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单轴加载下煤样失稳破坏的多参量前兆特征

发布日期:2018-01-10 17:58    浏览次数:次

    我国浅部煤炭资源趋于枯竭,不可避免的进入深部开采;深部开采中常呈现出开采空间大、开采扰动剧烈、煤岩体的介质属性及应力分布复杂的现象,易导致异常剧烈的失稳破坏发生,且不易获取其宏观前兆特征.如何准确提取煤岩体失稳破坏的前兆规律显得尤为重要.在该领域的研究中,国内外大量的专家、学者采用了声发射、电磁辐射、微震、热红外温度场、电荷、光学测量、工业CT、XRD分析、SEM扫描电镜等多种手段从宏观到细观进行了大量的实验研究,并取得了许多有价值的成果[1-2].
    目前岩石力学工程界将红外温度场的研究成果广泛地应用在地震前兆预测领域中[3];在矿井深部开采时发生冲击地压过程中也观测到工作面及巷道温度变化的前兆现象[4-6].实验室实验研究中,发现热场变化先降温、然后在失稳前开始升温,该降温时刻可以视为样品失稳破坏前兆[7],也有研究表明温度突然上升时刻是其前兆点[8].岩石具有压电现象,在外载荷作用下,煤岩样品的表面及裂隙处会产生自由电荷[9-14].由于电荷信号的异常表现往往要早于最大破坏应力出现时刻,故其可以作为一种有效的预测煤岩体失稳破坏的手段.煤岩体裂隙的产生和扩展都将以弹性波形式产生能量辐射———声发射[15-18].当对煤岩体施加荷载后,声发射信号逐渐增加并达到一定水平,进入到一个相对平静期;随后信号数量再次增加,在主破裂发生时达到最大值;在加载过程低应力阶段,岩石几乎没有声发射活动,一般当强度达到75%~80%以上,即临近破坏时,声发射活动才显著增加[19-20];变形局部化带的发生和发展是煤岩材料破坏的前兆.
    虽然对红外温度场、介电常数及声发射等监测手段在煤岩体失稳破坏前兆领域中已进行了大量的研究,但在外载荷作用下,劈裂张开破坏形式的煤样表面变形局部化,其启动机理是什么;在变形局部化产生期间,局部化带的内部和外部温度场如何演化;声发射和介电常数又有何种特征等都未见相关研究.基于以上研究现状,本文对此进行了相应的研究.
1 实验研究
1.1 实验系统和样品
    实验样品选自大台矿井-10开采水平3# 煤层,其为急斜煤层、平均角度45°~88°、平均埋深820m;该煤层属石炭纪,煤层中有夹矸且多为炭质泥质岩,除此之外粉砂岩含量较多,偶尔还可发现有泥质岩、细砂岩.测试样品加工为50mm×50mm×50mm的立方体非标准试样.以平行于试样节理的平面作为加载的上下端面,在样品前后观测面中选取较平整一面作为变形场和温度场监测面.本次实验共对6组煤样进行监测研究,6组样品均为劈裂破坏,且破坏前兆特征相似,故选取具有代表性的一组结果进行分析.
    所构建的实验平台如图1所示.该系统主要包括加载系统、热红外监测系统、应力监测系统、变形场监测系统、LCR电桥及声发射监测系统等;其中加载系统采用CSS-44100电子万能材料试验机,最大荷载为100kN、试验机精度为±0.5%.热红外监测系统采用AVIO生产的热红外成像仪,采集频率5张/s、灵敏度0.08、辐射系数0.92;变形场监测系统采用Basler A641fCCD相机,分辨率为1 624像素×1 236像素、采集速率为15帧/s.声发射监测系统采用SAEU2S声发射接收仪,采用6通道,即连接6个声发射检波器,采样频率为2500kHz、采样长度为2 048(点数)、参数时间间隔为2 000μs、锁闭时间为2 000μs、波形触发模式为内触发、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、前后采集长度为51.2μs;LCR电桥监测系统采用德国HM8118LCR电桥,电容采集范围为0.01pF~100mF、采用手动记录.

                        图1 单轴压缩煤样多参量监测系统
1.2 实验方法
    试验机采用位移控制方式加载,加载速度为0.3mm/min.所有监测系统时间务必调节一致,并同时开始记录;LCR电桥读数时同样需要记录对应时刻压机的荷载读数;热红外监测方面考虑到周围环境对监测结果的影响,故将其放置在由纸板箱围成的半封闭空间内,将正对红外热像仪的一面敞开,后面则喷涂黑色为背景;实验过程中将窗帘拉上,避免人员在仪器附近走动;在试验机上放置一个电子温湿计;每次实验前后都用红外温度测枪来观测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进行数据采集,其中热红外对光线产生的温度比较敏感,适合在暗光源的环境下拍摄,而CCD相机要提取观测平面黑白点的灰度值需要一定的白色光源,考虑到上述情况,本次实验中选用了一台冷光源灯作为拍摄图像的光源;声发射监测系统在正式采集数据前先经人工用小锤轻击试样,以确保试验过程中所采集数据的有效性.
2 实验结果分析
2.1 变形场演化特征
    煤岩是一种天然的非均质体,其力学性质表现为离散特性.煤样在加载后,其内部产生微裂纹;当加载到一定阶段,原来随机分布的微裂纹会集中在一个或多个条带上继续发展,即形成所谓的微裂纹局部化,使原来均匀或近似均匀的变形场出现极不均匀的现象.样品在临破裂前,变形达到一定的临界水平之后,沿着即将到来的断裂区带上出现强烈集中的现象,产生一个明显的主应变差,即剪应变的最大值高于周围介质的变形集中区,依此可以实现变形局部化区域的划分,详见图2所示.

                                       图2 非均匀变形场数据分析
    在单轴加载条件下,经过白光数值散斑处理过的试样各阶段相对应的变形场演化如图3所示.从图3中可以发现:传统意义上判别样品失效是根据最大破坏应力出现时刻(D 点)应力为6.9384MPa、应变为0.03256.煤样在应力达到2.7108MPa时,变形局部化已经开始显现,这表明变形局部化现象出现时刻明显早于最大破坏应力出现时刻;应力达到5.264 4MPa时,第1条局部化带已经基本成形;应力达到4.525 2MPa时,第2条局部化带开始出现,在应力达到6.4272MPa时基本成形;在局部化现象出现后,加载应力的小幅度增加可以引起变形场较剧烈的演化;在应力达到6.7364MPa时,变形局部化区域形成并贯通试样.右边变形局部化条带区域由上向下发生演化,而左侧局部化条带区域直接导通,虽然出现较晚,但发生较突然。

                              图3 煤样非均匀变形局部化演化
    为研究单轴压缩条件下劈裂拉破坏煤样产生机理,特在局部化带附近选取4组测点,如图2所示,监测并计算测点的相对位移即相对拉伸分量(以拉开方向为正值)与相对错动位移即相对滑动分量(以逆时针方向滑动为正值).
    图4为样品各组测点在外载荷压缩条件下的相对拉伸分量与相对滑动分量的变化曲线.

                                                                                                     图4 试样测点相对拉伸分量与相对滑动分量变化曲线
    从图4中可以看出,从开始加载到282s阶段,变形局部化区域的相对滑动分量已经逐渐增大并达到了一个峰值,而相对拉伸分量一直保持0mm状态;在加载到282~289s阶段,相对滑动分量开始快速减小,相对拉伸分量则缓慢增加;加载到289~314s阶段,试样相对滑动分量变化趋于平缓,而相对拉伸分量开始快速增加;加载到314~320s阶段,试样相对滑动分量与相对拉伸分量均呈现快速增大趋势;加载到320s后,相对拉伸分量仍表现为快速增大趋势,而相对滑动分量变化平缓.
    为了探究变形局部化与加载应力关系,特绘制出相关曲线,见图5,可以发现:在应变为0.029 36时,变形局部化区域相对拉伸分量为0.034 4mm、相对滑动分量为0.233 1mm,变形局部化区域相对拉伸分量开始快速演化;而当破坏应力对应的应变为0.032 56时,应力才快速增大.

                                                                                            图5 试样测点2变形场演化曲线
    基于上述分析可以得到:试样在加载初期,表面发生破坏主要由相对滑动主导,相对拉伸基本不参与(第Ⅰ阶段);随着载荷的增大,相对滑动开始减小,相对拉伸缓慢增大,开始参与试样的破坏;载荷继续增大,相对拉伸快速增大,成为样品表面破坏的主导诱因,而相对滑动变化平缓(第Ⅱ阶段);载荷增长到接近试样破坏应力峰值前的阶段,相对拉伸分量与相对滑动分量均呈现快速增长趋势,表明试样最终破坏前的短暂阶段是由相对滑动与相对拉伸共同作用,最终导致试样失稳破坏的发生(第Ⅲ阶段).
2.2 温度场演化特征
    图6所示为各加载时刻试样表面温度场云图.从图6可以发现:当加载应力在5.6344~6.3828MPa阶段,试样表面平均温度逐渐升高,且在应力达到6.382 8MPa时达到最大值;之后开始降低;试样表面的平均温度呈现明显的区域化,左侧温度最高、中间次之、右侧温度最低;究其原因,可能是由于煤样材料的非均匀性,以及在内部缺陷、微裂隙、孔隙结构等多种因素的影响下,使得煤体在失稳破坏过程中随荷载的增加导致其内部微裂隙出现拉伸、闭合及错动等反复的过程,以至于在温度场中表现为温度高低的不同分布特征.
    图7为煤样在变形局部化带的内外温度场选取示意图,图中Ⅰ,Ⅱ区域对应图4中测点2附近位置.通过对加载过程中Ⅰ,Ⅱ区域温度的提取绘成图8所示曲线.

                        图6 煤样表面温度场演化图

                       图7 试样变形局部化区域内外温度分析测点
    图8为试样的应变-应力、变形局部化内部及外部区域温度变化曲线,从图8中可以看出,当试样应变为0.03098时刻,应力值为6.374MPa、变形局部化区域内部温度为29.26℃、区域外温度为29.2℃,样品的变形局部化区域内部、外部及表面平均温度均达到最大值;之后,随着荷载继续增加,样品的变形局部化区域内部、外部及表面平均温度均呈现逐渐减小的趋势.

                图8 试样应变-应力、温度曲线

                                                                                    图9 试样变形局部化区域内温度变化曲线
    图9所示为样品变形局部化区域内平均温度、相对滑动分量及相对拉伸分量变化曲线.从图9中可以看出:当试样应变为0.030 98时刻,变形局部化区域内部温度为29.26℃,内部及表面平均温度均达到最大值,相对应的变形局部化区域的相对拉伸分量为0.3951mm、相对滑动分量为0.1864mm;当应变达到0.03228时,相对拉伸分量为0.8633mm、相对滑动分量为0.203 9mm,变形局部化内部区域平均温度为29.2℃.
    基于上述分析,发现试样失稳破坏前变形局部化区域内外平均温度出现升高的阶段可能由于其表面变形局部化区域相对拉伸主导,也可能是由于其相对滑动所主导(第Ⅱ阶段);而温度异常变化要比变形局部化区域的相对拉伸及相对滑动分量要早,分析原因可能是由于试样最先在内部产生微裂隙,然后演化扩展到外表面,当表面变形局部化现象还未显现时,温度监测数据中已包括了样品内部微破裂引起的温度变化.
2.3 介电常数演化特征
    选取图2中测点2作为研究对象,绘成图10所示曲线.从图10a可以看出应变在0.005~0.028阶段,试样变形局部化区域相对拉伸分量变化平缓,基本无大波动,对应的介电常数也是缓慢增加;应变在0.028~0.03006阶段,试样相对拉伸分量快速增大,对应介电常数增加较缓慢;应变0.03006~0.03226阶段,相对拉伸分量急剧增大,对应介电常数也是急剧增加,且介电常数的峰值出现略早于相对拉伸分量.样品变形局部化区域拉伸分量经历平缓变化—快速增长—急剧增长—快速增长4个阶段;其中样品失稳破坏发生在急剧增长阶段.
    由图10b可以看出,试样变形局部化区域相对滑动分量应变在0.02726~0.03006阶段快速增长,其中裂纹张开闭合频次较高;应变0.03006~0.03206阶段相对滑动分量增长平缓,期间裂纹张开与闭合频次仍较高;应变0.03206~0.03334阶段,相对滑动分量急剧增大,对应介电常数增长趋势较平缓.试样变形局部化区域相对滑动分量在试样破裂前经历快速增长—增长平缓—急剧增长3个阶段,对应介电常数有快速增长—急剧增长—平缓增长3个阶段.

                                                                图10 煤样介电常数-应变场变化曲线
    由上述分析可以发现,介电常数的变化不仅与试样材料的组成成分有关,还与加载过程中煤样的微破裂演化有着密切的联系.介电常数在试样失稳破坏前经历增大—最大值—减小—极小值—增大的过程,当变化处于增大的阶段首先是由变形局部化的相对拉伸分量所主导,而与相对滑动分量关系不大;在介电常数从最大值开始减小到极小值阶段,仍是由变形局部化区域的相对拉伸分量主导,期间相对滑动分量也开始显现;在介电常数从极小值重新增大的过程中,由于变形局部化区域的相对拉伸分量与相对滑动分量共同作用,最终导致试样失稳破坏(第Ⅲ阶段).
2.4 声发射演化特征
    煤样的声发射接收探头布置如图11所示,该次实验采用6检波器探头接收声发射信号,分别在观测面左右两侧各布置3个.

                             图11 煤样声发射探头分布
    煤样在外载荷作用下,其内部会发生损伤、破坏从而产生弹性波,经过压电信号的转化为声发射信号;为探究声发射信号演化过程中微裂隙演化特征,而引入变形场的监测;选取图2中2测点进行分析,并结合声发射监测结果绘成图12所示曲线.能量是指声发射信号包罗线与其门槛围成图形的面积,故只有数学上的意义,而并非是其真实能量,故此处能量没有单位.

                                                                                                         图12 煤样声发射-变形场演化曲线
    从图12中可知,在应变达到0.02938时,通道1中能量数达到最大值3345199、变形局部化区域相对拉伸分量为0.027624mm、相对滑动分量为0.22308mm;应变达到0.02644时,振铃计数达到最大值62472,相对拉伸分量为0.015273mm、相对滑动分量为0.20642mm.在轴向应变达到0.02966时,通道2的能量数达到其最大值450968.9、相对拉伸分量为0.05745mm、相对滑动分量为0.21129mm;在轴向应变达到0.02644时,振铃计数达到其最大值65413,相对拉伸分量0.015273mm、相对滑动分量0.20642mm.轴向应变达到0.02634时,通道3振铃计数达到其最大值56151,能量数也达到其最大值651419.5、相对拉伸分量为0.004986mm、相对滑动分量为0.203239mm.在轴向应变达到0.02834时,通道4的能量数达到其最大值1992930、相对拉伸分量为0.034659 mm、相对滑动分量为0.220842mm;轴向应变达到0.0247时,振铃计数达到其最大值48848,相对拉伸分量为0.004755mm、相对滑动分量为0.192062 mm.轴向应变达到0.03266时,通道5的振铃计数达到极大值37866,能量数为70202.55、相对拉伸分量为1.170682mm、相对滑动分量为0.241696mm.在轴向应变达到0.03046时,通道6的能量数达到其最大值4373989、相对拉伸分量为0.216836mm、相对滑动分量为0.196653mm;轴向应变达到0.02634时,振铃计数达到其极大值45207,相对拉伸分量为0.004986mm、相对滑动分量为0.203239mm.
    临近试样失稳破坏前,振铃计数及能量信号消失后变形局部化区域的相对拉伸分量没有明显变化,而相对滑动分量已经发生较明显的变化,基于通道1~4的监测数据分析,发现声发射前兆信号出现是由变形场相对滑动分量所主导(第Ⅰ阶段).振铃计数及能量信号由极大值到消失的时刻对应相对拉伸及相对滑动的快速演化(第Ⅱ阶段),通道5~6中声发射前兆信息的出现是由相对拉伸分量及相对滑动分量共同主导.
3 结 论
1)煤样在单轴加载条件下发生的劈裂拉破坏前,有变形局部化产生.针对劈裂破坏试样的特点,变形局部化带的演化经历了3个阶段:在第Ⅰ阶段中,变形局部化带的相对滑动分量占据主导;第Ⅱ阶段中,相对拉伸分量快速增加;第Ⅲ阶段中,相对拉伸分量和相对滑动分量均急剧增大,最终导致样品失稳破坏;
2)由于煤样的非均匀特性,即使同一样品其变形局部化形成的方式也不同.实验中煤样右边的变形局部化带是从上到下演化;左边则整条局部化带直接导通,虽然其出现较晚,但具有突发性,这一现象在实际工程生产过程中出现,往往会造成严重的后果.
3)煤样失稳破坏前其表面平均温度会先升高然后再降低,其峰值时刻发生在变形局部化第Ⅱ阶段,可以作为试样失稳破坏的前兆点.煤样在加载过程中变形局部化内部区域及外部区域表现出温度的差异性,平均内部温度要高于区域外的温度.温度场变化要比变形局部化区域的相对拉伸及相对滑动分量要灵敏.
4)煤样表面变形局部化区域的相对拉伸和滑动改变了周围电荷的赋存状态,进而引起介电常数发生相应的变化.
5)煤样在单轴加载条件下,失稳破坏前声发射监测中振铃计数及能量通常经历信号突增—极大值—消失的过程,振铃计数和能量出现极大值时刻可以作为其失稳破坏前兆点,对应变形局部化第Ⅰ和Ⅱ阶段.由于声发射接收信号不仅仅局限于试样表面,样品内部损伤、裂隙发育、演化及破坏等信号都会被接收,而变形场则主要观测样品表面,导致了煤样失稳破坏的声发射前兆点要提前于变形场.
 

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