不同含水率煤岩声发射特性试验研究
声发射就是煤岩材料在受到外载荷作用时,材料内部会产生应力集中,当应力达到临界值,材料产生裂纹或引起裂隙的扩展,发生能量转换,以弹性波或者应力波的形式向周围释放、扩散。声发射现象是煤岩压缩破裂失稳的前兆信息,因此被广泛应用于煤矿井下开采、隧道、边坡等岩土工程,并取得了显著成果[1-5]。
B Mohanty等[6]研究了脆性岩石在失稳破坏过程中的AE特征以及断裂韧性的测定方法;M cai[7]将FLAC、PFC模拟开挖大型地下硐室过程的声发射结果与实际工程监测数据对照,认为计算机数值模拟可以很好地反应实际情况;赵兴东等[8]分析了不同煤岩声发射特性,指出煤岩声发射与其本身属性的关系。邱兆云等[9]在不同围压、孔隙压力条件下,进行了煤体受载破裂声发射信号监测试验,得出信号峰值,为煤与瓦斯突出等动力灾害预测提供1种新的方法。
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然而,以上研究并没有考虑水对煤岩体的影响;实际上,许多矿山工程或者地下工程的施工点在地下水位以下,煤岩受到水分子的影响,其变形、强度及声发射特性都会发生变化。试验通过研究不同含水率煤岩声发射特性,为地下煤岩体工程的稳定性分析提供理论基础。
1 试验方法
1.1 试样制备
式中,I 是学生sp,sq做过相同步骤的数量,是学生sp提交的第i个步骤的结果,是学生sp在相同步骤上的提交结果的均值。
1.2 试验方案
3)屈服阶段。声发射信号骤增,声发射平均计数率随着含水率的增大而降低,干燥状态平均计数是其他试件的2~4倍。可能是煤体中水分堵塞了瓦斯通道,煤体裂纹贯通时放散速率较小导致的。其中也可能存在试件的离散性对实验结果的影响。同时,声发射计数率集中区域随含水率增加由大幅值变为小幅值。还可以看出不同含水状态下试件的屈服应力也存在差别,屈服应力随着含水率的递增而呈现降低趋势,与水分软化蠕变有关。
煤样选自山西焦煤集团屯兰矿,将其粉碎成煤粉,放入烘箱内烘干,依据预定含水率方案,分别在煤粉加入相应分量的水,利用压力机将煤粉压制成含水率分别为0%、2%、4%、6%的标准型煤试件。
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图1 煤样声发射试验系统图
2 试验结果与分析
2.1 不同含水率煤样应力-应变特性分析
由图4可以看出,不同含水率煤样声发射累积振铃计数表现出不同变化趋势。干燥试件在刚开始几乎没有产生声发射信号,但仍比含水率高的试件较早出现声发射信号,即试件含水量越低,越早出现声发射事件。干燥试件不受水分子影响,相对于其他试件而言,整体状态显脆性,在同等荷载、相同时间下,产生声发射信号较强。含水试件受水分子影响,煤粒之间的联结关系被削弱,降低了煤粒强度及颗粒之间的黏结力,塑性增大,使得试件在压缩过程中,孔隙、裂隙中裂纹发育相对较难,破裂瞬间释放较少能量,即产生的声发射信号较弱,不易声发射系统被检测到。随着含水率的递增,试件声发射信号活跃性减弱,导致声发射累积振铃计数呈现出减弱趋势,但各试件所得曲线在形状上相似。
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图2 不同含水率煤样应力-应变曲线
由表1及图3可看出,不同含水率的AE计数率变化与应力变化趋势几乎一致,随着含水率的递增,屈服应力及AE振铃计数率呈现减小趋势。
2.2 不同含水率声发射特征
1)初期压密阶段。主要变形为其内部原有的微裂纹被压密闭合,闭合过程中部分粗颗粒擦碰及粗糙面咬合破坏,产生较少量的声发射。含水率为0%的干燥状态试件,压密阶段相比其他试件较短,但声发射计数率是其他试件的2~5倍,可能是含水试件受水分影响产生蠕变趋向,软化试件,使试件破坏激烈程度大大降低。
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图3 不同含水率煤样应力-时间-声发射计数率曲线图
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图4 不同含水率下累积振铃计数图
表1 不同含水率下声发射计数率和应力统计表
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含水率/%平均计数/(次·s-1)屈服应力/MPa压密阶段 弹性阶段 屈服阶段0 2 4 6 237 173 104 52 1 541 1 389 1 202 918 4 563 4 071 1 782 1 133 7.99 6.02 5.53 5.21
由图2可知,型煤试件在不同的含水率状态下,表现出不同的变形特征。干燥状态下的煤样压密阶段较短,弹性变形较长,抗压强度较大,随着含水率的增加,压密阶段明显,煤样强度和弹性模量逐渐减小,即水对煤体具有软化作用。这可能是由于煤体内水分子的存在,溶解了内部颗粒间胶结物,导致颗粒间的黏结力减弱;另一方面,水的溶蚀作用引起煤体内部空间微裂隙的产生或扩展,使得微观结构变得松散。煤样压裂过程中,干燥试件表现出比较显著的脆性特征,峰后应力下降很快,并伴随有较大的煤样破裂声;随着含水率的递增,峰后应力跌落的幅度减小,且煤样破裂后仍具有较大残余强度,呈现一定的延性特征。
不同含水率下煤样应力-时间-声发射计数曲线如图3,不同含水率下样声发射累积振铃计数曲线如图4,不同含水率下煤样声发射计数率、应力统计表见表1。
2)弹性阶段声。发射信号基本很稳定,煤样声发射平均计数率随含水率的增大而降低,且含水率为0%的干燥试件应力变化较大,对应声发射信号持续时间较长。
采用WYS-800微机控制电液伺服三轴试验装置、美国物理声学公司研制的声发射测试分析系统进行试验(图1)。为保证试样变形破坏过程中声发射信号的检测效果,在试验机压头部位涂抹黄油,同时将探头耦合在煤样对称两侧,再用透明胶把探头固定。以0.2 kN/s的轴向加载速度对不同含水率(0%,2%,4%,6%)煤样进行压缩,直至试样破坏。
不同含水率煤样应力-应变曲线图如图2。
总而言之,肾小球肾炎患者接受优质护理的临床效果比较优秀,患者的总体护理评分比较高,因此在临床中应该进行推广使用。
3 结论
1)含水软化了型煤试件,且随着含水率的增加,峰值应力和弹性模量减小,变形特征有向岩性转化的趋势。
综观研究现状,不难看出:(1)历时的、文化的考察多于语言学的考察,对于新词的构词特点与使用状况的研究尚存不足;(2)偏重“汉日之间”的相互影响,对于汉日语之外的、诸如英语等第三国语言影响的探讨尚存不足;(3)对某特定词汇的个体考察多于对某专门领域“词汇群”的整体考察。
2)不同含水率的AE计数率变化与应力变化趋势几乎一致。同时AE计数率较好地反映了煤体变形破裂过程中阶段性的损伤机制。随着含水率的递增,屈服应力及AE振铃计数呈现减小趋势,同时声发射计数率集中区域由大幅值变为小幅值。说明煤体含水状况对AE参数特征有明显影响。
3)水对煤样声发射特性有较大影响,含水煤样的声发射累积振铃数比干燥试件少很多且滞后,但干燥煤样与含水煤样所得曲线在形状上相似。
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