循環荷載作用下煤巖電荷感應與微震信號變化規律

趙揚鋒, 丁 玲, 劉玉春, 李 兵

(1.遼寧工程技術大學 力學與工程學院, 遼寧 阜新 123000; 2.遼寧省礦山沉陷災害防治重點實驗室,遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術大學 理學院, 遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

近年來,大量的深部地下工程項目投入建設當中,如錦屏二級水電站深埋長隧洞群開挖以及在地下1 000 m富水巖層中鑿井、采礦等,這些深部地下工程的開展經常會使煤巖頻繁承受周期性動力荷載,進而導致突水、沖擊地壓等動力災害的發生,嚴重威脅施工安全,周期性荷載引起的煤巖變形破裂已成為巖石領域的熱點問題[1]。煤巖動力災害發生時可通過監測煤巖變形破裂過程產生的物理信息,如微震、電荷感應、聲發射等對煤巖動力災害進行預警,因此開展循環加卸載實驗,研究煤巖變形破裂過程中的力學特征以及裂隙的產生、擴展和演變與電荷感應、微震信號波動變化之間的關系,對深部地下工程中煤巖動力災害的預警預測有重要意義。

目前微震監測技術已在水利水電、礦山、隧道等工程領域得到廣泛應用[2],關于煤巖變形破裂微震信號的研究,基本上是根據工程現場監測到的微震數據為基礎來進行的。蔣雄等[3]研究了兩河口水電站 5#、6#母線洞開挖過程中微震信號特征,認為通過分析微震信號中心頻率變化能夠提前識別和圈定破壞區域;徐奴文等[4]利用微震監測和現場調查評價了開挖過程中猴子巖水電站地下洞室群圍巖的穩定性,得出分析微震的時空演化規律可以識別和圈定地下洞室群巖石微破裂集中區及潛在風險區域;Feng等[5]在錦屏二級水電站的排水洞與引水隧洞構建了微震監測系統,并利用矩張量理論研究深埋隧洞的巖爆機制,得到了相應的微震活動性規律;趙永等[6]建立了基于微震反演裂隙的各向異性損傷模型,并應用到張馬屯鐵礦注漿帷幕突水通道分析中,確定了巖體采動誘發突水通道特征及其形成機理;許延春等[7]提出了一種基于微震監測的工作面底板突水全時空預警的方法,使得焦作、邯邢礦區多個工作面基于微震監測的底板突水預測結果更加準確;Tian等[8]采用傅立葉變換、小波包變換、希爾伯特-黃變換等方法深度分析微震信號,建立了基于權重決策的分析模型以對沖擊地壓多參數進行監測;Du等[9]采用微震監測系統對單結構面和多結構面巖爆孕育過程進行監測,分析了結構面上微震事件的空間分形特征及變化趨勢;Gai等[10]引入能量變異系數和兩個空間因子來研究微震事件的能量差和聚集特征,從而提出了一種評價動荷載沖擊下頂、底板巖層破壞的新方法。對于電荷感應信號方面的研究,潘一山等[11-13]對砂巖、泥巖及含瓦斯煤的失穩破壞過程進行了實時電荷監測,分析了不同加載速率、孔隙壓力和圍壓對煤巖電荷感應信號的影響規律,極大地推動了電荷感應監測技術的發展;趙揚鋒等[14-19]研究了單軸壓縮條件下不同類型、不同組合比例、不同傾角裂隙煤巖和三點彎曲下脆性巖石試樣以及斷層黏滑失穩的微震和電荷感應信號變化規律;楊玉龍等[20]、劉永杰等[21]、孔艷慧等[22]、張昕等[23]研究了煤巖摩擦過程中表面電位及其變化規律、頂板巖石失穩破壞過程中表面電位信號的臨界慢化特征、煤體吸附瓦斯過程表面電位特征規律以及突水過程中煤巖表面電位變化規律;李德行等[24]利用自主研制的礦用微電流監測儀對沖擊地壓煤礦回采工作面進行了現場測試,研究了回采過程中巷道內煤體微電流的空間分布規律和工作面前煤體微電流的時域響應規律,確定了煤體失穩破壞的微電流前兆特征;Tian等[25]對單軸壓縮巖石破壞過程中的電磁輻射和微震信號進行研究,分析了電磁輻射和微震的耦合效應,進一步闡明了巖石破裂誘發電磁輻射的機理;Luo等[26]建立了聲發射、電磁脈沖與荷載同步監測系統對單軸壓縮下煤巖破壞進行監測,定量評價了聲發射、電磁信號與應力突降的相關性以及聲發射和電磁信號的頻譜特征。目前,國內外探究煤巖失穩機理以及多參量前兆信息的試驗多基于單軸壓縮的加載方式,而對循環荷載下煤巖的電荷感應與微震信號變化特征鮮有報道。因此,本文采用自行研制的多通道電荷感應和微震監測系統,監測和分析在不等幅循環荷載作用下煤巖變形破裂過程電荷感應和微震信號的時、頻特性和能量特征,并與單軸壓縮實驗進行對比,從而形成有效的煤巖失穩預警判據。

2 試驗研究方法

2.1 試驗系統與試件

煤巖加載試驗與測試系統如圖1所示。試驗系統主要由加載及荷載-位移記錄系統、電磁屏蔽系統、多通道電荷感應與微震信號數據采集系統3個部分組成。加載系統采用MTS系列液壓萬能試驗機,加載速度為0.01 mm/s,試驗時選用位移加載控制方式。電荷感應和微震信號數據采集系統采用自行研制的多通道數據采集器,主要包括電荷與微震傳感器、A/D數字轉換器和數據采集器3個模塊。試驗時選用3個PSH-10B微震傳感器,其中一個豎直布置,另外兩個水平布置,傳感器互成直角,形成三維傳感器系統。電荷傳感器設置在試件相鄰3個側面的中部,正對試件表面,距表面約5 mm,電荷傳感器的原理可參見文獻[27]。試驗選用平頂山煤礦十一礦己四工作面的原煤、原巖,經切割加工后制成外觀均勻、端面平整的圓柱狀煤和砂巖試樣,并置于自然中至干燥狀態。選取表面無明顯缺陷的A組煤、C組砂巖試樣各4個進行加載,其中A1、A2和C1、C2為多級循環加載,A3、A4和C3、C4為單軸壓縮。

圖1 煤巖加載試驗與測試系統示意圖

2.2 試驗步驟

試驗時,按照以下步驟進行:

(1)按圖1所示連接儀器,調整多通道采集系統。

(2)將試件置于屏蔽筒內中心位置,利用絕緣紙將試件與壓力機底座和壓頭隔絕,并用銅網包裹屏蔽筒。

(3)調節荷載-位移數據采集系統,設置加載速率;調節電荷感應與微震信號采集系統,設置采樣頻率,同時啟動各采集系統,以確保數據同步。

(4)對8個試件分別進行單軸壓縮或多級循環加、卸載。

(5)試驗開始時,先啟動MTS壓力機,再啟動電荷感應與微震信號采集系統。試驗結束時,先關閉數據采集系統,然后再停止MTS壓力機,以減少信號干擾。

3 試驗結果與分析

以煤巖試件為對象開展了8組多參量監測試驗,篇幅所限,僅選取其中具有代表性的監測數據進行研究。

3.1 力學特性分析

表1為各試樣的試驗參數表,圖2為不同加載方式下煤巖的應力-應變曲線。圖2(a)、2(b)為循環荷載下A1煤樣、C1砂巖的應力-應變曲線,圖2(c)、2(d)為單軸壓縮下A3煤樣、C3砂巖的應力-應變曲線。

表1 試樣試驗參數

圖2 不同加載方式下煤和砂巖試樣的應力-應變曲線

由圖2(a)、2(b)可知,在循環加、卸載過程中,煤巖應力-應變曲線出現明顯的滯回效應,加、卸載路徑不能完全重合,形成多個滯回環,并且隨著不可逆塑性變形逐漸累積,滯回環不斷向后遷移[28]。循環荷載下煤巖在達到抗壓強度前有多次應力調整,當應力未達到或接近抗壓強度時,煤巖尚未破裂,應力會迅速減小,只有當應力超過抗壓強度一定程度時才會發生“階梯式”失穩破壞。在圖2(c)、2(d)中,單軸壓縮下煤巖在達到抗壓強度后才首次進行應力調整,峰后曲線基本呈垂直跌落趨勢,煤巖試件瞬間發生失穩破壞,應變脆性特征明顯。

圖3為不同加載方式下煤巖試件破壞實物圖。綜合表1和圖2、3可知,單軸壓縮下煤樣和砂巖的最大抗壓強度分別為 14.2、27.3 MPa,多級循環荷載作用下煤樣和砂巖的最大抗壓強度分別為 12.4、25.2 MPa;單軸壓縮下煤樣呈塊狀劈裂破壞,循環荷載下煤樣呈多裂紋貫穿劈裂破壞,單軸壓縮下砂巖呈整體劈裂破壞,循環荷載下砂巖呈局部劈裂破壞。隨著循環荷載的不等幅加載,試件的抗壓強度降低,循環荷載會改變煤巖的力學特征和變形破壞特征,每個循環曲線都會損耗煤巖體內部能量,促使裂紋的發育和擴展,破壞形式由突然失穩破壞向漸進破壞轉變。

圖3 不同加載方式下煤和砂巖試樣破壞實物圖

3.2 微震與電荷感應時域特征分析

圖4、5分別為循環荷載下煤樣和砂巖的應力、電荷感應和微震信號監測結果,電荷感應信號為1、2、3號通道,微震信號為5、6、7號通道,其中6號微震傳感器垂直放置。將圖4(a)、5(a)的應力-時間曲線劃分為5個階段。

圖4 循環荷載下煤樣的應力、電荷感應和微震信號監測結果 圖5 循環荷載下砂巖的應力、電荷感應和微震信號監測結果

將圖4(a)應力-時間曲線的5個階段對應圖4(b)、4(c)可知,循環加載初期,煤樣處于壓密階段(AB),煤樣內部微裂隙受力閉合,產生微弱的微震信號; 彈性階段 (BC),煤樣發生彈性變形,內部裂隙發育不明顯,隨著應力的增加煤樣持續產生小于5 pC非常微弱的電荷感應信號。彈性階段后期(CD),煤樣內部原生裂隙開始擴展,新生微裂紋萌生并逐漸開始發育,257.7 s(42%σc,σc為抗壓強度)時,電荷傳感器所對的3個側面均首次出現電荷感應信號,3號通道有幅值為25 pC的電荷感應信號產生,并且也有較大幅值的微震信號出現。強化損傷階段(DE),第4次循環加載時煤樣處于強化損傷階段中期,此階段塑性變形加劇,煤樣內部累積損傷增加,有較小幅值的電荷感應與微震信號產生。在400.0 s(70.5%σc)時應力發生突變,塑性變形和損傷累計區域擴大,微裂紋壓剪滑動變形并不斷延伸,繼而出現大幅值的電荷感應與微震信號, 此時2號通道電荷感應幅值最大,達到50 pC,1號通道電荷感應幅值最小,僅為3 pC,3號通道電荷感應幅值為17 pC,5、6號通道微震信號的幅值為5.7×10-3m/s。在第4次循環加載后,有兩次小的應力調整,5、6號通道有幅值為2.3×10-3m/s的微震信號產生,電荷感應信號微弱,微裂隙匯合貫通后應力繼續增加。強化損傷階段后期有較多高幅值電荷感應與微震信號,信號形式多為單個脈沖信號,隨著荷載的增加,大量裂隙發育、貫通,直至形成主破裂,煤樣的承載能力達到峰值 E 點。峰后軟化階段(EF),煤樣在峰前聚積了大量的彈性能,當荷載一旦超過了抗壓強度,煤樣就會進入峰后軟化階段并釋放更大的能量,3側面均有幅值為50 pC的電荷感應信號和6.0×10-3m/s的微震信號產生,該階段所產生的微震和電荷感應信號事件數多、強度大、同步性強、具有高幅值振蕩現象。達峰值強度后大量裂縫面間的充分咬合使得試件破而不碎,仍具有一定的殘余承載能力,殘余承載結構內部裂隙繼續發育,應力逐級跌落,失穩破壞持續時間較長,在峰后軟化階段至試件產生多裂紋貫穿劈裂破壞前,1號通道的電荷感應信號更加頻發,呈現出脈沖信號的振蕩現象,但峰值僅為23 pC,并非最大,此過程為危險易發區域,易被誤判。

由前文分析可知:每個循環加載過程中煤樣的荷載變化與電荷感應和微震信號的波動之間有良好的對應關系。隨著每一次加、卸載的進行,在微裂隙壓密閉合、發育擴展、連接貫通的各個階段,均伴有不可逆變形的增加以及損傷變量的增大,從而局部破壞區域會以應力波的形式釋放能量,產生高幅值的微震信號,并且由于裂隙間發生摩擦錯動時會瞬間發生電子轉移,產生急劇增大的電荷感應信號。但當荷載在達到某值后進行卸載時,裂隙展開,逐漸趨于穩定的微震和電荷感應信號便會再次發生突變,所以當電荷感應和微震信號出現突變-平穩-突變的周期變化時,可以推斷煤樣完成了一次循環加、卸載過程。該結論與文獻[29]類似,文獻[29]中是利用聲發射和電荷信號周期變化次數來預測采動巖體經歷的分級和循環加、卸載次數。因此,通過分析多通道采集獲取的微震和電荷感應信號的周期性變化,可對煤樣所處應力階段進行預測。

在常規認識中,通常認為材料的損傷只發生在加載階段,但根據上述試驗結果可以看出,在各個加、卸載過程中強信號幾乎遍布卸載階段,這就意味著對于類似于煤這種內部微破裂繁多,并且以微裂紋起裂為主要損傷形式的材料而言,在循環卸載段反而有更多損傷或者微破裂事件出現,其原因是煤直接加載至抗壓強度所用的時間往往較短,留給煤樣內部損傷累積的時間很少,裂紋的貫通幾乎是瞬間完成的。而在卸載時群體微裂紋有足夠時間發生多層次、多維度的連接和貫通,從而更易形成復雜的多裂縫系統,并且微裂紋附近區域應力集中程度較大,應變能密度也顯著高于其他區域,多裂縫系統出現反向滑動時,應變能則會大量釋放[30],從而產生大量電荷感應與微震信號,循環卸載段所產生的損傷對煤的強度劣化起著重要作用。

由圖5(a)、5(b)可知,354.1 s(40.4%σc)時,3號通道處有較大幅值的電荷感應信號產生,幅值為21 pC, 2號通道的電荷信號幅值為9 pC,而1號通道信號微小; 375.1s(35.6%σc)時,2號通道有較大幅值的電荷感應信號產生,幅值為22 pC;在555.4 s砂巖失穩破壞時,3個側面均出現幅值為50 pC電荷感應信號;578.2 s(54.7%σc)時,1、3號通道電荷感應信號幅值最大,達到50 pC,2號通道電荷感應信號幅值最小,僅為4 pC。與循環荷載作用下煤樣電荷感應信號的變化規律相比,砂巖試件在循環加卸載初期沒有明顯的電荷感應信號產生,這是因為砂巖不含石英等壓電材料,其電荷信號產生的主要原因是微裂隙尖端放電以及微裂隙間摩擦錯動,故只在354.1與375.1 s(裂紋擴展)、555.4 與578.2 s(失穩破壞)時有電荷感應信號產生。

對應圖5(a)、5(c)可知,微震信號在354.1、555.4 s(應力最大值處)與578.2 s時,3個通道均有振動速度為6×10-3m/s的微震信號產生。循環荷載作用下砂巖試件的應力-時間曲線在壓密階段(AB)、彈性階段(BC)變化平緩,強化損傷階段(DE)時間較長,峰后軟化階段(EF)時間很短,試件發生瞬時局部塊狀劈裂破壞時,曲線瞬間跌落,裂隙多維度貫通,電荷感應和微震信號明顯增強,并且電荷感應與微震信號的變化與應力之間的協同性增強。在整個破壞過程中煤樣的微震與電荷信號較砂巖更豐富、幅值更大,其首次高幅值微震與電荷感應信號也早于砂巖試件。

圖6、7分別為單軸壓縮下煤樣和砂巖的應力、電荷感應和微震信號監測結果,同樣將圖6(a)、7(a)的應力-時間曲線劃分為5個階段。

圖6 單軸壓縮下煤樣的應力、電荷感應和微震信號監測結果 圖7 單軸壓縮下砂巖的應力、電荷感應和微震信號監測結果

由圖6可知,煤樣在257.8 s(84%σc)時,2號通道首次接收到幅值為32 pC的電荷感應信號;煤樣在268. 0s(100%σc)時失穩破壞,3個通道同時出現高幅值的電荷感應信號,之后進入平靜期;在286.0 s(71.4%σc) 時3通道同時接收到高幅值的電荷感應信號,其最大值為50 pC,之后平靜期縮短,3個通道有間斷的同步和非同步電荷感應信號,其原因是峰后結構面持續破壞,不間斷地有裂隙貫通,電荷感應信號主要集中在峰后軟化階段。124.0 s(25%σc)時,在5號通道首次接收到9.5×10-4m/s的微震信號;268.0、286.0、293.3(59.4%σc)和306.0 s(32%σc)應力突變處3個通道有同步高幅值微震信號,其最大值為6.0×10-3m/s,微震信號與應力的突變有較好的一致性。電荷信號與微震信號在268.0、286.0、306.0 s等均有同步信號,表明微震與電荷信號之間有很好的相關性。

由圖7可知,在236.4 s(54%σc)時,砂巖電荷傳感器首次接收到明顯幅值的同步電荷信號;在274.5～281.7 s之間有間斷的、幅值較小的電荷信號,其中在275.7(93%σc)、279.8 s(97%σc)時,3個通道有同步電荷感應信號。236.4 s首次同步出現高幅值微震信號,幅值為5.8×10-3m/s,246.9 s(61%σc)時再次出現同步微震信號,其幅值最大為3.9×10-3m/s,在275.7、281.5 s(92%σc)時,微震信號幅值最大為6.0×10-3m/s。在236.4、275.7和279.8 s時,電荷感應信號均同步于微震信號且幅值較大。

根據圖6、7 可得出電荷感應、微震信號與單軸壓縮下煤巖應力階段主要具有以下對應關系:峰值前高幅值信號產生較少,首次明顯幅值的電荷感應與微震信號產生與應力突降相對應;峰值時刻具有顯著的高幅值信號,在峰后軟化階段應力突降時均有明顯的高幅值電荷信號產生;最終失穩時刻應力大幅跌落,將集聚的能量迅速大量釋放,產生了整個受載過程中電荷感應和微震信號的最大值。

將煤巖在單軸壓縮和循環荷載下的監測結果進行對比,單軸壓縮下煤巖的電荷感應與微震信號主要集中在峰后軟化階段,而循環荷載下煤巖各加載階段均有明顯的電荷感應與微震信號產生,進一步說明了煤巖在循環荷載下的破壞是一個損傷累積的過程,每個分級循環過程都對應有微裂紋的壓密閉合和新裂紋的進一步萌生擴展、連接貫通,從而產生部分不可逆變形,其內部能量以表面能與塑性能的形式釋放出來。因此,相較于能量瞬間集聚釋放的單軸壓縮,循環荷載下的煤巖在每個加載階段都會產生豐富的電荷感應與微震信號,更具研究價值。

不同加載方式下煤巖的電荷量累計曲線如圖 8、9 所示。由圖8(a)和9(a)可知,循環荷載下煤的電荷量積累曲線在彈性階段后期開始呈臺階式增加,并且由于循環荷載使煤樣內部的裂隙得到充分的發展,之后各個階段都有顯著的臺階式電荷累計;單軸壓縮下煤樣電荷量積累量表現為從峰后軟化階段開始急劇增加,突變期延后,說明峰前階段煤樣內部損傷并沒有充分發育擴展,而是在達到抗壓強度后瞬間形成宏觀裂縫發生失穩破壞,高幅值脈沖數量突增。由圖8(b)和9(b)可知,循環荷載下的砂巖電荷量累計曲線與單軸壓縮下砂巖電荷量累計曲線的走勢大致相同,總體表現為:在加載初期電荷量增幅平緩,在彈性后期有應力突降時躍增,在劈裂破壞時電荷量在極短的時間內達到最大值。

圖8 循環荷載下煤巖的電荷量累積曲線

圖9 單軸壓縮下煤巖的電荷量累積曲線

3.3 微震信號頻域特征分析

由上節分析可知,循環荷載下煤巖在各階段均有高幅值的微震信號產生,而單軸壓縮下的煤巖只有發生應力突降時才會產生高幅值微震信號,且應力突降多發生在峰后軟化階段,故選用A1、C1煤樣6號通道數據做不同時間階段的微震頻譜圖。圖10為多級循環加、卸載過程中A1煤樣6號通道的微震信號頻譜圖;圖11為單軸壓縮過程中C1煤樣6號通道的微震信號頻譜圖,圖中σ/σc為各事件開始觸發時刻的應力水平。

圖10 煤樣循環加載過程中不同階段的微震信號頻譜圖

圖11 煤樣單軸壓縮過程中不同階段的微震信號頻譜圖

由圖10可知,在壓密、彈性階段,煤樣內部裂隙和孔隙較多,隨著荷載的增加,裂隙與孔隙閉合產生微弱的微震事件,所以此階段微震信號主頻較低。第2次加載時煤樣處于彈性階段后期,內部裂隙開始擴展,此時微震信號主頻幅值增大,最大幅值達到272 μm/s。第2次卸載初期煤樣彈性能釋放,這時微震活動短暫增強,微震主頻相對幅值也隨之增大,達到281 μm/s,主頻大小為20～60 Hz,而隨著荷載的減小,主頻相對幅值也呈現出減小的趨勢, 第2次卸載后期主頻幅值減小到76 μm/s。隨著第4次循環加、卸載的進行,煤樣步入強化損傷階段中期,此階段煤樣變形加劇,煤樣的變形破裂呈陣發、非連續狀態,不同裂隙匯合、貫通、破裂所產生的微震頻率各不相同,從而使主頻帶變寬并出現次主頻,頻譜在20～80 Hz集中分布,微震強度有增強的趨勢,高頻微震信號增多,主頻幅值增大,最大幅值達到761 μm/s。進入峰后軟化階段時,煤樣內部已經形成的大量微裂紋開始匯合、貫通,隨著荷載增加、變形加速,即使保持恒載也會產生形變,此階段微震事件數增多,振幅增大,具有高幅值的特點,主頻信號最大幅值達到868 μm/s。峰后軟化階段后期,主頻信號幅值為179 μm/s,高幅值減小,主頻帶變窄,次主頻逐漸消失。煤樣在循環荷載作用下微震信號頻譜幅值呈現出彈性變形階段先升后降、強化損傷階段上升、峰后軟化階段持續上升后下降的變化規律。

由圖11可知,彈性階段微震信號主頻較低、幅值較小,主頻最大幅值僅為63 μm/s;強化損傷階段微震信號主頻幅值持續上升,最大幅值達到260 μm/s,并出現次主頻;峰后軟化階段微震信號主頻幅值增幅最大,主頻信號幅值達到418 μm/s后逐漸減小,該階段出現高值現象,次主頻逐漸消失。

由此可見,微震信號頻譜的階段特征及變化規律能夠很好地反映煤樣內部的應力狀態,在不同加載方式下煤樣的整個變形破裂過程中,主頻率是不斷發生變化的,但均具有低頻的特點,微震信號主頻幅值的增大與微震信號的增強具有同步性。因此,微震信號的頻域特征可以作為探究煤樣失穩破壞的判據。

3.4 微震與電荷感應信號的能量分析

試驗監測到的電荷感應和微震信號為隨機波動信號,均方值可以表示信號的強度,代表了信號的能量。圖12 為不同加載方式下煤巖微震與電荷感應信號的均方值圖,其中微震信號為6號通道,電荷感應信號為2號通道。

圖12 不同加載方式下煤巖微震與電荷信號均方值

由圖12(a)、12(b)可知,循環荷載下煤巖的疲勞損傷是一個不可逆的非均質能量耗散過程,在壓密、彈性階段煤巖產生的電荷感應和微震信號事件數較少,257.7s(煤樣)和354.1 s(砂巖)的能量釋放均與應力突降相對應,信號能量主要分布在強化損傷階段與峰后軟化階段。不同循環加、卸載階段試件能量的釋放均與應力突降有較好的一致性,應力突降會導致更多損傷或者微破裂事件出現,由此產生的電荷感應和微震信號也會更加豐富,且幅值更大,信號能量也更大,煤樣最大微震信號均方值為1.74×10-5,最大電荷感應信號均方值為1 351;砂巖最大微震信號均方值為1.98×10-5,最大電荷感應信號均方值為508。由圖12(c)、12(d)可知,單軸壓縮下煤巖的信號能量主要分布在峰后軟化階段,煤樣最大微震信號均方值為2.16×10-5,最大電荷感應信號均方值為846;砂巖最大微震信號均方值為2.15×10-5,最大電荷感應信號均方值為849,微震和電荷感應信號均在應力突降時有較大的信號值產生,這同樣表明微震和電荷感應信號與應力突降有較好的一致性。

4 煤巖失穩破壞的前兆特征

電荷感應與微震信號的變化特征與煤巖的受載階段有良好的一致性,將兩種信號相互補充對煤巖的受載階段進行綜合分析和劃定,可提高預測的準確性。通過分析循環荷載作用下煤巖的力學性質以及電荷感應與微震信號的變化特征,提出以下煤巖失穩破壞的前兆特征:

(1)通過分析電荷感應與微震信號時域特征可知,電荷感應與微震信號的周期性以及高幅值信號的密集程度可以預測煤巖體所處的應力階段。電荷感應和微震信號出現突變-平穩-突變的周期變化時,可以推斷煤巖完成了一次循環、加卸載;在每個循環加、卸載過程中又可以由較強信號的出現來判斷煤巖體處于卸載階段;當非周期性且事件數最多、強度最大、同步性最強、高值振蕩現象的脈沖微震和電荷感應信號同時出現時,可判定試件即將由強化損傷階段末期進入峰后軟化階段。不同于常規單軸壓縮,循環荷載下煤樣在發生多裂紋貫穿劈裂破壞前會頻繁出現峰值較小的電荷感應信號,預警過程中需警惕此類信號。

(2)通過分析微震信號頻域特征可知,當微震信號主頻幅值較低、頻譜分布均勻時,說明煤樣處于彈性階段;微震信號頻譜主頻相對幅值較高、主頻帶變寬、次主頻出現、頻譜從均勻分布轉變為低頻集中分布時,可以認為煤樣處于強化損傷階段;微震信號主頻帶變窄、次主頻消失、頻譜集中在低頻區域時,可以判斷煤樣處于峰后軟化階段。

5 結 論

(1)循環荷載下煤巖電荷感應和微震信號在不同受載階段各具特點,信號的時域特征總體表現為隨裂隙發育程度的提高信號幅值明顯增加,特別是與加載段相比,在卸載段反而有更多的高幅值電荷感應與微震信號出現。

(2)循環荷載作用下煤樣破壞過程中微震信號的頻譜變化規律與煤樣內部裂隙的擴展狀態有較好的對應性,且微震信號主頻幅值的增高與微震信號的增強具有同步性。單軸壓縮下煤樣微震信號的頻譜也具有相同特征。

(3)電荷感應與微震信號的變化特征與煤巖的受載階段有良好的一致性,通過多通道采集的電荷感應與微震信號可以很好地劃定煤巖的受載階段,避免了單個采集方法的信息損失遺漏,從而得到更加準確的煤巖失穩預警信息。