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单轴加载下煤样失稳粉碎的多参量预兆特色

宣布日期:2018-01-10 17:58    阅读次数:次

    我国浅部煤炭资本趋于干涸,不可防止的进入深部开采;深部开采中常闪现出开采空间大、开采扰动猛烈、煤岩体的介质属性及应力散布庞杂的景象,易致使非常猛烈的失稳粉碎产生,且不易获得其微观预兆特色.若何精确提取煤岩体失稳粉碎的预兆纪律显得尤其首要.在该范畴的研讨中,国际外大批的专家、学者接纳了声发射、电磁辐射、微震、热红外温度场、电荷、光学丈量、产业CT、XRD阐发、SEM扫描电镜等多种手腕从微观到细观停止了大批的尝试研讨,并获得了很多有代价的功效[1-2].
    今朝岩石力学工程界将红外温度场的研讨功效普遍地利用在地动预兆展望范畴中[3];在矿井深部开采时产生打击地压进程中也观察到任务面及巷道温度变更的预兆景象[4-6].尝试室尝试研讨中,发明热场变更先降温、而后在失稳前起头升温,该降温时辰能够视为样品失稳粉碎预兆[7],也有研讨标明温度俄然回升时辰是其预兆点[8].岩石具备压电景象,在外载荷感化下,煤岩样品的外表及裂隙处会产生自在电荷[9-14].因为电荷旌旗灯号的非常表现常常要早于最大粉碎应力闪现时辰,故其能够作为一种有用的展望煤岩体失稳粉碎的手腕.煤岩体裂隙的产生和扩大都将以弹性波情势产生能量辐射———声发射[15-18].当对煤岩体施加荷载后,声发射旌旗灯号逐步增添并到达必然程度,进入到一个绝对安静期;随后旌旗灯号数目再次增添,在主分裂产生时到达最大值;在加载进程低应力阶段,岩石几近不声发射勾当,普通当强度到达75%~80%以上,即邻近粉碎时,声发射勾当才较着增添[19-20];变形部分化带的产生和成长是煤岩资料粉碎的预兆.
    固然对红外温度场、介电常数及声发射等监测手腕在煤岩体失稳粉碎预兆范畴中已停止了大批的研讨,但在外载荷感化下,劈裂伸开粉碎情势的煤样外表变形部分化,其启念头理是甚么;在变形部分化产生时代,部分化带的外部和外部温度场若何演变;声发射和介电常数又有何种特色等都未见相干研讨.基于以上研讨近况,本文对此停止了响应的研讨.
1 尝试研讨
1.1 尝试体系和样品
    尝试样品选自豪台矿井-10开采程度3# 煤层,其为急斜煤层、均匀角度45°~88°、均匀埋深820m;该煤层属石炭纪,煤层中有夹矸且多为炭质泥质岩,除此以外粉砂岩含量较多,偶然还可发明有泥质岩、细砂岩.测试样品加工为50mm×50mm×50mm的立方体非规范试样.以平行于试样节理的立体作为加载的凹凸端面,在样品前后观察面当拔取较平坦一面作为变形场和温度场监测面.本次尝试共对6组煤样停止监测研讨,6组样品均为劈裂粉碎,且粉碎预兆特色类似,故拔取具备代表性的一构成果停止阐发.
    所构建的尝试平台如图1所示.该体系首要包含加载体系、热红外监测体系、应力监测体系、变形场监测体系、LCR电桥及声发射监测体系等;此中加载体系接纳CSS-44100电子全能资料尝试机,最大荷载为100kN、尝试机精度为±0.5%.热红外监测体系接纳AVIO出产的热红外成像仪,收罗频率5张/s、活络度0.08、辐射系数0.92;变形场监测体系接纳Basler A641fCCD相机,分辩率为1 624像素×1 236像素、收罗速率为15帧/s.声发射监测体系接纳SAEU2S声发射领受仪,接纳6通道,即毗连6个声发射检波器,采样频率为2500kHz、采样长度为2 048(点数)、参数时候距离为2 000μs、锁闭时候为2 000μs、波形触发形式为内触发、波形门限为30、参数门限为30、前放增益为40、主放增益为0、滤波器为20~100kHz、前后收罗长度为51.2μs;LCR电桥监测体系接纳德国HM8118LCR电桥,电容收罗规模为0.01pF~100mF、接纳手动记实.

                        图1 单轴紧缩煤样多参量监测体系
1.2 尝试体例
    尝试机接纳位移节制体例加载,加载速率为0.3mm/min.一切监测体系时候务必调理分歧,并同时起头记实;LCR电桥读数时一样须要记实对合时辰压机的荷载读数;热红外监测方面斟酌到四周环境对监测成果的影响,故将其安排在由纸板箱围成的半封锁空间内,将正对红外热像仪的一面关闭,前面则喷涂玄色为背景;尝试进程中将窗帘拉上,防止职员在仪器四周走动;在尝试机上安排一个电子温湿计;每次尝试前后都用红外温度测枪来观察压机底座及试样的温度;红外热像仪和CCD相机位于试样的同侧停止数据收罗,此中热红外对光芒产生的温度比拟敏感,合适在暗光源的环境下拍摄,而CCD相秘密提取观察立体口角点的灰度值须要必然的红色光源,斟酌到上述环境,本次尝试当选用了一台寒光源灯作为拍摄图象的光源;声发射监测体系在正式收罗数据前先经野生用小锤轻击试样,以确保尝试进程中所收罗数据的有用性.
2 尝试成果阐发
2.1 变形场演变特色
    煤岩是一种自然的非均质体,其力学性子表现为团圆特色.煤样在加载后,其外部产生微裂纹;当加载到必然阶段,本来随机散布的微裂纹会合中在一个或多个条带上持续成长,即构成所谓的微裂纹部分化,使本来均匀或类似均匀的变形场闪现极不均匀的景象.样品在临分裂前,变形到达必然的临界程度以后,沿着行将到来的断裂区带上闪现激烈集合的景象,产生一个较着的主应变差,即剪应变的最大值高于四周介质的变形集合区,依此能够完成变形部分化地区的别离,详见图2所示.

                                       图2 非均匀变形场数据阐发
    在单轴加载前提下,颠末白光数值散斑处置过的试样各阶段绝对应的变形场演变如图3所示.从图3中能够发明:传统意思上辨别样品生效是按照最大粉碎应力闪现时辰(D 点)应力为6.9384MPa、应变为0.03256.煤样在应力到达2.7108MPa时,变形部分化已起头闪现,这标明变形部分化景象闪现时辰较着早于最大粉碎应力闪现时辰;应力到达5.264 4MPa时,第1条部分化带已根基成形;应力到达4.525 2MPa时,第2条部分化带起头闪现,在应力到达6.4272MPa时根基成形;在部分化景象闪现后,加载应力的小幅度增添能够引发变形场较猛烈的演变;在应力到达6.7364MPa时,变形部分化地区构成并贯穿试样.右侧变形部分化条带地区由上向下产生演变,而左侧部分化条带地区间接导通,固然闪现较晚,但产生较俄然。

                              图3 煤样非均匀变形部分化演变
    为研讨单轴紧缩前提下劈裂拉粉碎煤样产生机理,特在部分化带四周拔取4组测点,如图2所示,监测并计较测点的绝对位移即绝对拉伸份量(以拉开标的目的为正值)与绝对错动位移即绝对滑动份量(以逆时针标的目的滑动为正值).
    图4为样品各组测点在外载荷紧缩前提下的绝对拉伸份量与绝对滑动份量的变更曲线.

                                                                                                     图4 试样测点绝对拉伸份量与绝对滑动份量变更曲线
    从图4中能够看出,从起头加载到282s阶段,变形部分化地区的绝对滑动份量已逐步增大并到达了一个峰值,而绝对拉伸份量一向坚持0mm状况;在加载到282~289s阶段,绝对滑动份量起头疾速减小,绝对拉伸份量则迟缓增添;加载到289~314s阶段,试样绝对滑动份量变更趋于陡峭,而绝对拉伸份量起头疾速增添;加载到314~320s阶段,试样绝对滑动份量与绝对拉伸份量均闪现疾速增大趋向;加载到320s后,绝对拉伸份量仍表现为疾速增大趋向,而绝对滑动份量变更陡峭.
    为了探讨变形部分化与加载应力干系,特绘制出相干曲线,见图5,能够发明:在应变为0.029 36时,变形部分化地区绝对拉伸份量为0.034 4mm、绝对滑动份量为0.233 1mm,变形部分化地区绝对拉伸份量起头疾速演变;而当粉碎应力对应的应变为0.032 56时,应力才疾速增大.

                                                                                            图5 试样测点2变形场演变曲线
    基于上述阐发能够获得:试样在加载早期,外表产生粉碎首要由绝对滑动主导,绝对拉伸根基不到场(第Ⅰ阶段);跟着载荷的增大,绝对滑动起头减小,绝对拉伸迟缓增大,起头到场试样的粉碎;载荷持续增大,绝对拉伸疾速增大,成为样品外表粉碎的主导诱因,而绝对滑动变更陡峭(第Ⅱ阶段);载荷增添到靠近试样粉碎应力峰值前的阶段,绝对拉伸份量与绝对滑动份量均闪现疾速增添趋向,标明试样终究粉碎前的长久阶段是由绝对滑动与绝对拉伸配合感化,终究致使试样失稳粉碎的产生(第Ⅲ阶段).
2.2 温度场演变特色
    图6所示为各加载时辰试样外表温度场云图.从图6能够发明:当加载应力在5.6344~6.3828MPa阶段,试样外表均匀温度逐步下降,且在应力到达6.382 8MPa时到达最大值;以后起头下降;试样外表的均匀温度闪现较着的地区化,左侧温度最高、中心次之、右侧温度最低;究其缘由,能够是因为煤样资料的非均匀性,和在外部缺点、微裂隙、孔隙布局等多种身分的影响下,使得煤体在失稳粉碎进程中随荷载的增添致使其外部微裂隙闪现拉伸、闭合及错动等频频的进程,以致于在温度场中表现为温度凹凸的差别散布特色.
    图7为煤样在变形部分化带的表里温度场拔取表示图,图中Ⅰ,Ⅱ地区对应图4中测点2四周地位.经由进程对加载进程中Ⅰ,Ⅱ地区温度的提取绘成图8所示曲线.

                        图6 煤样外表温度场演变图

                       图7 试样变形部分化地区表里温度阐发测点
    图8为试样的应变-应力、变形部分化外部及外部地区温度变更曲线,从图8中能够看出,当试样应变为0.03098时辰,应力值为6.374MPa、变形部分化地区外部温度为29.26℃、地区外温度为29.2℃,样品的变形部分化地区外部、外部及外表均匀温度均到达最大值;以后,跟着荷载持续增添,样品的变形部分化地区外部、外部及外表均匀温度均闪现逐步减小的趋向.

                图8 试样应变-应力、温度曲线

                                                                                    图9 试样变形部分化地区内温度变更曲线
    图9所示为样品变形部分化地区内均匀温度、绝对滑动份量及绝对拉伸份量变更曲线.从图9中能够看出:当试样应变为0.030 98时辰,变形部分化地区外部温度为29.26℃,外部及外表均匀温度均到达最大值,绝对应的变形部分化地区的绝对拉伸份量为0.3951mm、绝对滑动份量为0.1864mm;当应变到达0.03228时,绝对拉伸份量为0.8633mm、绝对滑动份量为0.203 9mm,变形部分化外部地区均匀温度为29.2℃.
    基于上述阐发,发明试样失稳粉碎前变形部分化地区表里均匀温度闪现下降的阶段能够因为其外表变形部分化地区绝对拉伸主导,也能够是因为其绝对滑动所主导(第Ⅱ阶段);而温度非常变更要比变形部分化地区的绝对拉伸及绝对滑动份量要早,阐发缘由能够是因为试样最早在外部产生微裂隙,而后演变扩大到外外表,当外表变形部分化景象还未闪现时,温度监测数据中已包含了样品外部微分裂引发的温度变更.
2.3 介电常数演变特色
    拔取图2中测点2作为研讨工具,绘成图10所示曲线.从图10a能够看出应变在0.005~0.028阶段,试样变形部分化地区绝对拉伸份量变更陡峭,根基无大动摇,对应的介电常数也是迟缓增添;应变在0.028~0.03006阶段,试样绝对拉伸份量疾速增大,对应介电常数增添较迟缓;应变0.03006~0.03226阶段,绝对拉伸份量急剧增大,对应介电常数也是急剧增添,且介电常数的峰值闪现略早于绝对拉伸份量.样品变形部分化地区拉伸份量履历陡峭变更—疾速增添—急剧增添—疾速增添4个阶段;此中样品失稳粉碎产生在急剧增添阶段.
    由图10b能够看出,试样变形部分化地区绝对滑动份量应变在0.02726~0.03006阶段疾速增添,此中裂纹伸开闭合频率较高;应变0.03006~0.03206阶段绝对滑动份量增添陡峭,时代裂纹伸开与闭合频率仍较高;应变0.03206~0.03334阶段,绝对滑动份量急剧增大,对应介电常数增添趋向较陡峭.试样变形部分化地区绝对滑动份量在试样分裂前履历疾速增添—增添陡峭—急剧增添3个阶段,对应介电常数有疾速增添—急剧增添—陡峭增添3个阶段.

                                                                图10 煤样介电常数-应变场变更曲线
    由上述阐发能够发明,介电常数的变更不只与试样资料的构成成份有关,还与加载进程中煤样的微分裂演变有着紧密亲密的接洽.介电常数在试样失稳粉碎前履历增大—最大值—减小—极小值—增大的进程,当变更处于增大的阶段起首是由变形部分化的绝对拉伸份量所主导,而与绝对滑动份量干系不大;在介电常数从最大值起头减小到极小值阶段,还是由变形部分化地区的绝对拉伸份量主导,时代绝对滑动份量也起头闪现;在介电常数从极小值从头增大的进程中,因为变形部分化地区的绝对拉伸份量与绝对滑动份量配合感化,终究致使试样失稳粉碎(第Ⅲ阶段).
2.4 声发射演变特色
    煤样的声发射领受探头安排如图11所示,该次尝试接纳6检波器探头领受声发射旌旗灯号,别离在观察面摆布两侧各安排3个.

                             图11 煤样声发射探头散布
    煤样在外载荷感化下,其外部会产生毁伤、粉碎从而产生弹性波,颠末压电旌旗灯号的转化为声发射旌旗灯号;为探讨声发射旌旗灯号演变进程中微裂隙演变特色,而引入变形场的监测;拔取图2中2测点停止阐发,并连系声发射监测成果绘成图12所示曲线.能量是指声发射旌旗灯号包罗线与其门坎围成图形的面积,故只要数学上的意思,而并非是其实在能量,故此处能量不单元.

                                                                                                         图12 煤样声发射-变形场演变曲线
    从图12中可知,在应变到达0.02938时,通道1中能量数到达最大值3345199、变形部分化地区绝对拉伸份量为0.027624mm、绝对滑动份量为0.22308mm;应变到达0.02644时,振铃计数到达最大值62472,绝对拉伸份量为0.015273mm、绝对滑动份量为0.20642mm.在轴向应变到达0.02966时,通道2的能量数到达其最大值450968.9、绝对拉伸份量为0.05745mm、绝对滑动份量为0.21129mm;在轴向应变到达0.02644时,振铃计数到达其最大值65413,绝对拉伸份量0.015273mm、绝对滑动份量0.20642mm.轴向应变到达0.02634时,通道3振铃计数到达其最大值56151,能量数也到达其最大值651419.5、绝对拉伸份量为0.004986mm、绝对滑动份量为0.203239mm.在轴向应变到达0.02834时,通道4的能量数到达其最大值1992930、绝对拉伸份量为0.034659 mm、绝对滑动份量为0.220842mm;轴向应变到达0.0247时,振铃计数到达其最大值48848,绝对拉伸份量为0.004755mm、绝对滑动份量为0.192062 mm.轴向应变到达0.03266时,通道5的振铃计数到达极大值37866,能量数为70202.55、绝对拉伸份量为1.170682mm、绝对滑动份量为0.241696mm.在轴向应变到达0.03046时,通道6的能量数到达其最大值4373989、绝对拉伸份量为0.216836mm、绝对滑动份量为0.196653mm;轴向应变到达0.02634时,振铃计数到达其极大值45207,绝对拉伸份量为0.004986mm、绝对滑动份量为0.203239mm.
    邻近试样失稳粉碎前,振铃计数及能量旌旗灯号消逝后变形部分化地区的绝对拉伸份量不较着变更,而绝对滑动份量已产生较较着的变更,基于通道1~4的监测数据阐发,发明声发射预兆旌旗灯号闪现是由变形场绝对滑动份量所主导(第Ⅰ阶段).振铃计数及能量旌旗灯号由极大值到消逝的时辰对应绝对拉伸及绝对滑动的疾速演变(第Ⅱ阶段),通道5~6中声发射预兆信息的闪现是由绝对拉伸份量及绝对滑动份量配合主导.
3 结 论
1)煤样在单轴加载前提下产生的劈裂拉粉碎前,有变形部分化产生.针对劈裂粉碎试样的特色,变形部分化带的演变履历了3个阶段:在第Ⅰ阶段中,变形部分化带的绝对滑动份量占有主导;第Ⅱ阶段中,绝对拉伸份量疾速增添;第Ⅲ阶段中,绝对拉伸份量和绝对滑动份量均急剧增大,终究致使样品失稳粉碎;
2)因为煤样的非均匀特色,即便统一样品其变形部分化构成的体例也差别.尝试中煤样右侧的变形部分化带是从上到下演变;左侧则整条部分化带间接导通,固然其闪现较晚,但具备突发性,这一景象在现实工程出产进程中闪现,常常会形成严峻的效果.
3)煤样失稳粉碎前其外表均匀温度会先下降而后再下降,其峰值时辰产生在变形部分化第Ⅱ阶段,能够作为试样失稳粉碎的预兆点.煤样在加载进程中变形部分化外部地区及外部地区表现出温度的差同性,均匀外部温度要高于地区外的温度.温度场变更要比变形部分化地区的绝对拉伸及绝对滑动份量要活络.
4)煤样外表变形部分化地区的绝对拉伸和滑动转变了四周电荷的赋存状况,进而引发介电常数产生响应的变更.
5)煤样在单轴加载前提下,失稳粉碎前声发射监测中振铃计数及能量凡是履历旌旗灯号突增—极大值—消逝的进程,振铃计数和能量闪现极大值时辰能够作为其失稳粉碎预兆点,对应变形部分化第Ⅰ和Ⅱ阶段.因为声发射领受旌旗灯号不只仅范围于试样外表,样品外部毁伤、裂隙发育、演变及粉碎等旌旗灯号城市被领受,而变形场则首要观察样品外表,致使了煤样失稳粉碎的声发射预兆点要提早于变形场.
 

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