循環(huán)荷載作用下煤巖電荷感應(yīng)與微震信號(hào)變化規(guī)律

趙揚(yáng)鋒, 丁 玲, 劉玉春, 李 兵

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000; 2.遼寧省礦山沉陷災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院, 遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

近年來(lái),大量的深部地下工程項(xiàng)目投入建設(shè)當(dāng)中,如錦屏二級(jí)水電站深埋長(zhǎng)隧洞群開(kāi)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(kāi)展經(jīng)常會(huì)使煤巖頻繁承受周期性動(dòng)力荷載,進(jìn)而導(dǎo)致突水、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生,嚴(yán)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(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生時(shí)可通過(guò)監(jiān)測(cè)煤巖變形破裂過(guò)程產(chǎn)生的物理信息,如微震、電荷感應(yīng)、聲發(fā)射等對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警,因此開(kāi)展循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn),研究煤巖變形破裂過(guò)程中的力學(xué)特征以及裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展和演變與電荷感應(yīng)、微震信號(hào)波動(dòng)變化之間的關(guān)系,對(duì)深部地下工程中煤巖動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)警預(yù)測(cè)有重要意義。

目前微震監(jiān)測(cè)技術(shù)已在水利水電、礦山、隧道等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2],關(guān)于煤巖變形破裂微震信號(hào)的研究,基本上是根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的微震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行的。蔣雄等[3]研究了兩河口水電站 5#、6#母線(xiàn)洞開(kāi)挖過(guò)程中微震信號(hào)特征,認(rèn)為通過(guò)分析微震信號(hào)中心頻率變化能夠提前識(shí)別和圈定破壞區(qū)域;徐奴文等[4]利用微震監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查評(píng)價(jià)了開(kāi)挖過(guò)程中猴子巖水電站地下洞室群圍巖的穩(wěn)定性,得出分析微震的時(shí)空演化規(guī)律可以識(shí)別和圈定地下洞室群巖石微破裂集中區(qū)及潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域;Feng等[5]在錦屏二級(jí)水電站的排水洞與引水隧洞構(gòu)建了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并利用矩張量理論研究深埋隧洞的巖爆機(jī)制,得到了相應(yīng)的微震活動(dòng)性規(guī)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(yīng)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(dòng)誘發(fā)突水通道特征及其形成機(jī)理;許延春等[7]提出了一種基于微震監(jiān)測(cè)的工作面底板突水全時(shí)空預(yù)警的方法,使得焦作、邯邢礦區(qū)多個(gè)工作面基于微震監(jiān)測(cè)的底板突水預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)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(hào),建立了基于權(quán)重決策的分析模型以對(duì)沖擊地壓多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè);Du等[9]采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)單結(jié)構(gòu)面和多結(jié)構(gòu)面巖爆孕育過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析了結(jié)構(gòu)面上微震事件的空間分形特征及變化趨勢(shì);Gai等[10]引入能量變異系數(shù)和兩個(gè)空間因子來(lái)研究微震事件的能量差和聚集特征,從而提出了一種評(píng)價(jià)動(dòng)荷載沖擊下頂、底板巖層破壞的新方法。對(duì)于電荷感應(yīng)信號(hào)方面的研究,潘一山等[11-13]對(duì)砂巖、泥巖及含瓦斯煤的失穩(wěn)破壞過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)電荷監(jiān)測(cè),分析了不同加載速率、孔隙壓力和圍壓對(duì)煤巖電荷感應(yīng)信號(hào)的影響規(guī)律,極大地推動(dòng)了電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展;趙揚(yáng)鋒等[14-19]研究了單軸壓縮條件下不同類(lèi)型、不同組合比例、不同傾角裂隙煤巖和三點(diǎn)彎曲下脆性巖石試樣以及斷層黏滑失穩(wěn)的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)變化規(guī)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(guò)程中表面電位及其變化規(guī)律、頂板巖石失穩(wěn)破壞過(guò)程中表面電位信號(hào)的臨界慢化特征、煤體吸附瓦斯過(guò)程表面電位特征規(guī)律以及突水過(guò)程中煤巖表面電位變化規(guī)律;李德行等[24]利用自主研制的礦用微電流監(jiān)測(cè)儀對(duì)沖擊地壓煤礦回采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,研究了回采過(guò)程中巷道內(nèi)煤體微電流的空間分布規(guī)律和工作面前煤體微電流的時(shí)域響應(yīng)規(guī)律,確定了煤體失穩(wěn)破壞的微電流前兆特征;Tian等[25]對(duì)單軸壓縮巖石破壞過(guò)程中的電磁輻射和微震信號(hào)進(jìn)行研究,分析了電磁輻射和微震的耦合效應(yīng),進(jìn)一步闡明了巖石破裂誘發(fā)電磁輻射的機(jī)理;Luo等[26]建立了聲發(fā)射、電磁脈沖與荷載同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)單軸壓縮下煤巖破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè),定量評(píng)價(jià)了聲發(fā)射、電磁信號(hào)與應(yīng)力突降的相關(guān)性以及聲發(fā)射和電磁信號(hào)的頻譜特征。目前,國(guó)內(nèi)外探究煤巖失穩(wěn)機(jī)理以及多參量前兆信息的試驗(yàn)多基于單軸壓縮的加載方式,而對(duì)循環(huán)荷載下煤巖的電荷感應(yīng)與微震信號(hào)變化特征鮮有報(bào)道。因此,本文采用自行研制的多通道電荷感應(yīng)和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)和分析在不等幅循環(huán)荷載作用下煤巖變形破裂過(guò)程電荷感應(yīng)和微震信號(hào)的時(shí)、頻特性和能量特征,并與單軸壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,從而形成有效的煤巖失穩(wěn)預(yù)警判據(jù)。

2 試驗(yàn)研究方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試件

煤巖加載試驗(yàn)與測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載及荷載-位移記錄系統(tǒng)、電磁屏蔽系統(tǒng)、多通道電荷感應(yīng)與微震信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個(gè)部分組成。加載系統(tǒng)采用MTS系列液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),加載速度為0.01 mm/s,試驗(yàn)時(shí)選用位移加載控制方式。電荷感應(yīng)和微震信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自行研制的多通道數(shù)據(jù)采集器,主要包括電荷與微震傳感器、A/D數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集器3個(gè)模塊。試驗(yàn)時(shí)選用3個(gè)PSH-10B微震傳感器,其中一個(gè)豎直布置,另外兩個(gè)水平布置,傳感器互成直角,形成三維傳感器系統(tǒng)。電荷傳感器設(shè)置在試件相鄰3個(gè)側(cè)面的中部,正對(duì)試件表面,距表面約5 mm,電荷傳感器的原理可參見(jiàn)文獻(xiàn)[27]。試驗(yàn)選用平頂山煤礦十一礦己四工作面的原煤、原巖,經(jīng)切割加工后制成外觀(guān)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(tài)。選取表面無(wú)明顯缺陷的A組煤、C組砂巖試樣各4個(gè)進(jìn)行加載,其中A1、A2和C1、C2為多級(jí)循環(huán)加載,A3、A4和C3、C4為單軸壓縮。

圖1 煤巖加載試驗(yàn)與測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)時(shí),按照以下步驟進(jìn)行:

(1)按圖1所示連接儀器,調(diào)整多通道采集系統(tǒng)。

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

(3)調(diào)節(jié)荷載-位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),設(shè)置加載速率;調(diào)節(jié)電荷感應(yīng)與微震信號(hào)采集系統(tǒng),設(shè)置采樣頻率,同時(shí)啟動(dòng)各采集系統(tǒng),以確保數(shù)據(jù)同步。

(4)對(duì)8個(gè)試件分別進(jìn)行單軸壓縮或多級(jí)循環(huán)加、卸載。

(5)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),先啟動(dòng)MTS壓力機(jī),再啟動(dòng)電荷感應(yīng)與微震信號(hào)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),先關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),然后再停止MTS壓力機(jī),以減少信號(hào)干擾。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以煤巖試件為對(duì)象開(kāi)展了8組多參量監(jiān)測(cè)試驗(yàn),篇幅所限,僅選取其中具有代表性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

3.1 力學(xué)特性分析

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

表1 試樣試驗(yàn)參數(shù)

圖2 不同加載方式下煤和砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

由圖2(a)、2(b)可知,在循環(huán)加、卸載過(guò)程中,煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯的滯回效應(yīng),加、卸載路徑不能完全重合,形成多個(gè)滯回環(huán),并且隨著不可逆塑性變形逐漸累積,滯回環(huán)不斷向后遷移[28]。循環(huán)荷載下煤巖在達(dá)到抗壓強(qiáng)度前有多次應(yīng)力調(diào)整,當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到或接近抗壓強(qiáng)度時(shí),煤巖尚未破裂,應(yīng)力會(huì)迅速減小,只有當(dāng)應(yīng)力超過(guò)抗壓強(qiáng)度一定程度時(shí)才會(huì)發(fā)生“階梯式”失穩(wěn)破壞。在圖2(c)、2(d)中,單軸壓縮下煤巖在達(dá)到抗壓強(qiáng)度后才首次進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整,峰后曲線(xiàn)基本呈垂直跌落趨勢(shì),煤巖試件瞬間發(fā)生失穩(wěn)破壞,應(yīng)變脆性特征明顯。

圖3為不同加載方式下煤巖試件破壞實(shí)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(qiáng)度分別為 14.2、27.3 MPa,多級(jí)循環(huán)荷載作用下煤樣和砂巖的最大抗壓強(qiáng)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(huán)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(huán)荷載下砂巖呈局部劈裂破壞。隨著循環(huán)荷載的不等幅加載,試件的抗壓強(qiáng)度降低,循環(huán)荷載會(huì)改變煤巖的力學(xué)特征和變形破壞特征,每個(gè)循環(huán)曲線(xiàn)都會(huì)損耗煤巖體內(nèi)部能量,促使裂紋的發(fā)育和擴(kuò)展,破壞形式由突然失穩(wěn)破壞向漸進(jìn)破壞轉(zhuǎn)變。

圖3 不同加載方式下煤和砂巖試樣破壞實(shí)物圖

3.2 微震與電荷感應(yīng)時(shí)域特征分析

圖4、5分別為循環(huán)荷載下煤樣和砂巖的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果,電荷感應(yīng)信號(hào)為1、2、3號(hào)通道,微震信號(hào)為5、6、7號(hào)通道,其中6號(hào)微震傳感器垂直放置。將圖4(a)、5(a)的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)劃分為5個(gè)階段。

圖4 循環(huán)荷載下煤樣的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果 圖5 循環(huán)荷載下砂巖的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果

將圖4(a)應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)的5個(gè)階段對(duì)應(yīng)圖4(b)、4(c)可知,循環(huán)加載初期,煤樣處于壓密階段(AB),煤樣內(nèi)部微裂隙受力閉合,產(chǎn)生微弱的微震信號(hào); 彈性階段 (BC),煤樣發(fā)生彈性變形,內(nèi)部裂隙發(fā)育不明顯,隨著應(yīng)力的增加煤樣持續(xù)產(chǎn)生小于5 pC非常微弱的電荷感應(yīng)信號(hào)。彈性階段后期(CD),煤樣內(nèi)部原生裂隙開(kāi)始擴(kuò)展,新生微裂紋萌生并逐漸開(kāi)始發(fā)育,257.7 s(42%σc,σc為抗壓強(qiáng)度)時(shí),電荷傳感器所對(duì)的3個(gè)側(cè)面均首次出現(xiàn)電荷感應(yīng)信號(hào),3號(hào)通道有幅值為25 pC的電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生,并且也有較大幅值的微震信號(hào)出現(xiàn)。強(qiáng)化損傷階段(DE),第4次循環(huán)加載時(shí)煤樣處于強(qiáng)化損傷階段中期,此階段塑性變形加劇,煤樣內(nèi)部累積損傷增加,有較小幅值的電荷感應(yīng)與微震信號(hào)產(chǎn)生。在400.0 s(70.5%σc)時(shí)應(yīng)力發(fā)生突變,塑性變形和損傷累計(jì)區(qū)域擴(kuò)大,微裂紋壓剪滑動(dòng)變形并不斷延伸,繼而出現(xiàn)大幅值的電荷感應(yīng)與微震信號(hào), 此時(shí)2號(hào)通道電荷感應(yīng)幅值最大,達(dá)到50 pC,1號(hào)通道電荷感應(yīng)幅值最小,僅為3 pC,3號(hào)通道電荷感應(yīng)幅值為17 pC,5、6號(hào)通道微震信號(hào)的幅值為5.7×10-3m/s。在第4次循環(huán)加載后,有兩次小的應(yīng)力調(diào)整,5、6號(hào)通道有幅值為2.3×10-3m/s的微震信號(hào)產(chǎn)生,電荷感應(yīng)信號(hào)微弱,微裂隙匯合貫通后應(yīng)力繼續(xù)增加。強(qiáng)化損傷階段后期有較多高幅值電荷感應(yīng)與微震信號(hào),信號(hào)形式多為單個(gè)脈沖信號(hào),隨著荷載的增加,大量裂隙發(fā)育、貫通,直至形成主破裂,煤樣的承載能力達(dá)到峰值 E 點(diǎn)。峰后軟化階段(EF),煤樣在峰前聚積了大量的彈性能,當(dāng)荷載一旦超過(guò)了抗壓強(qiáng)度,煤樣就會(huì)進(jìn)入峰后軟化階段并釋放更大的能量,3側(cè)面均有幅值為50 pC的電荷感應(yīng)信號(hào)和6.0×10-3m/s的微震信號(hào)產(chǎn)生,該階段所產(chǎn)生的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)事件數(shù)多、強(qiáng)度大、同步性強(qiáng)、具有高幅值振蕩現(xiàn)象。達(dá)峰值強(qiáng)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(jié)構(gòu)內(nèi)部裂隙繼續(xù)發(fā)育,應(yīng)力逐級(jí)跌落,失穩(wěn)破壞持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),在峰后軟化階段至試件產(chǎn)生多裂紋貫穿劈裂破壞前,1號(hào)通道的電荷感應(yīng)信號(hào)更加頻發(fā),呈現(xiàn)出脈沖信號(hào)的振蕩現(xiàn)象,但峰值僅為23 pC,并非最大,此過(guò)程為危險(xiǎn)易發(fā)區(qū)域,易被誤判。

由前文分析可知:每個(gè)循環(huán)加載過(guò)程中煤樣的荷載變化與電荷感應(yīng)和微震信號(hào)的波動(dòng)之間有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著每一次加、卸載的進(jìn)行,在微裂隙壓密閉合、發(fā)育擴(kuò)展、連接貫通的各個(gè)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(qū)域會(huì)以應(yīng)力波的形式釋放能量,產(chǎn)生高幅值的微震信號(hào),并且由于裂隙間發(fā)生摩擦錯(cuò)動(dòng)時(shí)會(huì)瞬間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,產(chǎn)生急劇增大的電荷感應(yīng)信號(hào)。但當(dāng)荷載在達(dá)到某值后進(jìn)行卸載時(shí),裂隙展開(kāi),逐漸趨于穩(wěn)定的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)便會(huì)再次發(fā)生突變,所以當(dāng)電荷感應(yīng)和微震信號(hào)出現(xiàn)突變-平穩(wěn)-突變的周期變化時(shí),可以推斷煤樣完成了一次循環(huán)加、卸載過(guò)程。該結(jié)論與文獻(xiàn)[29]類(lèi)似,文獻(xiàn)[29]中是利用聲發(fā)射和電荷信號(hào)周期變化次數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)采動(dòng)巖體經(jīng)歷的分級(jí)和循環(huán)加、卸載次數(shù)。因此,通過(guò)分析多通道采集獲取的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)的周期性變化,可對(duì)煤樣所處應(yīng)力階段進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在常規(guī)認(rèn)識(shí)中,通常認(rèn)為材料的損傷只發(fā)生在加載階段,但根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在各個(gè)加、卸載過(guò)程中強(qiáng)信號(hào)幾乎遍布卸載階段,這就意味著對(duì)于類(lèi)似于煤這種內(nèi)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(huán)卸載段反而有更多損傷或者微破裂事件出現(xiàn),其原因是煤直接加載至抗壓強(qiáng)度所用的時(shí)間往往較短,留給煤樣內(nèi)部損傷累積的時(shí)間很少,裂紋的貫通幾乎是瞬間完成的。而在卸載時(shí)群體微裂紋有足夠時(shí)間發(fā)生多層次、多維度的連接和貫通,從而更易形成復(fù)雜的多裂縫系統(tǒng),并且微裂紋附近區(qū)域應(yīng)力集中程度較大,應(yīng)變能密度也顯著高于其他區(qū)域,多裂縫系統(tǒng)出現(xiàn)反向滑動(dòng)時(shí),應(yīng)變能則會(huì)大量釋放[30],從而產(chǎn)生大量電荷感應(yīng)與微震信號(hào),循環(huán)卸載段所產(chǎn)生的損傷對(duì)煤的強(qiáng)度劣化起著重要作用。

由圖5(a)、5(b)可知,354.1 s(40.4%σc)時(shí),3號(hào)通道處有較大幅值的電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生,幅值為21 pC, 2號(hào)通道的電荷信號(hào)幅值為9 pC,而1號(hào)通道信號(hào)微小; 375.1s(35.6%σc)時(shí),2號(hào)通道有較大幅值的電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生,幅值為22 pC;在555.4 s砂巖失穩(wěn)破壞時(shí),3個(gè)側(cè)面均出現(xiàn)幅值為50 pC電荷感應(yīng)信號(hào);578.2 s(54.7%σc)時(shí),1、3號(hào)通道電荷感應(yīng)信號(hào)幅值最大,達(dá)到50 pC,2號(hào)通道電荷感應(yīng)信號(hào)幅值最小,僅為4 pC。與循環(huán)荷載作用下煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)的變化規(guī)律相比,砂巖試件在循環(huán)加卸載初期沒(méi)有明顯的電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生,這是因?yàn)樯皫r不含石英等壓電材料,其電荷信號(hào)產(chǎn)生的主要原因是微裂隙尖端放電以及微裂隙間摩擦錯(cuò)動(dòng),故只在354.1與375.1 s(裂紋擴(kuò)展)、555.4 與578.2 s(失穩(wěn)破壞)時(shí)有電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生。

對(duì)應(yīng)圖5(a)、5(c)可知,微震信號(hào)在354.1、555.4 s(應(yīng)力最大值處)與578.2 s時(shí),3個(gè)通道均有振動(dòng)速度為6×10-3m/s的微震信號(hào)產(chǎn)生。循環(huán)荷載作用下砂巖試件的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)在壓密階段(AB)、彈性階段(BC)變化平緩,強(qiáng)化損傷階段(DE)時(shí)間較長(zhǎng),峰后軟化階段(EF)時(shí)間很短,試件發(fā)生瞬時(shí)局部塊狀劈裂破壞時(shí),曲線(xiàn)瞬間跌落,裂隙多維度貫通,電荷感應(yīng)和微震信號(hào)明顯增強(qiáng),并且電荷感應(yīng)與微震信號(hào)的變化與應(yīng)力之間的協(xié)同性增強(qiáng)。在整個(gè)破壞過(guò)程中煤樣的微震與電荷信號(hào)較砂巖更豐富、幅值更大,其首次高幅值微震與電荷感應(yīng)信號(hào)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(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果,同樣將圖6(a)、7(a)的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)劃分為5個(gè)階段。

圖6 單軸壓縮下煤樣的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果 圖7 單軸壓縮下砂巖的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果

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

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

根據(jù)圖6、7 可得出電荷感應(yīng)、微震信號(hào)與單軸壓縮下煤巖應(yīng)力階段主要具有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系:峰值前高幅值信號(hào)產(chǎn)生較少,首次明顯幅值的電荷感應(yīng)與微震信號(hào)產(chǎn)生與應(yīng)力突降相對(duì)應(yīng);峰值時(shí)刻具有顯著的高幅值信號(hào),在峰后軟化階段應(yīng)力突降時(shí)均有明顯的高幅值電荷信號(hào)產(chǎn)生;最終失穩(wěn)時(shí)刻應(yīng)力大幅跌落,將集聚的能量迅速大量釋放,產(chǎn)生了整個(gè)受載過(guò)程中電荷感應(yīng)和微震信號(hào)的最大值。

將煤巖在單軸壓縮和循環(huán)荷載下的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,單軸壓縮下煤巖的電荷感應(yīng)與微震信號(hào)主要集中在峰后軟化階段,而循環(huán)荷載下煤巖各加載階段均有明顯的電荷感應(yīng)與微震信號(hào)產(chǎn)生,進(jìn)一步說(shuō)明了煤巖在循環(huán)荷載下的破壞是一個(gè)損傷累積的過(guò)程,每個(gè)分級(jí)循環(huán)過(guò)程都對(duì)應(yīng)有微裂紋的壓密閉合和新裂紋的進(jìn)一步萌生擴(kuò)展、連接貫通,從而產(chǎn)生部分不可逆變形,其內(nèi)部能量以表面能與塑性能的形式釋放出來(lái)。因此,相較于能量瞬間集聚釋放的單軸壓縮,循環(huán)荷載下的煤巖在每個(gè)加載階段都會(huì)產(chǎn)生豐富的電荷感應(yīng)與微震信號(hào),更具研究?jī)r(jià)值。

不同加載方式下煤巖的電荷量累計(jì)曲線(xiàn)如圖 8、9 所示。由圖8(a)和9(a)可知,循環(huán)荷載下煤的電荷量積累曲線(xiàn)在彈性階段后期開(kāi)始呈臺(tái)階式增加,并且由于循環(huán)荷載使煤樣內(nèi)部的裂隙得到充分的發(fā)展,之后各個(gè)階段都有顯著的臺(tái)階式電荷累計(jì);單軸壓縮下煤樣電荷量積累量表現(xiàn)為從峰后軟化階段開(kāi)始急劇增加,突變期延后,說(shuō)明峰前階段煤樣內(nèi)部損傷并沒(méi)有充分發(fā)育擴(kuò)展,而是在達(dá)到抗壓強(qiáng)度后瞬間形成宏觀(guān)裂縫發(fā)生失穩(wěn)破壞,高幅值脈沖數(shù)量突增。由圖8(b)和9(b)可知,循環(huán)荷載下的砂巖電荷量累計(jì)曲線(xiàn)與單軸壓縮下砂巖電荷量累計(jì)曲線(xiàn)的走勢(shì)大致相同,總體表現(xiàn)為:在加載初期電荷量增幅平緩,在彈性后期有應(yīng)力突降時(shí)躍增,在劈裂破壞時(shí)電荷量在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值。

圖8 循環(huán)荷載下煤巖的電荷量累積曲線(xiàn)

圖9 單軸壓縮下煤巖的電荷量累積曲線(xiàn)

3.3 微震信號(hào)頻域特征分析

由上節(jié)分析可知,循環(huán)荷載下煤巖在各階段均有高幅值的微震信號(hào)產(chǎn)生,而單軸壓縮下的煤巖只有發(fā)生應(yīng)力突降時(shí)才會(huì)產(chǎn)生高幅值微震信號(hào),且應(yīng)力突降多發(fā)生在峰后軟化階段,故選用A1、C1煤樣6號(hào)通道數(shù)據(jù)做不同時(shí)間階段的微震頻譜圖。圖10為多級(jí)循環(huán)加、卸載過(guò)程中A1煤樣6號(hào)通道的微震信號(hào)頻譜圖;圖11為單軸壓縮過(guò)程中C1煤樣6號(hào)通道的微震信號(hào)頻譜圖,圖中σ/σc為各事件開(kāi)始觸發(fā)時(shí)刻的應(yīng)力水平。

圖10 煤樣循環(huán)加載過(guò)程中不同階段的微震信號(hào)頻譜圖

圖11 煤樣單軸壓縮過(guò)程中不同階段的微震信號(hào)頻譜圖

由圖10可知,在壓密、彈性階段,煤樣內(nèi)部裂隙和孔隙較多,隨著荷載的增加,裂隙與孔隙閉合產(chǎn)生微弱的微震事件,所以此階段微震信號(hào)主頻較低。第2次加載時(shí)煤樣處于彈性階段后期,內(nèi)部裂隙開(kāi)始擴(kuò)展,此時(shí)微震信號(hào)主頻幅值增大,最大幅值達(dá)到272 μm/s。第2次卸載初期煤樣彈性能釋放,這時(shí)微震活動(dòng)短暫增強(qiáng),微震主頻相對(duì)幅值也隨之增大,達(dá)到281 μm/s,主頻大小為20～60 Hz,而隨著荷載的減小,主頻相對(duì)幅值也呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì), 第2次卸載后期主頻幅值減小到76 μm/s。隨著第4次循環(huán)加、卸載的進(jìn)行,煤樣步入強(qiáng)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(fā)、非連續(xù)狀態(tài),不同裂隙匯合、貫通、破裂所產(chǎn)生的微震頻率各不相同,從而使主頻帶變寬并出現(xiàn)次主頻,頻譜在20～80 Hz集中分布,微震強(qiáng)度有增強(qiáng)的趨勢(shì),高頻微震信號(hào)增多,主頻幅值增大,最大幅值達(dá)到761 μm/s。進(jìn)入峰后軟化階段時(shí),煤樣內(nèi)部已經(jīng)形成的大量微裂紋開(kāi)始匯合、貫通,隨著荷載增加、變形加速,即使保持恒載也會(huì)產(chǎn)生形變,此階段微震事件數(shù)增多,振幅增大,具有高幅值的特點(diǎn),主頻信號(hào)最大幅值達(dá)到868 μm/s。峰后軟化階段后期,主頻信號(hào)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(huán)荷載作用下微震信號(hào)頻譜幅值呈現(xiàn)出彈性變形階段先升后降、強(qiáng)化損傷階段上升、峰后軟化階段持續(xù)上升后下降的變化規(guī)律。

由圖11可知,彈性階段微震信號(hào)主頻較低、幅值較小,主頻最大幅值僅為63 μm/s;強(qiáng)化損傷階段微震信號(hào)主頻幅值持續(xù)上升,最大幅值達(dá)到260 μm/s,并出現(xiàn)次主頻;峰后軟化階段微震信號(hào)主頻幅值增幅最大,主頻信號(hào)幅值達(dá)到418 μm/s后逐漸減小,該階段出現(xiàn)高值現(xiàn)象,次主頻逐漸消失。

由此可見(jiàn),微震信號(hào)頻譜的階段特征及變化規(guī)律能夠很好地反映煤樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài),在不同加載方式下煤樣的整個(gè)變形破裂過(guò)程中,主頻率是不斷發(fā)生變化的,但均具有低頻的特點(diǎn),微震信號(hào)主頻幅值的增大與微震信號(hào)的增強(qiáng)具有同步性。因此,微震信號(hào)的頻域特征可以作為探究煤樣失穩(wěn)破壞的判據(jù)。

3.4 微震與電荷感應(yīng)信號(hào)的能量分析

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的電荷感應(yīng)和微震信號(hào)為隨機(jī)波動(dòng)信號(hào),均方值可以表示信號(hào)的強(qiáng)度,代表了信號(hào)的能量。圖12 為不同加載方式下煤巖微震與電荷感應(yīng)信號(hào)的均方值圖,其中微震信號(hào)為6號(hào)通道,電荷感應(yīng)信號(hào)為2號(hào)通道。

圖12 不同加載方式下煤巖微震與電荷信號(hào)均方值

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

4 煤巖失穩(wěn)破壞的前兆特征

電荷感應(yīng)與微震信號(hào)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(hào)相互補(bǔ)充對(duì)煤巖的受載階段進(jìn)行綜合分析和劃定,可提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)分析循環(huán)荷載作用下煤巖的力學(xué)性質(zhì)以及電荷感應(yīng)與微震信號(hào)的變化特征,提出以下煤巖失穩(wěn)破壞的前兆特征:

(1)通過(guò)分析電荷感應(yīng)與微震信號(hào)時(shí)域特征可知,電荷感應(yīng)與微震信號(hào)的周期性以及高幅值信號(hào)的密集程度可以預(yù)測(cè)煤巖體所處的應(yīng)力階段。電荷感應(yīng)和微震信號(hào)出現(xiàn)突變-平穩(wěn)-突變的周期變化時(shí),可以推斷煤巖完成了一次循環(huán)、加卸載;在每個(gè)循環(huán)加、卸載過(guò)程中又可以由較強(qiáng)信號(hào)的出現(xiàn)來(lái)判斷煤巖體處于卸載階段;當(dāng)非周期性且事件數(shù)最多、強(qiáng)度最大、同步性最強(qiáng)、高值振蕩現(xiàn)象的脈沖微震和電荷感應(yīng)信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí),可判定試件即將由強(qiáng)化損傷階段末期進(jìn)入峰后軟化階段。不同于常規(guī)單軸壓縮,循環(huán)荷載下煤樣在發(fā)生多裂紋貫穿劈裂破壞前會(huì)頻繁出現(xiàn)峰值較小的電荷感應(yīng)信號(hào),預(yù)警過(guò)程中需警惕此類(lèi)信號(hào)。

(2)通過(guò)分析微震信號(hào)頻域特征可知,當(dāng)微震信號(hào)主頻幅值較低、頻譜分布均勻時(shí),說(shuō)明煤樣處于彈性階段;微震信號(hào)頻譜主頻相對(duì)幅值較高、主頻帶變寬、次主頻出現(xiàn)、頻譜從均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l集中分布時(shí),可以認(rèn)為煤樣處于強(qiáng)化損傷階段;微震信號(hào)主頻帶變窄、次主頻消失、頻譜集中在低頻區(qū)域時(shí),可以判斷煤樣處于峰后軟化階段。

5 結(jié) 論

(1)循環(huán)荷載下煤巖電荷感應(yīng)和微震信號(hào)在不同受載階段各具特點(diǎn),信號(hào)的時(shí)域特征總體表現(xiàn)為隨裂隙發(fā)育程度的提高信號(hào)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(yīng)與微震信號(hào)出現(xiàn)。

(2)循環(huán)荷載作用下煤樣破壞過(guò)程中微震信號(hào)的頻譜變化規(guī)律與煤樣內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)有較好的對(duì)應(yīng)性,且微震信號(hào)主頻幅值的增高與微震信號(hào)的增強(qiáng)具有同步性。單軸壓縮下煤樣微震信號(hào)的頻譜也具有相同特征。

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