突出煤巖縱波波速與應(yīng)力相關(guān)關(guān)系

　　摘 要：為探究井下煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警，運(yùn)用微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)對突出型煤試樣進(jìn)行單軸加載破壞實(shí)驗(yàn)，分析了試樣破壞特征及力學(xué)特性，采集震動波信號，與實(shí)際結(jié)果擬合后得到波速與應(yīng)力的耦合規(guī)律，并建立了波速與應(yīng)力間的試驗(yàn)關(guān)系模型，利用礦震信號進(jìn)行了突出煤層震動波層析成像現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在單軸加載條件下，縱波波速與突出煤樣應(yīng)力之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系Vp=a+kerx，在加載初始階段縱波波速變化梯度大，隨后變化梯度逐漸減小并趨于線性，與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明模型相關(guān)度達(dá)0.883，能較準(zhǔn)確描述波速與應(yīng)力的變化關(guān)系。現(xiàn)場震動波層析成像得到的應(yīng)力異常區(qū)域與現(xiàn)場采掘地質(zhì)條件對應(yīng)良好，驗(yàn)證了上述突出煤巖縱波波速與應(yīng)力的正相關(guān)關(guān)系。震動波層析成像可應(yīng)用于突出煤層應(yīng)力集中區(qū)探測，對礦井突出危險區(qū)域預(yù)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出;突出煤巖;震動波波速;應(yīng)力與波速相關(guān)關(guān)系;震動波速層析成像

　　《煤礦現(xiàn)代化》(雙月刊)創(chuàng)刊于1992年，是由兗礦集團(tuán)有限公司主辦。 本刊為綜合性技術(shù)期刊，主要欄目有戰(zhàn)略研究、生產(chǎn)建設(shè)等，于2003年創(chuàng)建編委會，歡迎投稿。

　　0 引 言

　　煤與瓦斯突出是一項(xiàng)典型的煤礦動力災(zāi)害事故，它具有破壞性強(qiáng)、危害性大等特點(diǎn)[1]。近年來，隨著煤礦井下開采深度不斷延伸，地應(yīng)力和瓦斯壓力隨之增大，并且地應(yīng)力成為影響煤與瓦斯突出災(zāi)害的主要因素，煤與瓦斯突出災(zāi)害日益嚴(yán)重[2]。目前，煤與瓦斯突出災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警方法一般有 K1 值監(jiān)測、鉆屑法監(jiān)測等，這些方法多采用抽檢或定點(diǎn)式指標(biāo)，且鉆孔工程量較大，通常會在一定程度上影響生產(chǎn)[3-4]。同時，它們在時域上無法做到連續(xù)監(jiān)測，空域上均體現(xiàn)為“點(diǎn)評價”形式，難以反映采掘過程大區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布狀況及煤與瓦斯突出突出危險性變化過程。

　　近年來，震動波CT技術(shù)被廣泛應(yīng)用于井下的勘探斷層及應(yīng)力狀態(tài)等過程中[5]。其探測原理為：利用震動波CT技術(shù)反演得到目標(biāo)區(qū)域的縱波波速分布，根據(jù)波速與煤巖應(yīng)力之間的正相關(guān)關(guān)系評價目標(biāo)區(qū)域的應(yīng)力分布，進(jìn)而識別應(yīng)力集中區(qū)，劃定危險區(qū)域[6-7]。該技術(shù)目前主要應(yīng)用于沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重的礦井，進(jìn)行沖擊地壓危險區(qū)域的評價、探測和監(jiān)測。彭蘇萍、Du等將震動波CT探測技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造勘探，該技術(shù)探測精度高且構(gòu)造線性成像明顯[8-9]。曹安業(yè)等將震動波CT技術(shù)應(yīng)用于揭示臨近斷層處孤島工作面應(yīng)力演化過程，其動力顯現(xiàn)位置與反演結(jié)果相吻合[10]。竇林名、解嘉豪、鞏思園、楊純東等將震動波CT技術(shù)和微震實(shí)時監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合，目前已在數(shù)十個礦井取得了成功應(yīng)用，同時也開始嘗試將微震技術(shù)應(yīng)用于煤與瓦斯突出礦井的監(jiān)測預(yù)警[11-14]。竇林名等提出動態(tài)負(fù)載擾動和靜態(tài)應(yīng)力集中是煤與瓦斯突出的2個主要影響因素，利用微震判別煤與瓦斯突出是可行的，為煤與瓦斯突出災(zāi)害提出新的預(yù)警思路[15]。雷文杰、李紹泉等進(jìn)行了微震響應(yīng)煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)，得到了煤與瓦斯突出孕育、激發(fā)、發(fā)生、殘余4個階段微震時頻特征[16-17]。朱權(quán)潔等利用大型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和高靈敏微震監(jiān)測系統(tǒng)，開展了瓦斯突出全過程的監(jiān)測試驗(yàn)，有效收集了從突出孕育到發(fā)生完成全過程的微震動響應(yīng)事件[18]。目前對含有煤與瓦斯突出傾向的煤巖樣縱波波速與應(yīng)力間相關(guān)關(guān)系研究不足，而要將震動波 CT 技術(shù)應(yīng)用于有煤與瓦斯突出危險的礦井中首先要解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)性科學(xué)問題是研究縱波波速與煤巖應(yīng)力之間的相關(guān)關(guān)系。

　　基于此，文中研究了含有煤與瓦斯突出傾向性煤巖樣在單軸加載方式下縱波波速與應(yīng)力間的相關(guān)關(guān)系，并建立其試驗(yàn)關(guān)系模型，在突出礦井進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)證。

　　1 試樣單軸加載波速測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　實(shí)驗(yàn)在YAW-600 微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)主要用于煤巖和軟巖的單軸壓縮試驗(yàn)，可測定單軸壓縮抗壓強(qiáng)度、彈性模量、切線模量、割線模量、泊松比、軟化系數(shù)等。并且該試驗(yàn)機(jī)具備試驗(yàn)力、變形、位移3種控制方式，這3種控制方式可在試驗(yàn)中進(jìn)行無沖擊、平滑轉(zhuǎn)換，可自動控制試驗(yàn)機(jī)全過程。聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)采集及處理裝置采用DS5系列全信息聲發(fā)射信號分析系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要有DS5聲發(fā)射儀、傳感器、放大器、DS5聲發(fā)射軟件等。實(shí)驗(yàn)過程中，聲發(fā)射系統(tǒng)與YAW-600巖石試驗(yàn)機(jī)同時工作，其工作原理如圖1所示，打開巖石試驗(yàn)機(jī)對型煤試樣加載同時聲發(fā)射信號儀產(chǎn)生激發(fā)縱波，利用安裝于試樣表面的聲發(fā)射探頭傳遞和接收波形信號，并經(jīng)由聲發(fā)射前置放大器和高速數(shù)據(jù)采集儀傳至計(jì)算機(jī)中記錄文件。

　　1.2 試樣制備

　　本實(shí)驗(yàn)分別制備突出型煤試樣和原煤試樣，原料分別取自貴州金佳礦(突出礦井)和新疆烏東礦(沖擊礦井)。

　　型煤試樣制作過程：首先利用煤樣篩篩取粒徑分別為1 mm和3 mm的煤粒，將其與腐植酸鈉、水混合攪拌均勻，原料組分見表1.將原料裝入模具后搗實(shí)并放置在壓力機(jī)下，緩慢加壓到30.00 kN并保壓15 min.最后將試件放置于干燥箱中，以105 ℃恒溫干燥，共分為6次，每次干燥4 h，中間間隔不少于1 h得到型煤試樣如圖2所示。

　　原煤試樣制作過程：根據(jù)國標(biāo)GB/T 23561制作直徑50 mm，高100 mm的圓柱煤樣，首先通過 SC-300型自動取芯機(jī)在原煤樣品上鉆取直徑為50 mm的圓柱體試件，再通過SCQ-A型自動切石機(jī)將直徑為50 mm的圓柱體試件切成高為100 mm的圓柱體試件，最后采用SCN-200型雙面磨石機(jī)加工，使兩端面保持平行。各試樣尺寸及重量見表2.

　　1.3 聲波測試原理及方法

　　由于縱波具有傳播速度快且易收集等特征，故選取縱波波速作為研究對象。首先對試樣預(yù)加載荷500 N，避免加載裝置與試樣之間出現(xiàn)空隙以影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再根據(jù)測量信號的強(qiáng)弱，調(diào)節(jié)接收傳感器測得縱波信號的增益和時間單位刻度，設(shè)置自動采集的脈沖寬度為20 μs，脈沖周期為2 000 μs 后保存該文件。

　　實(shí)驗(yàn)中，首先運(yùn)行參數(shù)設(shè)置文件，并將存儲設(shè)置為連續(xù)存儲波形文件，運(yùn)行后自動采集數(shù)據(jù)，根據(jù)試樣加載過程中得到的縱波波形信息，通過式(1)計(jì)算相應(yīng)的縱波波速

　　式中 VP為所測得縱波波速，m/s;T1為發(fā)射探頭開始傳播縱波信號的時間，s;T2為接收探頭接收到縱波信號的時間，s;L為傳感器之間的距離，mm;T2-T1表示試樣在加載過程中通過長度為L時所需要的傳播時間，s.通過式(1)計(jì)算出同一個試樣在不同載荷及角度下的縱波波速。

　　圖3為縱波的標(biāo)波原理示意圖。不同探頭接收到的波形如圖中所示位于不同通道上，用SEISGR軟件對每個通道的波形文件進(jìn)行標(biāo)波，標(biāo)記探頭接收到縱波的位置，再將其對應(yīng)的時間節(jié)點(diǎn)找出，就可以計(jì)算出試樣在加載過程中通過長度為L時所需要的傳播時間。

　　1.4 實(shí)驗(yàn)方案

　　煤巖試樣在單軸加載條件下進(jìn)行縱波波速測試，分為單軸壓縮和單軸循環(huán)壓縮2種方式，其中單軸循環(huán)加載試驗(yàn)主要用于研究試樣在卸載過程中波速與應(yīng)力的關(guān)系。每種方法中都分別對突出型煤試樣和沖擊原煤試樣進(jìn)行加載，其中原煤試樣用于作對比實(shí)驗(yàn)。

　　單軸壓縮實(shí)驗(yàn)是對試樣進(jìn)行單軸壓縮直至破壞，型煤和原煤試樣的軸壓加載速率分別為5和15 N/s，每3 s進(jìn)行縱波波速測試，斷裂百分比達(dá)到70%結(jié)束實(shí)驗(yàn)。而單軸循環(huán)壓縮實(shí)驗(yàn)則是首先對試樣進(jìn)行加載直至最大抗壓強(qiáng)度的70%，卸載后再次加載直至試樣破壞，循環(huán)的起點(diǎn)為最大抗壓強(qiáng)度的70%，其中最大抗壓強(qiáng)度由試樣同一礦區(qū)煤樣的強(qiáng)度來確定，其余參數(shù)與單軸壓縮實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)方案如圖4所示。

　　2.1 單軸壓縮波速變化情況

　　對4組試樣分別進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，其中3組型煤試樣的縱波波速測試結(jié)果和應(yīng)力變化曲線如圖5所示。