基于声发射计数的煤样脆塑性特征预测研究

张 磊 贾奇锋

(1.山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003； 2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南省焦作市，454000)

★ 煤炭科技·加工转化★

基于声发射计数的煤样脆塑性特征预测研究

张 磊1贾奇锋2

(1.山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003； 2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南省焦作市，454000)

掌握煤样脆塑性预测方法，对煤样破坏的准确预测具有重要意义。在研究区采集煤样，利用RMT-150B型岩石力学实验系统以及CDAE-1全数字化声发射检测与分析系统，对煤样加载过程中的应力-应变、声发射特征进行测试与分析。分析结果显示，脆性煤样和塑性煤样的声发射计数变化特征具有明显差别；与脆性煤样相比，塑性煤样声发射产生较早，峰值时声发射的突变性不明显，峰值后声发射缓慢降低。利用声发射计数的该变化特征差异，可以对煤样的脆塑性进行预测，这种预测方法使声发射计数在煤矿灾害预测中的应用举足轻重。

煤样破坏 声发射计数 脆塑性 预测

近年来，随着煤炭工业的发展，我国煤炭开采与生产技术取得了巨大的进步，尤其是综采综掘技术、一次采全高综采技术与放顶煤开采技术的应用，使得煤炭产量大幅提高，然而在迅速化采煤的过程中，对前方工作面未采区煤岩变形程度的精确预测一直困扰着煤矿工作人员。声发射监测技术是通过对煤岩变形过程中产生的声波振幅和频率等参数进行监测，根据煤岩变形与声发射参数之间的关系对煤岩变形特征进行分析，进而对地质灾害进行监测和预测。以往学者对煤岩变形声发射预测进行的研究主要是集中在实验室测试、数值模拟、现场测试、理论分析等方面，其中一些学者采用实验室测试的方法，对不同特征煤样在不同测试条件下声发射响应特征进行了研究，得出了不同条件下声发射变化规律与机理；一些学者采用FLAC3D、RFPA2D、SPH等不同的数值模拟软件，通过建立不同的煤岩地质模型，对不同测试条件下的煤岩声发射特征进行了研究；还有一些学者采用现场测试的方法，通过对煤岩采掘、压裂过程中声发射响应特征的测试与分析，建立声发射与煤岩变形以及地质灾害之间的关系，并对地质灾害进行监测和预报。以往学者对于声发射研究取得了诸多研究成果，使煤岩变形声发射预测技术逐渐完善。

在煤岩变形过程中，由于煤岩脆塑性的差异，导致煤岩破坏特征存在较大的差异。掌握煤岩的脆塑性特征，对实现煤样变形、破坏的准确预测具有重要意义。在查阅大量文献及咨询了煤矿现场工作技术人员后，发现关于煤岩脆塑性特征的研究鲜有报道。为此，本文在对不同脆塑性煤样声发射计数特征进行分析的基础上，提出了根据声发射计数特征对煤样脆/塑性特征进行预测的方法，以期实现煤样变形的准确预测，从而提高煤矿地质灾害声发射预测的精确性。

1 声发射测试试验

1.1 试验系统及原理

试验系统采用RMT-150B型岩石力学伺服试验机和CDAE-1声发射仪，其中岩石力学伺服试验机主要是提供围压和轴向加载动力，并通过应力-应变传感器对加载过程中煤样的应力-应变参数进行记录，声发射仪主要是对煤样加载过程中，产生的声发射信号进行接收，经过前置放大器处理以后，以图形、表格的形式进行输出，其中试验装置原理示意图如图1所示。

图1 试验装置原理示意图

在加载过程中，由于内部弱面的存在和局部的应力集中会引起弱面的破坏，进而产生不同频度、幅度的声发射信号(信号与煤样的变形特征是相互对应)，这些信号被声发射采集探头接收以后，以数据、图表的形式进行显示，进而可以根据数据的变化特征对煤样内部变形及损伤特征进行分析和研究。

1.2 煤样制备及试验方案

根据试验煤样的采集和制作要求，在晋城矿区同一采煤工作面有针对性的采集塑性煤样和脆性煤样，所采煤样为3#煤层发育的无烟煤,在新鲜煤壁进行煤样采集以后，密封保存，带回实验室。在实验室进行煤样的加工，煤样制成直径为50 mm×100 mm的标准柱状样，其中上下面的平整度满足煤样制作要求，共制作4个/组煤样，共2组(下称煤样A和煤样B)，将制好的煤样密封保存备用。

根据声发射传播特征，声发射传感器与煤样缸之间耦合接触，采用凡士林作为耦合剂，以提高耦合效果，另将声发射传感器固定在样品缸的中部。

根据实验操作要求，在实验仪器启动以后，将样品放入样品缸内，根据试验方案设置加载参数，开始采用围压/力加载的方式，将围压以0.5 MPa/s的速度，加载到5.00 MPa，同时轴向应力以1.00 kN/s的速度进行加载，当围压达到5.00 MPa时结束；然后保持围压不变，采用位移控制模式，以0.005 mm/s速度，继续进行轴向加载，直至煤样完全破坏；最后并对加载过程中应力、应变、声发射等测试参数进行记录。

2 测试结果分析与讨论

2.1 测试结果分析

通过对各个煤样的试验结果进行分析，发现同一组煤样声发射变化规律相似，且变化机理相同。因此，为了避免论述的重复性，选择每一组中的第一个煤样进行详细的论述。通过对声发射的计数、幅值和能量等参数的变化规律进行分析，发现其变化规律非常相似，选择声发射计数进行详细分析。其中声发射计数随时间变化规律曲线图如图2所示。

由图2可以看出，不同脆塑性煤样声发射计数变化特征存在明显差异，其中各煤样声发射计数具体变化规律如下：

图2 声发射计数随时间变化规律曲线图

由图2(a)可以看出，煤样A具有较强的脆性，在加载初期的压密阶段和弹性变形阶段，声发射参数几乎为零，基本上没有声发射事件产生。该阶段主要是颗粒间孔裂隙的闭合以及颗粒的弹性变形为主，发生破坏的区域较少；在塑性变形阶段的前期，开始有少量的声发射事件产生，这主要是由于煤样内部局部应力超过了部分弱面的承载力，导致局部区域开始发生了破坏；在峰值破坏阶段的前期，声发射参数开始呈指数形式快速上升，达到峰值后快速下降至某一稳定值附近波动，主要是由于该阶段煤样发生了整体变形、破坏，产生了大量的新生裂缝，大量声发射事件相伴而生。同时，随着前期积累能量的瞬时释放，导致后期声发射计数快速降至某一较低稳定值。声发射响应的这种变化规律体现了该煤样以整体变形、破坏为主的变形特征。

由图2(b)可以看出，煤样B具有较强的塑性，在压密阶段和弹性变形阶段，声发射计数参数值较小，该阶段有零星的声发射事件产生，主要是由于塑性煤样内部弱面的存在，导致局部应力超过了内部弱面的承载力，发生了局部弱面的破坏，产生了一定量的声发射事件；在塑性变形阶段，声发射参数值开始快速上升，并逐渐达到最大值，这主要是由于煤样内部局部弱面发生破坏的区域逐渐增加，直至最终发生整体破坏。因此，伴随的声发射事件也呈现出快速增加的趋势；在峰值后破坏阶段，声发射参数值开始缓慢下降，逐渐稳定在某一定值附近。这是因为煤样的强塑性导致煤样发生峰值破坏后并没有完全失去承载力，而是使前期积累能量慢慢释放。因此，声发射计数呈现出缓慢减低的特征，声发射计数响应的这种变化规律体现了该煤样以局部变形、破坏为主的变形特征。

通过对不同脆塑性煤样加载过程声发射变化特征进行分析可知，脆性煤样以整体变形为主，前期声发射计数较少，在塑性变形阶段后期呈快速增加趋势，在达到峰值之后快速降低至较低值；塑性煤样以局部变形为主，在弹性变形阶段中期就开始有声发射事件产生，在弹性变形阶段末期开始逐渐增加，在达到峰值以后，开始缓慢减低。

2.2 讨论与思考

在加载过程中，随着加载进行声发射计数参数变化呈现出不同的阶段性特征，这主要是受控于煤样内部阶段性变形特征，是内部变形特征的外在表征。因此，在对不同变形阶段声发射特征进行分析的基础上，可以根据是声发射的变化特征对煤样的内部变形进行预测研究。

对于不同脆塑性煤样，其内部结构存在较大的差异，因而在加载过程中声发射计数响应呈现出不同的特征，并且该特征差异明显、易于识别，可以根据该特征对煤样的脆塑性进行识别。在掌握煤样脆塑性特征的前提下，结合不同脆塑性煤样的变形特点，可以大大提高煤样变形预测的准确性，并可以根据破坏特点，有针对性的采取防治措施。

对于不同脆塑性煤样声发射计数参数之所以呈现明显差异，主要是由于煤样内部变形的差异。与脆性煤样相比，塑性煤样内部存在较多的弱面，在加载过程中不断有弱面发生破坏，煤样的变形以局部变形、破坏为主，随着局部变形、破坏区域的不断增加，最终发生破坏。因此，两者在发生破坏的机理上存在差异。

3 结论

通过对不同脆塑性煤样加载过程中声发射计数特征进行分析，得出如下结论：

(1)不同脆塑性煤样加载 过程中声发射计数参数呈现明显的差异性特征，与脆性煤样相比，塑性煤样声发射产生较早，峰值时声发射的突变性不明显，峰值后声发射缓慢降低。

(2)不同脆塑性煤样声发射计数特征差异性明显、易于识别，形成了一种根据声发射计数变化特征进行煤样脆塑性识别的新方法。

(3)目前，基于声发射计数的煤样脆塑性识别方法主要是以实验室为主，在进一步研究中要加强该预测方法在现场的应用。

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[3] 马衍坤，王恩元，李忠辉等. 煤体瓦斯吸附渗流过程及声发射特性实验研究[J]. 煤炭学报，2012(4)

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[7] 李保林，王恩元，李楠等. 煤层水力压裂声发射监测信号特征分析[J]. 工矿自动化，2015(8)

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Predictionstudyonbrittlenessandplasticitycharacteristicsofcoalsamplesbasedonacousticemissioncounts

Zhang Lei1， Jia Qifeng2

(1. School of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong, Shanxi 037004, China; 2. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China)

Prediction methods for brittleness and plasticity characteristics of coal samples were important to exactly predict coal samples failure. The characteristics of stress-strain and acoustic emission in the loading process of coal samples from the research area were tested and analyzed by using RMT-150B type rock mechanics experimental system and CDAE-1 full-digitalization acoustic emission test and analysis system. The analysis results showed that the acoustic emission counts characteristics of the plastic coal sample and the brittle coal sample had significant differences; comparing to the brittle coal sample, the acoustic emission of plastic coal sample was earlier and the mutability of the acoustic emission peak was not obvious, the intensity of acoustic emission reduced slowly. It could predict brittleness and plasticity characteristics of coal samples based on the change characteristics of acoustic emission counts, which was important for the application of acoustic emission counts in coal mine disaster prediction.

coal sample failure, acoustic emission counts， brittleness-plasticity characteristics, prediction

山西省科学技术发展计划(工业)项目(20140321003-05)

张磊，贾奇锋. 基于声发射计数的煤样脆塑性特征预测研究[J].中国煤炭，2017，43(10)：102-104，131.

Zhang Lei，Jia Qifeng. Prediction study on brittleness and plasticity characteristics of coal samples based on acoustic emission counts [J].China Coal，2017，43(10)：102-104，131.

TD32

A

张磊(1984-)，男，山西大同人，讲师，硕士，主要研究方向为矿山压力与防治。

(责任编辑 王雅琴)