探究煤层解吸破坏过程研究中声发射技术的运用

　　摘要：文章是在假设瓦斯解吸过程会导致煤层动力失稳的基础上通过声发射实验观测和分析的。通过声发射技术实验观测在煤层吸附和解吸附的过程中产生的体积应变、孔隙压力变化来研究和模拟煤层瓦斯导致的煤层体积变形和动力破坏。通过分析传感器接收并处理过的信号来解释煤层发生动态失稳的机理,实验结论与预期取得较好的吻合。
　　关键词： 动力失稳 声发射 应力波 煤层变形 解吸附
　　煤岩受力变形时，在其内部原先存在或新产生的裂纹周围形成应力集中，这些局部应力集中区不均匀发展，当外力增加到一定大小时，在缺陷部位会发生微观损伤、屈服或变形，裂缝扩展，从而使得应力松弛，贮藏的部分能量将以弹性应力波的形式释放出来，从而产生声发射[1]。材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射（简称AE），有时也称为应力波发射。在采深条件下易发生动力破坏的煤层强度很低，层理紊乱，对具突出危险煤受力过程中的声发射特征的研究主要通过成型煤样试验或数值模拟的方法来实现。目前国内外对声发射传播规律进行了大量的研究，同时也取得了一定的理论成果[2]。在煤岩动力灾害预测研究中，已将声发射作为一种新的探测途径[3,4,5,6]。目前，对于利用声发射试验研究煤层吸附和解吸附过程中造成煤层变形或动力破坏的研究较少，而在此基础上对煤岩动力灾害进行预测预报却还是空白。
　　通过对具有发生动力失稳破坏危险的原始煤样在解吸附和孔隙压力变化致使的煤层体积变形过程中的声发射特征进行研究，探索具突出危险煤样的破坏机理、力学表现与声发射特征参数之间的关系，为声发射技术预测矿山煤岩动力灾害的工程应用提供基础性研究成果。实验室研究所采用的煤岩样品均采自开采中的矿山，通过对样品加压模拟原岩状态下的围压，所加压力控制在一定范围，记录的数据包括瓦斯解吸附速度、渗透率变化情况、煤岩样品变形和声发射的发射波波形的变化情况。这些数据用来定义动力失稳的模式，包括解吸附对煤层动力失稳的作用。
　　1、AE技术在监测煤层动态变形过程中的应用
　　声发射的形成是力学现象，对于最低能量信号，声发射源是断裂，就像金属研究中的结果一样。根据塑性变形的断裂理论，弹性波的发射仅在断裂速度变化时发生，即在断裂的加速或延缓时发生。对于较高能量的声发射信号，则是岩石的脆性破坏，颗粒间的滑移，以及塑性滑移和塑性变形。而再大一些的能量信号则是岩石的宏观破裂或位于不同部位的岩石位移产生的[7]。
　　图1AE信号监测过程
　　表1煤样分析参数[9]
　　由应力产生的微裂隙和裂隙内表面成为向周围煤岩体组成的变形系统释放瓦斯（甲烷）的主要构成体系。如果解吸所产生的瓦斯集聚速率超过瓦斯扩散的速率，将会产生孔隙压力，从而可能以两种形式导致动力失稳的发生：（1）有效应力减小，压力和刚度将发生改变，持续增加的孔隙气体压力很快促使系统失稳（冲击地压）；（2）缓慢增加的可压缩瓦斯气体内逐渐储蓄大量的势能，遇到扰动时，产生的高应变能密度可以在瞬间释放，造成巨大破坏（瓦斯突出）。现在，假设游离瓦斯从煤体中快速解吸释放出时，不断增强的压力可以使煤层发生动力失稳。为了检验这个假设，本文对煤核样品进行AE实验，监测解吸过程中煤核从体积应变到大的变形直至发生动力破坏的过程。
　　2、声发射实验过程
　　2.1实验内容
　　微观条件下，煤和瓦斯分子间的特殊作用十分复杂。过去的研究表明，声发射（AE）技术可以用来研究煤层吸附-解吸附的过程，也可以反映各品味的煤趋于瓦斯爆炸的可能性。AE技术利用变形材料内瞬时发射的弹性波来记录材料内部变化情况。材料内部一点的弹性波到达材料边界的信号被安装在研究对象上的传感器捕获并记录下来。通过传感器的信号被放大后再传输到监控系统，进行下一步的调整和处理。信号波的波形特点取决于声发射源的状态、弹性波在介质中的传输途径、传输介质的弹性特征以及监控系统的特点[8]。下面的实验将检验通过AE技术观测瓦斯吸附-解吸附过程中煤层体积应变的情况。
　　图2试验所用的样品
　　图3用于瓦斯解吸附引起煤岩变形过程的声发射监测组合
　　2.2实验材料和仪器简介
　　由于篇幅所限，本文仅研究一个煤岩样品的声发射实验研究的过程和结果。实验所用样品为较大的固体煤岩样品，而非粉状或粒状煤样，煤岩样品物理性质如表1所示，将煤岩样品切割成直径20mm，长50mm的圆柱状备用。
　　实验设备安装结构如图3所示，压力泵为监测煤岩样品周边提供压力，模拟原岩所处环境下的围压。气瓶内装有CH4和CO2气体。通过改变气瓶内气压和围压的变化监测在此过程中接收到的声发射信号并分析在这个过程煤岩内部结构变化状况。
　　利用设定好的计算程序从时间与频率两个方面分析获得的AE信号。使用四个贴在煤岩表面的应变片来测量煤岩的体积变化，两个测量轴向应变，其余两个测量径向应变。
　　2.3实验过程
　　为减小端面效应的影响，试样两端面均涂固体硬脂酸。在煤样侧面磨2个边长为8mm 8mm的对称平面，安装声发射传感器。传感器与煤样之间用黄油进行耦合，并用胶带固定。为尽可能减少外界噪音的干扰，设定声发射采样阈值为45 500kHz，相对湿度（80+2）%，并保持实验过程的温度恒为298K。煤层解吸附动力破坏试验是增压的过程，为了模拟煤层解吸附过程中瓦斯压力对煤层的动力破坏，实验设计如下：（1）首先，将甲烷通入样品，并保持压力值1.0MPa，过程持续10小时，观察接收到动态吸附过程的信号变化，但并不记录；（2）关闭甲烷气瓶，并打开二氧化碳气瓶，将压力值增大到1.6MPa，过程持续0.6小时，观察甲烷解吸附过程接收信号的变化；（3）增加压力值到2.0MPa，过程持续0.6小时，观察甲烷解吸附过程接收信号的变化；（4）继续增加压力值到2.8MPa，过程持续0.6小时，观察甲烷解吸附过程接收信号的变化；（5）关闭二氧化碳气瓶并打开甲烷气瓶，压力减小至2.8MPa，过程持续0.6小时，观察接收到的信号变化情况，（6）继续压力减小至2.0MPa，过程持续0.6小时，观察接收到的信号变化情况；（7）最后，压力减小至1.6MPa，过程持续0.6小时，观察接收到的信号变化情况。试验过程中煤岩样品变形状况被传感器捕获并传输到分析系统。由AE传感器输出的信号被放大后传入AE分析系统做进一步的分析和处理。
　　2.4实验结果
　　在声发射监测中，超过阈值并使某一通道获取数据的任何信号称之为一个撞击。一个或几个撞击对应一个声发射事件。把整个研究对象看作一个系统，研究它的发生、发展和破坏过程。
　　图4AE信号随时间的变化
　　图5AE能量、体积应变和吸附体积随时间的变化曲线
　　图4，图5可以看出，随着时间推移，AE能量逐渐增强，体积应变增长较快，并且可以看到，一开始AE能量与体积应变呈现梯度关系，在体积应变达到0.8%之后，呈波浪状关系；体积应变一开始与吸附体积是线性关系，在达到1%的阈值后，有一个平缓的过渡期，之后出现跃升并在体积应变达到1.37%左右时刻，陡然下降；最终吸附体积下降至样品最大吸附能力的一半左右。实验获取的AE和应变特征表明，在一定范围内AE和应变具有相同的诱发因素。另外，从图5不难看出样品表现出的吸附膨胀具有不可逆的特点。实验煤核样品随时间变化出现的动力现象见表2。
　　表2实验煤核样品随时间变化出现的动力现象
　　表2所示为随时间变化，煤核的体积应变和动力失稳情况。在0.6小时时刻，体积应变为1.06%，此刻无动力现象；1.2小时时刻，对应的峰值体积应变为1.37%，此刻出现动力现象；之后，在3.0小时时刻，体积应变减小至0.59%，此刻仍有动力现象。矿山煤岩受力变形都在一定的时间和空间中进行，其力学参数必然表现为时间和空间的函数。在某些条件下，时间因素对煤岩材料受力变形影响很小，可以忽略，但在研究相对较软或具有突出危险煤岩体力学行为时，则必须考虑时间因素对其力学性能变化的影响。在地应力作用下，有突出倾向的煤体往往处于蠕变状态，条件具备时发生煤与瓦斯突出[5]。
　　3、结论
　　（1）煤岩的孔隙及裂隙网络结构对于煤岩吸附能力、应变性能及AE信号特征具有较大的影响。
　　（2）煤核在变形过程中，伴随着剪切失稳破坏裂隙沿着煤核试验样品传播，高频的AE信号一直占主导地位，而且产生于动力失稳破坏区域。
　　（3）煤层气从煤基质中解吸过程中当时间达到1.2小时的时候，体积应变达到1.37%，这时候煤核出现动力现象；这个过程在现实煤层中达到某种条件可以产生运动和加速度，从而可能产生失稳破坏。
　　（4）与吸附过程相反，伴随解吸附的进行，缓慢增加的压缩瓦斯气体在煤岩内逐渐储蓄大量的势能，遇到外界作用时，产生的高应变能密度可以在瞬间释放，从裂隙处破坏岩层，促使动力失稳和灾害的发生。而声发射技术在一定程度上可以对煤岩的体积膨胀和裂隙扩张进行分析和预警。因此，认识突出煤体蠕变状态下的声发射特征，对探讨煤与瓦斯突出机理，进行有效的预报、预防是非常重要的。