岩石超声波检测技术是以弹性波在岩石中的传播理论为基础，采用人工激振的方式向岩石发射脉冲超声波，通过声波穿过岩石后的变化，间接了解岩石的物理特性及结构特征 。常见的超声波检测方法有透射法和反射法 ，超声波透射法是利用对超声透射波的检测来判定超声传播路径中的缺陷；超声波反射法是通过观察来自内部缺陷损伤或试件底部的反射波形情况，来实现试件缺陷埋藏深度、性质及大小的检测。在超声波测试过程中，选择合适的耦合剂以及正确使用耦合剂对超声波信号测试结果的准确性至关重要。不同耦合剂产生的效果不同，如果采用的耦合剂不恰当，会导致接收不到信号或接收信号误差大，直接影响测试结果的真实性。针对不同的研究对象，国内外学者们对超声波测试采用的耦合剂适用性进行了相关研究。涂忠仁、吴刚、朱合华等 将白凡士林作为耦合剂涂抹在探头上，对大理岩、致密板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩进行超声波试验，测试岩石超声波波速等声学参数；李广波、Lakes、Kevin等 分别以水为耦合剂对钢和有机玻璃、人骨、大型公共基础设施进行超声波无损检测；曲恒磊 采用以水为耦合剂的非接触水浸法对强韧钛合金棒材超声波无损检测的主要影响因素进行了分析；于文勇等 在木材检测中发现，如用厚度<0．25 mm类橡皮物的软橡胶代替隔离剂，检测结果好于用白凡士林作耦合剂时的效果。以上研究结果表明：(1)部分岩石、金属、有机玻璃、木材等材料具有结构致密，界面规整度高的特点，常采用白凡士林、蜂蜜、水、软橡胶(聚异戊二烯)作为耦合剂；(2)在进行超声波测试过程中，同一种物质采用不同的耦合剂测试，结果会存在差异性；(3)以往研究在岩石超声波测试中主要采用波速反映固体介质的物理特性和结构特征。

    煤体是一种特殊的沉积岩，其表面微小孔隙杂多，内部存在大量Grifith裂隙，相对变质岩、火成岩、金属以及有机材料而言，其端面不规整。为了准确地测试煤体超声波声学参数，需选择合适的耦合剂，使煤样在超声波测试过程中声能损失小，探头接收的信号强。

    基于此，实验以无烟煤为研究对象，采用脉冲透射法，在无耦合剂和采用软橡胶、水、白凡士林以及蜂蜜为耦合剂条件下对煤样进行超声波的相关参数(纵波波速、首波幅值)测试，分析超声波衰减系数，期望找到一种适合于煤样超声波信号测试的耦合剂，提高其测试的准确性。

 

    1 耦合剂的性能要求

    在超声检测时，探头与被测物体表面之间的空气将阻碍超声波传人物体，为获得更精确的检测结果，需要液体传导介质连接探头与被测物体表面，这种介质就是耦合剂，又称导声胶。一般情况下，它是一种水溶性高分子胶体，具有无腐蚀、毒性或危害，不易燃烧或污染，检测结束后易于擦除的特性。超声耦合剂的作用可归纳为3点：(1)充填探头与被测物体接触面之间的微小孔隙，避免孔隙间的微量空气影响超声波的透射；(2)耦合剂的“过渡”作用，减小探头与被测物体之问的声阻抗差，使在此界面的反射声能损失小；(3)耦合剂的“光滑”作用，减小探头与被测物体之间的摩擦作用，使得换能器在被检物表面易于移动。

    1．1 耦合剂黏度

    耦合剂黏度决定其在超声检测过程中的润滑性能，是考察耦合剂稳定性的重要指标。对耦合剂黏度的性能要求是，可满足易涂展又不会随意流淌。实践表明 ，当在光滑材料表面使用时，可以使用低黏度的耦合剂；当耦合剂在粗糙表面、垂直表面及顶表面使用时，应使用黏度高的耦合剂，耦合剂不会很快从表面溢流。不同耦合剂的黏度值如表1所示。

 

    由表l可知，不同耦合剂的黏度大小依次是蜂蜜、白凡士林、水、无耦合剂、软橡胶。

 

    1．2 耦合剂声阻抗

    声波阻抗是指声波传导时介质位移需要克服的阻力，代表能量在传播过程中的损耗。超声波在介质中传播时，在所遇到的每个声波阻抗面上都会发生反射和透射现象，反射波的强度取决于两种介质声波阻抗的差异。因此，无论煤样和探头之间是否存在耦合剂，都会发生反射现象。介质的声波阻抗在数值上等于介质声速和密度P的乘积，即Z=pV。对于同一测试面，耦合剂声阻抗值越大，耦合效果越好。不同耦合剂的声阻抗值如表2所示。

 

    由表2可知，在不同耦合条件下，耦合效果由好至差依次为蜂蜜、白凡士林、水、软橡胶、无耦合剂。在无耦合剂条件下，煤样端面和探头之间存在大量空气，形成强烈反射，阻抗值最小，衰减最明显。

    

    2 不同耦合剂对煤样超声波影响的实验研究

    2．1 煤样制备

    实验以河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿二．煤层的无烟煤为研究对象。为保持煤样的原有状态，取样时严格按照国家标准将大煤块从井下采样地点运至实验室。利用煤样钻取机和切磨机将原煤煤块制成Φ50 mm×长100 mm 的圆柱形试样。由于所测超声波数据是否精确与煤样尺寸有直接关系，因此，对制样要求较高。在制备时需要注意几点：沿煤样整个高度的直径误差不超过0．1 mm；煤样各面平整，周边均匀分布的四点和中心点处的高度差最大不超过0．02 mm；煤样端面应垂直轴线，其最大偏差不超过0．25 ，原煤煤样实物如图1所示。

     2．2 煤样超声波传播规律实验方法

    根据《岩样声波特性的实验室测量规范》(SY／T6351—2012)的相关内容，实验采用超声波脉冲透射法对煤样进行超声波测试，仪器为智超声P．S综合测试仪，在常温常压下进行，激励电压为1 000 V。选用换能器发射频率为50 kHz，读取时间精度为0．062 5 μs。测量煤样长度 和超声波透过煤样所用时间 其关系式如式(1)，测试方法如图2所示，测试时保证探头中心点与煤样端面中心轴线保持水平，探头与煤样端面长期稳定接触。

   式中： 为超声波波速，m／s；L为测试煤样的长度，m；T为超声波传播时间，s。

     2．3 耦合剂对超声波纵波波速和首波幅值测试影响

     实验分别采用软橡胶、水、白凡士林、蜂蜜为耦合剂对煤样进行测试，并与无耦合剂进行对比，分析耦合效果。在不同耦合剂条件下，测试了煤样的超声波纵波波速和首波幅值，测试波形如图3所示，测试数据如表3所示。

    由表3可知，相对于无耦合剂测试结果，软橡胶波速变化率为2．133％ ，首波幅值变化率为50％ ；水的波速变化率为20．32％ ，首波幅值变化率为258％ ；白凡士林波速变化率为26．24％ ，首波幅值变化率为1 025％ ；蜂蜜波速变化率为50．95％ ，首波幅值变化率为2 067％ 。综上所述，煤样在不同耦合剂测试条件下，波速和首波幅值大小依次是蜂蜜、白凡士林、水、软橡胶、无耦合剂。

    通过数字示波器，测得首波幅值U(x)，根据式(2) ，进行首波幅值拟合可求得超声波衰减系数ɑ。

 

 

     式中：U (x)为位置x 处的首波幅值；U。为 x=0时的波幅；ɑ为波幅衰减系数。

     式(2)表示超声波在煤岩样品中传播时，首波幅值呈指数衰减。由式(2)推导可得

 (1．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000；2．河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室(省部共建国家重点实验室培育基地)，河南焦作454000；3．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037；4．重庆安全技术职业学院，重庆万州404020)