突出煤岩纵波波速与应力相关关系

　　摘 要：为探究井下煤与瓦斯突出灾害的发生机理并实现监测预警，运用微机控制电液伺服岩石试验机对突出型煤试样进行单轴加载破坏实验，分析了试样破坏特征及力学特性，采集震动波信号，与实际结果拟合后得到波速与应力的耦合规律，并建立了波速与应力间的试验关系模型，利用矿震信号进行了突出煤层震动波层析成像现场试验验证。结果表明，在单轴加载条件下，纵波波速与突出煤样应力之间存在指数函数关系Vp=a+kerx，在加载初始阶段纵波波速变化梯度大，随后变化梯度逐渐减小并趋于线性，与实测值的相关系数计算结果表明模型相关度达0.883，能较准确描述波速与应力的变化关系。现场震动波层析成像得到的应力异常区域与现场采掘地质条件对应良好，验证了上述突出煤岩纵波波速与应力的正相关关系。震动波层析成像可应用于突出煤层应力集中区探测，对矿井突出危险区域预测具有重要的现实意义。

　　关键词：煤与瓦斯突出;突出煤岩;震动波波速;应力与波速相关关系;震动波速层析成像

　　《煤矿现代化》(双月刊)创刊于1992年，是由兖矿集团有限公司主办。 本刊为综合性技术期刊，主要栏目有战略研究、生产建设等，于2003年创建编委会，欢迎投稿。

　　0 引 言

　　煤與瓦斯突出是一项典型的煤矿动力灾害事故，它具有破坏性强、危害性大等特点[1]。近年来，随着煤矿井下开采深度不断延伸，地应力和瓦斯压力随之增大，并且地应力成为影响煤与瓦斯突出灾害的主要因素，煤与瓦斯突出灾害日益严重[2]。目前，煤与瓦斯突出灾害的监测预警方法一般有 K1 值监测、钻屑法监测等，这些方法多采用抽检或定点式指标，且钻孔工程量较大，通常会在一定程度上影响生产[3-4]。同时，它们在时域上无法做到连续监测，空域上均体现为“点评价”形式，难以反映采掘过程大区域内应力分布状况及煤与瓦斯突出突出危险性变化过程。

　　近年来，震动波CT技术被广泛应用于井下的勘探断层及应力状态等过程中[5]。其探测原理为：利用震动波CT技术反演得到目标区域的纵波波速分布，根据波速与煤岩应力之间的正相关关系评价目标区域的应力分布，进而识别应力集中区，划定危险区域[6-7]。该技术目前主要应用于冲击地压灾害严重的矿井，进行冲击地压危险区域的评价、探测和监测。彭苏萍、Du等将震动波CT探测技术应用于地质构造勘探，该技术探测精度高且构造线性成像明显[8-9]。曹安业等将震动波CT技术应用于揭示临近断层处孤岛工作面应力演化过程，其动力显现位置与反演结果相吻合[10]。窦林名、解嘉豪、巩思园、杨纯东等将震动波CT技术和微震实时监测预警相结合，目前已在数十个矿井取得了成功应用，同时也开始尝试将微震技术应用于煤与瓦斯突出矿井的监测预警[11-14]。窦林名等提出动态负载扰动和静态应力集中是煤与瓦斯突出的2个主要影响因素，利用微震判别煤与瓦斯突出是可行的，为煤与瓦斯突出灾害提出新的预警思路[15]。雷文杰、李绍泉等进行了微震响应煤与瓦斯突出模拟试验，得到了煤与瓦斯突出孕育、激发、发生、残余4个阶段微震时频特征[16-17]。朱权洁等利用大型煤与瓦斯突出模拟试验系统和高灵敏微震监测系统，开展了瓦斯突出全过程的监测试验，有效收集了从突出孕育到发生完成全过程的微震动响应事件[18]。目前对含有煤与瓦斯突出倾向的煤岩样纵波波速与应力间相关关系研究不足，而要将震动波 CT 技术应用于有煤与瓦斯突出危险的矿井中首先要解决的关键基础性科学问题是研究纵波波速与煤岩应力之间的相关关系。

　　基于此，文中研究了含有煤与瓦斯突出倾向性煤岩样在单轴加载方式下纵波波速与应力间的相关关系，并建立其试验关系模型，在突出矿井进行现场实证。

　　1 试样单轴加载波速测试实验系统

　　1.1 实验系统

　　实验在YAW-600 微机控制电液伺服岩石试验机上进行。该试验机主要用于煤岩和软岩的单轴压缩试验，可测定单轴压缩抗压强度、弹性模量、切线模量、割线模量、泊松比、软化系数等。并且该试验机具备试验力、变形、位移3种控制方式，这3种控制方式可在试验中进行无冲击、平滑转换，可自动控制试验机全过程。声发射信号数据采集及处理装置采用DS5系列全信息声发射信号分析系统，其结构主要有DS5声发射仪、传感器、放大器、DS5声发射软件等。实验过程中，声发射系统与YAW-600岩石试验机同时工作，其工作原理如图1所示，打开岩石试验机对型煤试样加载同时声发射信号仪产生激发纵波，利用安装于试样表面的声发射探头传递和接收波形信号，并经由声发射前置放大器和高速数据采集仪传至计算机中记录文件。

　　1.2 试样制备

　　本实验分别制备突出型煤试样和原煤试样，原料分别取自贵州金佳矿(突出矿井)和新疆乌东矿(冲击矿井)。

　　型煤试样制作过程：首先利用煤样筛筛取粒径分别为1 mm和3 mm的煤粒，将其与腐植酸钠、水混合搅拌均匀，原料组分见表1.将原料装入模具后捣实并放置在压力机下，缓慢加压到30.00 kN并保压15 min.最后将试件放置于干燥箱中，以105 ℃恒溫干燥，共分为6次，每次干燥4 h，中间间隔不少于1 h得到型煤试样如图2所示。

　　原煤试样制作过程：根据国标GB/T 23561制作直径50 mm，高100 mm的圆柱煤样，首先通过 SC-300型自动取芯机在原煤样品上钻取直径为50 mm的圆柱体试件，再通过SCQ-A型自动切石机将直径为50 mm的圆柱体试件切成高为100 mm的圆柱体试件，最后采用SCN-200型双面磨石机加工，使两端面保持平行。各试样尺寸及重量见表2.

　　1.3 声波测试原理及方法

　　由于纵波具有传播速度快且易收集等特征，故选取纵波波速作为研究对象。首先对试样预加载荷500 N，避免加载装置与试样之间出现空隙以影响实验结果，再根据测量信号的强弱，调节接收传感器测得纵波信号的增益和时间单位刻度，设置自动采集的脉冲宽度为20 μs，脉冲周期为2 000 μs 后保存该文件。

　　实验中，首先运行参数设置文件，并将存储设置为连续存储波形文件，运行后自动采集数据，根据试样加载过程中得到的纵波波形信息，通过式(1)计算相应的纵波波速

　　式中 VP为所测得纵波波速，m/s;T1为发射探头开始传播纵波信号的时间，s;T2为接收探头接收到纵波信号的时间，s;L为传感器之间的距离，mm;T2-T1表示试样在加载过程中通过长度为L时所需要的传播时间，s.通过式(1)计算出同一个试样在不同载荷及角度下的纵波波速。

　　图3为纵波的标波原理示意图。不同探头接收到的波形如图中所示位于不同通道上，用SEISGR软件对每个通道的波形文件进行标波，标记探头接收到纵波的位置，再将其对应的时间节点找出，就可以计算出试样在加载过程中通过长度为L时所需要的传播时间。

　　1.4 实验方案

　　煤岩试样在单轴加载条件下进行纵波波速测试，分为单轴压缩和单轴循环压缩2种方式，其中单轴循环加载试验主要用于研究试样在卸载过程中波速与应力的关系。每种方法中都分别对突出型煤试样和冲击原煤试样进行加载，其中原煤试样用于作对比实验。

　　单轴压缩实验是对试样进行单轴压缩直至破坏，型煤和原煤试样的轴压加载速率分别为5和15 N/s，每3 s进行纵波波速测试，断裂百分比达到70%结束实验。而单轴循环压缩实验则是首先对试样进行加载直至最大抗压强度的70%，卸载后再次加载直至试样破坏，循环的起点为最大抗压强度的70%，其中最大抗压强度由试样同一矿区煤样的强度来确定，其余参数与单轴压缩实验相同。实验方案如图4所示。

　　2.1 单轴压缩波速变化情况

　　对4组试样分别进行单轴压缩实验，其中3组型煤试样的纵波波速测试结果和应力变化曲线如图5所示。