摘　要:对受载煤体声发射的频谱特性及变化规律进行了测试及研究分析,结果表明,煤体受载破裂时,其声发射信号的频谱不是一层不变的,而是随载荷及变形破裂过程而发生变化,基本上是随着载荷的增大及变形破裂过程的增强,声发射信号增强,主频带增高.煤体声发射的频谱特征变化与煤体变形破裂过程密切相关.
关键词:煤体;声发射;频谱
煤岩体在外力或内力的作用下发生变形或破裂,以应力波的形式释放应变能,这就是声发射.受载煤岩体破裂时能够产生声发射信号已被大量的实验及理论研究成果所证实.在实践应用方面也取得了很多有益成果,如利用声发射技术进行岩爆预测和突出预测等[1,2].声发射的研究有着非常广阔的应用前景:揭示煤岩体破坏机理,预测、预报煤岩灾害动力过程,如煤与瓦斯突出、顶板塌陷、围岩变形、冲击地压、滑坡、地震及岩石混凝土建筑失稳等.前苏联用记录声噪脉冲数的方法预报煤与瓦斯突出,并在顿巴斯煤田进行了推广应用;平顶山煤业集团也从俄罗斯引进了声发射监测系统,并用于煤与瓦斯突出预报试验研究[2].利用声发射技术预测、预报煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象,与现行的静态预测方法相比,可克服人工、煤岩体分布不均匀及受力状态不稳定的影响,可以实现连续动态监测预报.声发射方法虽然能够连续较有效地评估煤层边缘的突出危险性,是一种很有发展前途的预测方法,但目前其突出预测的可靠程度与生产实际的需要还有很大差距.了解煤岩体破裂过程中声发射的特征规律并从获得的声发射信息中分析得出能够准确反映煤岩破裂过程危险程度的本质特征是解决上述问题的关键.
本文研究的目的在于确定煤岩体受载破裂过程中声发射信号的频谱特征规律和变化趋势,为预测、预报煤岩灾害动力现象时确定监测参数提供依据.
1　实验研究
1·1　实验系统
实验研究的主要目的是确定煤体受载变形及破裂过程中产生声发射的频谱特性和规律,寻求煤岩体变形及破裂的前兆信息.实验所需煤样取自大屯孔庄矿、徐庄矿,淮北杨庄矿,平顶山矿区十二矿和淮南矿区.煤样分为两种:一种是原煤样,是由井下采取的大块煤体通过加工而成的;一种是成型煤样,是由原煤磨成细小的煤粒用特制的模具加工成的.煤样一般加工成 50mm×100 mm的圆柱形样品.实验系统如图1所示,主要由加载系统(包含压机2和煤样6)、声发射(AE)信号数据采集系统(包含声发射信号接收三分量传感器7和高速数据采集系统4)、载荷及位移记录系统(包含载荷传感器1、电阻应变仪、位移计5、位移变送器和记录仪)等组成.声发射信号接收三分量传感器可同时测量一个纵波(P)和两个偏振方向的横波(S1平行于轴向, S2垂直于轴向),接收到的模拟信号经高速数据采集系统后可得到数字信号,便于进一步分析.触发方式为声发射触发,实验过程中当声发射强度超过设定的门限值时,高速数据采集系统记录以此触发点为中心的前后共4 k数据(4 096个数据点)为一个事件(每个事件中可能包含一次或多次声发射),之后等待下一次触发.另外,为了检验声发射信号数据采集系统的
可靠性,实验中还同步记录了声发射的模拟信号,由声发射信号接收传感器4、前放SQ-1、声发射仪和记录仪来完成.实验研究了不同煤样(不同产地的原煤样和型煤共20块)受载变形及破裂过程中的声发射特性.

1·2　实验结果分析
实验中不同种类的煤样受载破裂时均有声发射信号产生.煤体破裂过程中产生的声发射信号不是连续的,而是阵发性的脉冲信号.煤体的变形及破裂过程不是连续的,也不是均匀的,而是阵发性的,变形及破裂需要一个能量的积累过程,只有当煤体中某处的变形能积累到一定程度才能引起破裂,而每一次的破裂均会引起弹性能的释放,产生声发射.当煤体中裂纹尖端附近的能量不足以使裂纹继续扩展时,裂纹扩展中止,煤体中继续积累能量,在该阶段声发射平静[3].对受载煤岩体变形破裂过程声发射实时采集数据进行快速傅立叶变换(FFT),可得到声发射的频谱.本文FFT处理基于混合根算法,因此可使用大量的数据点,最多点数为4 096,正好满足需求.[mem]

图2为淮南2号型煤声发射信号频谱分析结果,试样尺寸 50 mm×104 mm,加载速率0·9 t/min.实验中共记录到27个事件,图2只给出部分事件的分析结果,图中σ/σc为每个事件开始触发时刻的应力水平(当时应力σ与破坏时应力σc的比值).应力与时间关系曲线如图3所示.从图3可以看出,煤体声发射的频带是很宽的.在整个加载过程中,声发射的主频率不断发生变化,在受载初期,声发射的主频带较低,有时呈现先增高而后降低的趋势,在受载后期,声发射的主频带较高.在整体上声发射主频带随载荷增大呈现“M”型变化.
煤体声发射主频信号强度(振幅)也发生相应变化(图4):在受载初期,声发射的强度(振幅)较低,呈现先增高而后降低的趋势;在受载后期,声发射的强度较高,且呈增强趋势,在破坏时达最大,破坏后呈减弱趋势.在整体上声发射强度随载荷增大也呈现“M”型变化.煤体声发射的频谱变化与受载及变形破裂过程密切相关,具体分析见第2节.
2　受载煤体变形破裂过程与声发射相关性分析
实验室条件下受载煤体的变形及破裂过程可能表现为:煤体骨架的压实,孔隙收缩,颗粒接触面积的增大,或是形成裂隙组,个别区域之间黏附性降低等,可分为以下几个阶段:
(1)压实阶段　煤体中含有大量的孔隙和裂隙,在外载荷作用下,这些孔隙、裂隙发生闭合.煤体的强度比较低,裂隙闭合时,裂隙壁面附近的部分煤体会发生变形和微破裂,这足以引起声发射的产生.同时,该阶段也包含弹性变形,当卸载后会产生一定的弹性回复.在该阶段声发射强度、主频带及事件数先增加而后呈减少趋势.
(2)表观线弹性变形阶段　从宏观上看,该阶段是线弹性的,应力-应变曲线是线性连续的,但从微观上看,煤体的变形及破裂是不连续的,是阵发性的.煤体变形及破裂过程中产生的声发射是阵发性的,而不是连续的[4].只有当煤体中的变形能积累到一定程度,才能引起破裂,而每一次的破裂均会引起弹性能的释放,产生声发射.当煤体中裂纹尖端附近的能量不足以使微裂纹继续扩展时,裂纹扩展中止,煤体中继续积累能量,在该阶段声发射平静.在该阶段,煤体变形及微破裂强度呈增强趋势,声发射强度呈增强趋势,主频带有增高趋势.该阶段包含大部分的可逆变形和小部分的不可逆变形,卸载后大部分的变形会回复,但仍有一小部分残余变形,即存在塑性变形,这是由于颗粒内部和颗粒之间的滑移或断裂造成的,位错在颗粒内部的滑移中起极大作用.塑性变形是在物体的连续性未被破坏时发生的,然而,在煤体中出现的塑性变形往往与理想塑性变形的概念不一样,因为严格地讲,在煤体中产生的许多残余形变现象(如挤压、压碎、块体的相互滑移等)已属于破坏范畴,可称之为准塑性变形.所以,该阶段严格来说不是线弹性变形阶段,因此称为表观线弹性变形阶段.[/mem]
(3)加速非弹性变形阶段　经过表观线弹性变形阶段后,煤体中已经形成了一定密度(或数目)的微裂纹,使煤体的承载能力降低,该阶段中煤体积累了足够的能量,变形开始加速,载荷上升缓慢,煤体中产生大量的微裂纹并汇合、贯通.在该阶段中,特别是该阶段的后期,即使保持恒载,煤体也会发生变形,即发生流变.该阶段中声发射事件数、强度及主频带急剧增加.煤体的塑性越强,该阶段越明显,对于完全脆性的煤体,甚至不出现该阶段.
(4)破裂及其发展阶段　该阶段中大的裂隙互相汇合、贯通,煤体失稳.破裂时刻声发射强度最大,主频段频率最高.继续加载时,煤体处于残余破碎或碎块体压密过程,声发射较弱,主频率也较低.煤矿井下煤岩体已经处于受载的第2或第3阶段.处于第2阶段,即处于表观线弹性阶段的煤体,如果其载荷不会增加,就不会有破坏的危险性;进入第3阶段的煤岩体,就已经进入危险状态.所以声发射事件数或强度或主频率急剧增加或增高时,表明煤岩体已经进入危险状态,此时应该采取措施,使煤岩体卸压.
3　结　　论
煤体受载破裂时,其声发射信号的频谱不是一层不变的,而是随载荷及变形破裂过程而发生变化,基本上是随着载荷的增大及变形破裂过程的增强,声发射信号增强,主频带增高.这对于将声发射技术应用于预测预报煤岩动力灾害、评估岩石混凝土结构稳定性及研究岩石混凝土等材料的破裂过程有非常重大的意义.