李宏艷，康立軍，徐子杰,3，齊慶新，趙善坤

(1.煤炭科學(xué)研究總院 礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

不同沖擊傾向煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射先兆信息分析

李宏艷1,2，康立軍1,2，徐子杰1,2,3，齊慶新1,2，趙善坤1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院 礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

掌握煤體沖擊破壞前兆信息是科學(xué)預(yù)測預(yù)報(bào)煤巖介質(zhì)沖擊地壓的科學(xué)瓶頸問題，應(yīng)力加載下不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射前兆信息研究是解決這一問題的重要手段。采用聲發(fā)射探測手段對(duì)不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過分析發(fā)現(xiàn)不同沖擊傾向煤體失穩(wěn)破壞過程中振鈴計(jì)數(shù)、AE能量、頻譜及b值變化存在差異。伴隨煤體沖擊傾向性增強(qiáng)，加載過程煤體振鈴計(jì)數(shù)、AE能量趨向于高應(yīng)力區(qū)域集中，煤體彈性階段所占比例增加，塑性破壞階段所占比例減少；主頻帶寬變動(dòng)較小，有集中的趨勢，主頻強(qiáng)度在彈性階段、塑性破壞階段、臨破斷階段均不同程度增加，煤體沖擊傾向性越強(qiáng)，主頻強(qiáng)度增幅越大；b值降低時(shí)應(yīng)力值增加，更靠近煤樣破壞強(qiáng)度。

沖擊傾向性；煤體；聲發(fā)射；頻譜；b值

煤巖體是一種非均質(zhì)體，其中存在各種微裂隙、孔隙等，以致煤巖體在受載荷作用時(shí),在這些缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生突發(fā)性破裂，使積聚在煤巖體中的能量得以釋放，且以彈性波的形式向外傳播。這就是煤巖體在地應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力等影響下產(chǎn)生的聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象。煤巖體加載過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)包含著豐富的信息，對(duì)之加以處理和研究，可以推斷出煤巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，反演煤巖體的破壞機(jī)制，依此研究聲發(fā)射在煤巖破壞及沖擊地壓監(jiān)測預(yù)報(bào)方面的應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)[1-9]。其中劉寶縣等[1]以煤巖變形破壞過程“歸一化”的累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)為損傷變量，建立基于聲發(fā)射特征的單軸壓縮煤巖損傷模型；曹樹剛等[2]利用 AE 事件率、振鈴事件比和累計(jì)振鈴數(shù)作為 AE 表征參數(shù)，將突出煤體單軸破壞過程劃分為 5 個(gè)階段，并發(fā)現(xiàn)在接近破壞前出現(xiàn)聲發(fā)射相對(duì)平靜期；李庶林等[3]研究了 AE 數(shù)、事件率與應(yīng)力、時(shí)間關(guān)系，得到巖體破壞全過程力學(xué)特征和聲發(fā)射特征；尹賢剛等[4]測試了不同巖石破裂全過程的力學(xué)特征及聲發(fā)射特征，得出了巖石破壞前聲發(fā)射平靜期及分形變化規(guī)律；王恩元等[5-6]針對(duì)煤體破裂過程的聲發(fā)射頻譜特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了煤體變形破裂過程的聲發(fā)射頻譜變化。因此，筆者將煤巖介質(zhì)破斷的聲發(fā)射研究引入到煤巖介質(zhì)沖擊傾向性的研究上，通過分析不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射規(guī)律，探討沖擊煤巖介質(zhì)失穩(wěn)破壞過程中內(nèi)部損傷演化、能量積蓄與釋放、破斷聲發(fā)射前兆信息。

1 不同沖擊傾向性煤體聲發(fā)射試驗(yàn)

試驗(yàn)所取煤樣來自無、弱、強(qiáng)沖擊3種煤層沖擊傾向性礦井，試驗(yàn)前完成3個(gè)煤層沖擊傾向性測試，測試結(jié)果見表1。

試驗(yàn)由TAW-2000 高溫巖石三軸伺服試驗(yàn)機(jī)加載，聲發(fā)射數(shù)據(jù)由德國Vallen公司生產(chǎn)的AMSY-6聲發(fā)射儀，采樣頻率為10 MHz，采用VS45-H型寬頻帶傳感器(主要頻帶在45～500 kHz)、帶旁路電路自標(biāo)定，增益34 dB，測試傳感器平均靈敏96 dB。聲發(fā)射探頭布置在煤樣中部對(duì)稱兩側(cè)，探頭與煤樣之間通過真空封脂耦合，探頭下端布置支架保證探頭不滑落。試樣加載采用應(yīng)力加載方式，加載速度為0.5 MPa/s。

表1煤樣沖擊傾向性測試結(jié)果
Table1Resultsofthecoaloutburstpronenesstest

煤樣編號(hào)取樣地點(diǎn)煤樣描述煤層沖擊傾向性結(jié)果單軸抗壓強(qiáng)度/MPa沖擊能量指數(shù)彈性能量指數(shù)動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間/ms綜合判斷破壞強(qiáng)度/MPaM1-1M1-2山東光正煤礦孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，分布不均勻4 270 762 40260無沖擊4 434 03M2-1M2-2山東東泰煤礦內(nèi)生裂隙網(wǎng)狀分布，無明顯層理分布7 310 884 34212弱沖擊6 618 01M3-1M3-2陜西郭家河煤礦表面光滑，無明顯層理、裂隙結(jié)構(gòu)24 770 8712 40267強(qiáng)沖擊28 5221 02

1.1 不同沖擊傾向性煤體振鈴計(jì)數(shù)與 AE 能量分析

煤體沖擊傾向性程度增強(qiáng)，煤體失穩(wěn)破壞過程所產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與AE能量變化也有所不同，圖1為不同沖擊傾向煤樣以應(yīng)力與破壞強(qiáng)度比值為時(shí)間坐標(biāo)建立的煤樣振鈴計(jì)數(shù)與AE能量變化曲線，其中壓密階段很短，故將煤樣的變形和破壞過程大致分為3個(gè)階段：壓密及彈性階段、塑性破壞階段與臨破斷階段，如圖1所示。

圖1 無、弱、強(qiáng)沖擊煤樣振鈴計(jì)數(shù)與AE能量Fig.1 Counts and AE energy of non-impact,weak-impact and strong-impact coal

壓密及彈性階段：煤體內(nèi)孔隙、裂隙閉合，煤體以可逆變形為主，彈性能量積蓄。這個(gè)階段煤體產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與 AE 能量很少，聲發(fā)射產(chǎn)生主要為孔隙、裂隙閉合、顆粒內(nèi)部及顆粒之間滑移。這一階段在無沖擊煤樣中，占整個(gè)煤樣單軸失穩(wěn)破壞全過程的 40%～45%，弱沖擊煤樣中這一階段占50%～55%，強(qiáng)沖擊煤樣中這一階段占 70%～80%，沖擊傾向性越強(qiáng)的煤樣壓密和彈性階段占整個(gè)破壞過程比例越高。

塑性破壞階段：經(jīng)過之前壓密及彈性階段的能量積蓄，煤體內(nèi)部積蓄了足夠的能量，開始產(chǎn)生局部破壞，承載能力開始下降。煤體內(nèi)部以微裂隙等小尺度破壞持續(xù)產(chǎn)生發(fā)展，并隨加載快速增加，煤體產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與AE能量快速增大。無沖擊煤樣中這一階段占整個(gè)煤樣失穩(wěn)破壞全過程的40%～45%，弱沖擊煤樣中占30%～35%，強(qiáng)沖擊煤樣中這一階段占10%～20%，沖擊傾向性越強(qiáng)的煤樣承載結(jié)構(gòu)破壞占整個(gè)破壞過程比例越低。

臨破斷階段：這個(gè)階段煤體內(nèi)部大的裂隙互相匯合、貫通最終導(dǎo)致煤體失穩(wěn)破壞。這個(gè)階段持續(xù)時(shí)間短，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與AE能量峰值均出現(xiàn)在這一階段。而沖擊傾向性增強(qiáng)，振鈴計(jì)數(shù)與AE能量峰值相對(duì)于之前振鈴計(jì)數(shù)與AE能量水平增幅越大，峰值位置也更接近最終破壞強(qiáng)度。這段時(shí)間無沖擊煤樣和弱沖擊煤樣振鈴計(jì)數(shù)與AE能量相對(duì)應(yīng)力有較小幅度增加，所呈現(xiàn)的聲發(fā)射“平靜期”不明顯，只有強(qiáng)沖擊煤體才有較短時(shí)間的振鈴計(jì)數(shù)、AE能量的低水平的“平靜期”階段。聲發(fā)射平靜期是指煤體產(chǎn)生的聲發(fā)射不活躍，振鈴計(jì)數(shù)、AE能量水平很低，這段時(shí)間是煤體內(nèi)部小破裂產(chǎn)生后，其內(nèi)部應(yīng)力場尋求新的平衡，到達(dá)新的平衡時(shí)裂紋才會(huì)拓展形成最終煤體的失穩(wěn)破壞。

1.2 不同沖擊傾向性煤體頻譜分析

煤體的變形及破壞過程不是連續(xù)的，也不是均勻的，而是陣發(fā)性的，這一過程產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)也是陣發(fā)性的脈沖信號(hào)。當(dāng)煤體局部變形能積蓄到一定程度時(shí)引起破裂，每次的破裂都會(huì)引起彈性能的釋放，產(chǎn)生聲發(fā)射。將煤樣變形破壞過程采集到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)分別按照不同失穩(wěn)破壞階段進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到不同沖擊傾向煤樣的聲發(fā)射頻譜。無沖擊煤體失穩(wěn)破壞過程聲發(fā)射主頻帶寬變化不大，主頻帶分布集中在0.005～0.040 MHz之間，次主頻帶分布在0.05～0.06 MHz之間，且強(qiáng)度逐步降低直到臨破斷階段與主頻帶重合，如圖2(a)所示。從圖2(b),(c)上看，沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞過程主頻帶與無沖擊傾向性煤體相似，但沒有明顯的次主頻帶，且隨著沖擊傾向性增強(qiáng)，煤樣失穩(wěn)破壞前主頻峰值逐漸向高頻轉(zhuǎn)移。

圖2 無、弱和強(qiáng)沖擊煤樣不同加載階段頻譜變化曲線Fig.2 Changing curves of non-impact,weak-impact and strong-impact coal during different loading stages

而從聲發(fā)射強(qiáng)度上分析，煤體破斷過程聲發(fā)射強(qiáng)度整體呈先降低后增加的趨勢，無沖擊煤體塑性破壞階段與臨破斷階段聲發(fā)射強(qiáng)度增幅較大，而強(qiáng)沖擊煤體增幅較小，如圖3所示。

圖3 不同階段聲發(fā)射主頻信號(hào)強(qiáng)度Fig.3 The strength of AE spectrum in different stage

1.3 不同沖擊傾向性煤體聲發(fā)射b值分析

b值表征地震的震級(jí)-頻度關(guān)系的參數(shù)，經(jīng)過一些學(xué)者研究和推廣引入巖石破壞試驗(yàn)[10]，以聲發(fā)射事件模擬地震，研究地震或巖爆發(fā)生前b值變化規(guī)律[11]。本文b值采用最小二乘法計(jì)算，震級(jí)分檔為2 dB，按照時(shí)間滑動(dòng)取樣計(jì)算，得出b值隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線。

b值變化決定著煤巖體內(nèi)部微破裂的不同尺度變化，b值降低意味著煤巖體內(nèi)部大事件所占比例增加，大尺度微破裂增加。從圖4可以看出，無沖擊傾向煤體b值降低較早，在0.6σC～0.7σC之間b值已經(jīng)迅速降低，而沖擊傾向性煤體b值降低較晚，在0.75σC～0.9σC之間，且隨著煤體沖擊傾向增強(qiáng)，b值下降更接近最終破壞強(qiáng)度。

圖4 煤樣聲發(fā)射b值變化曲線Fig.4 The b-value curvse of the coal’s AE

2 不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射前兆分析

煤體沖擊傾向性與其自身性質(zhì)有關(guān)，應(yīng)力加載方式下，煤體失穩(wěn)破壞過程中內(nèi)部損傷演化不同，聲發(fā)射相關(guān)參數(shù)變化也存在區(qū)別。無沖擊煤體孔隙、裂隙較發(fā)育，承載能力差，最終破壞多為粉碎性破壞；而沖擊煤體原生裂隙不發(fā)育，承載能力強(qiáng)，且隨著沖擊傾向增強(qiáng)，煤體承載更類似于巖體，最終破壞為脆性破壞。

無沖擊煤體較軟，孔隙、裂隙等原生損傷較大，加載過程彈性階段持續(xù)時(shí)間短，很快就進(jìn)入局部破壞階段，彈性積蓄能量較少。而沖擊傾向性煤體硬度大，裂隙等原生損傷不發(fā)育，故彈性階段持續(xù)較長，積蓄彈性能量大，且煤體沖擊傾向性越強(qiáng)，能量積蓄階段越長。從聲發(fā)射參數(shù)上來說，加載前期(壓密及彈性階段)振鈴計(jì)數(shù)、AE能量較少，聲發(fā)射強(qiáng)度有所增加，聲發(fā)射頻率短變化較小，聲發(fā)射b值近似水平波動(dòng)。

而進(jìn)入塑性破壞階段無沖擊煤體由于承載結(jié)構(gòu)差，內(nèi)部多處局部破壞，局部能量釋放，呈現(xiàn)較長時(shí)間反復(fù)的能量積蓄-局部破壞過程直到整體結(jié)構(gòu)失去承載能力發(fā)生最終失穩(wěn)破壞。而沖擊傾向性煤體承載能力強(qiáng)，進(jìn)入塑性破壞階段后，局部破壞較為集中，多集中在主裂紋帶附近。隨著加載局部破壞不斷累積至最后迅速破壞，持續(xù)時(shí)間較無沖擊煤樣短，且隨著沖擊傾向性增強(qiáng)，煤體塑性破壞階段所需時(shí)間比例更短。從聲發(fā)射參數(shù)分析，這個(gè)階段是聲發(fā)射活躍期，煤樣振鈴計(jì)數(shù)、AE能量持續(xù)產(chǎn)生，聲發(fā)射強(qiáng)度增強(qiáng)，頻率分布也逐漸集中，b值迅速下降。無沖擊煤樣這一階段破壞是由小尺度破壞緩慢過度到大尺度破壞，持續(xù)時(shí)間較長，而沖擊傾向性煤體則是小尺度破壞迅速形成大尺度破壞，持續(xù)時(shí)間較短，故隨著煤體沖擊傾向增強(qiáng)，b值下降更接近破壞強(qiáng)度、下降幅度也更快。

煤樣最終失穩(wěn)破壞前，無沖擊煤體整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞，孔隙、裂隙密集分布，最終多為粉碎性破壞，而沖擊傾向性煤體承載結(jié)構(gòu)還保持較完整，孔隙、裂隙多分布在主裂紋及若干次生裂紋周圍，最終破壞也多為數(shù)條裂紋貫通的剪切破壞。聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、AE 能量峰值就出現(xiàn)在這一階段，且煤樣沖擊傾向性越強(qiáng)，最終峰值水平較之前水平增幅越大，而強(qiáng)沖擊煤樣破斷前還表現(xiàn)出低振鈴計(jì)數(shù)、AE 能量水平的 “平靜期”。同時(shí)煤樣沖擊傾向性越大，聲發(fā)射強(qiáng)度增幅增大，聲發(fā)射頻率向高頻集中。

3 結(jié) 論

(1)煤體沖擊傾向性越強(qiáng)，煤體壓密及彈性階段所占比例越大，塑性破壞階段所占比例越小。

(2)煤體沖擊傾向性越強(qiáng)，煤體失穩(wěn)破壞前聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、AE 能量水平增幅越大。

(3)相同應(yīng)力增幅下，沖擊傾向性較強(qiáng)的煤樣失穩(wěn)破壞過程表現(xiàn)出振鈴計(jì)數(shù)、AE 能量值下降的“平靜期”，無沖擊傾向性煤樣則不明顯，“平靜期”可以作為強(qiáng)沖擊煤體失穩(wěn)破壞的前兆信息。

(4)煤樣失穩(wěn)破壞過程聲發(fā)射主頻帶寬變動(dòng)較小，隨煤體沖擊傾向性增強(qiáng)，煤體失穩(wěn)破壞前主頻強(qiáng)度增幅越大，聲發(fā)射強(qiáng)度峰值也向高頻集中。

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Precursorinformationanalysisonacousticemissionofcoalwithdifferentoutburstproneness

LI Hong-yan1,2,KANG Li-jun1,2,XU Zi-jie1,2,3，QI Qing-xin1,2,ZHAO Shan-kun1,2

(1.MineSafetyTechnologyBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandCleanUtilization,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;3.SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

To master the precursor information of burst coal bursting failure is the bottleneck problem to scientifically forecast rock burst,and the precursor information study on acoustic emission of coal with different outburst proneness under stress loading is one of the important ways for rock burst forecasting.The research results presented in this paper show that,as the level of coal’s outburst proneness increasing,the counts of coal vibration and energy of acoustic emission were concentrated at high stress region,with the time proportion of the elastic stage increasing while time proportion of plastic stage decreasing.The width of the main frequency channel changed little,tending to a concentration.The strength of the main frequency channel increased with varying degrees during the elastic stage,plastic stage and breaking stage,the growth of the strength of frequency increasing as the coal’s outburst proneness becoming larger.The stress increased as theb-value decreasing,tending to close to breaking strength of the coal.

outburst proneness;coal mass;acoustic emission;frequency spectrum;b-value

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2023

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226806);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174112)；國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(51174272)

李宏艷(1978—)，女，河北遷安人,博士，高級(jí)工程師。E-mail：lhylhb@163.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0384-05

李宏艷，康立軍，徐子杰,等.不同沖擊傾向煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射先兆信息分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):384-388.

Li Hongyan,Kang Lijun,Xu Zijie,et al.Precursor information analysis on acoustic emission of coal with different outburst proneness[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):384-388.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2023