不同煤厚煤岩组合体破裂过程声发射特征研究

李回贵，李化敏，高保彬

（1.贵州工程应用技术学院 矿业工程学院，贵州 毕节 551700；2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；3.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000）

0 引言

以神东矿区为代表的西部矿区是我国煤矿开采技术发展最活跃的地区之一，也是国内外采矿界高度关注的地区。该地区煤层具有埋深浅、倾角小、构造少、煤层厚、瓦斯含量低等较好的开采条件，但在实际开采过程中却时常遇到冲击地压问题，经过大量学者研究，认为该地区的地层岩性特征是其发生冲击地压的重要原因之一［1-3］。前期研究发现，地层中除了可开采的煤层外，还有大量较薄的不可开采煤层，厚度从十几厘米到五十厘米不等，这些煤层的存在对岩层运动方式、支架载荷和裂隙发展规律有一定的影响［4-8］。为此，笔者对神东矿区地层中的粉砂岩和不同煤厚的煤岩组合体开展相关研究。

国内外学者已对煤岩组合体开展了大量的相关研究。C.H.Sondergeld等［9］和A.C.Mpalaskas等［10］用声发射参数描述岩石破裂过程中的损伤特征；M.Naderlooa等［11］利用声发射监测技术对脆性材料的损伤过程进行了研究；CHEN Y L等［12］采用室内试验和数值模拟方法对煤岩组合体的变形破坏特征进行了研究；WANG K等［13-14］在三轴压缩和卸压下研究了煤岩组合体的力学特征及渗透率演化规律；刘刚等［15］运用RFPA2D数值模拟软件对“三硬”煤岩组合体冲击倾向性进行研究，认为坚硬煤岩组合体峰后失稳破坏非常明显，易发生冲击地压现象；周元超等［16］利用RFPA2D数值模拟软件研究了不同高度比的煤岩组合体破裂过程中的力学及声发射特征；肖晓春等［17］对单轴压缩下煤岩组合体破坏过程能量耗散特征及冲击危险评价进行了研究，认为煤岩组合体中岩石的高度对峰值应变、弹性模量及声发射参数有影响；刘汉龙等［18］以内蒙古和重庆等地区的煤和砂岩为研究对象，采用日本岛津AGI-250高精度材料试验机对煤岩组合体破裂过程声发射特征进行研究，并运用概率密度分布对声发射参数进行了分析；王晓南等［19］以顶板-煤体-底板所构成的煤岩组合体为研究对象，研究单轴压缩下煤岩组合体的声发射及微震参数；赵毅鑫等［20］以煤、岩体和两种煤岩组合体为研究对象，利用红外热像、声发射、应变等监测手段对其破裂过程中的相关参数进行监测，并对参数进行分析。

综上所述，国内外学者对煤岩组合体的力学特性、变形破坏特征、声学特性、微震特征、冲击倾向性等进行了大量研究，但针对煤岩组合体破裂过程中的声发射特征研究相对较少，尤其是研究煤岩组合体中煤厚变化对破裂过程中声发射特征的影响更少，需要进一步研究，为神东矿区地层中含不同煤厚的煤岩组合体的破裂提供基础信息和前兆信息。因此，本文以神东矿区布尔台煤矿基本顶粉砂岩和5-2煤层为研究对象，在单轴压缩下对粉砂岩及4种煤岩组合体试样进行声发射测试，并对其结果进行详细分析。研究结果以期为该地区的典型动力灾害防治提供前兆信息，同时也期望为该地区的煤矿支架选型、关键层判断等提供依据。

1 试样采集与加工及试验方案

1.1 试样采集与加工

粉砂岩和煤采集于神东矿区布尔台煤矿5-2煤层及其基本顶粉砂岩。煤块在井下5-2煤层采集，大小约为30 cm×30 cm×30 cm，基本顶粉砂岩采用地面钻孔取心方式，岩心直径62.5 mm。试样按照规程要求加工成直径50 mm，高100 mm的标准岩样。试样共分为5组，A组为布尔台煤矿基本顶粉砂岩（A1～A3）；B组为煤岩组合体试样，煤厚5 mm（B1～B3）；C组为煤岩组合体试样，煤厚10 mm（C1～C3）；D组为煤岩组合体试样，煤厚15mm（D1～D3）；E组为煤岩组合体试样，煤厚20 mm（E1～E3）。加工好的试样见图1。

图1 加工好的不同煤厚试样Fig.1 Processed samp les with different thickness of coal

1.2 试验方案

力学试验采用中国武汉岩土力学研究所生产的RMT-150C型力学试验系统。该系统采用位移控制加载方式，加载速率为0.002 mm／s，每组试样重复试验3次。声发射试验采用DS5-8b声发射检测仪，声发射传感器对称布置于试样中部，为了防止声发射信号因接触不好丢失信号，采用耦合剂进行耦合，并用弹性胶带进行固定，防止在试验中掉落。力学信号与声发射数据在试验过程中同时还采集破裂过程中波形特征，声发射采样频率3 MHz，门槛值50 dB，前置放大器设置为40 dB。

2 煤岩组合体破裂过程声发射特征

2.1 煤厚对煤岩组合体声发射计数的影响

图2为粉砂岩和不同煤厚的煤岩组合体破裂过程声发射计数、应力与时间的关系曲线。由图2可知，4种煤岩组合体试样及粉砂岩在初始压密期声发射计数都非常少，并且在此阶段声发射计数没有出现比较大的事件。随着应力逐渐增加，粉砂岩和4种煤岩组合体都进入弹性阶段，该阶段试样内部开始逐渐产生微裂隙，声发射出现的频率比初始压密期高。随着煤岩组合体中煤厚逐渐增大，声发射计数事件出现的频率越来越高，声发射峰值计数与峰值应力附近的声发射峰值计数的比值越来越大。随着应力继续逐渐增大，粉砂岩及煤岩组合体试样开始进入屈服阶段，此阶段出现了明显的声发射现象，声发射计数出现的频率较前两个阶段有明显增加，且随着煤岩组合体中煤厚的逐步增大，声发射计数出现得越来越频繁。当试样达到峰值应力时，粉砂岩和4种煤岩组合体试样都出现了峰值声发射计数。

图2 不同煤厚煤岩组合体声发射计数、应力与时间的关系曲线Fig.2 Relation curves among acoustic emission count，stress and time of coal-rock combination bodies with different thickness of coal

表1为单轴压缩下粉砂岩和4种煤岩组合体试样破裂过程声发射参数的统计表，其中N为声发射峰值计数，NV为声发射峰值计数平均值，∑N为声发射累计计数，∑NV为声发射累计计数平均值。图3为单轴压缩下砂岩破裂过程峰值计数与煤岩组合体中煤厚（0，5，10，15，20 mm）的关系曲线。结合表1和图3可以发现，煤岩组合体试样中煤厚与声发射峰值计数存在明显的指数函数关系，随着煤厚增大呈指数减小。煤岩组合体中煤厚为0，5，10，15，20 mm时，声发射峰值计数分别为15.46×103，7.60×103，5.28×103，4.57×103，3.13×103次。与粉砂岩破裂过程声发射峰值计数相比，煤岩组合体中煤厚为5，10，15，20 mm时，声发射峰值计数分别降低了50.8%，65.8%，74.4%，79.8%。从以上分析可以发现，声发射峰值计数与煤岩组合体中煤厚呈负相关关系。结合图3和以上分析，采用指数函数进行拟合，得到方程

图3 煤厚与声发射峰值计数的关系曲线Fig.3 Relation curves between the thickness of coal and the acoustic emission peak counts

表1 单轴压缩下粉砂岩和煤岩组合体试样的声发射参数Tab.1 Acoustic em ission parameters of samples of siltstone and coal-rock combination bodies under uniaxial compression

式中：y为声发射峰值计数，次；x为煤厚，mm。

2.2 煤厚对煤岩组合体声发射累计计数的影响

图4为粉砂岩和不同煤厚的煤岩组合体破裂过程声发射累计计数、应力与时间的关系曲线。由图4可以发现，不同煤厚的煤岩组合体试样破裂过程声发射累计计数可以分为4个阶段：声发射相对平静阶段、声发射缓慢增长阶段、声发射快速增长阶段和声发射突增阶段。在声发射相对平静阶段，声发射累计计数曲线基本上没有变化，曲线斜率近似等于0。声发射缓慢增长阶段，声发射累计计数开始出现缓慢增长，但此阶段声发射累计计数增长量存在明显差异，声发射累计计数增长量随着煤厚增加有明显的增大趋势。声发射快速增长阶段，声发射累计计数曲线基本上处于塑性变形破坏阶段，声发射累计计数曲线斜率明显增大，累计计数快速增长。声发射突增阶段，声发射累计计数出现突增现象，声发射累计计数的曲线斜率有明显增长，但是煤厚对煤岩组合体破裂过程中声发射的突增现象存在影响，声发射累计计数突增现象随着组合体中煤厚的增大有所减弱；试样破坏的时间和应变随着煤厚的增大而逐渐增大，并且破坏时的应力也随着煤厚的增加有所减小，因此破坏时瞬间释放的弹性势能会减小，突增现象会逐渐减弱。

图4 粉砂岩及煤岩组合体的声发射累计计数、应力与时间的关系曲线Fig.4 Relation curves among acoustic emission cumulative count，stress and time of coal-rock combination bodies

图5为单轴压缩下煤岩组合体破裂过程中声发射累计计数与煤岩组合体中煤厚（0，5，10，15，20 mm）的关系曲线。由表1和图5可知，煤岩组合体中煤厚为0，5，10，15，20 mm时，声发射累计计数分别为0.83×105，1.65×105，2.94×105，3.94×105，5.12×105次；与结构面厚度为0相比，煤岩组合体中煤厚为5，10，15，20 mm时，声发射累计计数分别增大了98.8%，254.2%，274.7%，516.9%。由以上分析可以发现，声发射累计计数与煤岩组合体中煤厚呈正相关关系，声发射累计计数随煤厚增加逐渐增大。这是因为随着煤厚增加，试样破坏逐渐由脆性破坏向塑性破坏转变，破坏时间和峰值应变逐渐增大，试样的破坏程度逐渐增大，使得试样积聚的弹性能得到充分释放，因此，会产生更多的声发射现象。采用线性拟合方程对其进行拟合，其方程为

图5 煤厚与声发射累计计数的关系曲线Fig.5 Relation curves between the thickness of coal and the acoustic emission cumulative counts

3 煤厚对煤岩组合体破坏过程声发射波形的影响分析

图6为粉砂岩和不同煤厚的煤岩组合体试样破裂过程声发射波形特征，其中首波是指第一次出现的明显波形，峰前波形是指峰值应力前的波形特征。表2为单轴压缩下不同煤厚煤岩组合体破裂过程首波和峰前波形的特征参数。表2中：S为首波的信号强度峰值；St为首波出现的时间；CS为首波的持续时间；F为峰前波形的信号强度峰值；Ft为峰前波形出现的时间；CF为峰前波形的持续时间。由图6可以看出，首波波形的峰值信号强度存在差异，随着煤岩组合体中煤厚逐渐增大，首波波形的峰值信号强度逐渐增大。粉砂岩和煤厚5 mm的煤岩组合体试样首波波形比较紧凑，峰前波形衰减较慢；煤厚10，15，20 mm的煤岩组合体试样首波波形较光滑，峰前波形衰减得比较快。这说明粉砂岩及煤厚5 mm的煤岩组合体试样波形冲击性比较大，煤岩组合体中煤厚能够减弱波形的冲击性。粉砂岩及煤厚5，10，15，20 mm的煤岩组合体试样首波峰值信号强度分别为1.09，1.55，1.93，2.09，3.02 mV；首波持续时间为0.744，1.289，1.786，2.263，2.993 ms，说明破裂过程声发射首波的信号强度及持续时间与煤岩组合体中煤厚呈正相关关系，都随着煤岩组合体中煤厚的逐渐增大而增大。粉砂岩及煤厚5，10，15，20 mm的煤岩组合体试样峰前波形信号强度均为10 mV；峰前波形持续时间分别为62.492，23.901，19.113，16.717，12.462 ms，说明破裂过程声发射峰前波形信号强度非常大，但是峰前波形持续时间随着煤岩组合体中煤厚的逐渐增大而减小，粉砂岩峰前波形持续时间与煤岩组合体试样的峰前波形持续时间差异很大，煤厚5，10，15，20 mm的煤岩组合体试样峰前波形持续时间与粉砂岩的相比，分别降低了 61.8%，69.5%，73.2%，80.1%。

表2 单轴压缩下粉砂岩及煤岩组合体的波形参数表Tab.2 Waveform parameter table of siltstone and coal-rock combination bodies under uniaxial compression

由以上分析可知，粉砂岩首波波形开始时间与峰值波形开始时间相差很小，煤岩组合体试样破裂过程首波波形开始时间与峰前波形出现的时间相差很大。煤岩组合体中煤厚对峰前波形的信号强度没有影响，对首波和峰前波形的时间差没有显著影响，但粉砂岩与煤岩组合体试样的时间差差异很大。产生这种现象的主要原因是粉砂岩内部比较致密，形成微观破裂需要的应力大，而煤岩组合体试样中由于煤中含有原生裂隙比较多，较低应力时这些微裂隙就会发展，产生明显的声发射现象，形成较明显的波形信号。这种波形信号特征可以说明，在实际工程中存在软弱夹层的砂岩断裂时，不能以首次出现较明显的波形作为其断裂的预警信号，对于较坚硬的砂岩，可以将首次出现明显的波形作为其预警信号。因为，存在夹层砂岩破裂时首波和破裂时的波形时间差太大，中间还存在许多比较强的波形，而坚硬的砂岩破裂时首波和破裂时的波形时间差很小，并且中间没有信号比较强的波形。由图6可知，破裂时的波形虽然衰减速度存在差异，但是衰减速度相对其他阶段的波形衰减较慢，因此该波形可以作为预警岩石断裂的波形信号。

图6 不同煤厚煤岩组合体试样破裂过程声发射波形特征Fig.6 Acoustic em ission waveform characteristics in the process of fracture of coal-rock combination samples with different thickness of coal

4 结论

（1）煤岩组合体中煤厚对其破裂过程声发射计数有显著影响，煤岩组合体中煤厚与声发射峰值计数呈负相关关系，声发射峰值计数随着煤岩组合体中煤厚增大逐渐减小，与粉砂岩破裂过程声发射峰值计数相比，煤岩组合体中煤厚为5，10，15，20 mm 时的声发射计数分别为15.46×103，7.60×103，5.28×103，4.57×103，3.13×103次，降低幅度为50.8%，65.8%，74.4%，79.8%。

（2）煤岩组合体中煤厚对破裂过程声发射累计计数有显著影响，煤岩组合体中煤厚与声发射累计计数呈正相关关系，煤岩组合体中煤厚为5，10，15，20 mm时，声发射累计计数分别为1.65×105，2.94×105，3.94×105，5.12×105次，与粉砂岩相比，分别增大了98.8%，354.2%，374.7%，516.9%。

（3）煤岩组合体中煤厚对峰前波形的峰值信号强度及首波和峰前波形的时间差没有显著影响，但是对首波信号强度、首波持续时间和峰前波形的持续时间有显著影响。首波峰值信号强度及首波持续时间与煤岩组合体中煤厚呈现正相关关系，而峰前波形持续时间与煤岩组合体中煤厚呈负相关关系。煤厚5，10，15，20 mm的煤岩组合体试样与粉砂岩相比，首波峰值信号强度分别增大了42.2%，77.1%，91.7%，177.1%；首波持续时间分别增大了73.3%，140.1%，204.2%，302.3%；峰前波形持续时间分别降低了61.8%，69.5%，73.2%，80.1%。