煤受载破坏声电信号波形持续时间特征研究

肖钰哲，邱黎明，田向辉，周 超，刘 洋

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；）

煤岩受载破坏时产生变形及破坏，以弹性波和电磁波的形式释放能量的现象，称为声发射和电磁辐射[1-3]。声发射和电磁辐射作为一种连续实时的监测技术，被广泛应用于煤岩动力灾害监测预警[4-7]。

针对煤岩受载破坏过程的声电信号特征，国内学者进行了大量研究。在声电信号与煤岩破裂相关性方面，李忠辉等[8]研究发现岩样受载破裂时声电信号对内部裂纹的产生、扩展和贯通有较好的响应；范鹏宏[9]实验发现声电信号的产生与煤样主破裂有较好相关性，且信号频率在主破裂产生前出现了增大-减小-再增大的变化规律；王雪妮[10]通过研究混凝土受载破裂时的声电信号特征，发现声电信号可以很好地反映试样整体损伤破裂状况。声电信号与应力具有一定的对应关系，邱黎明等[11]通过实验发现，含孔洞混凝土破坏时声电信号与所受应力存在正相关关系；赵伏军[12]等通过花岗岩破碎试验，发现其破坏过程中声电信号波形变化与应力曲线具有较高的同步性；李振雷等[13]开展了不同速率的煤样单轴加载和加卸载声电信号测试实验，发现声电信号均与应力降有明显的正相关性。在声电信号时频特征方面，王笑然等[14]研究发现声电信号与加载有较高相关性，声电信号强度在煤样破坏阶段达到最大值；王岗等[15]发现煤样破坏过程中声电信号在时域上变化趋势较为一致，且随着加载阶段的变化，声电信号频率逐渐转向低频，主频幅值逐渐增大；徐剑坤等[16]实验发现煤体受载破坏过程声电信号的幅度、计数、能量在时域上有很好的一致性；娄全等[17]发现电磁辐射优势频带窄于声发射，两者在频谱和主频分布上具有近似的成分。

声电信号与煤岩破坏具有较好的对应性关系，通过文献梳理可以发现，作为煤岩破坏时电-震相关性的重要内容，声电波形持续时长特征及演化规律尚不明确。鉴于此，进行了多组不同加载速率的煤单轴压缩实验，同步采集加载全过程声电信号，对加载过程声电信号波形特征与持续时间进行了对比分析研究。

1 实验设计

1）试样制备。实验所用的煤样取自新疆宽沟煤矿，依据国家标准，将现场采集到的原煤制作成尺寸为φ50 mm×100 mm 的标准圆柱体试样，分为3组分别进行加载速率为11、15、20 μm/s 的单轴压缩实验，按加载速率由小到大分别以A、B、C 进行编号，实验试样实际参数见表1。

表1 实验试样实际参数Table 1 Actual parameters of test samples

2）实验系统。自主搭建了煤岩受载破坏声电同步测试实验系统，系统中的GP1A 型电磁屏蔽室综合屏蔽效能大于75 dB，能有效减小外界磁场对实验结果的干扰；加载控制系统采用YAW-600 型微机控制电液伺服压力实验机，实验机载荷分辨力3 N，位移分辨率0.3 μm；实验所用声电数据采集系统最高采样频率10 MHz，模数转换分辨率16 bit，输入信号电压范围±5 V，输入阻抗50 Ω。声发射传感器响应频率范围50～400 kHz。电磁辐射传感器响应频率范围20 Hz～2 MHz。

3）实验方法。采用位移控制加载，对已分组的试样分别进行11、15、20 μm/s 的速率的单轴加载。试样加载前，先利用胶带和耦合剂将声发射传感器与试样进行耦合固定，电磁辐射天线布置于试样正后方6 cm 处，各实验系统调试完毕后，同步开始单轴加载和声电信号采集。声电采样频率设定为2 MHz，确保完整采集加载全过程声电信号波形。

2 实验结果

2.1 煤样受载破坏声电信号特征

煤样单轴加载破坏全过程的载荷-时间曲线及声电信号曲线如图1。

图1 煤样单轴加载载荷-时间及声电信号典型曲线Fig.1 Typical curves of load time and acoustic electric signal of coal samples under uniaxial loading

根据煤样加载过程中载荷-时间曲线的特征，可将破坏过程分为4 个阶段[18]，分别为：压密阶段；②弹性阶段；加速破坏阶段；完全破坏阶段。

对比声电信号曲线可以发现，声电信号随加载具有阶段性变化特征。压密与弹性阶段，声电信号无明显波动，处于稳定状态；加载至加速破坏阶段，声电信号幅值逐渐升高，且声发射信号更丰富；进入完全破坏阶段，当载荷达到峰值时，声电信号幅值同时达到最大，并在峰后同步衰减。从加载全程来看，声电信号随时间变化的趋势基本相同，表现为从能量幅值较低的离散突变型能量幅值向能量较高的连续密集型过渡[19]，声信号相对于电磁辐射而言更为活跃；加载速率较低时，试样在弹性阶段及加速破坏阶段的声电信号数量较少，声电信号主要密集出现在试样完全破坏阶段；随着加载速率的增大，弹性阶段声电信号的数量开始增多，完全破坏阶段声电信号出现更为密集且能量幅值上升幅度更高。出现上述情况的原因是，加载速率处于较低水平时，试样中的变形能耗散缓慢，裂隙充分发育，试样表现出强度较低及累计变形能较小的特点，完全破坏时的剧烈程度较小；加载速率上升后，裂隙的发育时间缩短，能量主要以变形能的形式储存在试样内部，此时试样表现出强度升高且累计变形能较大的特征。加载速率越快，变形能累积越多，导致试样破坏时更为剧烈，产生的声电信号更为密集且能量幅值更高[20]。

2.2 声电信号持续时间

为进一步对比分析煤样破坏时的声电信号波形持续时长，首先利用Matlab 对声电信号波形数据进行滤波处理。通过对声电信号原始波形曲线进行放大观察，确定环境噪声幅值，以此作为过滤阈值对所采集到的声电信号进行滤波处理，煤样完全破坏阶段声电信号典型波形图如图2。

图2 煤样完全破坏阶段声电信号典型波形图Fig.2 Typical waveform of acoustic and electrical signals in complete failure stage of coal sample

图2 表明，煤样主破坏发生时，声电信号波形有较强的相关性，完全破坏阶段，电磁辐射信号幅值共出现3 次明显波动（a、b、c），同时段的声发射信号也呈现出相同的波动变化。同时，声发射信号在中间区段也出现2 次较大波动（f、g），但对应时段的电磁辐射信号相对较弱，幅值较小，仅出现较小的波动响应（d、e）。

以煤样主破坏时的声电信号波形为研究对象，对该阶段声电持续时间进行对比分析。为控制和减小声电信号始末时刻人为选择对结果造成的误差，需要先对信号的起始与终止时刻选择进行统一，以主破坏阶段声发射波形中第1 个高于信号峰峰值25%的波峰为起点，以最后1 个高于峰峰值25%的波峰为截止点，定义2 点间的区段为煤样发生主破坏时对应声发射和电磁辐射的持续时间。煤样主破坏时刻典型声电信号波形持续时间定义示意图（加载速率15 μm/s）如图3。

图3 煤样主破坏时刻典型声电信号波形持续时间定义示意图（加载速率15 μm/s）Fig.3 Definition diagrams of typical acoustic and electrical signal waveform duration at main failure time of coal sample（loading rate 15 μm/s）

从图3 可以看出，加载速率为15 μm/s 的煤样发生主破坏时，电磁辐射信号持续时间为0.69 ms；对应的声发射信号持续时间为1.66 ms，声发射信号持续时长约为电磁辐射信号的2.41 倍。按上述方式对各组煤样主破坏时的声电信号持续时长进行统计，煤样主破坏阶段声电信号持续时长统计见表2。可以看出，随着加载速率的增大，声发射信号与电磁辐射信号持续时间也随之增加。

表2 煤样主破坏阶段声电信号持续时长统计Table 2 Statistics of the duration of acoustic and electrical signals in the main failure stage of coal samples

声电信号持续时长随加载速率的变化如图4。不同加载速率下，声发射信号持续时间均大于电磁辐射，且随着加载速率的增大，声发射信号持续时长的增长幅度大于电磁辐射。因此，声发射信号持续时间与对应电磁辐射信号持续时间的倍数关系也随着加载速率的增大而增大，由初始的接近2 倍逐渐增长至3 倍左右。

图4 声电信号持续时间Fig.4 Duration of acoustic signal

2.3 声电持续时间特征及差异原因

煤样受载破坏过程中，其内部变形能的快速释放，产生了瞬态弹性波，即声发射信号。声发射信号的出现与裂纹的破裂扩展密切相关，低加载速率时，煤样内部裂隙充分发育，变形能的耗散和累积过程均较为缓慢，内部积聚的变形能较小，主破裂发生时，内部新增裂纹数量较少，且裂纹破裂扩展较为缓和，破坏以应变软化为主[19]。反映到声发射信号上的表现，就是声发射信号强度较低，导致信号持续时长较短；随着加载速率的增大，煤样裂隙发育时间相对缩短，内部变形能累积速度加快，能量累积增大，导致破坏更为剧烈，大量新裂纹产生并快速扩展，声发射信号强度激增，进而使信号持续时间明显增加。

煤岩破坏时形成的新裂纹壁面和扩展裂纹尖端会产生大量自由电荷[20]，2 个裂纹壁面及周围介质一起可视为电容器结构，壁面间电荷的正负变换以及裂纹扩展两侧壁面的不断张合运动导致壁面间电场随之变化[21-22]，破坏了壁面间电荷的平衡[23]，进而产生电磁辐射。低速率加载条件下，煤样内部裂纹发育较为缓慢且完全，裂纹壁面的张合运动相对平缓，导致壁面间电容结构中的电场变化幅度较小，电荷平衡破坏较小，电荷自由运动较为缓和，从而产生的电磁辐射信号强度较低，信号衰弱耗时更短，因此持续时长较短；随着加载速率的增大，煤样内部能量积聚速率上升，裂纹数量增多且发育速度加快，由于内部积聚了大量变形能，导致煤样发生剧烈的脆性破坏，破坏形式以弹射碎裂为主，该过程中裂隙壁面运动更为剧烈，壁面间电场变化幅度也随之增大，电荷平衡被严重破坏，电荷自由运动加剧，加之因脆性破坏而弹射出的带电碎片也会产生电磁辐射[24]，最终激发出更强的电磁辐射信号。根据持续时长的定义，信号越强则衰减75%的绝对衰减量更大，因此耗时更长。因此，加载速率越快，电磁辐射信号越强，衰弱过程越久，因此信号持续时长越长。

研究表明，声电信号是煤岩破坏过程产生的同源异像现象[13]。煤样在完全破坏前，裂纹扩展的过程始终存在，声电信号的产生均与煤样内部破裂密切相关，所以在时序波形上，电磁辐射信号与同时期的声发射信号有较好的协同性。但由于二者产生机理不同，导致二者的持续时间及随加载速率的变化存在差异。对于同一破坏，由于电荷平衡的破坏与重建所需时间相对较短，而声发射事件的出现消失总是伴随着裂纹破裂扩展的全过程，导致该过程中的电磁辐射信号持续时间总是小于声发射信号的持续时间。随着加载速率的增大，煤样破坏更为剧烈，裂纹的生成、扩展以及震荡也更为剧烈，声电信号持续时间均会增大。而此时裂纹也赋予了电荷更快的运动速率，因此，电荷的平衡时间会有所减短。这就导致随着加载速率的增大，声发射持续时间的增长幅度大于电磁辐射，二者之间的倍数关系因此增大。

3 结 论

1）煤样单轴加载破坏过程，声电信号响应有较好的协同性，加载速率越大，破坏时产生的声电信号更强且更为密集。

2）声电信号随加载具有阶段性变化特征，压密与弹性阶段，声电信号维持在较低水平，无明显幅值波动；加速破坏阶段，声电信号幅值逐渐升高，且声发射信号更丰富；完全破坏阶段，声电信号幅值在主破坏发生时达到最大，并在峰后同步衰减。

3）煤样完全破坏阶段，声发射信号与电磁辐射信号波形具有一定的相似性。主破裂时声电信号持续时间在毫秒级，且声发射信号持续时间明显长于电磁辐射。随着加载速率的增大，产生的破坏更为剧烈，主破坏时的声电信号持续时间均有所增加，但声发射增加幅度更大，声电信号持续时间倍数关系随之从2 倍增加到接近3 倍。