含水煤岩损伤破坏过程中声发射特征的研究

夏 冬 杨天鸿 常 宏

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳110819;2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819;3.河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司，河北沙河054100)

声发射(acoustic emission，AE)是指材料或结构在受力变形过程中以弹性波的形式释放应变能的现象［1］，也称应力波发射。声发射是一种常见的物理现象，用声发射监测仪器及数据处理系统探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。声发射监测技术能实时监测岩石材料内部微裂纹的萌生和扩展，揭示材料的损伤破坏过程，这是其他试验方法所不具备的特点，声发射技术可应用于岩石破坏现场监测、预报以及岩石力学基础试验研究［2-11］。研究表明，每个声发射信号都包含着岩石内部损伤演化的丰富信息，通过对岩石声发射信号的分析和研究，有助于揭示岩石内部微裂纹的萌生、扩展和断裂的演化规律［12-23］。声发射可广泛应用于岩石类材料微破裂机制、原岩地应力测量、采场稳定性监测、地震序列、冲击地压预测以及岩体稳定性监测预报等领域的研究［24-32］。

随着经济的快速发展，国家对矿产资源的需求量日益增大，而易于开采的资源已开采殆尽，为实现采矿业的可持续发展，对强渗流条件下的矿体开采已陆续展开［33］。强渗流条件下的煤岩体赋存于一定的地下水环境中，并常处于含水状态，水的存在对煤岩体的力学性质及其稳定性起到了弱化作用［34-36］。

岩土工程在施工及运营期间，经常会遇到地下水和载荷的共同作用，岩体在地下水和载荷作用下的力学性能是影响岩土工程长期稳定性的重要因素之一。关于水对煤岩体力学特性及声发射特征的影响，许多学者做了大量的研究工作，并取得了大量的研究成果［37-50］。本文将对不同应力路径下含水煤岩体的力学特性和声发射特征进行综述，并对其研究应用前景进行展望。

1 声发射监测技术发展概况

20世纪50年代德国科学家Kaiser首次对金属中的声发射现象进行了科学而系统的研究，其成果为声发射的研究奠定了基础。L.Obert和 W.I.Duvall［51］最早发现岩石结构在受压过程中有声发射活动存在。1960年，Dunegan等通过提高声发射的实验频率和采用窄带滤波的方法消除了机械背景噪音，为声发射技术由实验阶段进入实用阶段做好了铺垫。声发射监测技术的研究进入现场应用新阶段的标志是1964年美国成功将声发射技术用于导弹壳体结构的完整性检测。从1968年起，商业化的声发射监测设备逐渐在世界范围内得到广泛的应用。20世纪70年代，美日欧等国家在声发射源、声发射波的传播以及确定声发射与断裂机制的关系等方面的研究取得了长足的进步。20世纪80年代以来，随着微处理器、高速A/D转换和信号处理技术的发展，声发射技术在基础性实验、仪器研制和信号处理等方面取得了突飞猛进的发展，该技术逐渐进入理论研究与工程应用全面发展阶段，并在材料研究及无损检测中扮演着越来越重要的角色。近年来，随着信号采集与分析技术的进步，以及小波分析、神经网络等方法的引入，进一步推动了声发射技术向纵深方向的发展。

我国声发射技术是在引进、消化、吸收国外先进技术并紧密结合工程应用实际的基础上发展起来的。20世纪70年代初我国开始引进声发射技术，其目的是为了进行断裂力学难点裂纹开裂点预报和测量研究。20世纪80年代初，我国开始将声发射检测技术应用于飞机、复合材料、金属材料、压力容器和岩石等领域的检测和应用。20世纪80年代中期，从美国物理声学公司PAC(Physical Acoustic Corporation)引进声发射监测设备，使我国声发射技术水平得到了提高。20世纪90年代至今，我国声发射技术的研究和应用进入快速发展阶段，声发射技术被广泛应用于航空航天、石油化工、材料试验、金属加工、电力工业、民用工程、交通运输、土木和矿山工程等诸多领域并取得显著的成效［52］。由于声发射监测技术是一种在线、高效、经济的检测方法，因而具有广泛的应用前景。

2 不同应力路径下含水煤岩声发射特征

2.1 单轴载荷作用

2.1.1 单轴压缩载荷作用

国内外许多学者对煤岩在单轴压缩损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征等方面进行了大量的基础性研究工作，并取得了大量的研究成果［53-61］。这些研究成果增强了人们对煤岩声发射特性的认识，促进了声发射技术在煤岩体稳定性方面的应用，但关于含水煤岩损伤破坏过程中声发射特征方面的研究相对较少。因此开展含水煤岩单轴受压损伤破坏过程中声发射特征研究，有助于进一步认识含水煤岩损伤破坏机理。

关于水对煤岩单轴抗压强度及声发射特征影响的研究，唐书恒等［37］进行了饱和含水煤岩的单轴压缩破裂声发射试验，用以模拟研究煤储层的压裂特征，并将煤岩压裂过程分为迸裂型、破裂型和稳定型。秦虎等［39］以晋城煤业集团赵庄矿的无烟煤为研究对象，对不同含水率煤样受压变形破坏过程中声发射特征进行了试验研究，结果表明含水率的不同对煤样的力学特性和声发射特征产生明显差异，含水率的增加使得煤样的单轴抗压强度及声发射累积数减少，同时使产生声发射的时间滞后，且在不同的变形阶段，声发射的变化规律不同。文圣勇等［40］对4种不同含水率红砂岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验，结果表明:水对砂岩的力学特性和声发射特征具有较大的影响，各试件所得声发射振铃数曲线在形状上基本相似，但随含水量的增加，砂岩声发射振铃数越少且时间越滞后。陈结等［41］为研究盐穴能源地下储库建造过程中腔体围岩在卤水、地温和地应力共同作用下的损伤演化特点，应用声发射监测技术对不同温度的饱和卤水作用后的岩盐进行单轴压缩损伤演化规律进行分析，结果表明在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后岩盐的弹性模量和单轴抗压强度有所降低，单轴压缩过程中岩盐的声发射－应变曲线与应力－应变曲线具有较好的一致性，随卤水温度的升高浸泡后岩盐的声发射累积数有所增加且无卤水作用岩盐的声发射累积数大于卤水作用后岩盐的声发射累积数。童敏明等［42］为确定不同应力速率下含水煤岩声发射的频谱特征和变化趋势，对不同应力速率下含水煤岩声发射信号特性进行了研究，结果表明含水率对煤岩的声发射特性具有一定程度的影响，具体表现为含水量小的煤岩较含水量大的声发射强度略高，研究成果为预测煤岩灾害现象提供了准确的依据。张艳博等［43］通过对含水砂岩进行单轴加载声发射试验，获取声发射信号，对整个加载过程中声发射信号进行FFT变换，采用频谱分析和Welch算法对含水砂岩破裂失稳过程中产生的声发射信号进行研究，得到声发射信号的相关特征在岩石破裂过程中的变化，为分析岩石破裂全过程的声发射特性提供了一条新的思路，也为声发射应用于岩石破裂失稳预报奠定了一定的工作基础。

2.1.2 循环载荷作用

国内外很多学者对煤岩的疲劳损伤和声发射特性进行了研究，如许江等［62-63］对循环载荷作用下砂岩声发射规律展开了大量的试验研究，结果表明岩石在低周期载荷作用下会出现明显的Felicity效应且周期载荷作用下岩石在卸荷过程中也产生明显的声发射信号。任松等［64］基于声发射监测技术，通过改变恒幅荷载条件下的上、下限应力以及加载速率等试验条件，对岩盐的疲劳损伤特征进行试验研究，研究成果对岩盐地下储气库的安全运行具有实际意义。纪洪广等［65］对岩石试件在不同应力水平和应力状态下受到加载－卸载扰动时的声发射特征进行了试验研究，研究结果为分析不同应力水平和不同应力状态作用下岩体声发射特征的变异性，为根据声发射信号特征进行岩体稳定性评价提供依据和参考。王者超等［66］通过花岗岩三轴循环载荷试验，系统地研究了花岗岩的疲劳力学特性，提出了花岗岩疲劳力学模型。J Q Xiao等［67］研究了不同循环荷载水平下损伤变量演化规律。E L Liu等［68］分析了循环加卸载时围岩对岩石动力特性的影响。张晖辉等［69］基于加卸载响应比理论和能量加速释放理论，在三轴应力条件下进行了大尺度岩石破坏的声发射试验，将能量加速释放和加卸载响应比剧增作为岩石破坏前兆，研究成果为预测地震提供了试验依据。

岩土工程在施工及运营期间，经常会遇到地下水和循环载荷的共同作用，岩体在地下水和循环载荷作用下的力学性能是影响岩土工程长期稳定性的重要因素之一。关于岩石在地下水和循环加卸载共同作用下的力学特性、变形特性及声发射特性，目前国内外学者在这方面的研究成果相对较少。通过单轴循环加卸载试验，分析岩石在水和循环载荷共同作用下的强度、变形及声发射变化特征，为研究不同含水状态下岩石破裂失稳机理提供参考。

2.2 三轴载荷作用

岩石作为一种典型的非连续、非均质、各向异性的地质材料，通常处于三向应力场中，同时，其强度和变形特性是理论计算和工程设计的基础，因此研究岩石在三向应力状态下的力学特性、声发射特征及变形特征对于隧道工程、采矿工程和边坡工程等具有重要意义［70］。许多学者对煤岩在三轴应力状态下的力学特性和声发射特征进行了试验研究并取得了大量的研究成果。肖福坤等［71］以曾经发生过煤与瓦斯突出事故且依然存在突出危险的煤样为研究对象，对含煤瓦斯煤样进行不同瓦斯压力、饱和瓦斯和不同围压条件下的三轴压缩声发射试验，探究含煤瓦斯失稳破坏与声发射之间的关系。艾婷等［72］以大同煤业集团塔山矿8105工作面的煤样为研究对象，对不同围压下煤岩破裂过程中声发射时空演化规律进行了试验研究，通过分析煤岩在不同围压下声发射的时序特征、能量释放与空间演化规律，探讨了煤岩破裂过程中的损伤演化特征。苏承东等［73］对义马曹窑煤矿顶板砂岩进行了单轴压缩、常规三轴和三轴卸围压力学试验及声发射试验，分析了不同加载方式下岩样损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征，研究结果对进一步揭示煤层上覆顶板岩层周期性断裂前后冲击动力灾害的预测预报具有参考价值。陈景涛等［74-75］对岩石三轴压缩过程中变形及声发射特征进行了物理试验和数值试验，分析了围岩对岩石变形特性和声发射特征的影响，结果表明岩石的力学特性和声发射特征与围压密切相关。纪洪广等［76］采用三轴压缩试验和声发射试验，对玲珑金矿二长花岗岩进行三轴加卸载声发射试验，研究岩声发射特征与力学参数之间的关系，进一步加深了对岩石破裂过程及机制的认识。Alkan等［77］对德国阿瑟盐矿岩盐的膨胀临界值进行三轴加载条件下的力学试验和声发射试验，研究表明岩盐的膨胀临界值与晶粒大小、孔隙压力、加载速率和裂隙维度均具有一定的关系。李玉寿等［44］对煤在三轴及孔隙水压作用下的变形和声发射特性进行了试验研究，结果表明随孔隙水压力的增大，煤样变形破坏过程中释放的声发射能量逐渐减少。

上述关于煤岩在三轴应力作用下的力学特性和声发射特征的理论和试验研究，增强了人们对煤岩声发射特征的认识，促进了声发射技术的进步及在工程中的应用，但关于含水煤岩在反复加卸载过程中的声发射特征的试验研究国内外还不多见。有鉴于此，在以往研究成果的基础上，开展含水煤岩真三轴加载过程中的声发射试验，有助于进一步了解煤岩体的声发射特征。

2.3 剪切载荷作用

考虑到矿山，水利、建筑、交通等工程领域中涉及到岩土体在荷载作用下的强度及稳定性等问题，结合声发射监测技术开展剪切载荷作用下煤岩裂纹的开裂、扩展以及贯通的演化规律有着十分重要的理论意义和工程实用价值。关于煤岩在剪切荷载作用下的声发射特征的研究，国内外学者做了一些相关的研究工作，I Tsuyoshii等［78］运用声发射技术对岩石直剪过程中裂纹的开裂情况进行了研究，结果表明，声发射有较高的精度来检测直剪过程中的裂纹的开裂情况。李西蒙等［79］进行了型煤试块的压剪破坏声发射试验，研究了压剪条件下型煤的声发射特征，研究成果为采动影响下煤岩体和巷道的压剪破坏预测预报提供了一定的试验依据。聂百胜等［80］对煤体剪切破坏过程中电磁辐射和声发射特征进行了试验研究，发现媒体剪切破坏过程中声发射和电磁辐射有两种类型，试验结果与煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害的现场较为吻合。周小平等［81］对岩石结构面直剪过程中的声发射特性进行了试验研究，得出声发射事件数和能率都与结构面的粗糙程度有关，发现用能率这一系数更容易判别岩石变形与破坏各阶段。许江等［82-83］采用自主研发的煤岩细观剪切试验装置，开展了不同剪切速率条件下砂岩的细观破坏与声发射特性试验研究，选取声发射振铃累积数和声发射振铃计数率作为声发射特征参数，探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系，结果表明，砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋于一致。

上述研究成果大多基于天然或干燥状态的试件而言，而实际的岩体工程总处于一定的地下水环境中，关于含水岩石剪切过程中的声发射试验研究成果相对较少，因此，开展含水煤岩拉剪切坏过程中的声发射时空演化特征，有助于进一步揭示岩体工程在剪切载荷作用下的失稳机理。在国内，许江等［38］利用声发射监测技术，对饱和度分别为 0%、50%、和100%3种含水状态下砂岩剪切破坏过程中的声发射特性进行了试验研究，探讨了剪切荷载作用下砂岩内部裂纹开裂、扩展过程与声发射特性之间的内在关系，结果表明，随含水量的增加，声发射剧增点出现的时间相应提前，在各含水状态下，声发射事件率峰值出现时间总是滞后于剪应力达到峰值的时间。

2.4 拉伸载荷作用

煤岩抗拉强度的测试方法有间接法和直接法，间接法常用的方法为巴西劈裂试验。巴西劈裂试验用于测试岩石类材料的抗拉强度已有近50年的历史，此方法最早用于测定岩石等脆性材料的抗拉强度，此后一些学者提出可以用该试验测定岩石的弹性模量和断裂韧度等指标［84-87］。基于声发射监测巴西盘试样破坏过程的研究，赵兴东等［88］应用声发射及盖格尔定位算法，研究了不同巴西盘岩样加载破裂失稳过程。付军辉等［90］对煤巴西劈裂全过程中的声发射特征进行了研究。罗鹏辉等［91］对云南南坡铜矿3种砂岩进行了巴西劈裂的声发射特性试验，结果表明不同种类岩石的声发射特性具有较大的差异。谢强等［91］验证了粗粒花岗岩在劈裂试验条件下kaiser效应的存在。巴西劈裂法虽被广泛应用于岩石抗拉力学特性的研究中，但有研究［92-94］指出，此方法并不能真实地反映岩石的抗拉强度。故有学者采用直接拉伸方法对岩石的抗拉力学性能和声发射特征进行了研究，彭瑞东等［95］对砂岩拉伸过程中的能量耗散与损伤演化进行了分析。余贤斌等［96］采用自行研制的岩石直接拉伸试验装置，对砂岩直进行直接拉伸作用下的声发射试验。梁正召等［97］基于三维数值模拟研究了岩石直接拉伸破坏过程中的变形及分形特征。包春燕等［98］对单轴拉伸作用下层状岩石表面裂纹的形成模式及其机制进行了研究。张泽天等［99］对煤在直接拉伸过程中的力学特性及声发射特征进行了试验研究。

上述研究成果多集中于天然及干燥岩石试件，而关于含水岩石拉伸过程中的力学特性及声发射特征的研究成果相对较少，开展含水煤岩拉伸破坏过程中的声发射时空演化特征，有助于进一步揭示岩体工程的失稳机理。

3 含水煤岩声发射试验的发展趋势

(1)声发射监测是一种无损检测技术，对声发射信号的研究有助于揭示含水煤岩内部微裂纹的萌生、扩展和断裂的演化规律，通过对声发射信号的研究，可以推断含水煤岩内部性态变化、反演含水煤岩的破坏机制，对进一步认识岩石的破坏机理以及岩石破坏的前兆判据、分析岩石破裂失稳机制十分有意义。

(2)水岩相互作用对岩石劣化的效应是多场耦合作用的综合结果，随着试验手段和试验方法的进一步发展，含水煤岩声发射有向真三轴、多场耦合方向发展的趋势。如何将声发射监测技术引入相关理论(如损伤力学、化学动力学、孔隙介质流体动力学等)对岩石劣化的效应进行定量分析，实现多场耦合作用下的本构关系建立和识别以及数值模拟方法的确定等工作十分重要，尚有待完善。

(3)在实验室条件下，由于实验设备及周围环境噪声的影响，无法保证煤岩损伤破坏过程中声发射信号的精度和准确性，而采用数值模拟的方法则不会出现上述问题。随着数值模拟软件的完善及并行技术的快速发展，运用数值模拟软件，对煤岩试件进行声发射数值试验，将模拟结果与物理试验结果进行对比分析，能够加深对煤岩损伤破坏过程及其声发射时空特性的认识。

(4)含水煤岩声发射试验研究的最终目的是要为工程服务，为工程岩体稳定性的预测预报提供试验依据，如何将声发射参数反映到设计参数中，有待岩土工程相关学科的共同努力。

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