2024-01-04
（1）探究含水煤体受到钻杆切削作用声发射损伤、破坏特征，通过构建损伤椭球体确定确立试件损伤范围，以此确定理论钻屑质量。（2）根据不同含水率试件的理论与试验称量钻屑质量差值程度分为平缓区、缓增区和激增区，基于此确定含水煤体的钻屑临界指标修正系数H。（3）提出了一种基于理论和试验分析的含水煤体钻屑法临界指标优化方法。基于声发射特征的含水煤体钻屑法临界指标优化试验研究
作者：朱广安1 ，刘 欢1 ，苏晓华1 ，王红胜1 ，徐自豪1 ，刘海洋2 ，蒋启鹏1单位：1. 西安科技大学 能源学院;2. 大连理工大学 岩石破裂与失稳研究中心钻屑法是通过在煤层中利用风钻或电钻钻小直径钻孔(直径42～50 mm)，根据在不同深度排出的煤粉量及变化规律和有关动力效应来鉴别冲击危险的一种方法。钻屑法设备简单，监测结果直观，便于现场操作和判别。但在内蒙古、陕西等部分冲击地压矿区由于受到洛河组砂岩含水层的影响，煤层含水率过高导致钻屑量始终不超标，即使使用其他监测方法检测出该区域存在发生冲击地压风险，给现场的冲击危险监测预警带来了极大困难。同时，钻屑法监测国标中明确指出该标准不适用于煤层含水率过高情况，但含水率达到何种程度无法参考标准，当前未有明确规定。简而言之，水对煤岩体的物理和化学作用导致钻屑法监测结果存在误差甚至失效。目前，在水作用下煤岩体物理力学性质及破裂损伤机理研究中，姚强岭等通过自制的岩石直剪试验系统，分析得到随含水率增加，砂质泥岩抗剪强度、黏聚力和内摩擦角分别呈指数、负指数和线性降低；王文等利用三维动静组合加载系统揭示饱水对煤体有显著的影响以及对不同围压下力学响应较强；陈田等凭借声发射等手段发现煤样随着含水率的增大，内部微观闭合裂隙摩擦因数减小，从而使煤的强度降低，塑性增强；周子龙等通过分离式霍普金森压杆试验表明随应变率增加，干燥与饱水砂岩的拉伸强度及断裂韧度均逐渐增加，且饱水砂岩有更强的相关性；杨科等对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验，发现在冲击载荷作用下饱水煤样相较于自然状态的应力集中现象减弱；宋常胜等通过动静组合加载试验研究自然与饱水2种状态煤样，证实水在三维动静组合加载作用下对煤样吸能破坏的诱导作用，冲击能量在煤样中被煤和水吸收；肖晓春等采用单轴抗压试验和信号处理分析方法，得到了含水率影响的强弱冲击倾向煤样加载过程的声发射时域波形特征；杨二锋等开展三轴压缩试验研究不同含水状态的泥质粉砂岩，发现含水率与岩样的峰值强度呈现一定的负线性函数关系；方杰等采用无损浸水试验装置和煤岩力学性质测试等系统，揭示泥质粉砂岩由干燥到饱水单轴抗压强度降低了47.72%，弹性模量降低了18.36%；周辉等对不同浸润时间下的泥质砂岩进行三轴压缩试验，得出随围压升高浸润时间对弹性模量的影响程度逐渐减弱的结论。上述研究成果多数基于对完整含水煤岩破坏特征分析和总结，对于钻进后含水煤岩的损伤特征和破坏形式研究较少。在钻屑法临界指标优化方面，郝志勇等在试验环境中对不同煤体应力状态下的多参量指标测试分析，提出一种通过监测钻孔过程中钻屑量、钻杆推力与钻杆扭矩等多参量指标变化规律来预测冲击危险性的方法；顾广耀等通过ϕ42 mm和ϕ73 mm钻孔钻屑量和钻屑解析值的对比性试验研究钻屑临界指标并利用钻孔直径大小等体积换算得到ϕ73 mm钻孔的临界指标；唐巨鹏等考虑深部开采水平地应力作用，在钻屑量公式中引入有效应力，提出了通过计算有效应力来判断钻屑量的方法；丁传宏等结合义马煤田煤层特性，确立厚煤层钻屑检测指标方法、指标值及各项影响参数指数。上述学者以不同煤层赋存条件入手结合试验与理论的方法优化钻屑法临界指标，解决了部分钻屑法监测难题，但未能考虑含水的影响。综上所述，国内外学者已对水对煤岩物理力学性质影响和钻屑法临界指标优化展开了大量理论与试验研究，但鲜有学者涉及煤层在含水状态下钻屑法临界指标的确定和优化等方面的研究。针对这一问题，笔者开展三轴加卸载钻进试验，研究含水煤体受到钻杆切削作用声发射损伤、破坏特征并基于Matlab数学软件确立试件损伤空间，为理论钻屑量的计算夯实基础，根据不同含水率试件的理论与试验称量钻屑质量比值，得出含水煤体的钻屑法临界指标修正系数H，以此确立含水煤体的钻屑法临界指标，研究成果可对内蒙古、陕西等富水冲击地压矿井钻屑法监测指标的确定和优化提供参考。蒙陕部分冲击地压矿井由于受到洛河组砂岩含水层的影响，煤层含水率过高钻屑煤粉泥化成团导致钻屑量始终不超标，钻屑法结果存在误差甚至失效，影响现场冲击地压危险的监测预警。基于此，以不同含水率煤体为研究对象，开展不同应力加载水平下的三轴加卸载钻进试验，探究含水率0、1.7％、3.7％和5.6％煤体钻进过程中声发射(AE)及其损伤空间特征，获取计算理论钻屑量数值的方法，通过理论与试验称量钻屑质量比值确定煤体在不同含水条件下钻屑法临界指标。结果表明：① 随应力水平和含水率增高，声发射事件呈现钻孔中心向周围扩散的现象，破坏趋势由剪切部分破坏向剪切整体破坏转变；② 载荷水平和含水率对由声发射事件空间分布确立的损伤椭球体(DE)体积影响较大，损伤椭球体与声发射事件空间分布特征具有一致性，计算得出的损伤椭球体质量为含水煤体受到应力及钻杆切削作用的主要损伤空间质量M；③ 通过分析理论与试验称量钻屑质量整体变化趋势，发现含水煤体受到水的弱化作用后理论钻屑量有所增加，但相较于水的弱化作用，水的黏结占主导作用，导致现场收集的钻屑量偏小；④ 依据理论与试验称量钻屑质量比值得出不同含水率煤体的钻屑法修正系数H，当含水率为0～1.7％、1.7％～3.7％和3.7％～5.6％时，H分别取值1.00、2.32和4.05，当含水率大于5.6％时，钻屑法失效。
图 1 试验试件实物
图 2 试验钻进与加载设备
图 3 试验试件加卸载与探头布置示意
图 4 试件应力−时间−声发射事件关系曲线
图 5 损伤椭球体构建路线
图 6 含水率 0 的试件声发射事件及损伤椭球体空间分布
图 7 含水率 1.7％的试件声发射事件及损伤椭球体空间分布
图 8 含水率 3.7％的试件声发射事件及损伤椭球体空间分布
图 9 含水率 5.6％的试件声发射事件及损伤椭球体空间分布
图 10 损伤椭球体体积分布
图 11 含水煤体钻屑法临界指标优化流程
图 12 质量差值程度的分布特征
朱广安，男，1989年4月生，江苏建湖人，博士（后），副教授，硕士研究生导师，获中国矿业大学采矿工程专业工学学士、硕士及博士学位。现为西安科技大学冲击地压防控研究所副所长，陕西省应急管理厅专家库外聘专家。长期从事冲击地压等矿山灾害机理与防控、矿山压力与岩层控制等方面的教学与科研工作。
研究方向
冲击地压防控、矿山压力与岩层控制
主要成果
近年来，主持国家自然科学青年基金项目1项目、中国博士后科学基金项目1项、陕西省自然科学基础研究计划项目1项、陕西省教育厅专项科学研究计划项目1项；作为研究骨干参与国家重点基础研究发展计划（973）项目、国家重点研发计划项目、江苏省重点研发计划项目等；主持与企业联合攻关项目50多项。在《Rock Mechanics and Rock Engineering》《Safety Science》《煤炭学报》《岩石力学与工程学报》《中国矿业大学学报》等权威期刊发表学术论文20余篇（第一作者SCI检索7篇、EI检索9篇），发表专著与合著2部，授权国家发明专利1项，研究成果获省部级科技进步一等奖1项、二等奖1项。
来源：
朱广安，刘欢，苏晓华，等. 基于声发射特征的含水煤体钻屑法临界指标优化试验研究[J]. 煤炭学报，2023，48(12):4433−4442.
责编：王晓珍 责任编辑：宫在芹
