3 岩石力 学与工程学报 通常而言， 煤体的抗压强度远远低于岩石的抗压 强度，所以试验采取位移加载模式，加载速率为 1 O mr r d s ，最终本次试验测试到的钱家营煤体的强度为 1 0 ～2 1 MP a ，约为钱家营岩石强度 的 1 ／ 1 0 ～1 ／ 5 。由 于煤体松软 、抗压 强度低 ，因此在加载初期 ，即 便在较低的荷载作用下，煤体也有较多的 A E数； 随着荷载的增加，AE数逐渐增多。峰后，尽管 AE 数随着应变 的增加仍有增加 ，但 总体变 化不大 ， 如 图 3 b 所示 。在峰值荷载 附近 ，煤样上有碎块掉 下 ，并伴有清晰的噼啪响声 。总体而言，煤体破坏 过程中 AE几乎分布整个试样的空间，并随着荷载 的增加，A E 数随着时间和空间都在均匀增加 。可 见单轴荷载下煤体的破坏仍 以劈裂破坏为主，并伴 有很多细小微裂纹的发育和扩展。 图 3 a ， b 表明，相 比煤体而言，岩石材料的 AE明显沿着破裂面分布，而煤体破裂过程中的 A E 分布更为随机；并且岩石的 AE在接近峰值荷载时 才迅速发展，而煤体的 A E在峰值荷载的变化并不 明显。在岩石和煤的时段声发射讨论 中，将发现两 者存在 明显的差异。 煤岩组 合体平均破坏强度介于单体煤 和单体 岩石的平均强度之 间。对于组合体 ，由于煤体和岩 石 2种介质的强度相差较大 ，因此 AE主要发生在 煤体 内。统计表明，岩石 内部的声发射数 占 1 O ％～ 3 0 ％，煤体 占 7 0 ％～9 0 ％。但在组合体界面处，由 于煤体和岩石在加载过程中发生相互摩擦及挤压变 形，因此在界面处 的 A E也逐渐较多。从图 3 c 可 以看出，随着荷载的增加，A E 数逐渐增加。当荷 载较小时，AE数较少，尽管组合体中也包括煤体， 承受荷载 能力较低 ，但由于两体组合时，岩石和煤 之间存在相互变形协调过程，而这个协调过程将吸 收部分能量，导致初始荷载阶段煤岩组合体的 AE 数没有单体煤的 AE数多，但 比单体岩石的 AE数 多。随着荷载继续增大，如达到峰值荷载 的 3 0 ％以 上时，这时煤、岩两体的变形协调基本完成，此时 AE 数较多，且主要在煤体上半部及煤 一 岩体交界 处。随着荷载达到峰值后，大多煤体发生劈裂破坏 ， 而这种劈裂破坏 时裂纹的高速扩展往往具有非常高 的动态断裂能，这个能量有可能破坏上部岩石 ，由 此裂纹有可能延伸到岩石内部。当该动态断裂能消 耗完，岩石 内部的裂纹即停止扩展 。从 图 3 c 中可 以看出，在煤 一 岩交界面上方的岩石内也有大量 A E 数，并且主要集中在岩石的下部，这是煤体 内的裂 纹贯穿进入岩石 的证据。 5 煤岩组合体声发射分析与讨论 左建平等l l 5 l 对煤岩体 的破坏机 制及 力学特性 做了初步分析 ，并获得了单轴荷载下煤岩体的力学 性质 ，见表 2 。考虑到试样尺寸有所不 同，左建平 等[ 1 5 1 把试验结果全部转换为相 当于岩石力学测试 标准尺寸 0 5 o mm 1 0 0 mm 的峰值强度。试验表明， 单体岩石 的强度要远远高于单体煤和煤岩组合体的 强度 ，而煤岩组合体的峰值 强度要高于单体煤的强 度，平均高出 2倍 见图 4 。从图 4可 以看 出，在评 价煤岩整体破坏时的冲击倾向性时，单纯考虑岩石 的冲击倾向性偏高，而单纯考虑煤 的冲击倾向性又 偏低，因此煤岩组合体的整体破坏也是评价冲击倾 向性的一个重要指标 。 表 2 单体和组合体煤岩的峰值强度及声发射数 T a b l e 2 Pe a k s t r e n g t h e s a n d AE n u mb e r s o f s i n g l e r o c k ， s i n g l e c o a l a n d c o a l r o c k c o mb i n e d b o a y 善 醴 群 试样编号 注横坐标的 1 ，2 ，3对应于每种试样编号的最后个数字 图4 煤样、岩样和煤岩组合体的单轴抗压强度 F i g ． 4 Un i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h e s o f c o a l ， r o c k a n d c o a l r o c k c o mb i n e d b o d y ∞ 舳 ∞ ∞ 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 0 第 3 0卷第 8期 左建平等 煤岩体破裂过程 中声发射行 为及 时空演化机制 对于各试样的声发射总数，煤及煤岩组合体在 峰值强度前累积声发射总数要远远高于岩石的声发 射数，这主要是煤体强度低、松散和破碎所致 。但 即便对于同一类型的岩石或者煤岩组合体而言，声 发射数差距也较大 ，例如岩石 R一 0 2试样的声发 射数远远大于另外 2个岩石试样的声发射数，一个 主要原因是该试样内部存在着原生裂隙及其软弱影 响带，同时这个原生裂 隙也大大削弱 了该试样 的强 度。 尽管可推断声发射数跟试样的非均质度有着明 显的关联性 ，且随着荷载的增加，声发射数逐渐增 加 ，这对煤 、岩石和煤岩组合体都适用 见图 3 c ， 但这对认识和区分三者的破坏机制帮助并不大。事 实上累计声发射数掩盖 了很多破坏 内禀特性。将声 发射数根据应力增量 Ac t 0 ． 1 ， 为峰值荷载强 度 进行分段，如 “ 1 0 ％2 0 ％”指荷载从 0 ． 1 加 载至 0 ． 2 的声发射数据 ，不同加载段岩石、煤和 煤岩组合体的声发射数如图 5所示。从图 5 a 可 以 看 出，对于岩石而言 ，在加载初始某个时间段中， 声发射数很少 ，此处将某个时间段内发生的声发射 简称为时段声发射 。随着荷载 的增加 ，声发射数不 仅总数在增加 ，单位荷载区间的 A E数也在增加 。 而从图 5 b 看出，对于煤体而言 ，在加载 的初始阶 段 ，单位荷载区间的 AE数很大 ，这主要是 由于煤 体相 比岩石而言松软破碎 ；而随着荷载的进一步增 加 ，单位荷载区间的 AE数逐渐减少；临近破坏时， 单位荷载区间的 AE数几乎最小。而对于煤岩组合 体 ，如图 5 c 所示，在加载初期 ，单位荷载区间的 AE 数较少。尽管煤岩组合体中也有煤，但这个阶 段 A E数较少的原因主要是煤体和岩体两者之间的 变形协调所致 。但随着荷载 的进一步增加，单位荷 0 ％ ～ l 0 ％ 1 0 ％～ 2 0 ％ 2 O ％～ 3 O ％3 0 ％ ～ 4 0 ％4 0 ％ ～ 5 0 ％ 圈 5 0 ％～ 6 0 ％6 0 ％ ～ 7 O ％ 7 0 ％～ 8 O ％ 8 O ％ ～ 9 O ％9 0 ％ ～ 1 0 0 ％ a 岩样 5 0 ％ 6 0 ％ 6 0 ％ 7 0 ％7 0 ％ 8 0 ％8 0 ％ 9 0 ％9 0 ％ 1 0 0 ％ c 煤岩组合体 图 5 不同加载段岩样、煤样和煤岩组合体的声发射数 Fi g ． 5 AE n u m b e r s o f s i n g l e r o c k， s i n g l e c o a l a n d c o a l r o c k c o mb i n e d b o d y i n d i ffe r e n t l o a d i n g p e ri o d s 载区间的 AE数在逐渐增加 。但当过 了峰值荷载的 6 0 ％7 0 ％之后，单位荷载区间的 AE数又开始逐渐 减少 。并且临近破坏时，单位荷载区间的 A E数最 小 。因此，从图 5可 以看出，单体岩石、单体煤和 煤岩组合体在不 同时段声发射具有明显不同的时空 演化特征。因此 ，时段声发射特征有可能被用来作 为区分岩石 、煤及煤岩组合体不同破坏模式的特征 参数。 6 结论 通过MT S 8 1 5 试验机和声发射监测系统对钱家 营岩样、煤样和煤岩组合体进行了单轴试验下的声 发射监测，这对认识矿井灾害的发生机制及更好地 实施矿井微震监测具有一定的指导意义。主要结论 如 下 一鹃一 躺 一鹃 阑～ 阐 阑 一嘲一 一 蘸一睦一 一 1 5 7 0 岩石 力学与工程学报 2 0 1 1 年 1 通过MT S 试验机及美国物理声学公司生产 的声发射测试分析系统，采用 了Ge i g e r 维定位算 法，实现 了实时监测和再现煤岩组合体 的三维声发 射空间分布。 2 随着荷载 的增加 ，单体岩石、煤及煤岩组 合体的累积声发射数都增加，并且由于煤体松软破 碎 ，单体煤及煤岩组合体 的单位体积的声发射数要 比单体岩石的声发射数高近 1 个数量级。 3 随着荷载的增加，单体岩石、单体煤及煤 岩组合体展现出不同的时段声发射特征。初始阶段， 岩石的时段声发射很少，随着荷载的增加 ，岩石时 段声发射逐渐增加，到峰值时达到某个临界值 ，最 终岩石破坏 ，该过程与其累积声发射数有相似的特 征 。而对于煤，在初始阶段即便荷载很小，时段声 发射数却很多，而随着荷载的逐渐增加，煤体 内的 时段声发射数逐渐减少 ，并且在邻近破坏之前，煤 的时段声发射数几乎最少。而对于煤岩组合体，初 始 的时段声发射数也较少，这主要是煤体和岩石在 初始阶段存在变形协调过程；随着荷载的增加，时 段 声发射逐渐增多；但到达峰值荷载 的5 0 ％6 0 ％ 之后 ，时段声发射数达到极值；随着荷载的进一步 增加 ，时段声发射数又开始减少，邻近破坏时，时 段声发射数几乎达到最小时，煤岩组合体整体破坏。 可见，尽管三者之 间具有相似的累积声发射特征 ， 但时段声发射特征完全不 同，因此时段声发射特征 将有可能用于判断岩石、煤及煤岩组合体三者破坏 的一个重要特征。 4 煤岩 组合体 的强度位 于单 体岩石和 煤之 间，并且煤岩组合体的声发射主要发生在煤体内部， 岩石内部的声发射数 占1 0 ％3 0 ％，煤体 内部 的声 发射数 占7 0 ％9 0 ％；且声发射 的空间分布主要受 煤体结构及原生裂隙的影响。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 1 [ 2 】 [ 3 】 [ 4 ] [ 5 】 OBER T L， DUV AL L W I ． Us e o f s u ba u d i b l e n o i s e s f o r p r e d i c t i o n o f r o c k b u r s t s I I r e D 0 r t o f i n v e s t i g a t i o n [ R ] ．D e n v e r U ． S ．B u r e a u o f M i n e s ． 1 9 4 1 ． HODGS ON E A． Ve l o c i t y o f e