突出煤巖縱波波速與應力相關關系

　　摘 要：為探究井下煤與瓦斯突出災害的發生機理并實現監測預警，運用微機控制電液伺服巖石試驗機對突出型煤試樣進行單軸加載破壞實驗，分析了試樣破壞特征及力學特性，采集震動波信號，與實際結果擬合后得到波速與應力的耦合規律，并建立了波速與應力間的試驗關系模型，利用礦震信號進行了突出煤層震動波層析成像現場試驗驗證。結果表明，在單軸加載條件下，縱波波速與突出煤樣應力之間存在指數函數關系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，與實測值的相關系數計算結果表明模型相關度達0.883，能較準確描述波速與應力的變化關系。現場震動波層析成像得到的應力異常區域與現場采掘地質條件對應良好，驗證了上述突出煤巖縱波波速與應力的正相關關系。震動波層析成像可應用于突出煤層應力集中區探測，對礦井突出危險區域預測具有重要的現實意義。

　　關鍵詞：煤與瓦斯突出;突出煤巖;震動波波速;應力與波速相關關系;震動波速層析成像

　　《煤礦現代化》(雙月刊)創刊于1992年，是由兗礦集團有限公司主辦。 本刊為綜合性技術期刊，主要欄目有戰略研究、生產建設等，于2003年創建編委會，歡迎投稿。

　　0 引 言

　　煤與瓦斯突出是一項典型的煤礦動力災害事故，它具有破壞性強、危害性大等特點[1]。近年來，隨著煤礦井下開采深度不斷延伸，地應力和瓦斯壓力隨之增大，并且地應力成為影響煤與瓦斯突出災害的主要因素，煤與瓦斯突出災害日益嚴重[2]。目前，煤與瓦斯突出災害的監測預警方法一般有 K1 值監測、鉆屑法監測等，這些方法多采用抽檢或定點式指標，且鉆孔工程量較大，通常會在一定程度上影響生產[3-4]。同時，它們在時域上無法做到連續監測，空域上均體現為“點評價”形式，難以反映采掘過程大區域內應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技術被廣泛應用于井下的勘探斷層及應力狀態等過程中[5]。其探測原理為：利用震動波CT技術反演得到目標區域的縱波波速分布，根據波速與煤巖應力之間的正相關關系評價目標區域的應力分布，進而識別應力集中區，劃定危險區域[6-7]。該技術目前主要應用于沖擊地壓災害嚴重的礦井，進行沖擊地壓危險區域的評價、探測和監測。彭蘇萍、Du等將震動波CT探測技術應用于地質構造勘探，該技術探測精度高且構造線性成像明顯[8-9]。曹安業等將震動波CT技術應用于揭示臨近斷層處孤島工作面應力演化過程，其動力顯現位置與反演結果相吻合[10]。竇林名、解嘉豪、鞏思園、楊純東等將震動波CT技術和微震實時監測預警相結合，目前已在數十個礦井取得了成功應用，同時也開始嘗試將微震技術應用于煤與瓦斯突出礦井的監測預警[11-14]。竇林名等提出動態負載擾動和靜態應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，為煤與瓦斯突出災害提出新的預警思路[15]。雷文杰、李紹泉等進行了微震響應煤與瓦斯突出模擬試驗，得到了煤與瓦斯突出孕育、激發、發生、殘余4個階段微震時頻特征[16-17]。朱權潔等利用大型煤與瓦斯突出模擬試驗系統和高靈敏微震監測系統，開展了瓦斯突出全過程的監測試驗，有效收集了從突出孕育到發生完成全過程的微震動響應事件[18]。目前對含有煤與瓦斯突出傾向的煤巖樣縱波波速與應力間相關關系研究不足，而要將震動波 CT 技術應用于有煤與瓦斯突出危險的礦井中首先要解決的關鍵基礎性科學問題是研究縱波波速與煤巖應力之間的相關關系。

　　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力間的相關關系，并建立其試驗關系模型，在突出礦井進行現場實證。

　　1 試樣單軸加載波速測試實驗系統

　　1.1 實驗系統

　　實驗在YAW-600 微機控制電液伺服巖石試驗機上進行。該試驗機主要用于煤巖和軟巖的單軸壓縮試驗，可測定單軸壓縮抗壓強度、彈性模量、切線模量、割線模量、泊松比、軟化系數等。并且該試驗機具備試驗力、變形、位移3種控制方式，這3種控制方式可在試驗中進行無沖擊、平滑轉換，可自動控制試驗機全過程。聲發射信號數據采集及處理裝置采用DS5系列全信息聲發射信號分析系統，其結構主要有DS5聲發射儀、傳感器、放大器、DS5聲發射軟件等。實驗過程中，聲發射系統與YAW-600巖石試驗機同時工作，其工作原理如圖1所示，打開巖石試驗機對型煤試樣加載同時聲發射信號儀產生激發縱波，利用安裝于試樣表面的聲發射探頭傳遞和接收波形信號，并經由聲發射前置放大器和高速數據采集儀傳至計算機中記錄文件。

　　1.2 試樣制備

　　本實驗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并放置在壓力機下，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：根據國標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。首先對試樣預加載荷500 N，避免加載裝置與試樣之間出現空隙以影響實驗結果，再根據測量信號的強弱，調節接收傳感器測得縱波信號的增益和時間單位刻度，設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。

　　實驗中，首先運行參數設置文件，并將存儲設置為連續存儲波形文件，運行后自動采集數據，根據試樣加載過程中得到的縱波波形信息，通過式(1)計算相應的縱波波速

　　式中 VP為所測得縱波波速，m/s;T1為發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行標波，標記探頭接收到縱波的位置，再將其對應的時間節點找出，就可以計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 實驗方案

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

　　單軸壓縮實驗是對試樣進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進行縱波波速測試，斷裂百分比達到70%結束實驗。而單軸循環壓縮實驗則是首先對試樣進行加載直至最大抗壓強度的70%，卸載后再次加載直至試樣破壞，循環的起點為最大抗壓強度的70%，其中最大抗壓強度由試樣同一礦區煤樣的強度來確定，其余參數與單軸壓縮實驗相同。實驗方案如圖4所示。

　　2.1 單軸壓縮波速變化情況

　　對4組試樣分別進行單軸壓縮實驗，其中3組型煤試樣的縱波波速測試結果和應力變化曲線如圖5所示。