煤巖體聲發射判別研究

程 鵬，王龍飛，劉江偉

(1.鄭州神火 申盈礦業有限公司，河南 鄭州 450000;2.濟寧礦業集團，山東 鄒城 273503;3.中煤平朔集團 井工三礦，山西 朔州 036006)

現代聲發射技術開始以20世紀50年代初Kaiser效應的發現為標志，發現材料被重新加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不發生聲發射信號，同時提出了連續性和突發性聲發射的概念。隨后位錯(塞積和滑移)和交錯位移是聲發射信號的主要來源，同時認定表面狀態也有一定影響［1］。20世紀50年代末到60年代期間，研究各種材料的聲發射物理機制，并且首次將聲發射用于壓力容器檢測，20世紀70年代初，聲發射的試驗頻率發展到了100 kHz～1 MHz。20世紀80年代初現代微處理技術引入聲發射檢測系統，并開發了一系列多功能檢測和分析軟件，而且聲發射檢測技術在金屬盒、玻璃鋼容器、壓力容器、儲罐、管道、橋墩等重要領域進入工業化作用。20世紀90年代出現了聲發射實時測量和聲發射定位以及進行少量生發波形的觀察、顯示、記錄和頻譜分析的多通道聲發射檢測分析系統［2］。

不同的煤巖體由不同的天然單質或化合物組成［3］，按照不同的排列方式和排列強度組合，造成了煤巖體不同的強度，強度的不同造成了破裂時釋放能量的強弱，引起了聲發射上升時間參數和RMS(有效電壓)參數的變化，通過對參數的處理和分析，可以對煤巖體的具體屬性進行簡單的判定。

1 實驗過程

1.1 試塊加工

選取煤層的頂板、底板、煤體和混凝土做出圓柱體進行單軸壓縮實驗，參數見表1。

表1 實驗選取

1.2 實驗方法

采用MTS815電液伺服控制材料試驗機和美國聲發射公司的聲發射儀器，如圖1所示。

圖1 聲發射信號簡化波形參數的定義

主要聲發射參數為:波擊(事件)計數、振鈴計數、能量、幅度、持續時間，上升時間。上升時間的橫坐標和縱坐標的比值代表了聲發射信號的突然性，即代表了能量爆發的突然性。聲波的能量主要表現在做功，因此，聲波的能量E與聲波波動的振幅A有關。上升時間為煤巖體破裂產生聲信號的上升階段，表示從聲信號第一次越過門檻值到達到最大峰值所經歷的時間。一般人只對振鈴計數和能量參數進行分析，而忽略了上升時間參數和RMS(有效值電壓)參數的作用。

2 實驗結果分析

2.1 不同巖性聲發射能量率特征

聲發射能量率－時間曲線示意圖見圖2，代表了AE事件中能量率和計數隨時間變化的圖，其中圖2(a)圖代表了直接底灰巖的能量－計數－時間曲線，圖2(b)圖為老頂灰質砂巖的能量－計數－時間曲線，圖2(c)圖代表了混凝土塊的能量－計數－時間曲線，圖2(d)圖代表了煤塊的曲線。

對圖2(a)～圖2(d)進行對比，煤巖體破壞時峰值的能量大小不同，響應信號也不同，混凝土采用的比例是水泥(0.5)∶沙子(3.5)∶水(適量)，混凝土和煤塊的硬度相似，兩者的破裂現象比較接近。灰巖和灰質砂巖破壞時的能量最大，峰值為20000 mV，而煤塊破裂時能量最小，峰值為6000 mV，混凝土塊的破壞為巖石和煤塊的中間狀態，峰值為10000 mV。

混凝土、巖石、煤塊進行對比，巖石的能量突破20000 mV的最高，混凝土和煤塊的單軸壓縮的破壞能量相似，但AE事件的計數不同，這與煤巖體的結構本身有關，煤塊本身多分布裂隙，而且特別發育，造成AE事件的局部變形多，但能量積累比較低。

圖2依次對比可以看出，無論煤巖體的硬度是大還是小，破裂時AE事件的規律是一致的，而且主要發生在塑性階段和破裂階段。煤巖體破裂時AE事件的能量表現為突刺狀，與其它的AE事件響應有著明顯區別，這樣更有助于觀察異常，即觀察破裂。

圖2中的各個巖性AE事件的能量變化趨勢有著很大的區別，不同的巖性有著不同的規律，煤巖體的硬度越大，單軸壓縮時能量峰值越大，也就表明突發程度越大，積累能量也越大，破裂也越劇烈。老頂是灰質泥巖，和煤做單軸壓縮試驗的AE事件的能量進行對比，煤的能量主要在低位震蕩，而灰質泥巖則是在高位震蕩，同時灰質泥巖的能量低值出現空缺，煤的能量低值連續，沒有出現間斷現象，這與灰質泥巖硬度較高，AE事件連續震蕩，造成突發程度一直較高，而且沒有低值。圖2(d)圖開始由壓頭接觸煤塊，加力后，由于煤的松軟，沒有AE事件的觸發，造成開頭出現斷層現象，但在能量和計數率上，這一過程沒有得到體現，所以說AE事件能量率和技術率參數相互有效補充，對于具體現象分析更加合理有效。

圖2 聲發射能量率－時間曲線圖

2.2 不同巖性聲發射上升時間特征

上升時間的大小表示了AE事件的突發程度，上升時間越大，突然性也越厲害，而AE事件的突發表明了煤巖體本身出現了破裂現象，上升時間越大，破裂越劇烈。

根據圖2中各個巖性相同和差異點，又繼續對取自老頂和頂底板的煤巖體的單軸壓縮的AE事件進行分析，得到了RISE的統計，對于不同巖性的區別有了很大的幫助，對于巖性和煤可更好地區別。

由圖3可知，老頂1#和老頂2#超過1000 μs約占RISE總點數的2%，而直接底超過1000 μs只占RISE總點數的1%;老頂巖石的AE事件的RISE中大于 1000 μs∶500 μs 和 1000 μs 之間∶小于 500 μs=1∶9∶40，而直接底巖石的AE事件的RISE中大于 1000 μs∶500 μs 和 1000 μs 之間∶小于 500 μs=1∶18∶81。煤巖體巖性的剛度越大，AE事件的RISE越高，主要由于巖石的剛性，導致能量積聚，最后導致能量的突然釋放，從而顯示曲線的平緩和突然爆發性，也間接說明了煤巖體的承受能力。

圖3 老頂和直接底超過1000 μs

2.3 煤巖體判別方法

煤巖體的剛度是巖體的本身固有屬性，通過剛度大小可實現煤巖體判別，老頂聲發射曲線圖見圖4和圖5。

試塊選自老頂的灰質砂巖，硬度不大，峰值只有38 MPa。老頂1號探頭軸向應力－聲發射能量率－應變圖中a代表壓密階段，b代表線彈性階段，c代表塑性階段，d代表破裂階段。全應力－時間曲線圖和聲發射能量率－應變曲線圖走勢規律相同，根據全應力應變曲線圖，起初階段軸向應力和應變呈現線性關系，其斜率為 2.14 GPa，即彈性模量為 2.14 GPa。在應變達到0.02時，巖塊初次破裂，軸向應力突降，出現波段曲折，當隨著應變的繼續增大，軸向應力整體趨勢增大，軸向應力達到峰值后，巖塊破裂，軸向應力劇烈衰減到初次破裂前值以下。峰值過后，隨著應變的增大，軸向壓應力波動起伏，但整體趨勢減小。

試塊的聲發射現象比較明顯出現在線彈性階段、塑性階段和破壞階段。最明顯出現在塑性和破壞階段。計數率和聲發射能量率的峰值波動出現在塑性階段和破壞階段，軸向壓應力峰值時，計數率不是最高;應變為0.035時，巖體破壞最嚴重，軸向壓應力出現豎直下降現象，峰值過后，能量和計數處于高位震蕩，此時巖體本身一直處于連續破壞狀態。圖5中的突刺就是AE事件的連續觸發，出現階段是塑性階段和破壞階段，密集在兩個階段的交界處。

3 結論

聲發射是通過對聲信號記錄判斷外界響應的儀器，對各個參數分析，可以簡單對煤巖體進行判定，通過上述實驗得到以下結論:

1)聲發射的上升時間越大，超過1000 μs的脈沖越多，煤巖體的剛度越大，而對于煤體的聲發射上升時間基本處于500 μs以下。

2)老頂和直接底中，老頂的上升時間超過1000 μs比直接底的多，其中老頂巖塊上升時間超過1000 μs的為2%，而直接底為1%。

3)聲發射比較明顯的現象出現在線彈性階段、塑性階段和破壞階段，最明顯出現在塑性和破壞階段，應力的變化和聲發射能量變化一致。

4)在開始階段，煤塊基本沒有明顯的聲發射信號或者很小，而巖體的上升時間從開始就高位震蕩。

5)煤巖體的AE事件中，巖體的峰值能量最大，煤體的峰值能量最低，混凝土的峰值處于兩者之間。巖體峰值為20000 mV而煤體的不超過10000 mV。

［1］陳 兵，姚 武.聲發射技術在混凝土研究中的應用［J］.無損檢測，2000，22(9):387－390，396.

［2］張俊哲.無損檢測技術及其應用［M］.北京:科學出版社，1993:58－62.

［3］戈定夷，田慧新，曾若谷，等.礦物學簡明教程［M］.北京:地質出版社，1989:1－3.