煤岩静爆致裂微震活动规律及频谱演变特征

煤岩静爆致裂微震活动规律及频谱演变特征
王金贵;张苏
【摘要】利用静态破碎剂对原煤试件进行静爆致裂,通过煤岩动力灾害实验模拟系统(ZDKT-1型)实时监测该破裂过程中的微震信号,以模拟研究煤岩静爆致裂增透过程中微震活动规律及频谱演变特征.研究发现:①受煤岩层理影响,煤岩静爆致裂后除纵向裂纹外还存在横向裂纹,但纵向裂纹多于横向裂纹;②静爆致裂可分微裂、膨胀压传递及劈裂3个阶段;随着进程发展,微震幅值趋于走强,尾波愈发明显,频域变宽(但主频降低),且主震、尾波频域差异较大;可通过微震幅值、尾波发育及频谱特征评估煤层静爆致裂增透进程;③微震事件阵发性明显,且幅值及能量呈强弱相间分布;微震计数与总裂纹面积正有关,可通过微震事件数评价煤层致裂增透效果.%The coal cylinder models were static cracking destroyed at different rates by soundless cracking agent.The microseismic signals in the rupture process were monitored by ZDKT-1 type coal or rock dynamic disasters experimental simulation system.The authors tried to analyze the amplitude,energy and frequency-spectrum characteristics of microseismic signals during the static cracking of coal.It was found that the longitudinal cracks were more than transverse cracks after the static cracking of coal,the radial tensile stress was more obvious than the axial tensile stress.The static cracking process of coal could be divided into three stages:micro crack stage,expansion stress transfer stage and cleavage stage.With the static explosion process,the greater of the average amplitude of microseismic signals,coda wave development,and the frequency domain of signals were wider too (but dominant frequency
decrease).The frequency domain of main shock and coda wave are different.It is possible to evaluate the process of the static cracking of coal seams by the amplitude of microseismic,the development of coda wave and the spectral characteristics.The microseisms signals are paroxysmal,the amplitudes and energies of microseismic signals in the static cracking process do not change monotonically,but show volatility changes.The numbers of microseismic events are related to the macro crackareas.It is possible to evaluate the permeability improvement effect in the process of the static cracking of coal seams by microseismic count.
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2017(042)007
【总页数】8页(P1706-1713)
【关键词】煤岩;静爆;卸压增透;微震;频谱
【作者】王金贵;张苏
【作者单位】福州大学环境与资源学院,福建福州350116;福州大学环境与资源学院,福建福州350116
【正文语种】中文
【中图分类】TD324
历经长期高强度的开采，我国的大部分矿井进入大采深时期。

随之而来的是地应力和煤层瓦斯压力明显增大，地质条件也日益复杂，煤岩动力灾害日益严重。

在煤与瓦斯突出矿井中，钻孔预抽瓦斯是开拓巷道、石门揭煤前常采用防突措施;煤层透
气性的高低是预抽效果好坏的关键。

因为我国低透气性煤层占多数，使得不少突出矿井经长时间抽放后，瓦斯预抽率仍达不到有效消突的目的，严重影响了矿井安全和生产接替进度。

为此有学者提出应用松动爆破、水力压裂和水力割缝等措施来提高煤层透气性，并取得良好效果[1-5]。

但对于石门揭煤这种高危险性的生产工序，这些常规的煤层增透措施通常伴有较强的动力扰动，如爆破手段可能破坏岩墙导致误穿煤层，在高突出危险工作面使用时具有一定危险隐患，甚至会诱发突出。

为了解决这一难题，近年来不少学者提出利用静态破碎剂深孔压裂煤体，该方法可在小动力扰动下完成煤体破裂、煤层增透等目的[6-8]。

谢雄刚等[6]通过矿井现场实测突出煤层的静态膨胀开裂效果，验证了静态膨胀致裂煤层来增透的可行性。

林柏泉等[7]在五阳矿掘进面进行深孔静态破碎卸压增透的应用，效果显著。

研究发现，当前关于煤岩静态膨胀致裂的研究多集中于现场瓦斯抽放效果提升方面，而对煤岩静态膨胀破裂过程及监测手段研究鲜有发现，导致当前尚缺乏在煤层静态膨胀致裂后、瓦斯抽放系统运行前对煤层致裂增透效果的评价方法，亦缺乏对整个静爆致裂进度进行监测并评估的方法。

另因静爆卸压增透作业时间较长(近20 h)，为
保证安全，亦需要一套能远距离、实时监测煤岩体的破裂进程的方法。

微震信号作为与材料变形破裂过程密切相关的物理指标，其具备实时监测煤体破裂进程的能力[9-10]，而掌握煤岩在静爆致裂中的微震信号特征是准确预测的关键。

现有研究表明微震信号与材料的变形破裂过程紧密相关[11-15]，该信号特征反映
了材料的受载程度及变形破裂过程。

在不同载荷及破裂速率下煤岩材料的力学性质特征差异较大。

现有煤岩损伤微震预测指标主要是基于煤岩材料在压缩[11-13](单轴、多轴)、动态冲击[14-15](霍普金森冲击压杆、落锤冲击)等压缩为主的破坏过
程研发的，而对煤岩在拉伸破坏中伴随的微震特性研究甚少。

材料受压缩与拉伸作用时其所受力的性质不同，材料拉伸破坏过程中的内部摩擦要小于压缩破坏过程，因此两种破裂形式中伴随的微震信号特征也会不同。

大量学者研究发现，煤岩材料
的抗拉能力要远远弱于其抗压能力，抗拉能力仅为抗压能力的十几分之一[16-17]。

因此准确掌握煤岩静爆致裂过程中微震信号特征，对于完善煤岩损伤微震监测技术、提升预测准确率，特别是对煤岩静爆卸压增透进程及安全性监测具有重要意义。

综上所述，本文拟利用静态破碎剂对原煤试件进行静爆致裂，以模拟研究煤岩静爆致裂增透过程;同时借助ZDKT-1型动力灾害实验模拟系统及应变采集系统同步监
测该过程中的微震及应变特征，以研究原煤试件在静态破碎剂作用下的破裂特征及其伴随的微震信号特征，模拟研究煤岩静爆致裂增透过程中微震活动规律及其频谱演变特征。

研究成果对现场煤层静爆致裂卸压增透应用中的进程、效果及安全性微震监测具有重要意义，同时也可完善矿井动力灾害的微震预测指标。

1.1 试件制备
实验所用的煤块为大同塔山煤矿的1/3焦煤，经落锤法测试其坚固性系数为1.82。

所采大块煤样先经取芯机制得8个高、径均为100 mm的圆柱体，后在圆柱体中
部再用相同方式施工贯穿试件的炮孔;精密打磨试件两端保证不平行度小于0.02 mm。

因部分试件损坏，最终成功制备炮孔直径为20，40 mm各3个。

按炮孔直径不同，将试件分为M20和M40两组，试件实物如图1所示。

1.2 实验系统
实验系统包括应变采集系统及煤岩动力灾害实验模拟系统两部分(系统示意如图2
所示)。

在试件上端和侧面的中部各粘贴1个应变片(型号为MC-AF-120，秦皇岛
信恒电子科技公司)，在试件上端面布置一微震传感器(具体参数见表1)。

2.1 静态破碎剂
静态破碎剂的主要成分是氧化钙，与水反应生成氢氧化钙过程中体积增大，同时放出热量。

实验室室内温度为22～25 ℃，选用北京新中岩建材科技有限公司生产的HSCA-II型静态破碎剂(适用温度为20～30 ℃)。

利用外管法[18]测试了所选破碎
剂在20和40 mm两种炮孔直径下的膨胀应力特性，将其与水按质量比3∶1混
合搅拌为流动性浆体，并在3 min内把浆体装填至炮孔内。

测试结果如图3所示，分析发现2种炮孔下的膨胀应力都超过10 MPa，远大于煤岩材料的抗拉强度。

2.2 静爆致裂机制
金宗哲、朱文等[19]经静态破碎剂室内及现场实验，并结合数理分析提出了静态破碎剂的碎岩机制。

结合煤岩材料特性，分析认为其在静态破碎剂作用下发生破裂过程可划分为3个阶段[20]：
(1)微裂阶段：随着静态破碎剂水化反应的进行，膨胀应力逐渐变大，炮孔附近单
元主要受切向拉应力σθ、径向压应力σr和轴向拉应力σl综合作用;大量煤岩裂隙、孔隙在压应力作用下闭合，切向拉应力使试件产生新的径向裂纹。

因破碎剂水化反应早期膨胀应力较小，此阶段损伤范围局限于炮孔附近单元，把微裂阶段造成损伤区域称为破损区(图4)。

(2)膨胀压的传递阶段：随着水化反应的进行，破碎剂的膨胀力进一步上升至一定
值后，膨胀力越过微裂阶段形成破损区向外传递，到达弹性区，最终传递至试件侧面自由面附近，引起试件外部出现损伤而破裂。

(3)劈裂阶段：经过膨胀压的传递阶段，破碎剂的膨胀应力作用范围扩展至试件自
由面，促使前期产生的大量微裂纹逐步汇聚，形成宏观裂纹并在试件自由面出现，最终使试件破裂失稳。

文中主要利用试件上端及侧面中部(图2)设置的应变片相应特征，来判断试件静爆
拉伸破裂的进度。

依据主要为：① 微裂阶段：从注入静爆剂浆体至试件上端中部
的应变片开始出现明显变化;② 膨胀压的传递阶段：从试件上端中部的应变片开始出现明显变化至试件侧面的应变片出现明显变化;③ 劈裂阶段：从试件侧面的应变片出现明显变化至反应结束。

3.1 静爆裂纹特征分析
将静态破碎剂与水按质量比3∶1搅拌混合成的浆体注入试件炮孔，同时开启应变和微震监测系统。

经过约3 h的静爆拉伸作用，M20和M40两组共6个试件均发生破裂，破裂效果如图5所示。

从图5破裂效果图看出，煤岩试件在静爆剂拉伸作用下，主要出现纵向、横向两类宏观裂纹而导致破坏失稳，这与岩石、水泥材料等只出现静爆纵向裂纹不同。

分析认为纵向裂纹是因切向拉应力的作用产生，而横向裂纹主要是由于煤体的层理结构这一薄弱环节，受轴向拉应力作用下而发生分离。

对破坏后的试件裂纹数量及尺寸进行统计，发现各试件破坏后的宏观裂纹数量并不相同，分析认为由于煤岩具有丰富节理、层理及孔隙，虽在煤样采集、制备中亦充分考虑了该特性，取同一地点的大煤块、且按相同方向冲取制备试件，但仍无法完全避免煤岩材料不均匀性产生的影响，导致各试件的薄弱位置存在差异。

对各组试件破坏后的两类宏观裂纹数量及尺寸进行统计(表2)，分析可知各组试件的总裂纹面积也存在较大差异，但总体来看煤岩静爆拉伸破裂后出现的纵向裂纹要多于横向裂纹，说明静爆拉伸过程中径向拉应力比轴向拉应力作用明显。

3.2 微震信号趋势特征分析
为了准确、快速地识别试件静爆过程中的有效微震信号，本文利用
STA/LTA(Short Term Averaging/Long Term Averaging，短时窗平均/长时窗平均)算法[21]对大量的测试数据进行筛选识别;通过DataDemon时频分析软件中的希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform，HHT)对信号进行处理，该方法主要是利用整体经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)对原信号进行分解重构[22-23];再根据巴什瓦(Parseval)定理计算微震信号能量[23]。

经以上处理并计算后，统计各组实验的微震信号振幅及能量，并绘制整个静爆拉伸破裂过程中微震信号振幅和能量随静爆拉伸时间的变化趋势(图6)。

从图6可以看出，在整个煤岩静爆拉伸破裂过程中都伴随有微震信号，但这些微
震信号在整个实验过程中并非均匀出现的，其幅值也不具备某种单调趋势。

总体而言，整个过程的微震事件具有较明显的阵发性，微震信号的幅值及能量呈强弱相间分布，历经几轮强微震事件后，试件最终破裂失稳。

分析图中各阶段的微震信号幅值及能量，发现静爆前期过程中的微震幅值及能量整体小于后期;主要因静爆前期是炮孔附近煤岩原生孔隙、裂隙被压缩后再孕育新裂纹的过程，整个过程破坏强度较小，而微震作为与材料破裂特征密切相关的一种能量耗散形式，其幅值及能量也相应出现较弱的趋势。

为了分析微震信号特征(振幅、能量、微震计数及微震累积能量)与试件静爆宏观裂纹特征(裂纹数和裂纹面积)的关系，文中统计了各组煤岩实验后的裂纹参数及微震参数(表2)。

分析表2发现：① 煤岩静爆拉伸破裂过程中伴随的微震事件数与破坏后最终的总宏观裂纹面积有关，即总裂纹面积越大，监测到的微震事件越多;② 煤岩静爆破裂的微震信号幅值与破裂速率有关，破裂速率较小的M20组的微震平均振幅均低于较大破坏速率的M40组;③ 每组静爆实验伴随的微震信号总能量也和总宏观裂纹面积有关。

分析规律说明，煤岩材料在静爆拉伸破裂过程具有与其它材料相近的规律，即微震信号与材料变形破裂过程密切相关[11-15]，该信号特征反映了材料的受载程度及变形破裂过程。

煤岩材料为非均质材料，内部具有大量孔隙、裂隙和层理等缺陷，而煤岩试件的静爆拉伸破裂就是裂隙产生、扩展和汇合贯通的过程。

根据前述静爆碎裂机制，煤岩静爆拉伸破裂过程主要分3个阶段：微裂阶段、膨胀压传递阶段和劈裂阶段。

结合图6和表2分析各阶段的微震信号特征：
(1)微裂阶段。

当将破碎剂浆体注入炮孔后，随其膨胀应力增大，煤试件钻孔周边单元的微裂隙、孔隙等被压密或压变形，接着在该区域又出现新生的微裂纹。

此阶段为局部区域的原裂纹闭合和新裂纹的产生过程，破坏强度较小;而微震作为材料
损伤过程中伴随的能量释放形式，该阶段的微震振幅及能量也表现较小趋势(信号
振幅在0.5 mV上下波动，能量小于10-8 J)。

(2)膨胀压传递阶段。

经历微裂阶段后，在炮孔周边形成了局部破损区，该过程中
因炮孔直径小幅增大将使膨胀应力得到略微释放;但随着水化反应的继续，膨胀应
力又逐渐上升，即破碎剂膨胀量进一步变大，使膨胀应力通过前述破损区向外传递，前期产生的微裂纹不断扩展、汇聚成较大的裂纹。

该阶段的微震振幅及能量较微裂阶段有所提升，但仍呈阶段性起伏，分析认为是由于随较大裂纹的产生并扩展，试件炮孔直径变大，根据静爆剂特性，炮孔体积突然变大后会造成膨胀应力短时下降，类似于一个卸载过程。

因此每当出现较大裂纹后，微震事件将出现相对平静期，即微震事件数和振幅均下降的短暂时期。

(3)劈裂阶段。

膨胀应力经传递阶段后，作用范围从破损区延伸至试件自由面，内
部裂纹也逐步扩展至自由面，此后便进入静爆拉伸破坏的劈裂阶段。

该阶段主要表现为膨胀应力的自由面效应，此时试件的数条主宏观裂纹已初步形成，该过程中因大裂纹扩展而发生试件劈裂时常伴随大振幅的微震事件。

随着宏观裂纹的不断扩展，炮孔直径增大，暂时失去束缚的静爆剂材料又出现膨胀应力下降现象，导致前述微震事件相对平静期反复出现，直至试件完全胀裂。

3.3 微震及其频谱演变特征分析
限于篇幅仅从M20-1组实验各破裂阶段中各取一个微震信号，来对比分析煤岩静爆破裂进程中微震信号及其频谱的演变特征。

按前述方法进行信号去噪并通过短时傅里叶变换分析其时频特征，去噪后信号及其时频特征如图7所示。

对比分析图7中各阶段微震信号特征发现：与后两个阶段相比，微裂阶段的微震
信号最显著的特征是群发性，主要是因微裂阶段为煤岩原有孔隙、裂隙和层理等缺陷闭合，再产生新裂隙的过程，该阶段破裂速率虽小，但破坏点较多，导致微震事
件群发。

与微裂阶段相比，膨胀压传递阶段、劈裂阶段的微震振幅较大，主要是因反应速率的增大而提升，且信号尾波发育明显，分析认为主要是因试件形成宏观主裂纹后，随着主裂纹的每次扩展，试件产生较大振动，且振动惯性作用俞发明显，使后阶段的微震信号在主震后均伴有尾波。

分析煤岩静爆破裂各阶段的短时傅里叶时频图，微震信号频域随静爆速率的增大而变宽。

微裂阶段频域范围为400～1 400 Hz，膨胀压传递阶段和劈裂阶段频域范围为0～1 000 Hz，即煤岩静爆前期
的微震信号主要集中在高频阶段(400 Hz以上)，而中后期则在低频增强明显。

且
微震信号主震与尾波的频谱特征存在较大差异，尾波频域明显低于主震。

总体而言，随着煤岩静爆致裂进程，微震信号幅值走强，主震后的尾波愈发明显;随着静爆发展，微震信号的频域变宽，但主频在降低，且主震频域与尾波频域存在较大差异。

(1)受煤岩层理影响，煤岩静爆致裂后除纵向裂纹外还存在横向裂纹;且纵向裂纹要
多于横向裂纹，即径向拉应力比轴向拉应力作用明显;现场钻孔间距设计时，应综
合考虑两类裂纹的发育。

(2)煤岩静爆致裂过程亦可分为微裂、膨胀压传递及劈裂3个阶段;随着静爆致裂进程，微震信号幅值走强，主震后的尾波愈发明显，微震信号的频域变宽，但主频降低，且主震频域与尾波频域存在较大差异;可通过微震幅值水平、尾波发育水平及
频谱特征评估煤层静爆致裂增透进程。

(3)整个过程的微震事件具有较明显的阵发性，微震信号的幅值及能量呈强弱相间
分布;微震信号事件数与最终的破裂总裂纹面积有关，裂纹面积越大，破坏过程中
微震事件数越多，可通过静爆致裂过程的微震计数间接评价致裂增透的效果。

研究成果对现场煤层静爆致裂卸压增透应用中的进程、效果及安全性微震监测具有重要意义，同时也可完善矿井动力灾害的微震预测指标。

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