三軸循環加卸載作用下煤樣的聲發射特征

何 俊，潘結南，王安虎

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454003)

三軸循環加卸載作用下煤樣的聲發射特征

何 俊1，潘結南2，王安虎1

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454003)

利用RMT-150B巖石力學試驗機對煤樣進行常規三軸、三軸循環加卸載作用下聲發射試驗，對不同加載條件下煤樣的聲發射特征進行分析。分析結果表明:在常規三軸壓縮過程中聲發射能量、累計計數和累計能量隨時間變化趨勢基本一致，均能較好反映煤樣內部的破壞過程；在煤樣循環加卸載過程間隔出現聲發射信息，其能量、計數和幅值變化趨勢一致，與煤樣所受應力相吻合；煤樣在常規三軸和循環加卸載破壞過程中聲發射突變點在峰值應力的85%左右，可以作為判定煤樣破壞的前兆；在循環加卸載過程中Felicity效應較明顯，Felicity比值FR遠小于1，隨著循環應力水平提高，FR值不斷降低，表明循環加卸載過程中聲發射記憶具有超前特征，Kaiser效應的記憶效果較差，Kaiser效應作為煤體穩定性指標需謹慎。

三軸壓縮；循環加載；聲發射；Kaiser效應；Felicity效應

在巖石工程領域經常會遇到循環荷載的作用，比如采煤工作面回采過程中，前方煤體受超前移動支承壓力以及動壓的影響，煤體始終處于加卸載作用，采煤工作面礦壓顯現表現出明顯周期性。為更好地了解煤巖在循環荷載作用下的聲發射特征，有必要對三軸循環加卸載作用下煤樣的聲發射特征進行深入研究。開展煤巖聲發射特征研究有助于認識煤巖破壞機理，揭示沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害的聲發射前兆信息特征，對煤巖動力災害的預測預報具有重要應用價值。

對于煤巖聲發射特性的研究已經有大量成果發表。李庶林等[1-5]對巖石不同加卸載方式的聲發射特征進行研究；曹樹剛等[6-7]研究認為煤樣在單軸和三軸壓縮作用下聲發射有所不同，圍壓作用下破壞前無明顯相對平靜期現象，聲發射主頻頻率范圍與受力條件相關，三軸壓縮主頻范圍明顯高于單軸壓縮的結論；艾婷等[8]進行了不同圍壓下煤樣三軸壓縮的聲發射定位實驗，尋求研究煤巖破裂過程中 AE時序特征、能量釋放與空間演化規律；劉保縣等[9-11]對型煤和原煤單軸壓縮煤巖的損傷演化及聲發射特性進行試驗研究，建立基于聲發射特性的單軸壓縮煤巖損傷模型得出煤巖的損傷演化曲線和方程；李玉壽等[12]對煤樣在單軸三軸壓縮及孔隙水作用下的聲發射特征進行了研究；趙洪寶等[13]研究了含瓦斯煤樣在三軸壓縮過程中的聲發射特性，建立了基于聲發射特性的含瓦斯煤巖損傷方程；蘇承東等[14]對煤樣常規單軸、三軸和卸圍壓加載路徑條件下，煤樣的變形、強度及聲發射特征進行系統分析；王恩元等[15-16]對單軸煤體破裂過程中聲發射和電磁輻射的規律進行分析；張廣清等[17-19]對不同加載路徑下巖石Kaiser效應進行了研究。

上述研究僅針對煤巖樣在單軸和三軸加載破壞過程的聲發射特征，對于煤樣三軸循環加卸載作用下的聲發射特征尚不夠清楚。鑒于此，本文采用RMT-150B巖石力學試驗機對煤樣進行三軸循環加卸載作用下的聲發射試驗,分析其聲發射特征。研究成果可望對沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害的預測預報提供參考。

1 煤樣特征與試驗方法

1.1 煤樣特征

試驗煤樣取自晉煤集團成莊煤礦，從工作面煤壁上選取比較完整的大煤塊，在室內沿垂直層理方向采用密集布孔鉆取，加工成直徑50mm、長度100mm 的圓柱體煤樣，煤樣兩端不平行度小于0.05mm，加工精度滿足規程[20]的要求，自然密度為1359～1411kg/m3，平均密度為1382kg/m3。

1.2 試驗方法

試驗加載采用RMT-150B巖石力學試驗系統，聲發射測試采用北京科海恒生科技有限公司生產的CDAE-1聲發射檢測與分析系統。試驗采用常規三軸和三軸加卸載方式，圍壓為5,8和15MPa，每個圍壓下兩種加載路徑各進行一個煤樣，共計6個煤樣。三軸加卸載時，在煤樣峰值前后不同應力水平進行加卸載2～3次。在煤樣三軸壓縮加載過程中實時監測聲發射信息，聲發射采樣頻率為1.5MHz，門檻值設定為45dB；載荷、變形采樣頻率5Hz。采用位移控制加載速率為0.005mm/s，試驗過程中系統自動采集記錄載荷、變形、聲發射能量、計數和振幅等參數。

2 試驗結果分析

對于煤巖體聲發射監測技術的應用來說，主要是依據聲發射參數對時間的變化過程來對煤巖體的穩定性進行評價，時間是監測預報的基本變量。基于此，采用聲發射能量(E)、累計能量(ΣE)、聲發射計數(N)、累計計數(ΣN)、幅值(A)和累計幅值(ΣA)與時間變化，分析三軸循環加卸載作用下煤樣的聲發射特征。

2.1 常規三軸壓縮時聲發射特征

圖1為M1煤樣常規三軸壓縮過程中的聲發射特征檢測結果(限于篇幅，煤樣M3，M5試驗結果略)。從圖1可以看出，煤樣常規三軸壓縮過程中聲發射特征有以下規律:

圖1 常規三軸壓縮過程中聲發射檢測結果Fig.1 AE test results of coal samples under triaxial compression

(1)在加載初期的壓密階段(0<σ1≤18.0MPa)，產生少量聲發射信息，偶爾出現較大聲發射信息，且具有很大波動性，聲發射能量和計數較少，幅值明顯偏低，幅值一般不超過55dB。可以理解為煤樣在較低應力作用下，煤樣內部某些原始裂紋閉合過程及閉合后，部分粗糙面咬合破壞都會產生聲發射信息。此階段，聲發射累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間曲線緩慢上升。

(2)隨著應力進入彈性階段(18.0MPa<σ1≤42.0MPa)時，其應力與應變大致成線性關系，表現出煤樣的彈性特征，煤樣所受應力不足以形成新微裂紋，聲發射活動仍然較少，幅值變化不大。表明煤樣內部某些閉合裂紋發生滑移產生能量較低聲發射信息，此階段，聲發射累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間曲線趨于平緩。

(3)繼續增加應力進入屈服階段(42.0MPa <σ1≤50.7 MPa)時，煤樣初步損傷發展過程中，煤樣內部微裂紋逐漸產生，聲發射開始趨于活躍，聲發射計數、能量和幅值大幅增加，個別聲發射幅值超過80dB。表明煤樣內部由低能量小破裂逐漸向高能量大破裂轉化。此階段，聲發射累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間曲線明顯變陡，3條曲線斜率顯著增加。

(4)當應力增加至峰值應力(50.66 MPa)時，煤樣內部微裂紋發生聚合、貫通形成宏觀破裂面，聲發射活動異常活躍，破壞瞬時聲發射能量、計數和達到最大值，幅值達到90dB。隨后煤樣內部沿某破裂面產生宏觀滑移，宏觀裂隙滑移過程中爬坡啃齒現象，應力跌落過程中聲發射計數和能量仍然較高，聲發射信息隨應力降低而逐漸減少，此階段，聲發射累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間曲線趨于平緩。

從上述分析可以看出:煤樣三軸壓縮過程中產生聲發射能量、累計計數和累計能量隨時間變化趨勢基本一致，均能較好反映煤樣內部的破壞過程，聲發射突變點在峰值應力的85%左右，可以作為判定煤樣破壞的前兆。

2.2 三軸循環加卸載時聲發射特征

圖2為M4煤樣三軸循環加卸載變形過程中的聲發射測試結果(限于篇幅，煤樣M2，M6試驗結果略)。

圖2 煤樣三軸加卸載試驗過程中聲發射檢測結果Fig.2 AE test results of coal specimen under triaxial loading and unloading

從圖2可以看出，煤樣M4三軸循環加卸載過程中聲發射特征有以下規律:

(1)第1次加載初期沒有聲發射信息，當第1次加載進行到12.38MPa時，開始有能量較低聲發射信息，隨著應力增加，聲發射信息同步增加，累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間大致成線性關系。當應力增加到46.09MPa(峰值強度的68.8%)進行第1次卸載。在卸載過程中仍然伴隨有聲發射信息，其強度與加載時相比有所減弱，幅值不超過50dB，累計參數(ΣE，ΣN和ΣA)隨時間增加有所減緩。直到卸載應力低于18.72MPa后，聲發射信息消失，而后累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)基本恒定。

(2)第1次卸載160s至第2次加載進行254s時間段，累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間曲線基本保持水平。第2次加載進行到18.04MPa時，又出現少量聲發射信息，隨著應力增加，聲發射信息同步增加，累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間成線性關系。當軸向應力增加到56.43 MPa(峰值強度的84.2%)進行第2次卸載，卸載時聲發射特征與第1次卸載時基本相同，當卸載應力低于17.85MPa以后，聲發射信息又一次消失，累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)基本保持恒定。

(3)在第2次卸載420s至第3次加載時間489s時間段，累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間曲線基本保持水平。第3次加載進行到16.78MPa以后，又會出現少量聲發射信息，隨著應力增加，聲發射信息增加較快。當軸向應力高于49.53 MPa(峰值強度的74.33%)以后，進入屈服階段，高能量的聲發射信息急增，聲發射事件數量增多，強度明顯增大。此階段，聲發射累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間曲線明顯變陡，突變點在峰值應力的85%左右。表現出煤樣的初步損傷發展過程，煤樣內部微裂紋不斷演化時聲發射逐漸趨于活躍，能量、計數和幅值增加，標志煤樣破壞前兆。

(4)當軸向應力達到66.99MPa時(峰值強度)，煤樣內部微裂紋發生聚合、貫通，從而導致了宏觀破裂面的形成，裂紋之間相互作用開始加劇，聲發射事件異常活躍，其能量、計數和幅值迅速提高，煤樣破壞瞬時聲發射能量、計數和幅值均達到最大值。而后煤樣沿某破裂面產生宏觀滑移，軸向應力迅速跌落，煤樣整體失去承載能力，聲發射信息又迅速減少，聲發射能量、計數和幅值也隨即降低。當超過峰值后應力跌落到61.84MPa進行第3次卸載，當卸載應力低于11.67 MPa，聲發射信息消失，累計能量(ΣE)、累計計數(ΣN)和累計幅值(ΣA)與時間曲線趨于平緩。

根據上述分析結果可以看出:煤樣在循環加、卸載過程間隔出現聲發射信息，其聲發射能量、計數和幅值變化趨勢一致，與煤樣所受應力吻合，突變點在峰值應力的85%左右，峰值前沒有出現明顯平靜期，這與文獻[7]所得結論相同。

2.3 聲發射Kaiser 效應特征

巖石材料在循環加、卸載過程中聲發射信息具有記憶特征。當加載應力到前次加載最高應力時開始出現聲發射信息，稱為Kaiser效應；而當加載應力小于前次加載最高應力時聲發射信息就開始顯著增大，稱為Felicity 效應。Kaiser效應記憶準確與否，可用 Felicity比值來衡量，該值越接近1表示記憶越準確，不可逆比值大于1表示巖石記憶滯后，反之則表示記憶超前[19]，公式為

(1)

其中，σp為上次加載的最大應力；σk為出現連續聲發射信號時所對應的應力值。為了比較煤樣循環加、卸載過程中，卸載時聲發射信息消失與加載出現聲發射信息特征，引入平靜效應比值，即加載出現聲發射信息時所處應力與上次卸載時聲發射信息消失所處應力的比值，公式為

(2)

其中，σn為上次卸載時聲發射信息消失所處應力；σm為加載出現聲發射信息所處應力。這里需要說明的是:卸載聲發射信息消失和加載出現聲發射信息的門檻值為45dB。圖3給出煤樣三軸循環加卸載中應力、累計計數、累計能量和累計幅值與時間的關系。

由圖3(a)可知，煤樣M2在圍壓 5MPa循環加卸載條件下聲發射特征。第1次加載進行到33 s，應力為10.69MPa時(A點)，開始出現聲發射信息。繼續加載到143 s，應力為46.26 MPa(峰值強度的83.4%)時(B點)第1次卸載，卸載進行到245s,應力為11.29MPa時(C點)，聲發射信息消失，直到第2次加載進行到368s,應力12.39MPa時(E點)，出現聲發射信息，FR=0.28，AR=1.10。第2次加載進行到493 s,應力為50.66 MPa(峰值強度)時(F點)，聲發射信息均達到最大值，而后進行第2次卸載，卸載進行到570s,應力為10.93 MPa時(G點)，聲發射信息又一次消失。在第3次峰后加載進行到795s,應力10.92MPa時(I點)，又一次出現聲發射信息，FR= 0.22，AR=1.0。在第3次加載進行到864s,應力為47.99MPa(峰值強度的93.7%)時(J點)，聲發射信息劇增，第3次卸載到945s,應力為20.07 MPa時(K點)，聲發射信息消失。

圖3 煤樣聲發射特征參數與時間的關系Fig.3 Relationship between AE characteristics parameters of coal specimens and time

由圖3(b)可知，煤樣M4在圍壓 8MPa循環加卸載條件下聲發射特征。第1次加載進行到32s,應力為12.38MPa時(A點)，開始出現聲發射信息。繼續加載到108s,應力為46.09MPa(峰值強度的68.8%)時(B點)進行第1次卸載，卸載進行到160s,應力為18.72MPa時(C點)，聲發射信息消失。直到第2次加載進行到254s,應力18.04MPa時(E點)，出現聲發射信息，FR=0.39，AR=0.96。第2次加載進行到331s,應力為56.43 MPa(峰值強度的84.2%)時(F點)進行第2次卸載，卸載進行到402s,應力為17.85MPa時(G點)，聲發射信息又一次消失。在第3次加載進行到496 s應力16.78MPa時(I點)，又出現聲發射信息，FR=0.30，AR=0.94。在第3次加載進行到560s,應力為49.53 MPa(峰值強度的73.4%)時(J點)進入屈服階段，聲發射信息大幅度增加，當加載進行到612s,應力66.99MPa(峰值強度)時(K點)，聲發射信息增加到最大，第3次卸載進行到739s,應力為11.67 MPa時(L點)，聲發射信息消失。

由圖3(c)煤樣M6在圍壓 15MPa循環加卸載條件下，第1次加載進行到34s，應力為15.68MPa時(A點)，開始出現聲發射信息，繼續加載進行到73 s,應力為31.42MPa(峰值強度的35.3%)時(B點)進行第1次卸載，卸載進行到121s應力為11.26 MPa時(C點)，聲發射信息消失。直到第2次循環加載進行到172s,應力13.31MPa時(E點)，又一次出現聲發射信息，FR=0.42，AR=1.18。第2次加載進行到321s,應力為76.44MPa(峰值強度的85.9%)時(F點)進行第2次卸載，卸載進行到469s,應力為10.19MPa時(G點)，聲發射信息又消失。在第3次加載進行到516 s,應力9.36 MPa時(I點)，出現聲發射信息，FR=0.15，AR=1.15。當第3次加載進行到711s,應力為89.0MPa(峰值強度)時(J點)，聲發射信息增加至最大值，第3次卸載進行到863 s,應力為9.38MPa時(K點)，聲發射信息消失。

表1給出煤樣M2，M4，M6三軸循環加卸載條件下Felicity比值FR、平靜效應比值AR，其中PR為峰值比值(上次循環最大應力與峰值強度的比值)。

表1循環加卸載時Felicity效應比值和平靜效應比值
Table1Felicityratioandcalmeffectratiowhencyclicloadingandunloading

煤樣PRFRARM20 8340 271 101 0000 221 00M40 6880 370 960 8420 300 94M60 3530 421 180 8590 151 15

從表1和圖3可以看出，煤樣循環加卸載過程中Felicity效應較明顯，Felicity比值FR遠小于1，大致分布在0.15～0.42，且隨著循環應力水平提高，FR值不斷降低，表明煤樣循環加卸載時聲發射記憶具有超前特征，這與文獻[19]變化趨勢大致相同。平靜效應比值AR與循環應力水平高低關系不大，分布在0.94～1.18，平均值為1.06。表明在上次卸載與加載之間存在平靜期。

對于節理裂隙發育的煤樣而言，Kaiser效應記憶效果較差，Felicity比值FR遠小于1，聲發射記憶具有超前特征。可以解釋為煤樣內部布滿原生微節理裂隙等微觀缺陷，在煤樣受循環載荷作用下裂紋擴展不僅受載荷控制，還受到原生微節理裂隙演化影響，當循環加載時應力能夠使原生節理裂隙擴展時，就會產生聲發射信息，這與完整性較好的巖石所檢測的現象相比有所不同，這給記錄煤樣受力過程帶來很大不確定性。而平靜效應記憶比較準確，表明煤樣無論是加載還是卸載，當應力低于某應力值時，煤樣內部不會產生微裂隙和滑移現象。可見采用Kaiser效應作為煤體穩定性檢測需謹慎。

3 結 論

(1)在常規三軸壓縮過程中聲發射能量、累計計數和累計能量隨時間變化趨勢基本一致，均能較好反映煤樣內部破壞過程，突變點在峰值應力的85%左右，可以作為判定煤樣破壞的前兆。

(2)在循環加卸載過程間隔出現聲發射信息，其能量、計數和幅值變化趨勢一致，與煤樣所受應力吻合，突變點在峰值應力的85%左右，峰值前沒有出現明顯平靜期。

(3)在循環加卸載過程中Felicity效應較明顯，Felicity不可逆比值FR遠小于1，隨著循環應力水平提高FR值不斷降低，表明循環加卸載過程的聲發射記憶具有超前特征，Kaiser效應的記憶效果較差，這給記錄煤樣受力過程帶來很大的不確定性，Kaiser效應作為煤體穩定性檢測需謹慎。

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Acousticemissioncharacteristicsofcoalspecimenundertriaxialcyclicloadingandunloading

HE Jun1，PAN Jie-nan2，WANG An-hu1

(1.SchoolofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China；2.SchoolofResources&Environment,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)

By using RMT-150B rock mechanics test equipment,the acoustic emission(AE)tests of coal specimen under conventional triaxial and triaxial cyclic loading and unloading were carried out,and AE characteristics of coal specimens under different loading situations was analyzed.The test results show that the AE mutation point in conventional triaxial compression process is substantial in about 85% of the peak stress,and AE count more accusatively responses to AE information in coal specimen deformation and failure process,which can be used as a precursor to determine the coal specimen failure.AE information occurs in the interval of cyclic loading and unloading process,and the change trends of energy,count and amplitude are same and coincide with the stress of the coal specimens.Felicity effect in the cyclic loading and unloading process is obvious,and the Felicity ratioFRis much less than 1.That theFRvalue continuously decreases with the cyclic stress level increasing shows the advance feature of AE memory in the cyclic loading and unloading process.The memory effect of Kaiser effect is poor,and Kaiser effect as the coal body stability index needs to be cautious.

triaxial compression;cyclic loading;acoustic emission；Kaiser effect；Felicity effect

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0159

國家自然科學基金資助項目(50904024,51274089)；河南省重點科技攻關資助項目(092102310315)

何 俊(1973—)，男，河南獲嘉人，副教授，博士。Tel:0391-3987436,E-mail:hejun@hpu.edu.cn

TD315

A

0253-9993(2014)01-0084-07

何 俊，潘結南，王安虎.三軸循環加卸載作用下煤樣的聲發射特征[J].煤炭學報,2014,39(1):84-90.

He Jun，Pan Jienan，Wang Anhu.Acoustic emission characteristics of coal specimen under triaxial cyclic loading and unloading[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):84-90.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0159