组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究

第26卷第12期岩石力学与工程学报Vol.26No.122007年12月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringDec.，2007收稿日期：2007–02–09；修回日期：2007–05–09基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAK04B02，2006BAK03B06)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2005CB221504)；国家自然科学基金资助项目(50490273，50474068)；江苏省研究生创新工程计划项目(6A070190)；中国矿业大学青年科研基金项目(OA060084)作者简介：陆菜平(1978–)，男，2001年毕业于中国矿业大学能源与安全工程学院采矿专业，现为博士研究生、讲师，主要从事冲击矿压防治方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究陆菜平1，窦林名1，吴兴荣2(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116；2.徐州三河尖煤矿，江苏徐州221613)摘要：在采掘工作面及巷道中，顶板、煤层、底板共同组成一个力学平衡系统，当这个系统受到采动的影响时，就有可能诱发煤岩体所积聚的弹性能通过弱面结构突然释放，形成冲击矿压灾害。因此，研究不同组合类型的顶板–煤样–底板组合试样的冲击倾向性演化及声电效应规律对于监测、预警冲击矿压灾害及强度弱化治理起到非常重要的指导作用。通过大量组合煤岩试样的冲击倾向性及声电效应的试验研究发现，随着煤样强度、顶板岩样强度及其厚度的增加，组合试样的冲击倾向性随之增强，且电磁辐射与声发射信号强度随着组合试样的强度、顶板岩样的高度比例以及冲击能指数的增加而增强。同时发现试样冲击破坏前，声电信号的强度达到极值，冲击破坏之后，信号强度均产生突降。上述研究成果对于指导现场冲击矿压灾害强度的弱化控制以及卸压解危效果的检验具有重要的意义。关键词：采矿工程；冲击矿压；组合煤岩；冲击倾向性；声电效应中图分类号：TD324文献标识码：A文章编号：1000–6915(2007)12–2549–07EXPERIMENTALRESEARCHONRULESOFROCKBURSTTENDENCYEVOLUTIONANDACOUSTIC-ELECTROMAGNETICEFFECTSOFCOMPOUNDCOAL-ROCKSAMPLESLUCaiping1，DOULinming1，WUXingrong2(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafetyMining，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221116，China；2.SanhejianMineofXuzhouCoalMiningGroup，Xuzhou，Jiangsu221613，China)Abstract：Inthemining(drifting)facesandroadways，theroof，coalseamandflooralltogethercomposeamechanicalequilibriumsystem.Whenthesystemisdisturbedbyminingeffect，theelasticenergyaccumulatedincoalorrockmaterialscanbeinducedtoreleasethroughweakstructuresuddenlyandrockburstwillbeformed.So，tomonitorandforecastrockburst，andtodealwithstrengthweakening，therulesofrockbursttendencyevolutionofdifferenttypesofcompoundsamplescomposedofroof，coalseamandfloorandacoustic-electromagneticeffectwillhaveaveryimportantpracticalfunction.Basedonagreatnumberofexperimentalresearchesonrockbursttendencyandacoustic-electromagneticeffectofcompoundsamples，itisfoundthatthehigherthestrengthsofcoalseamandroofsamplesare，thestrongertherockburstliabilityis；andtherockburstliabilityindexesincreasewiththeheightratioofrooftocoal.Thehigherthestrength，roofheightratioandrockburstliabilityindexesofcompoundsamplesare，thestrongertheintensityofelectromagneticemission(EME)andacousticemission(AE)signalsis.TheexperimentalresultsalsoshowthattheintensityofEMEandAEsignalsriseupslowlybeforerockburstfailure，andincreasetothemaximumwhenrockburstprecursor，andsuddenlydeclineafterrockburst.Aboveconclusionswillhaveanimportantdirectivesignificanceto•2550•岩石力学与工程学报2007年weakenthestrengthofrockburstinfieldandtochecktheeffectofrelieve-shot.Keywords：miningengineering；rockburst；compoundcoal-rock；rockbursttendency；acoustic-electromagneticeffect1引言冲击矿压作为一种典型的煤岩动力灾害，其发生的突然性和剧烈破坏特征对煤矿安全构成了极大的威胁[1，2]，其中煤岩的冲击倾向性是冲击矿压发生的必要条件。冲击倾向性能识别煤岩体发生冲击破坏的能力，鉴定其是否具有发生冲击矿压的固有力学性质[3，4]。我国开展冲击倾向性研究已有20余年，在借鉴国内外研究成果的基础上，通过大量实验室研究，已初步形成适合我国煤矿的冲击倾向性评价方法，并制定了相应的行业标准。但是，三河尖煤矿7煤发生的多起冲击矿压灾害说明，现行的纯煤冲击倾向性鉴定结果不能反映现场煤岩结构的受力状态及其方式[5]。该矿7204–3工作面仅推进125m，就发生5次冲击矿压。1998年12月6日再次发生冲击矿压，破坏巷道达500余米，迫使工作面停产。在恢复生产过程中，先后诱发38次冲击矿压。因此，7煤当属强冲击危险性煤层，但实验室的鉴定结果却为弱冲击性。为了揭示顶、底板对煤层冲击倾向性的影响机制，有必要研究在顶板与煤或顶板、煤与底板组合条件下，试样冲击倾向性的演化规律，尤其是与煤样强度、顶板岩样强度及其厚度、岩样高度所占比例之间的相互关系。关于组合煤岩冲击倾向性的试验研究，国内外已经开展了一些研究工作。王淑坤和张万斌[6]通过煤岩复合模型试验证明了顶板厚度及结构特征对煤层冲击是有影响的，厚层砂岩顶板易发生冲击矿压，岩层越厚，冲击矿压的强度越强。万志军等[7]发现顶板岩石对煤层冲击有一定的影响，且顶板厚度越大，对煤层冲击影响越大。潘结南等[8]发现煤系岩石的冲击倾向性与其物质成分有密切关系，随着岩石的强度和刚性增强，岩石的冲击倾向性增加。曲华等[9]通过数值模拟研究了组合煤岩试样的冲击倾向性，发现组合煤岩与纯煤的冲击倾向性不同，煤岩系统冲击倾向性随顶板强度会发生明显变化。李纪青等[3]发现煤岩组合模型的冲击倾向性指标均高于纯煤试件，岩石高度所占比例越大，冲击倾向性越强。刘波等[10]通过组合试件力学与动态破坏特性的试验研究发现，试样的冲击倾向性随着顶板与煤高度比的增加而增强。J.A.Wang和H.D.Park[11]、A.M.Linkov[12]在研究煤岩冲击倾向性指标时，提出利用试样的单轴抗压强度和脆性系数衡量冲击能力，发现试样的单轴抗压强度越高，脆性系数越大，则煤岩冲击倾向性越强。上述研究只是定性描述了组合煤岩试样的冲击倾向性随顶板岩样的强度及厚度的变化情况，并没有深入研究组合煤岩试样的冲击倾向性与煤样强度、顶板岩样强度及其厚度、岩石高度所占比例之间的定量化关系及其演化规律。另外，为利用电磁辐射以及微震系统监测预警冲击矿压强度，以及对卸压爆破解危的效果进行检验，需要研究组合煤岩试样变形破裂特别是冲击破坏过程中的电磁辐射与声发射效应规律。经过大量文献资料检索，对于组合煤岩试样变形破裂的电磁辐射与声发射效应规律研究甚少。只有部分学者通过声发射测试手段研究了复合岩石试样变形损伤的力学特性。如刘立等[13～15]通过声发射测试研究了层状复合岩石试样损伤破坏的特征，认为复合岩石的损伤扩展演变过程明显受各亚层岩石层面倾角、各亚层岩石构成与性质(强度)以及加载情况等的影响；发现各亚层岩石强度越高，则破坏时的声发射峰值越强，而波形相对较窄、集中。Z.H.Chen等[16]采用数值模拟和实验室试验等手段，通过组合岩石试样试图研究冲击矿压发生机制，发现试样从加载到主破裂，声发射信号表现为从无序渐进到有序，提出声发射信号的突降或者异常平静可以作为试样冲击破坏的前兆信息。以上研究没有揭示组合试样的强度以及顶板岩样的尺寸、试样的冲击倾向性与电磁辐射、声发射信号强度之间的关系，也没有研究清楚组合试样从开始加载到冲击破坏全过程中电磁辐射与声发射的效应规律。2组合试样的加工及声电测试系统2.1组合煤岩试样的加工从三河尖煤矿、济三煤矿、古城煤矿、海孜煤矿以及星村煤矿采集煤岩样，遵照相关标准的有关第26卷第12期陆菜平，等.组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究•2551•规定，首先将煤岩块夹持在钻石机的平台上，用金刚石钻头钻取直径为50mm的煤岩试样，然后用锯石机将煤岩试样锯成高20，30，35，70mm左右的圆柱体。最后在磨平机上将煤或岩石试件两端磨平，要求试件两端面不平行度≤0.01mm，上、下端直径的偏差≤0.02mm。将加工好的试件，按不同的高度比和不同的强度组合形式，用AB强力胶黏合成50mm×100mm的标准试样。图1所示为部分组合试样的照片。图1部分组合试样的照片Fig.1Photoofpartialcompoundsamples2.2试验系统加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油压的美国MTS公司的MTS815.02电液伺服材料试验系统，用于进行组合试样加载和应力–应变全过程曲线的测定，试验系统见图2。该系统可以在试样发生不受外因控制的变形速率情况下获得应力–应变全过程曲线，这更符合现场发生冲击矿压时的实际情况。图2MTS电液伺服材料试验系统Fig.2MTSelectro-hydraulicservotestingsystem声发射与电磁辐射信号采集工作采用美国PAC公司生产的DISP–24声电测试系统，该系统为当今世界上最先进的、全数字声发射监测仪器之一，能同时采集24个通道的声发射和电磁辐射信号，其中12个通道能进行波形采集和实时或事后频谱分析。图3所示为DISP–24声电测试系统。图3DISP–24声电测试系统Fig.3DISP–24acoustic-electromagnetictestingsystem2.3试验系统参数DISP–24声电测试系统采用4个通道，其中Ch1通道采集声发射信号，Ch2，Ch3，Ch4通道采集电磁辐射信号。声发射和电磁辐射前置