不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

发布日期：2022-07-08 10:32　　　浏览次数：次

随着我国煤矿开采深度的不断增加，开采强度的不断加大，冲击地压矿井数量逐渐增多，冲击地压灾害也日益严重，严重威胁煤矿的安全生产^[1]。当煤岩体中的应力达到某一临界值之后，就会引起微裂隙的产生与扩展，而微裂隙的产生、扩展、闭合及错动过程导致裂隙带周围释放出大量的瞬时弹性波或应力波，即煤岩体的声发射。冲击地压是煤岩体急剧失稳破坏的一种宏观表现，通过监测煤岩体失稳破坏过程中伴随着弹性能、声能、电磁能等多种能量信号的释放，就能对冲击地压等煤岩动力灾害进行预警。对于煤岩失稳破坏过程中声发射特征演化规律作为近年来的研究热点取得了丰硕的研究成果。部分学者认为将声发射统计参量与煤岩体应力结合，可以通过不同冲击倾向性煤岩失稳破坏前声发射参数的演化规律，获得基于声发射参量的前兆判据^[2-7]；也有学者指出声发射参量在临近破坏时的声发射平静期可以作为煤岩失稳破坏的前兆特征^[8-12]。

由于深部矿井煤岩体的介质属性及应力分布趋于复杂，失稳破坏表现得异常迅速强烈，使得宏观前兆特征不明显，而冲击地压的监测预警主要是通过捕捉煤岩失稳破坏过程中的前兆信息实现的，这就导致采用声发射信号预警冲击地压时存在漏报、误报现象，不利于煤矿井下的安全生产。因此，如何准确提取并应用煤岩失稳破坏前兆声发射特征信息，对于提高冲击地压监测预报的准确性、制定冲击地压防治措施具有重要的理论价值和现实意义。选取强冲击倾向性煤体作为研究对象，通过不同尺寸煤体的实验室试验，探究煤体失稳破坏的前兆声发射特征演化规律。

1实验室实验

实验所用试样取自内蒙古煤矿，经相关机构鉴定为强冲击倾向性煤层，煤层冲击倾向性鉴定各参数结果见表 1。制备 3 组长方体试件，每组 6 块，共 18 块。长×宽×高分别为 50 mm×50 mm×100 mm、75 mm×75 mm×150 mm、100 mm×100 mm×200 mm。鉴于本次实验所用煤样强度较大，采用轴向位移加载控制方式，加载速度控制为 0．06 mm/min，并保持加载过程与声发射监测同步，实验系统组成如图 1。

2 声发射各参量的演化规律

2．1 声发射能量计数演化规律

提取不同尺寸试样加载过程中监测的声发射能量计数如图 2。

从图2 中可以看出，能量计数曲线在时间上存在明显的分区变化特性，不同时间段呈现出不同的变化规律。可将煤样失稳破坏过程划分为 4 个阶段：声发射初始沉寂阶段、稳定增长阶段、快速增长阶段、非稳定变化阶段。这与应力与应变曲线在应力时间曲线上的投放点基本能够对应，部分阶段分界点位置出现小幅的前移或后移，这说明声发射行为能够表征试样所处的应力状态。

加载初期，声发射活动较少，甚至没有，煤岩内初始裂纹开始闭合，闭合过程中部分粗糙面的破坏及闭合裂纹表面之间相对滑移产生少量的声发射，但能量较低；随着荷载的缓慢增加，裂纹开始发生扩展，新的裂纹开始产生，声发射能量计数率及能量累计计数都逐渐趋于活跃；继续加载，裂纹之间的相互作用开始加剧，微裂纹发生聚合、贯通，并逐渐形成宏观裂纹，声发射计数率呈台阶式增长，增长过程中声发射计数率出现突增－平缓－突增现象，能量累计计数曲线出现台阶增长趋势；随着载荷的进一步加大，形成更多的贯穿裂纹，直至煤样整体破坏。从图2 中可以看出，尽管不同尺寸试样前期声发射能量计数有所区别，但进入塑形阶段后变现出较高的一致性，前兆特征尺寸效应不明显。从时间上看尽管各阶段所占比重各不相同，但整体趋势相似，其中初始沉寂阶段占 35％左右，稳定增长阶段占 45％；快速增长阶段、非稳定破坏阶段所占比重在 10％～15％，而非稳定破坏阶段在 5％以内。对于煤岩失稳破坏前兆特征的研究更关注于快速增长阶段和非稳定变化阶段声发射特性的变化，可将声发射能量计数率的快速增长可以看作煤样失稳破坏的前兆特征。观察应力与时间曲线，可以看出在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，即这一阶段出现明显的“耗时”现象。同时在此阶段监测到的声发射能率出现明显下降，即声发射相对平静阶段。煤样能量计数累计曲线可以看到明显的“台阶状”或“缓台阶状”，此阶段即为声发射相对平静期，只是出现位置、持续时间不同而已。可见，声发射相对平静期可作为煤样失稳破坏的前兆判据。

2．2 声发射振铃计数演化规律

不同尺寸试样加载过程中监测的声发射振铃计数如图 3。从图 3 中可以看出，振铃计数曲线与能量计数曲线略有不同，试样振铃计数的声发射初始平静阶段不明显，远小于应力应变曲线压密阶段所占比重，与能量计数阶段划分相同，仍可将煤样失稳破坏过程划分为 4 个阶段。结合应力应变曲线分界点在应力与时间曲线投放点，后 3 个阶段分界点吻合度较高。

从时间上划分各阶段所占时间比重依次大致为 15％、65％、15％、5％。与能量计数相比初始压密阶段所占比重下降，稳定增长阶段持续时间延长，快速增长阶段和非稳定变化阶段所占比重保持不变。从初始加载至时间比重 80％左右的过程中，声发射振铃计数率一直保持较为平缓的增长，当应力超过时间比重的 80％后，声发射振铃计数率增速明显加快，之后随着载荷的持续增加，声发射振铃计数率出现突增。在峰值应力或峰值应力前，声发射振铃计数率达到最大，这与能量计数最大值出现时间相差不大。用振铃计数率的最大值来作为前兆信息存在滞后性，因此可将振铃计数率的快速增长作为煤岩失稳破坏的前兆特征。

振铃计数的与能量计数的声发射相对平静期规律相一致，持续时间短，出现在峰值应力前、最大振铃计数率或前或后，与振铃计数率高值存在一致性。观察图 3 可以看出，不同尺寸煤样失稳破坏过程中振铃计数的变化规律与能量计数相似，进入塑性阶段表现出较高的一致性，失稳破坏前兆点尺寸效应也不明显。

2．3 声发射定位事件演化规律

定位事件与应力经加载时间拟合成分布曲线如图 4。从图 4 可以看出，随着载荷的增加声发射定位事件逐渐增多，从累计曲线上可以把声发射定位事件在加载全过程中划分为 4 个阶段，即初始的声发射沉积阶段、稳定增长阶段、快速增加阶段、非稳定变化阶段，即由初始加载阶段裂隙的压密闭合到弹性阶段局部微裂纹的稳定增长，再到塑性阶段微裂纹的快速扩展、贯通直至形成形成宏观裂纹。这与应力与应变曲线在应力时间曲线上的投放点相比，压密阶段、弹性阶段分界点变化波动较大前，塑形分界点基本能够对应。在试样达到峰值应力前定位事件出现的突降后的低值现象，即定位事件的声发射平静期，这也很好解释了为什么宏观裂隙贯通导致试件破坏时定位事件点很少或没有。

试样尺寸增大，定位事件随加载的进行呈现出 “增－减－增”的变化趋势，累计曲线也表现为不平滑的增长曲线，说明随着试件尺寸增大，其内部的缺陷进一步增多，不同位置的裂隙处于“扩展－吸能－扩展”的非稳定变化过程。声发射定位事件在加载过程虽然没有能量、振铃表现出明显的“突增”现象，整体来说在达到 0．7σ_c（σ_c 为峰值应力）后，单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加，因此，从空间定位意义上看可以将单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加作为煤岩失稳破坏的前兆特征。从图 4 可以看出明显看出，不同尺寸煤样失稳破坏过程中定位事件曲线前期区别较大，进入塑性阶段后表现出较高的一致性，失稳破坏前兆点具有相同规律，尺寸效应不明显。

3 结论

1）声发射能量计数、振铃计数、定位事件计数均可以表征煤岩体失稳破坏过程，3 个参量均可以把煤岩失稳破坏过程划分为 4 个阶段：声发射初始沉寂阶段、稳定增长阶段、快速增长阶段、非稳定变化阶段，与应力应变曲线的 4 个阶段基本对应。

2）可作为失稳破坏前兆特征的现象为：能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加，能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期，单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加作为煤岩失稳破坏的前兆特征。

3）强冲击倾向性煤体失稳破坏迅速强烈，声发射平静期出现在破坏发生前的很短一段时间，这也从侧面反应出强冲击倾向性煤体失稳破坏的前兆特征难以捕捉。

4）试样尺寸的变化，对声发射统计参量曲线前期影响较大，对于失稳破坏的前兆特征无明显影响。试样尺寸增大，其内部缺陷的种类和数量增多，甚至出现一些宏观裂纹，这些缺陷使得试样的均质度降低，导致前期变形趋于局部化，随着加载的进行，临近失稳破坏前，变形趋于一致性，前兆点并未表现出尺寸效应。

参考文献：

［1］齐庆新，窦林名．冲击地压理论与技术［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2008．

［2］姜耀东，吕玉凯，赵毅鑫，等．煤样失稳破坏的多参量监测试验［J］．岩石力学与工程学报，2012，31（4）：667－674．

［3］刘保县，赵宝云，姜永东．单轴压缩煤岩变形损伤及声发射特性研究［J］．地下空间与工程学报，2007，3（4）：647－650．

［4］赵毅鑫，姜耀东，韩志茹．冲击倾向性煤体破坏过程声热效应的试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2007，26 （5）：965－971．

［5］李宏艳，康立军，徐子杰，等．不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析［J］．煤炭学报，2014，39（2）：384－388．

［6］杨磊，毛德兵．单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究［J］．煤矿开采，2013，18（1）：14－16．