EXPERIMENTAL STUDY ON ULTRA-LOW FRICTION EFFECT AND ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICS OF COAL-ROCK INTERFACE WITH DIFFERENT ROUGHNESS
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摘要: 为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制, 采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置, 以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象, 通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性, 以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度, 工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度, 声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数, 进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验. 研究结果表明: (1)超低摩擦滑动过程中, 工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征; (2)煤岩界面粗糙度越小, 工作块体水平位移和声发射能量峰值越大, 煤岩界面越易发生超低摩擦效应; (3)不同煤岩界面粗糙度下, 相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应; (4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系. 声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度, 可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.Abstract: To reveal the influence mechanism of coal-rock interface roughness on ultra-low friction rock burst under dynamic load disturbance, a self-developed ultra-low friction test device for coal-rock interface is used. The coal rock block of 1082 m mining depth in Shenyang Hongyang Three Mine is used as the research object. Different roughness characteristics of coal-rock interface is simulated by changing the surface roughness of coal block and sandstone block. The roughness coefficient is used to characterize the surface roughness of coal rock, the horizontal displacement of working block is used to characterize the strength of ultra-low friction effect in the impact process, and the AE energy is used as the signal parameter in the friction and sliding process of working block. The ultra-low friction test of coal-rock interface with different roughness under stress wave disturbance is carried out. The results show that: (1) In the process of ultra-low friction sliding, the horizontal displacement, AE energy count and cumulative energy curve of the working block show the characteristics of incubation stage, excitation stage and stable stage. (2) The smaller the roughness of the coal-rock interface is, the larger the horizontal displacement and the peak value of AE energy of the working block are, and the ultra-low friction effect is more likely to occur at the coal-rock interface. (3) Under different coal-rock interface roughness, compared with other disturbance frequencies, ultra-low friction effect is more likely to occur at 2 Hz. (4) The relationship between the peak value of acoustic emission energy and the roughness coefficient of coal-rock interface is given. The strength of ultra-low friction effect can be effectively characterized by the peak of acoustic emission energy, and the peak of AE energy can be used to predict the strength of ultra-low friction effect.
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Keywords:
- coal-rock interface /
- roughness /
- coal rock block /
- ultra-low friction effect /
- AE signal
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引 言
随深部开采, 煤岩动力灾害强度与频度陡增, 其发生机理具有与浅部区别的新特征和新规律[1-2]. 超低摩擦型冲击地压是李利萍等[3-4]以深部块系煤岩体超低摩擦效应为基础提出的新概念. 超低摩擦效应, 即地下深部煤岩体在高地应力影响下破碎成块系煤岩体, 在受到集中采集活动引起的应力波扰动下, 煤岩块体发生振动, 当块体间法向应力减小时出现的摩擦力减弱现象. 超低摩擦效应会诱发严重的地质灾害. 如2017年发生于沈阳红阳三矿的冲击地压事故, 事故区域为西三上采区702综采工作面, 开采深度达到1082 m, 在断层的切割作用下, 煤柱形成分离体, 顶板断裂引起的垂直扰动作用于煤岩块体, 振动导致煤层与顶、底板间摩擦作用减弱, 出现超低摩擦现象, 在顶板断裂引起的水平推力作用下, 煤柱整体滑动近3 m. 超低摩擦型冲击地压与煤岩界面滑动摩擦紧密相关. 对于顶、底板均为岩石的深部采区煤岩系统, 在外界扰动下煤层与顶、底板之间不断相互挤压和分离, 内部裂纹逐渐发展贯通, 煤岩表面产生划痕和碎屑, 改变了煤岩界面粗糙度, 进而改变了煤岩界面性质. 煤岩界面粗糙度不同, 摩擦滑动诱发超低摩擦效应强度必然存在差别. 因此, 煤岩界面粗糙度是影响超低摩擦效应的重要因素.
目前国内外学者在超低摩擦效应和结构面粗糙度系数量化表征方面均进行了一些研究工作. 超低摩擦效应方面: 俄罗斯学者Kurlenya等[5-6]建立了一维块系岩体动力模型, 给出了块系岩体动态行为问题的理论表述, 解释了超低摩擦现象; Aleksandrova等[7-8]证实夹层材料属性影响波在块体介质中的速度和衰减系数; 王明洋等[9]认为块体界面的动力变形和稳定性的影响效应规律与超低摩擦现象密切相关; 王洪亮等[10]建立块系岩体模型, 通过分析受撞击块体水平位移变化揭示了超低摩擦现象; 吴昊等[11-12]认为产生超低摩擦现象是由于强扰动下块体间法向力重分布和动摩擦系数持续改变; Rutter等[13]认为软弱夹层是引起断层超低摩擦滑动的主要原因之一; 何满潮等[14]利用自主设计的超低摩擦试验装置以及2D-DIC测量技术, 研究了块系花岗岩的超低摩擦现象; 蒋海明等[15]改变块系岩体自身特性和外载荷特性, 通过分析块体水平位移变化, 分析超低摩擦效应影响因素; Liu等[16]通过试验过程中实时图像和声发射信号变化, 证实了超低摩擦效应的存在; 李利萍等[17-19]考虑深部开采实际情况, 引入煤岩体超低摩擦效应, 得到了应力波扰动、软弱夹层和平均应力等对超低摩擦效应影响规律. 粗糙度系数量化表征方面: Barton[20]给出了节理面粗糙度系数(JRC)的概念, 以及10条标准JRC曲线; Tse等[21]对Barton的10条标准轮廓线进行了定量化研究, 建立了Z2, SF与JRC的函数关系式; Yang等[22]对Tse等[21]的方法进行了改进, 采用傅里叶变换方法和回归分析法重新给出了Z2, SF与JRC的函数关系式; Yu等[23]计算了10条标准轮廓线的Rp值, 给出了不同采样间隔下Rp−1, Rp与JRC的函数关系式; 谢和平等[24-25]给出了节理的分形维数D与JRC的函数关系式; 杜时贵等[26]考虑JRC的尺寸效应, 给出了JRC修正直边法的函数表达式.
国内外学者对超低摩擦效应的研究多集中于超低摩擦现象的证实与理论解释, 以及夹层材料属性和块体间法向力等对煤岩界面超低摩擦效应的影响, 但煤岩界面粗糙度对超低摩擦效应的影响少有学者研究. 粗糙度改变了煤岩界面摩擦阻力, 进而改变了煤岩界面滑移能力, 不同粗糙度下发生超低摩擦效应的难易程度和强弱程度不同, 因此需探究煤岩界面粗糙度与垂直扰动频率、扰动幅值和水平冲击力之间关系特征. 巷道开挖后, 巷道周围煤岩体表现为二向应力状态, 即仅受上覆岩层垂直地应力与水平地应力共同作用, 因此以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象, 将其简化为图1所示的块体模型. 通过改变煤岩块体表面粗糙度来模拟不同煤岩界面粗糙程度, 以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度, 工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度, 声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数, 分析应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射能量特征, 并得到一些新的认识. 该试验结果与前人结论较吻合, 对超低摩擦型冲击地压的预测和防治具有一定参考价值.
1. 超低摩擦试验
1.1 试验装置
(1)超低摩擦试验装置
试验采用自行研制的超低摩擦试验装置, 如图2所示, 包括电脑控制端、液压伺服泵、试验加载装置以及声发射监测装置. 超低摩擦试验装置不同于类似试验装置的特点在于: 能够实现煤岩体的三维应力加载, 较好地模拟超低摩擦型冲击地压发生时煤岩体的真实应力状况. 可实现轴压、围压、垂直扰动和水平冲击共同作用. 试验时, 橡胶垫固定块体底部排除工作台和地面振动的影响, 块体上部施加轴压和垂直应力波扰动, 块体左右两侧施加围压, 后面临空, 前面承受水平冲击. 轴压和围压调节范围为0 ~ 25 MPa, 水平冲击调节范围为0 ~ 5 MPa, 垂直扰动幅值调节范围为0 ~ 5 MPa, 垂直扰动频率调节范围为0 ~ 50 Hz. 试验块体尺寸可根据试验要求进行调节, 调节长度和宽度范围为0 ~ 200 mm, 高度范围为0 ~ 600 mm. 试验装置控制精度高, 电脑控制端控制动载扰动幅值和频率, 可根据实际指令控制精度, 并且响应速度快. 位移传感器监测并记录中间块体水平位移, 最大测距为50 mm, 精度为0.001 mm. 声发射(acoustic emission, AE)监测装置采用DS5系列全信息声发射信号分析仪, 实时监测试验过程中声发射信号, 放大器增益40 dB, 门槛值45 dB, 采样频率1 MHz. 共使用6个传感器对称贴于工作块体侧面, 实时监测工作块体超低摩擦滑动过程中声信号变化.
(2) SJ-210表面粗糙度测量仪
SJ-210表面粗糙度测量仪用于测量煤岩表面粗糙度系数. 仪器由高精度双性带表高度尺、驱动部、连接线、固定装置、检出器和演算显示部等组成, 如图3所示. 使用水平仪调节驱动部使其保持水平, 调节高精度双性带表高度尺, 使检出器与煤岩表面接触, 操作演算显示部进行测量. 图4为煤岩上、下表面测线布置图, 为了更好地反应煤岩上、下表面整体粗糙度对超低摩擦效应的影响, 将边长为100 mm的方形表面划分为100个10 mm × 10 mm小方格, 按图中的红色测线进行测量, 测线方向为煤块摩擦滑动方向. 测量速度为0.25 mm/s, 测量力0.75 mN, 尖端角度60°, 测量精度为0.001 μm.
1.2 试件制备
煤岩块体取边长为100 mm的正方体试件, 加工误差≤1 mm. 根据试验需要, 用80, 100, 150和240目砂纸处理煤岩上、下表面[27], 再用SJ-210表面粗糙度测量仪测出煤岩块体表面粗糙度系数.
计算方法如式(1)和式(2)所示[22]
$$\qquad\quad JRC = 32.69 + 32.98\; {\text{lg}}{Z_2} $$ (1) $$\quad\qquad {Z_2} =\sqrt {{{\displaystyle\sum\limits_i^{N - 1} {{{({Z_i} - {Z_{i + 1}})}^2}} }}/[{{(N - 1)\Delta {s^2}}}]} $$ (2) 式中, Z2为剖面线均方根; N为测点数目; Zi和Zi+1为第i和i + 1个测点高度; Δs为测点间距.
根据文献[28]中处理剖面线方法, 以及式(1)和式(2)计算得出240, 150, 100和80目砂纸处理的煤块表面粗糙度系数分别为2.68, 3.27, 3.81和4.40. 细砂岩表面粗糙度系数为9.81, 粗砂岩表面粗糙度系数为12.56. 粗糙度系数越大, 表面越粗糙. 用相同目数砂纸处理的煤岩块体表面粗糙度系数误差为0.3 % ~ 1.0 %, 满足精度要求.
1.3 试验方案
沈阳红阳三矿西三上采区702综采工作面开采深度为1082 m, 煤层所受垂直地应力为24.7 MPa[29]. 根据图1中简化的块体模型, 进行超低摩擦试验方案设计. 垂直方向对块体施加轴压和应力波扰动, 轴压设置为垂直地应力的1/4[3,17], 即轴压设为6 MPa, 应力波扰动形式为正弦波, 扰动频率和扰动幅值是垂直应力波扰动的两个关键控制变量. 水平方向施加围压和水平冲击, 侧压力系数k取0.25[30], 即围压设置为1.5 MPa. 试验以5块沿高度方向自上而下叠放的煤岩块体为研究对象, 如图5所示. 主要分析煤岩界面粗糙度对超低摩擦效应的影响, 相邻的砂岩界面对试验结果影响较小, 所以仅煤-砂岩界面用砂纸处理, 砂岩-砂岩界面未用砂纸处理.
共设置3组试验, 试验方案如表1所示. 第1组试验: 用于分析煤表面粗糙度对超低摩擦效应影响与声发射能量特征. 煤表面粗糙度系数(JRCm)为变量, 含4个粗糙等级, 砂岩表面粗糙度系数为不变量. 考虑到实际地质条件, 煤层顶、底板种类和深度不同, 所以选择粗糙度不同的细、粗砂岩为顶、底板进行试验. 第2组试验: 用于分析砂岩表面粗糙度对超低摩擦效应影响与声发射能量特征. 砂岩表面粗糙度系数(JRCs)为变量, 含3个粗糙等级, 煤表面粗糙度系数为不变量. 第3组试验: 将其余不同表面粗糙度煤和砂岩进行组合, 并结合第1, 2组试验结果, 分析煤岩界面粗糙度与工作块体水平位移、声发射能量之间的特征关系.
表 1 试验方案Table 1. Experiment planExperiment Roof
(JRCs value)Bottom
(JRCs value)Working block
(JRCm value)Axle load/
MPaConfining pressure/
MPaHorizontal impact/
MPaVertical stress wave disturbance amplitude/
MPafrequency/
Hzexperiment 1:
change the surface
roughness of coalfine sandstone
(9.81)coarse sandstone
(12.56)coal block
(2.68, 3.27, 3.81, 4.40)6 1.5 1 1 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 experiment 2:
change the surface
roughness of sandstonefine sandstone
(9.81)fine sandstone
(9.81)coal block
(2.68)6 1.5 1 1 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 fine sandstone
(9.81)coarse sandstone
(12.56)coal block
(2.68)coarse sandstone
(12.56)coarse sandstone
(12.56)coal block
(2.68)experiment 3:
change the surface
roughness of coal and sandstonefine sandstone
(9.81)fine sandstone
(9.81)coal block
(3.27, 3.81, 4.40)6 1.5 1 1 2 fine sandstone
(9.81)coarse sandstone
(12.56)coal block
(3.27, 3.81, 4.40)coarse sandstone
(12.56)coarse sandstone
(12.56)coal block
(3.27, 3.81, 4.40)1.4 试验步骤
以沈阳红阳三矿为背景进行深部煤岩界面超低摩擦试验. 试验步骤如下:
(1)根据试验方案选取合适的煤岩块体, 按图5所示放入试验装置内;
(2)连接并检查传感器、加载装置和液压装置等设备;
(3)调节各加载装置参数至规定值, 其中轴压设定为6 MPa, 围压1.5 MPa, 垂直应力波扰动形式$ {P_v}(t) = P\sin (\omega t) $, $ \omega = 2\text{π} f $, P为扰动振幅(MPa), f为扰动频率(Hz); 调节扰动振幅1 MPa, 扰动频率0.5 Hz, 进行超低摩擦试验, 开启数据采集系统和声发射监测装置, 施加水平冲击1 MPa;
(4)试验完成后, 更换试件, 根据试验方案调节加载参数, 重复以上试验步骤;
(5)卸荷, 取出试件, 关闭设备, 试验结束;
(6)分析试验数据.
块体模型是深部开采相关试验研究的重要力学模型, 试验模型和试验方法的可靠性在文献[3,10-12,17-18]中已得到验证.
2. 试验结果分析
2.1 煤表面粗糙度与声发射能量特征分析
扰动振幅1 MPa、扰动频率2 Hz、水平冲击力1 MPa, 保持砂岩表面粗糙度不变, 改变煤块表面粗糙度, 工作块体水平位移、声发射能量和累计能量关系如图6所示. 试验结果表明: 随煤块表面粗糙度增大, 工作块体水平位移和声发射能量峰值逐渐减小. 煤块表面粗糙度越小, 工作块体水平位移和声发射能量峰值越大, 越易发生超低摩擦效应.
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图 6 工作块体水平位移、声发射能量和累计能量时程曲线Figure 6. Time history curve of horizontal displacement, AE energy and accumulated energy of working block由图6可知, 不同表面粗糙度工作块体水平位移、声发射能量以及累计能量曲线变化趋势相同, 均呈现出孕育阶段、激发阶段和稳定阶段变化特征. 根据各阶段工作块体水平位移和声发射能量变化规律, 对超低摩擦过程各阶段特征进行分析.
孕育阶段: 工作块体受到垂直扰动, 在初始平衡状态工作块体水平位移发生微小波动, 声发射能量计数均匀分布, 累计能量曲线近似线性增加. 说明煤层在受到上覆岩层压力和顶板断裂等产生的垂直扰动时, 顶、底板和煤层间相互挤压、分离, 不断交替, 具备超低摩擦滑动条件.
激发阶段: 施加瞬时水平冲击力, 工作块体滑动, 水平位移值迅速增加, 声发射能量计数明显增加并出现峰值, 累计能量曲线斜率迅速增大, 曲线近似成90°. 说明煤层在受到顶板断裂或采煤切割、移架放顶等机械活动产生的水平扰动时, 煤层和顶、底板相互分离的瞬间发生超低摩擦滑动.
稳定阶段: 随水平冲击力作用停止, 工作块体水平位移振荡幅度逐渐平稳趋于稳定值, 声发射能量计数恢复均匀分布, 累计能量曲线斜率逐渐降低, 稳定阶段累计能量曲线斜率与孕育阶段近似相等. 工作块体在新的位置达到平衡状态, 超低摩擦过程结束.
对比分析图6(a) ~ 图6(d), 煤表面粗糙度系数JRCm为2.68, 3.27, 3.81和4.40时, 工作块体最大水平位移分别为0.767, 0.482, 0.269和0.176 mm, 声发射能量峰值分别为6743.5, 5923.3, 5290.3和4263.2 mV·ms. 其中, JRCm = 2.68时工作块体水平位移和声发射能量峰值最大. JRCm = 4.40时, 水平冲击作用后工作块体水平位移波动较大, 能量计数也出现较大波动, 推测粗糙的煤岩界面能够积累较大弹性能, 当发生超低摩擦滑动时释放能量, 克服摩擦力做功, 由于粗糙的煤岩界面摩擦阻力较大, 摩擦滑动位移相对较小, 仍有剩余的弹性能, 导致位移突增后波动较大.
为研究扰动频率对超低摩擦效应的影响, 探究易发生超低摩擦效应的频率敏感值, 绘制不同表面粗糙度煤块在不同扰动频率下声发射能量峰值变化曲线如图7所示. 试验结果表明: 扰动振幅为1 MPa、水平冲击力为1 MPa且扰动频率为0.5 ~ 3.5 Hz时, 声发射能量峰值随扰动频率的增加呈先增后减趋势. 相比于其他扰动频率, 2 Hz时声发射能量峰值具有极大值, 此时更易发生超低摩擦效应.
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图 7 不同扰动频率下声发射能量峰值变化Figure 7. The change of AE energy peak value under different disturbance frequencies由图7可知, 声发射能量峰值随扰动频率的增加呈先增后减趋势, 如JRCm = 4.40、扰动频率为0.5 ~ 3.5 Hz时, 声发射能量峰值分别为4100.7, 4188.7、4165.4, 4263.2, 4124.2, 3986.8和3978.9 mV·ms; JRCm = 2.68、扰动频率为0.5 ~ 3.5 Hz时, 声发射能量峰值分别为6247.3, 6479.2, 6542.7, 6743.5, 6483.2, 6478.6和6383.2 mV·ms. 相比于其他扰动频率, 2 Hz时声发射能量峰值具有极大值, 此时更易发生超低摩擦效应.
2.2 砂岩表面粗糙度与声发射能量特征分析
扰动振幅1 MPa、扰动频率2 Hz和水平冲击力为1 MPa, 保持煤块表面粗糙度恒为2.68, 改变砂岩表面粗糙度, 工作块体水平位移、声发射能量和累计能量时程曲线如图8所示. 试验结果表明: 随砂岩表面粗糙度增大, 工作块体水平位移和声发射能量峰值逐渐减小. 砂岩表面粗糙度越小, 工作块体水平位移和声发射能量峰值越大, 越易发生超低摩擦效应.
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图 8 工作块体水平位移、声发射能量和累计能量时程曲线Figure 8. Time history curve of horizontal displacement, AE energy and accumulated energy of working block由图8可知, 不同砂岩表面粗糙度下工作块体水平位移、声发射能量以及累计能量曲线变化趋势相同, 均呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征, 与煤表面粗糙度对照试验结果类似. 根据各阶段工作块体水平位移和声发射能量变化规律, 对超低摩擦过程各阶段特征进行分析.
孕育阶段: 工作块体受到垂直扰动, 在初始平衡状态水平位移发生微小波动, 声发射能量计数均匀分布, 累计能量曲线近似线性增加. 激发阶段: 施加瞬时水平冲击力, 煤块滑动, 水平位移值迅速增加, 声发射能量明显增加并出现峰值, 累计能量曲线斜率迅速增大, 曲线近似成90°. 稳定阶段: 随着水平冲击力作用停止, 煤块水平位移振荡幅度逐渐平稳, 声发射能量计数恢复均匀分布, 累计能量曲线斜率逐渐降低, 稳定阶段累计能量曲线斜率与孕育阶段近似相等.
对比分析图8(a) ~ 图8(c), 工作块体最大水平位移分别为0.860, 0.767和0.534 mm, 声发射能量峰值分别为11585.1, 6743.5和6110.8 mV·ms. 其中, 顶板JRCs = 9.81、底板JRCs = 9.81下工作块体水平位移和声发射能量峰值最大.
为了便于分析, 将顶板JRCs = 9.81、底板JRCs = 9.81记为工况1, 顶板JRCs = 9.81、底板JRCs = 12.56记为工况2, 顶板JRCs = 12.56、底板JRCs = 12.56记为工况3. 砂岩表面粗糙度: 工况1 < 工况2 < 工况3. 为研究扰动频率对超低摩擦效应的影响, 探究易发生超低摩擦效应的频率敏感值, 绘制工况1 ~ 3在不同扰动频率下声发射能量峰值变化曲线如图9所示. 试验结果表明: 扰动振幅为1 MPa、水平冲击力为1 MPa、扰动频率为0.5 ~ 3.5 Hz时, 声发射能量峰值随扰动频率的增加呈先增后减趋势. 相比于其他扰动频率, 2 Hz时声发射能量峰值具有极大值, 此时更易发生超低摩擦效应.
由图9可知, 声发射能量峰值随扰动频率的增加呈先增后减趋势, 如工况1下扰动频率为0.5 ~ 3.5 Hz时, 声发射能量峰值分别为16361.4, 17110.6, 19579.3, 22564.1, 21549.8, 20068.3和19327.7 mV·ms; 工况3下扰动频率为0.5 ~ 3.5 Hz时, 声发射能量峰值分别为83186.8, 89357.9, 95288.3, 101218.5, 91340.3, 94548.1和90109.4 mV·ms. 相比于其他扰动频率, 2 Hz时声发射能量峰值具有极大值, 此时更易发生超低摩擦效应.
2.3 煤岩界面粗糙度与声发射能量特征综合分析
改变煤和砂岩表面粗糙度进行超低摩擦试验, 发现煤块摩擦滑动过程中声发射能量具有显著变化特征, 且与煤岩界面粗糙度密切相关. 为了进一步分析煤岩界面粗糙度与煤块滑动位移、声发射能量特征, 由试验3进一步得到不同工况下工作块体水平位移值和声发射能量峰值变化, 如表2所示.
表 2 不同工况下工作块体水平位移值和声发射能量峰值Table 2. The horizontal displacement value, and the AE energy peak value of the working block under different conditionsCondition Parameter JRCm 2.68 3.27 3.81 4.40 condition 1 horizontal displacement /mm 0.860 0.552 0.405 0.314 AE energy/(103 mV·ms) 11.5851 8.2517 6.0348 5.3726 condition 2 horizontal displacement /mm 0.767 0.482 0.269 0.176 AE energy/(103 mV·ms) 6.7435 5.9233 5.2903 4.2632 condition 3 horizontal displacement /mm 0.534 0.373 0.226 0.151 AE energy/(103 mV·ms) 6.1108 5.3116 4.6034 3.7873 由表2可知, 随煤和砂岩表面粗糙度变化, 工作块体水平位移值、声发射能量峰值变化趋势相同, 对超低摩擦效应影响程度略有不同. 煤块表面粗糙度系数由2.68增加至4.40, 工况1 ~ 3下工作块体水平位移值平均降低0.507 mm, 声发射能量峰值平均降低3672.1 mV·ms; 砂岩表面粗糙度系数由9.81增加至12.56, 4个JRCm值下工作块体水平位移值平均降低0.212 mm, 声发射能量峰值平均降低2857.8 mV·ms. 推测受冲击块体表面粗糙度对超低摩擦效应影响程度略大.
煤岩界面粗糙度与工作块体水平位移变化关系如图10所示. 拟合结果表明: 不同工况下, 随煤块表面粗糙度增大, 工作块体水平位移呈指数性减小, 减小趋势逐渐减缓.
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图 10 不同煤岩界面粗糙度下工作块体水平位移值变化Figure 10. The change of horizontal displacement value of working block under different coal-rock interface roughness由图10可知, 工况1下工作块体水平位移值与煤表面粗糙度系数的拟合关系为: y1 = 12.282· exp(−x/0.908) + 0.218, R2 = 0.999; 工况2: y2 = 6.938· exp(−x/1.245)−0.035, R2 = 0.989; 工况3: y3 = 2.750· exp(−x/1.855)−0.112, R2 = 0.985, 煤表面粗糙度系数与工作块体水平位移拟合程度较高. 不同工况下, 随煤块表面粗糙度增大, 工作块体水平位移呈指数性减小, 减小趋势逐渐减缓. 说明煤岩界面粗糙度较小时, 工作块体水平位移较大, 较易发生超低摩擦效应. 粗糙的煤岩界面可以阻碍超低摩擦滑动, 减少动力灾害的发生.
煤岩界面粗糙度与声发射能量峰值对应关系如图11所示. 试验结果表明: 声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度, 可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.
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图 11 不同煤岩界面粗糙度下声发射能量峰值变化Figure 11. The change of AE energy peak under different coal-rock interface roughness随煤和砂岩表面粗糙度增大, 工作块体水平位移和声发射能量峰值逐渐降低, 超低摩擦效应强度逐渐减小, 因此声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度. 根据声发射能量峰值对超低摩擦效应强度由低到高划分为 Ⅰ ~ Ⅳ 区域. 由图11可知, 当工况1下煤表面粗糙度系数为2.68时, 煤岩界面粗糙度较小, 声发射能量峰值位于 Ⅳ 区域, 超低摩擦效应强度较大, 随煤或砂岩表面粗糙度增大, 声发射能量峰值逐渐降低, 即向低强度区域过渡; 当工况3下煤表面粗糙度系数为4.40时, 煤岩界面粗糙度较大, 声发射能量峰值位于Ⅰ区域, 超低摩擦效应强度较小, 随煤或砂岩表面粗糙度减小, 声发射能量峰值逐渐增大, 即向高强度区域过渡. 可通过声发射能量峰值来预测超低摩擦效应强度.
3. 讨 论
探究超低摩擦型冲击地压发生机理, 可以为超低摩擦型冲击地压的预测和防治提供科学参考. 本文从煤岩界面粗糙程度考虑深部煤岩体受到外界扰动时的超低摩擦效应, 采用声发射信号分析仪对煤块超低摩擦滑动过程进行监测. 施加垂直应力波扰动, 不同扰动频率下工作块体水平位移时程曲线均呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征, 与王洪亮等[10]结论一致. 此外, 对比频率显著影响区研究结果, 刘涛等[31]得出扰动频率为5 Hz, 何满潮等[32]得出扰动频率为0 ~ 1 Hz, 由于加载条件、试件尺寸等因素, 本文发现扰动频率为2 Hz时易发生超低摩擦效应. 本文侧重于对煤岩界面粗糙度的研究, 研究发现, 煤岩界面粗糙程度与声发射能量之间存在显著规律, 并得到一些新的认识, 即煤岩界面粗糙度越小, 声发射能量峰值越大, 煤岩界面更易发生超低摩擦效应. 结合工程实际分析, 煤层与顶、底板之间由于外界扰动而不断相互挤压、分离, 煤层内部裂纹逐渐发展贯通, 煤层表面产生划痕和碎屑, 改变了煤岩界面粗糙度. 当煤岩界面粗糙度较小时, 煤岩界面摩擦阻力较小, 一旦发生超低摩擦效应, 煤柱将发生强烈滑移失稳. 本文给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度之间的关系, 可用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度, 对超低摩擦型冲击地压的预测和防治具有一定参考价值. 对于声发射信号参数, 本文主要对声发射能量计数进行了分析, 今后将进一步研究超低摩擦滑动过程声发射前兆信号特征规律.
4. 结 论
(1)工作块体超低摩擦滑动过程, 其水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线均呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征.
(2)煤岩界面粗糙度越小, 工作块体水平位移和声发射能量峰值越大, 煤岩界面越易发生超低摩擦效应.
(3)不同煤岩界面粗糙度下, 扰动振幅为1 MPa、水平冲击力为1 MPa、扰动频率为0.5 ~ 3.5 Hz时, 声发射能量峰值随扰动频率的增加呈先增后减趋势, 2 Hz时具有极大值. 相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应.
(4)给出了煤岩界面粗糙度系数与水平位移拟合关系式. 给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系, 并用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.
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图 6 工作块体水平位移、声发射能量和累计能量时程曲线
Figure 6. Time history curve of horizontal displacement, AE energy and accumulated energy of working block
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图 7 不同扰动频率下声发射能量峰值变化
Figure 7. The change of AE energy peak value under different disturbance frequencies
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图 8 工作块体水平位移、声发射能量和累计能量时程曲线
Figure 8. Time history curve of horizontal displacement, AE energy and accumulated energy of working block
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图 10 不同煤岩界面粗糙度下工作块体水平位移值变化
Figure 10. The change of horizontal displacement value of working block under different coal-rock interface roughness
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图 11 不同煤岩界面粗糙度下声发射能量峰值变化
Figure 11. The change of AE energy peak under different coal-rock interface roughness
表 1 试验方案
Table 1 Experiment plan
Experiment Roof
(JRCs value)Bottom
(JRCs value)Working block
(JRCm value)Axle load/
MPaConfining pressure/
MPaHorizontal impact/
MPaVertical stress wave disturbance amplitude/
MPafrequency/
Hzexperiment 1:
change the surface
roughness of coalfine sandstone
(9.81)coarse sandstone
(12.56)coal block
(2.68, 3.27, 3.81, 4.40)6 1.5 1 1 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 experiment 2:
change the surface
roughness of sandstonefine sandstone
(9.81)fine sandstone
(9.81)coal block
(2.68)6 1.5 1 1 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 fine sandstone
(9.81)coarse sandstone
(12.56)coal block
(2.68)coarse sandstone
(12.56)coarse sandstone
(12.56)coal block
(2.68)experiment 3:
change the surface
roughness of coal and sandstonefine sandstone
(9.81)fine sandstone
(9.81)coal block
(3.27, 3.81, 4.40)6 1.5 1 1 2 fine sandstone
(9.81)coarse sandstone
(12.56)coal block
(3.27, 3.81, 4.40)coarse sandstone
(12.56)coarse sandstone
(12.56)coal block
(3.27, 3.81, 4.40)
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表 2 不同工况下工作块体水平位移值和声发射能量峰值
Table 2 The horizontal displacement value, and the AE energy peak value of the working block under different conditions
Condition Parameter JRCm 2.68 3.27 3.81 4.40 condition 1 horizontal displacement /mm 0.860 0.552 0.405 0.314 AE energy/(103 mV·ms) 11.5851 8.2517 6.0348 5.3726 condition 2 horizontal displacement /mm 0.767 0.482 0.269 0.176 AE energy/(103 mV·ms) 6.7435 5.9233 5.2903 4.2632 condition 3 horizontal displacement /mm 0.534 0.373 0.226 0.151 AE energy/(103 mV·ms) 6.1108 5.3116 4.6034 3.7873
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