煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究

第27卷第2期岩石力学与工程学报V ol.27 No.2 2008年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2008煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究赵毅鑫1，2，姜耀东1，2 ，祝捷2，孙冠哲2(1. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；2. 中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京 100083)摘要：讨论煤、岩体在2种组合模式下受压破坏过程中能量集聚与释放规律。

通过试验分析，得出“煤–围岩”系统失稳规律，并结合红外热像、声发射、应变等监测手段，对“砂岩–煤”及“砂岩–煤–泥岩”两类组合体进行单向压缩试验，对比研究不同煤、岩组合体失稳破坏的前兆信息，得到煤、岩组合体失稳破坏过程中红外热像、声发射能谱及组合体不同部位应变的变化规律。

研究结果表明，对比煤样单体，煤–岩组合试样失稳更突然，失稳前兆点更难于捕捉。

关键词：采矿工程；组合煤岩；红外；声发射；前兆中图分类号：TD 315；TD 82 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)02–339–08EXPERIMENTAL STUDY ON PRECURSORY INFORMATION OF DEFORMATIONS OF COAL-ROCK COMPOSITE SAMPLES BEFOREFAILUREZHAO Yixin1，2，JIANG Yaodong1，2，ZHU Jie2，SUN Guanzhe2(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Beijing100083，China；2. School of Mechanics，Architecture and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing100083，China)Abstract：The failure features of the composite samples under uniaxial loading are discussed. The characteristics of energy dissipation and translation in the process of coal-rock sample failure are analyzed；and an experimental system for analyzing the mechanism and precursory information of the failure of coal-rock composite samples is developed. The system is composed of the thermal infrared(TIR) observation system，the stress and strain measurement system，and the acoustic emission monitoring system. In order to investigate the TIR and acoustic responses of different kinds of coal-rock composite samples，two types of composites are tested，which are composed of three bars of sandstone-coal-mudstone and two bars of sandstone-coal，respectively. The uniaxial compressive load tests are carried out to observe the features of TIR，acoustic emission and strain precursory information in the process of sample failure. The detailed investigations on the precursor information of stress points are conducted based on the TIR images，infrared radiation temperature，infrared radiation images，acoustic emission，and strain date. The analytical results show that the coal-rock composite specimens are under stress accelerated accumulation state before failure. Moreover，it is more difficult to forecast the failure of coal-rock composite samples compared with the failure prediction of normal coal samples.Key words：mining engineering；composite coal sample；thermal infrared；acoustic emission；precursor收稿日期：2007–05–09；修回日期：2007–11–29基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490272)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2006CB202203，2002CB412705)；国家自然科学基金资助项目(50704034，10572147)；国家科技支撑计划资助项目(2006BAK03B06)作者简介：赵毅鑫(1977–)，男，博士，2001年毕业于中国矿业大学工程力学专业，现为讲师，主要从事岩石力学与采矿工程方面的教学与研究工作。

E-mail：zhaoyx@• 340 • 岩石力学与工程学报 2008年1 引 言一些研究结果表明，地震、冲击地压和岩爆等地质岩体失稳破坏是彼此相互作用的若干地质体组成的力学系统非稳定变形的共同结果。

而煤矿动力灾害更是“围岩–煤体”系统在开采扰动过程中，发生整体失稳的一种表征。

准确地说，系统中煤体和围岩任何一种介质失稳都会引起“围岩–煤体”系统失稳。

因此，对“围岩–煤体”系统失稳机制及前兆信息的研究，将有助于井下冲击地压等动力失稳灾害的预测和防治[1]。

近年来，国内外学者逐渐开展了组合体模型的研究，如I. M. Petukhov 和A. M. Linkov [2]在研究岩石材料峰后稳定性时，分析了两体系统和“顶底板–煤体”系统的稳定性问题。

陈忠辉等[3，4]利用两体模型，研究了两岩体相互作用系统的失稳过程，对地震孕育过程中的微破裂活动及弹性回弹等特性进行了研究，解释了如变形局部化、弹性回弹等前兆规律。

谢和平等[5]基于工程体与地质体的相互作用对两体力学模型进行了初探。

刘建新等[6]用两体相互作用理论和RFPA 2D 系统对煤岩组合模型变形与破裂过程进行了理论和数值试验研究。

刘 波等[7]对不同高度比的煤岩组合体的力学性质与动态破坏特性进行了试验研究。

齐庆新[8]的研究结果表明，组合模型破坏可能是由加载过程中积蓄在岩石中的能量在煤块破坏时参与所致。

总之，大多数学者认为煤岩动力失稳是“围岩–煤体”系统失稳的一种灾害体现，应把煤系地层视为煤层–顶底板系统，充分考虑顶板、煤层和底板各子系统间的相互作用，从煤岩体变形能储存和释放及相互作用等方面，研究子系统及复合系统整体效应对动力失稳倾向的影响。

但在研究手段上仍主要采取传统的力学试验方法，不能有效地分析组合体失稳特征及前兆信息。

目前，国内外对煤样单体破坏前兆研究已取得一定成果，如L. X. Wu 等[9～11]在“遥感–岩石力学”理论框架下论述了岩石破裂和非冲击倾向性煤体的热红外前兆，认为微破裂越强，产生的热效应越明显，红外辐射温度效应最强是在加载达到煤样强度的70%左右的时候。

董玉芬等[12]对受载煤体变形破裂产生的红外辐射信息进行了初步观测研究。

赵毅鑫等[13]通过试验，发现冲击倾向性煤样单体在单向加载条件下的最终破坏前兆为0.90c σ左右，而循环加载条件下则为0.81c σ左右。

因此，在对单体煤样前兆破坏规律研究的基础上，研究组合体破坏规律及前兆特征将为分析煤岩结构失稳机制提供新的方法。

为综合利用红外辐射和声发射等监测手段，本文采用自行设计的由加载控制系统、多点应变监测系统、红外成像系统及多通道声发射监测系统共同组成的多系统、同步性试验机构，分别对“(顶板)砂岩–煤”及“(顶板)砂岩–煤–(底板)泥岩”组合体进行压缩破坏试验，分析组合体结构变形失稳过程中的破坏前兆，同时对比分析声发射、应变、荷载及红外辐射信号间的相关性。

2 试验设计及方法试验用样品采自开滦矿区赵各庄矿12#煤层5028工作面及其直接顶底板，该工作面附近部分区域内直接顶板厚度、直接底板厚度均与煤层厚度接近。

因此，将煤样和岩样加工成φ 50 mm ×50 mm 的短柱型单元，不仅便于组合试验，而且可近似模拟现场工程条件。

试验系统组成如图 1 所示[14]。

样品两端面加工后的平整度为±0.02 mm ；端面垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25°；沿试样高度上直径误差不超过0.3 mm 。

赵各庄矿12#煤层为强冲击倾向性煤层，并多次发生冲击地压灾害[15～17]。

(a) 试验系统示意图(b) 试验系统外观照片图1 试验系统组成图[14]Fig.1 Diagram of experimental system [14]红外监测系统声发射监测系统应变监测系统红外热 像仪加载 装置 加载监测、控制系统第27卷第2期赵毅鑫，等. 煤岩组合体变形破坏前兆信息的试验研究 • 341 •采用位移控制进行加载，加载速率恒为0.2 mm/min。

试验环境温度为17.7 ℃，湿度为32%。

分别采用“砂岩–煤”和“砂岩–煤–泥岩”组合体试样，自然接触方式叠放。

为减少组合体偏心，采用直角钢尺在试样表面任意三条铅垂线方向同时标定使组合体中各单元柱面对齐。

试验中监测组合体各部分环向和轴向应变及煤、岩接触面变形特征，并采用两通道同步式声发射监测系统，分析组合体微破裂特征。