单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究

杨 磊，毛德兵

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

近年来，随着煤矿开采深度的不断增加，冲击地压等煤岩动力灾害日趋严重。冲击地压是煤岩体失稳破坏的宏观表现，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，其中声发射是一种常用的研究煤岩破坏特性的指标［1］。

早在20世纪30年代，美国学者Obert和Duvall就应用声发射检测技术来确定岩石受压后的破裂位置［2］。随后国内外学者对煤岩破坏过程中的声发射现象进行了大量的研究，李庶林等［3］对单轴受压岩石破坏全过程进行了声发射试验，分析了岩石破坏过程中的力学特性和声发射特征;王恩元等［4］对单轴压缩煤体破裂过程中声发射的频谱特征进行了研究，发现煤体声发射的频谱特征变化与煤体变形破裂过程密切相关;杨永杰等［5］对单轴压缩条件下煤样的声发射特征进行了研究，得出了预测煤样破裂时间的指标;左建平等［6］对煤岩组合体破坏过程的声发射行为进行了研究，并获得了声发射三维空间分布规律。

目前，将声发射与冲击倾向性相联系的研究相对较少，宁超等［7］研究了单轴压缩下冲击煤岩的声发射特性，发现了冲击煤岩屈服阶段声发射参数的平静现象;赵毅鑫等［8］对冲击倾向性煤体破坏过程中的声热效应进行了研究，发现冲击倾向性煤体的失稳破坏更突然、更难于预测。因此，本文将冲击倾向性煤样与无冲击倾向性煤样破坏时的声发射特征进行对比分析，重点研究冲击煤样破坏时的声发射特征，探索冲击煤样失稳破坏的前兆信息，这对冲击地压和煤岩体失稳破坏的预测预报研究具有十分重要的意义。

1 试验煤样及试验方法

1.1 煤样的选取与制备

试验所用冲击煤样取自新疆某矿井，无冲击煤样取自内蒙古东部的褐煤，试验前对其冲击倾向性再次进行鉴定，均符合要求。为尽可能保持煤样原有状态，从回采工作面煤壁选取比较完整的大煤块，按照规程的要求，沿垂直层理方向加工成φ50mm×100mm的圆柱体煤样，煤样两端不平行度小于0.05mm。为尽可能降低试验结果的离散性，试验所用的同一类煤样均取自同一大煤块，共做了40个煤样。

1.2 试验设备

试验加载设备采用德国WPM岩石力学试验系统，该系统最大轴向加载载荷为1000kN。声发射装置采用美国物理声学公司 (Physical Acoustic Corporation)生产的PCI－2全数字化声发射测试分析系统，采样率设为1MHz。采用双通道同时采集数据，在煤样中部两侧对称布置2个声发射传感器，传感器与煤样表面之间用凡士林耦合，并用胶带固定。

1.3 测试方法

每次试验前，在传感器附近进行断铅试验，以确保传感器与试样耦合良好，并对实验室的机械噪音进行测定，经过反复测试，最终将门槛值设定为45dB。试验时，采用轴向位移加载控制方式，并保持加载过程与声发射监测同步。

2 试验结果与分析

冲击倾向性受到时间和能量的双重影响，本文从能够同时反映时间和能量效应的声发射能率角度来研究单轴压缩破坏过程中冲击倾向性煤样的声发射特征，探索冲击倾向性煤样失稳破坏的前兆信息。

2.1 冲击倾向性煤样的声发射能率特征

图1为2个典型冲击倾向性煤样声发射能率与应力－时间的关系曲线。

图1 冲击倾向性煤样应力、声发射能率与时间关系曲线

从图1中可以看出，冲击倾向性煤样从初始加载至峰值应力90%左右的过程中，声发射能率一直保持非常低的水平，表明煤样内部结构较完整，节理裂隙不发育，承载能力较强，当应力达到峰值应力的90%左右时，声发射能率出现明显的突增，之后随着载荷的继续增加，声发射能率呈台阶式增长，增长过程中声发射能率出现突增－平缓－突增现象，表明煤样内部经历着裂纹扩展、积累能量、裂纹进一步扩展，峰值应力时，声发射能率达到最大值，且高出上一个能率峰值很多，之后迅速降低到最小值。

图2为无冲击倾向性煤样声发射能率与应力－时间的关系曲线。从图中可以看出，在初始加载阶段，无冲击倾向性煤样的声发射能率也一直保持非常低的水平，偶尔出现稍高的声发射能率，当加载到峰值应力的50%左右时，声发射能率开始明显增加，之后随着载荷的继续增加，声发射能率也呈台阶式增长，峰值应力时，声发射能率达到最大值，这一阶段与冲击倾向性煤样类似，峰值应力过后，声发射能率并不是直接降为零，而是台阶式地逐渐降到最小值。

图2 无冲击倾向性煤样应力、声发射能率与时间关系曲线

对图1、图2进行对比分析可以发现，冲击倾向性煤样与无冲击倾向性煤样的声发射能率有较大差别:冲击倾向性煤样的声发射能率活跃点在峰值应力的90%左右，此时能率开始出现小幅度的突增现象，表明煤样开始缓慢释放能量，在峰值应力处，能率曲线迅速达到峰值随后降到最小值，表明此时煤样释放出非常高的能量;而无冲击倾向性煤样的能率活跃点在峰值应力的50%左右，峰值应力处，释放较高能量，之后仍缓慢释放能量;在峰值应力处，冲击倾向性煤样释放的声发射能率高达21000，而无冲击倾向性煤样释放的能率刚接近3000，由此可见，冲击倾向性煤样充分展示了瞬间释放高能量的特征。

2.2 冲击煤样声发射b值的动态特征

b值是介质控制所积累的能量的释放能力［10］。在岩石力学领域，可以把岩石破坏过程中的声发射事件当作地震活动，用声发射b值来研究岩石破坏的前兆特征。

假设AE事件的相对震级M正比于AE振幅A，把AE频度的对数 (lg N)与M的关系式转化为lg N与振幅A的线性关系，然后计算出b值。

本文采用最小二乘法进行b值计算。在b值计算过程中，M按2dB分档，取256s内的AE事件为一组数据，按128s进行时间滑动取样计算，得出b值随时间的动态变化曲线。线性最小二乘法的b值由下式给出:

式中，m为震级分档总数;Mi为第i档震级中数;Ni为第i档震级的AE事件数。

图3为2个冲击倾向性煤样b值的动态变化曲线。

图3 冲击煤样声发射b值动态变化曲线

对比2个煤样的b值动态变化曲线可以得出，2个煤样的b值动态曲线在很大程度上具有相似的变化规律，在进入弹性阶段后，2个煤样的声发射b值基本上是呈线性增长，说明煤样内部裂隙开始不断扩展，低能量的AE事件所占比例较多;当加载应力达到峰值应力的80%左右时，两煤样的声发射b值均较平缓地下降，说明此时高能量的AE事件所占比例开始增加，较大尺度的破裂开始出现;随后声发射b值快速下降，说明高能量的AE事件显著增加，破裂开始扩展贯通，意味着煤样即将失稳破坏，因此将声发射b值的“平缓下降期”作为判定冲击倾向性煤样破坏的前兆信息更具有实际意义。

3 结论

(1)本文选取能够同时反映时间和能量效应的声发射能率参数作为研究对象，发现冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样的声发射能率活跃点分别为峰值应力的90%和50%，且声发射能率的变化特征很好地诠释了冲击倾向性的本质。

(2)声发射b值的变化反映了煤样内部不同能量事件所占的比例，其平缓下降的特征可以作为冲击倾向性煤样失稳破坏的前兆信息。因此，研究声发射能率和b值的动态变化特征有利于预测冲击地压灾害的发生，提高预报的准确率。

［1］王恩元，何学秋，李忠辉，等.煤岩电磁辐射技术及其应用［M］.北京:科学出版社，2009.

［2］OBERT L，DUVALL W I.Use of sub audible noises for prediction of rockbursts II—report of investigation［R］.Denver:U.S.Bureau of Mines，1941.

［3］李庶林，尹贤刚，王泳嘉，等.单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(15):2499－2503.

［4］王恩元，何学秋，刘贞堂，等.煤体破裂声发射的频谱特征研究 ［J］.煤炭学报，2004，29(3):289－292.

［5］杨永杰，陈绍杰，韩国栋.煤样压缩破坏过程的声发射试验［J］.煤炭学报，2006，31(5):362－365.

［6］左建平，裴建良，刘建锋，等.煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制 ［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(8):1564－1570.

［7］宁 超，余 锋，景丽岗.单轴压缩条件下冲击煤岩声发射特性实验研究［J］.煤矿开采，2011，16(1):97－100.

［8］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.

［9］李元辉，刘建坡，赵兴东，等.岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究 ［J］.岩土力学，2009，30(9):2559－2563，2574.

［10］赵得秀.地震探源与地震预报［M］.西安:西北工业大学出版社，2007.