循环荷载作用下煤岩电荷感应与微震信号变化规律

赵扬锋, 丁 玲, 刘玉春, 李 兵

(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院, 辽宁 阜新 123000; 2.辽宁省矿山沉陷灾害防治重点实验室,辽宁 阜新 123000; 3.辽宁工程技术大学 理学院, 辽宁 阜新 123000)

1 研究背景

近年来,大量的深部地下工程项目投入建设当中,如锦屏二级水电站深埋长隧洞群开挖以及在地下1 000 m富水岩层中凿井、采矿等,这些深部地下工程的开展经常会使煤岩频繁承受周期性动力荷载,进而导致突水、冲击地压等动力灾害的发生,严重威胁施工安全,周期性荷载引起的煤岩变形破裂已成为岩石领域的热点问题[1]。煤岩动力灾害发生时可通过监测煤岩变形破裂过程产生的物理信息,如微震、电荷感应、声发射等对煤岩动力灾害进行预警,因此开展循环加卸载实验,研究煤岩变形破裂过程中的力学特征以及裂隙的产生、扩展和演变与电荷感应、微震信号波动变化之间的关系,对深部地下工程中煤岩动力灾害的预警预测有重要意义。

目前微震监测技术已在水利水电、矿山、隧道等工程领域得到广泛应用[2],关于煤岩变形破裂微震信号的研究,基本上是根据工程现场监测到的微震数据为基础来进行的。蒋雄等[3]研究了两河口水电站 5#、6#母线洞开挖过程中微震信号特征,认为通过分析微震信号中心频率变化能够提前识别和圈定破坏区域;徐奴文等[4]利用微震监测和现场调查评价了开挖过程中猴子岩水电站地下洞室群围岩的稳定性,得出分析微震的时空演化规律可以识别和圈定地下洞室群岩石微破裂集中区及潜在风险区域;Feng等[5]在锦屏二级水电站的排水洞与引水隧洞构建了微震监测系统,并利用矩张量理论研究深埋隧洞的岩爆机制,得到了相应的微震活动性规律;赵永等[6]建立了基于微震反演裂隙的各向异性损伤模型,并应用到张马屯铁矿注浆帷幕突水通道分析中,确定了岩体采动诱发突水通道特征及其形成机理;许延春等[7]提出了一种基于微震监测的工作面底板突水全时空预警的方法,使得焦作、邯邢矿区多个工作面基于微震监测的底板突水预测结果更加准确;Tian等[8]采用傅立叶变换、小波包变换、希尔伯特-黄变换等方法深度分析微震信号,建立了基于权重决策的分析模型以对冲击地压多参数进行监测;Du等[9]采用微震监测系统对单结构面和多结构面岩爆孕育过程进行监测,分析了结构面上微震事件的空间分形特征及变化趋势;Gai等[10]引入能量变异系数和两个空间因子来研究微震事件的能量差和聚集特征,从而提出了一种评价动荷载冲击下顶、底板岩层破坏的新方法。对于电荷感应信号方面的研究,潘一山等[11-13]对砂岩、泥岩及含瓦斯煤的失稳破坏过程进行了实时电荷监测,分析了不同加载速率、孔隙压力和围压对煤岩电荷感应信号的影响规律,极大地推动了电荷感应监测技术的发展;赵扬锋等[14-19]研究了单轴压缩条件下不同类型、不同组合比例、不同倾角裂隙煤岩和三点弯曲下脆性岩石试样以及断层黏滑失稳的微震和电荷感应信号变化规律;杨玉龙等[20]、刘永杰等[21]、孔艳慧等[22]、张昕等[23]研究了煤岩摩擦过程中表面电位及其变化规律、顶板岩石失稳破坏过程中表面电位信号的临界慢化特征、煤体吸附瓦斯过程表面电位特征规律以及突水过程中煤岩表面电位变化规律;李德行等[24]利用自主研制的矿用微电流监测仪对冲击地压煤矿回采工作面进行了现场测试,研究了回采过程中巷道内煤体微电流的空间分布规律和工作面前煤体微电流的时域响应规律,确定了煤体失稳破坏的微电流前兆特征;Tian等[25]对单轴压缩岩石破坏过程中的电磁辐射和微震信号进行研究,分析了电磁辐射和微震的耦合效应,进一步阐明了岩石破裂诱发电磁辐射的机理;Luo等[26]建立了声发射、电磁脉冲与荷载同步监测系统对单轴压缩下煤岩破坏进行监测,定量评价了声发射、电磁信号与应力突降的相关性以及声发射和电磁信号的频谱特征。目前,国内外探究煤岩失稳机理以及多参量前兆信息的试验多基于单轴压缩的加载方式,而对循环荷载下煤岩的电荷感应与微震信号变化特征鲜有报道。因此,本文采用自行研制的多通道电荷感应和微震监测系统,监测和分析在不等幅循环荷载作用下煤岩变形破裂过程电荷感应和微震信号的时、频特性和能量特征,并与单轴压缩实验进行对比,从而形成有效的煤岩失稳预警判据。

2 试验研究方法

2.1 试验系统与试件

煤岩加载试验与测试系统如图1所示。试验系统主要由加载及荷载-位移记录系统、电磁屏蔽系统、多通道电荷感应与微震信号数据采集系统3个部分组成。加载系统采用MTS系列液压万能试验机,加载速度为0.01 mm/s,试验时选用位移加载控制方式。电荷感应和微震信号数据采集系统采用自行研制的多通道数据采集器,主要包括电荷与微震传感器、A/D数字转换器和数据采集器3个模块。试验时选用3个PSH-10B微震传感器,其中一个竖直布置,另外两个水平布置,传感器互成直角,形成三维传感器系统。电荷传感器设置在试件相邻3个侧面的中部,正对试件表面,距表面约5 mm,电荷传感器的原理可参见文献[27]。试验选用平顶山煤矿十一矿己四工作面的原煤、原岩,经切割加工后制成外观均匀、端面平整的圆柱状煤和砂岩试样,并置于自然中至干燥状态。选取表面无明显缺陷的A组煤、C组砂岩试样各4个进行加载,其中A1、A2和C1、C2为多级循环加载,A3、A4和C3、C4为单轴压缩。

图1 煤岩加载试验与测试系统示意图

2.2 试验步骤

试验时,按照以下步骤进行:

(1)按图1所示连接仪器,调整多通道采集系统。

(2)将试件置于屏蔽筒内中心位置,利用绝缘纸将试件与压力机底座和压头隔绝,并用铜网包裹屏蔽筒。

(3)调节荷载-位移数据采集系统,设置加载速率;调节电荷感应与微震信号采集系统,设置采样频率,同时启动各采集系统,以确保数据同步。

(4)对8个试件分别进行单轴压缩或多级循环加、卸载。

(5)试验开始时,先启动MTS压力机,再启动电荷感应与微震信号采集系统。试验结束时,先关闭数据采集系统,然后再停止MTS压力机,以减少信号干扰。

3 试验结果与分析

以煤岩试件为对象开展了8组多参量监测试验,篇幅所限,仅选取其中具有代表性的监测数据进行研究。

3.1 力学特性分析

表1为各试样的试验参数表,图2为不同加载方式下煤岩的应力-应变曲线。图2(a)、2(b)为循环荷载下A1煤样、C1砂岩的应力-应变曲线,图2(c)、2(d)为单轴压缩下A3煤样、C3砂岩的应力-应变曲线。

表1 试样试验参数

图2 不同加载方式下煤和砂岩试样的应力-应变曲线

由图2(a)、2(b)可知,在循环加、卸载过程中,煤岩应力-应变曲线出现明显的滞回效应,加、卸载路径不能完全重合,形成多个滞回环,并且随着不可逆塑性变形逐渐累积,滞回环不断向后迁移[28]。循环荷载下煤岩在达到抗压强度前有多次应力调整,当应力未达到或接近抗压强度时,煤岩尚未破裂,应力会迅速减小,只有当应力超过抗压强度一定程度时才会发生“阶梯式”失稳破坏。在图2(c)、2(d)中,单轴压缩下煤岩在达到抗压强度后才首次进行应力调整,峰后曲线基本呈垂直跌落趋势,煤岩试件瞬间发生失稳破坏,应变脆性特征明显。

图3为不同加载方式下煤岩试件破坏实物图。综合表1和图2、3可知,单轴压缩下煤样和砂岩的最大抗压强度分别为 14.2、27.3 MPa,多级循环荷载作用下煤样和砂岩的最大抗压强度分别为 12.4、25.2 MPa;单轴压缩下煤样呈块状劈裂破坏,循环荷载下煤样呈多裂纹贯穿劈裂破坏,单轴压缩下砂岩呈整体劈裂破坏,循环荷载下砂岩呈局部劈裂破坏。随着循环荷载的不等幅加载,试件的抗压强度降低,循环荷载会改变煤岩的力学特征和变形破坏特征,每个循环曲线都会损耗煤岩体内部能量,促使裂纹的发育和扩展,破坏形式由突然失稳破坏向渐进破坏转变。

图3 不同加载方式下煤和砂岩试样破坏实物图

3.2 微震与电荷感应时域特征分析

图4、5分别为循环荷载下煤样和砂岩的应力、电荷感应和微震信号监测结果,电荷感应信号为1、2、3号通道,微震信号为5、6、7号通道,其中6号微震传感器垂直放置。将图4(a)、5(a)的应力-时间曲线划分为5个阶段。

图4 循环荷载下煤样的应力、电荷感应和微震信号监测结果 图5 循环荷载下砂岩的应力、电荷感应和微震信号监测结果

将图4(a)应力-时间曲线的5个阶段对应图4(b)、4(c)可知,循环加载初期,煤样处于压密阶段(AB),煤样内部微裂隙受力闭合,产生微弱的微震信号; 弹性阶段 (BC),煤样发生弹性变形,内部裂隙发育不明显,随着应力的增加煤样持续产生小于5 pC非常微弱的电荷感应信号。弹性阶段后期(CD),煤样内部原生裂隙开始扩展,新生微裂纹萌生并逐渐开始发育,257.7 s(42%σc,σc为抗压强度)时,电荷传感器所对的3个侧面均首次出现电荷感应信号,3号通道有幅值为25 pC的电荷感应信号产生,并且也有较大幅值的微震信号出现。强化损伤阶段(DE),第4次循环加载时煤样处于强化损伤阶段中期,此阶段塑性变形加剧,煤样内部累积损伤增加,有较小幅值的电荷感应与微震信号产生。在400.0 s(70.5%σc)时应力发生突变,塑性变形和损伤累计区域扩大,微裂纹压剪滑动变形并不断延伸,继而出现大幅值的电荷感应与微震信号, 此时2号通道电荷感应幅值最大,达到50 pC,1号通道电荷感应幅值最小,仅为3 pC,3号通道电荷感应幅值为17 pC,5、6号通道微震信号的幅值为5.7×10-3m/s。在第4次循环加载后,有两次小的应力调整,5、6号通道有幅值为2.3×10-3m/s的微震信号产生,电荷感应信号微弱,微裂隙汇合贯通后应力继续增加。强化损伤阶段后期有较多高幅值电荷感应与微震信号,信号形式多为单个脉冲信号,随着荷载的增加,大量裂隙发育、贯通,直至形成主破裂,煤样的承载能力达到峰值 E 点。峰后软化阶段(EF),煤样在峰前聚积了大量的弹性能,当荷载一旦超过了抗压强度,煤样就会进入峰后软化阶段并释放更大的能量,3侧面均有幅值为50 pC的电荷感应信号和6.0×10-3m/s的微震信号产生,该阶段所产生的微震和电荷感应信号事件数多、强度大、同步性强、具有高幅值振荡现象。达峰值强度后大量裂缝面间的充分咬合使得试件破而不碎,仍具有一定的残余承载能力,残余承载结构内部裂隙继续发育,应力逐级跌落,失稳破坏持续时间较长,在峰后软化阶段至试件产生多裂纹贯穿劈裂破坏前,1号通道的电荷感应信号更加频发,呈现出脉冲信号的振荡现象,但峰值仅为23 pC,并非最大,此过程为危险易发区域,易被误判。

由前文分析可知:每个循环加载过程中煤样的荷载变化与电荷感应和微震信号的波动之间有良好的对应关系。随着每一次加、卸载的进行,在微裂隙压密闭合、发育扩展、连接贯通的各个阶段,均伴有不可逆变形的增加以及损伤变量的增大,从而局部破坏区域会以应力波的形式释放能量,产生高幅值的微震信号,并且由于裂隙间发生摩擦错动时会瞬间发生电子转移,产生急剧增大的电荷感应信号。但当荷载在达到某值后进行卸载时,裂隙展开,逐渐趋于稳定的微震和电荷感应信号便会再次发生突变,所以当电荷感应和微震信号出现突变-平稳-突变的周期变化时,可以推断煤样完成了一次循环加、卸载过程。该结论与文献[29]类似,文献[29]中是利用声发射和电荷信号周期变化次数来预测采动岩体经历的分级和循环加、卸载次数。因此,通过分析多通道采集获取的微震和电荷感应信号的周期性变化,可对煤样所处应力阶段进行预测。

在常规认识中,通常认为材料的损伤只发生在加载阶段,但根据上述试验结果可以看出,在各个加、卸载过程中强信号几乎遍布卸载阶段,这就意味着对于类似于煤这种内部微破裂繁多,并且以微裂纹起裂为主要损伤形式的材料而言,在循环卸载段反而有更多损伤或者微破裂事件出现,其原因是煤直接加载至抗压强度所用的时间往往较短,留给煤样内部损伤累积的时间很少,裂纹的贯通几乎是瞬间完成的。而在卸载时群体微裂纹有足够时间发生多层次、多维度的连接和贯通,从而更易形成复杂的多裂缝系统,并且微裂纹附近区域应力集中程度较大,应变能密度也显著高于其他区域,多裂缝系统出现反向滑动时,应变能则会大量释放[30],从而产生大量电荷感应与微震信号,循环卸载段所产生的损伤对煤的强度劣化起着重要作用。

由图5(a)、5(b)可知,354.1 s(40.4%σc)时,3号通道处有较大幅值的电荷感应信号产生,幅值为21 pC, 2号通道的电荷信号幅值为9 pC,而1号通道信号微小; 375.1s(35.6%σc)时,2号通道有较大幅值的电荷感应信号产生,幅值为22 pC;在555.4 s砂岩失稳破坏时,3个侧面均出现幅值为50 pC电荷感应信号;578.2 s(54.7%σc)时,1、3号通道电荷感应信号幅值最大,达到50 pC,2号通道电荷感应信号幅值最小,仅为4 pC。与循环荷载作用下煤样电荷感应信号的变化规律相比,砂岩试件在循环加卸载初期没有明显的电荷感应信号产生,这是因为砂岩不含石英等压电材料,其电荷信号产生的主要原因是微裂隙尖端放电以及微裂隙间摩擦错动,故只在354.1与375.1 s(裂纹扩展)、555.4 与578.2 s(失稳破坏)时有电荷感应信号产生。

对应图5(a)、5(c)可知,微震信号在354.1、555.4 s(应力最大值处)与578.2 s时,3个通道均有振动速度为6×10-3m/s的微震信号产生。循环荷载作用下砂岩试件的应力-时间曲线在压密阶段(AB)、弹性阶段(BC)变化平缓,强化损伤阶段(DE)时间较长,峰后软化阶段(EF)时间很短,试件发生瞬时局部块状劈裂破坏时,曲线瞬间跌落,裂隙多维度贯通,电荷感应和微震信号明显增强,并且电荷感应与微震信号的变化与应力之间的协同性增强。在整个破坏过程中煤样的微震与电荷信号较砂岩更丰富、幅值更大,其首次高幅值微震与电荷感应信号也早于砂岩试件。

图6、7分别为单轴压缩下煤样和砂岩的应力、电荷感应和微震信号监测结果,同样将图6(a)、7(a)的应力-时间曲线划分为5个阶段。

图6 单轴压缩下煤样的应力、电荷感应和微震信号监测结果 图7 单轴压缩下砂岩的应力、电荷感应和微震信号监测结果

由图6可知,煤样在257.8 s(84%σc)时,2号通道首次接收到幅值为32 pC的电荷感应信号;煤样在268. 0s(100%σc)时失稳破坏,3个通道同时出现高幅值的电荷感应信号,之后进入平静期;在286.0 s(71.4%σc) 时3通道同时接收到高幅值的电荷感应信号,其最大值为50 pC,之后平静期缩短,3个通道有间断的同步和非同步电荷感应信号,其原因是峰后结构面持续破坏,不间断地有裂隙贯通,电荷感应信号主要集中在峰后软化阶段。124.0 s(25%σc)时,在5号通道首次接收到9.5×10-4m/s的微震信号;268.0、286.0、293.3(59.4%σc)和306.0 s(32%σc)应力突变处3个通道有同步高幅值微震信号,其最大值为6.0×10-3m/s,微震信号与应力的突变有较好的一致性。电荷信号与微震信号在268.0、286.0、306.0 s等均有同步信号,表明微震与电荷信号之间有很好的相关性。

由图7可知,在236.4 s(54%σc)时,砂岩电荷传感器首次接收到明显幅值的同步电荷信号;在274.5～281.7 s之间有间断的、幅值较小的电荷信号,其中在275.7(93%σc)、279.8 s(97%σc)时,3个通道有同步电荷感应信号。236.4 s首次同步出现高幅值微震信号,幅值为5.8×10-3m/s,246.9 s(61%σc)时再次出现同步微震信号,其幅值最大为3.9×10-3m/s,在275.7、281.5 s(92%σc)时,微震信号幅值最大为6.0×10-3m/s。在236.4、275.7和279.8 s时,电荷感应信号均同步于微震信号且幅值较大。

根据图6、7 可得出电荷感应、微震信号与单轴压缩下煤岩应力阶段主要具有以下对应关系:峰值前高幅值信号产生较少,首次明显幅值的电荷感应与微震信号产生与应力突降相对应;峰值时刻具有显著的高幅值信号,在峰后软化阶段应力突降时均有明显的高幅值电荷信号产生;最终失稳时刻应力大幅跌落,将集聚的能量迅速大量释放,产生了整个受载过程中电荷感应和微震信号的最大值。

将煤岩在单轴压缩和循环荷载下的监测结果进行对比,单轴压缩下煤岩的电荷感应与微震信号主要集中在峰后软化阶段,而循环荷载下煤岩各加载阶段均有明显的电荷感应与微震信号产生,进一步说明了煤岩在循环荷载下的破坏是一个损伤累积的过程,每个分级循环过程都对应有微裂纹的压密闭合和新裂纹的进一步萌生扩展、连接贯通,从而产生部分不可逆变形,其内部能量以表面能与塑性能的形式释放出来。因此,相较于能量瞬间集聚释放的单轴压缩,循环荷载下的煤岩在每个加载阶段都会产生丰富的电荷感应与微震信号,更具研究价值。

不同加载方式下煤岩的电荷量累计曲线如图 8、9 所示。由图8(a)和9(a)可知,循环荷载下煤的电荷量积累曲线在弹性阶段后期开始呈台阶式增加,并且由于循环荷载使煤样内部的裂隙得到充分的发展,之后各个阶段都有显著的台阶式电荷累计;单轴压缩下煤样电荷量积累量表现为从峰后软化阶段开始急剧增加,突变期延后,说明峰前阶段煤样内部损伤并没有充分发育扩展,而是在达到抗压强度后瞬间形成宏观裂缝发生失稳破坏,高幅值脉冲数量突增。由图8(b)和9(b)可知,循环荷载下的砂岩电荷量累计曲线与单轴压缩下砂岩电荷量累计曲线的走势大致相同,总体表现为:在加载初期电荷量增幅平缓,在弹性后期有应力突降时跃增,在劈裂破坏时电荷量在极短的时间内达到最大值。

图8 循环荷载下煤岩的电荷量累积曲线

图9 单轴压缩下煤岩的电荷量累积曲线

3.3 微震信号频域特征分析

由上节分析可知,循环荷载下煤岩在各阶段均有高幅值的微震信号产生,而单轴压缩下的煤岩只有发生应力突降时才会产生高幅值微震信号,且应力突降多发生在峰后软化阶段,故选用A1、C1煤样6号通道数据做不同时间阶段的微震频谱图。图10为多级循环加、卸载过程中A1煤样6号通道的微震信号频谱图;图11为单轴压缩过程中C1煤样6号通道的微震信号频谱图,图中σ/σc为各事件开始触发时刻的应力水平。

图10 煤样循环加载过程中不同阶段的微震信号频谱图

图11 煤样单轴压缩过程中不同阶段的微震信号频谱图

由图10可知,在压密、弹性阶段,煤样内部裂隙和孔隙较多,随着荷载的增加,裂隙与孔隙闭合产生微弱的微震事件,所以此阶段微震信号主频较低。第2次加载时煤样处于弹性阶段后期,内部裂隙开始扩展,此时微震信号主频幅值增大,最大幅值达到272 μm/s。第2次卸载初期煤样弹性能释放,这时微震活动短暂增强,微震主频相对幅值也随之增大,达到281 μm/s,主频大小为20～60 Hz,而随着荷载的减小,主频相对幅值也呈现出减小的趋势, 第2次卸载后期主频幅值减小到76 μm/s。随着第4次循环加、卸载的进行,煤样步入强化损伤阶段中期,此阶段煤样变形加剧,煤样的变形破裂呈阵发、非连续状态,不同裂隙汇合、贯通、破裂所产生的微震频率各不相同,从而使主频带变宽并出现次主频,频谱在20～80 Hz集中分布,微震强度有增强的趋势,高频微震信号增多,主频幅值增大,最大幅值达到761 μm/s。进入峰后软化阶段时,煤样内部已经形成的大量微裂纹开始汇合、贯通,随着荷载增加、变形加速,即使保持恒载也会产生形变,此阶段微震事件数增多,振幅增大,具有高幅值的特点,主频信号最大幅值达到868 μm/s。峰后软化阶段后期,主频信号幅值为179 μm/s,高幅值减小,主频带变窄,次主频逐渐消失。煤样在循环荷载作用下微震信号频谱幅值呈现出弹性变形阶段先升后降、强化损伤阶段上升、峰后软化阶段持续上升后下降的变化规律。

由图11可知,弹性阶段微震信号主频较低、幅值较小,主频最大幅值仅为63 μm/s;强化损伤阶段微震信号主频幅值持续上升,最大幅值达到260 μm/s,并出现次主频;峰后软化阶段微震信号主频幅值增幅最大,主频信号幅值达到418 μm/s后逐渐减小,该阶段出现高值现象,次主频逐渐消失。

由此可见,微震信号频谱的阶段特征及变化规律能够很好地反映煤样内部的应力状态,在不同加载方式下煤样的整个变形破裂过程中,主频率是不断发生变化的,但均具有低频的特点,微震信号主频幅值的增大与微震信号的增强具有同步性。因此,微震信号的频域特征可以作为探究煤样失稳破坏的判据。

3.4 微震与电荷感应信号的能量分析

试验监测到的电荷感应和微震信号为随机波动信号,均方值可以表示信号的强度,代表了信号的能量。图12 为不同加载方式下煤岩微震与电荷感应信号的均方值图,其中微震信号为6号通道,电荷感应信号为2号通道。

图12 不同加载方式下煤岩微震与电荷信号均方值

由图12(a)、12(b)可知,循环荷载下煤岩的疲劳损伤是一个不可逆的非均质能量耗散过程,在压密、弹性阶段煤岩产生的电荷感应和微震信号事件数较少,257.7s(煤样)和354.1 s(砂岩)的能量释放均与应力突降相对应,信号能量主要分布在强化损伤阶段与峰后软化阶段。不同循环加、卸载阶段试件能量的释放均与应力突降有较好的一致性,应力突降会导致更多损伤或者微破裂事件出现,由此产生的电荷感应和微震信号也会更加丰富,且幅值更大,信号能量也更大,煤样最大微震信号均方值为1.74×10-5,最大电荷感应信号均方值为1 351;砂岩最大微震信号均方值为1.98×10-5,最大电荷感应信号均方值为508。由图12(c)、12(d)可知,单轴压缩下煤岩的信号能量主要分布在峰后软化阶段,煤样最大微震信号均方值为2.16×10-5,最大电荷感应信号均方值为846;砂岩最大微震信号均方值为2.15×10-5,最大电荷感应信号均方值为849,微震和电荷感应信号均在应力突降时有较大的信号值产生,这同样表明微震和电荷感应信号与应力突降有较好的一致性。

4 煤岩失稳破坏的前兆特征

电荷感应与微震信号的变化特征与煤岩的受载阶段有良好的一致性,将两种信号相互补充对煤岩的受载阶段进行综合分析和划定,可提高预测的准确性。通过分析循环荷载作用下煤岩的力学性质以及电荷感应与微震信号的变化特征,提出以下煤岩失稳破坏的前兆特征:

(1)通过分析电荷感应与微震信号时域特征可知,电荷感应与微震信号的周期性以及高幅值信号的密集程度可以预测煤岩体所处的应力阶段。电荷感应和微震信号出现突变-平稳-突变的周期变化时,可以推断煤岩完成了一次循环、加卸载;在每个循环加、卸载过程中又可以由较强信号的出现来判断煤岩体处于卸载阶段;当非周期性且事件数最多、强度最大、同步性最强、高值振荡现象的脉冲微震和电荷感应信号同时出现时,可判定试件即将由强化损伤阶段末期进入峰后软化阶段。不同于常规单轴压缩,循环荷载下煤样在发生多裂纹贯穿劈裂破坏前会频繁出现峰值较小的电荷感应信号,预警过程中需警惕此类信号。

(2)通过分析微震信号频域特征可知,当微震信号主频幅值较低、频谱分布均匀时,说明煤样处于弹性阶段;微震信号频谱主频相对幅值较高、主频带变宽、次主频出现、频谱从均匀分布转变为低频集中分布时,可以认为煤样处于强化损伤阶段;微震信号主频带变窄、次主频消失、频谱集中在低频区域时,可以判断煤样处于峰后软化阶段。

5 结 论

(1)循环荷载下煤岩电荷感应和微震信号在不同受载阶段各具特点,信号的时域特征总体表现为随裂隙发育程度的提高信号幅值明显增加,特别是与加载段相比,在卸载段反而有更多的高幅值电荷感应与微震信号出现。

(2)循环荷载作用下煤样破坏过程中微震信号的频谱变化规律与煤样内部裂隙的扩展状态有较好的对应性,且微震信号主频幅值的增高与微震信号的增强具有同步性。单轴压缩下煤样微震信号的频谱也具有相同特征。

(3)电荷感应与微震信号的变化特征与煤岩的受载阶段有良好的一致性,通过多通道采集的电荷感应与微震信号可以很好地划定煤岩的受载阶段,避免了单个采集方法的信息损失遗漏,从而得到更加准确的煤岩失稳预警信息。