李成武,楊 威,徐曉萌,王啟飛

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京 100083)

煤體沖擊破壞超低頻/極低頻電磁異常特征分析

李成武,楊 威,徐曉萌,王啟飛

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京 100083)

為確定煤體沖擊破壞過程中是否產(chǎn)生超低頻/極低頻電磁信號,利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗系統(tǒng)和ZDKT-1型瞬變磁振測試系統(tǒng),研究不同沖擊速度下煤體破裂電磁信號變化規(guī)律。通過分析電磁異常信號的Hilbert時頻譜特征,確定煤體沖擊破壞下的超低頻/極低頻電磁效應,研究不同沖擊速度下電磁信號能量和沖擊耗散能之間的關系。結果表明：煤材料在沖擊破壞過程中能產(chǎn)生超低頻/極低頻電磁信號,信號主頻在0～30 Hz;電磁信號幅值和沖擊速度呈現(xiàn)正線性相關,電磁信號能量和沖擊速度為二次多項式關系,沖擊耗散能和電磁能增長趨勢基本相同,超低頻/極低頻電磁信號強度可間接反映煤體內部損傷的程度。

煤體;SHPB;沖擊破壞;超低頻/極低頻;電磁異常

自1933年Stepanov發(fā)現(xiàn)斷裂電磁輻射現(xiàn)象以來,煤巖破裂電磁異常現(xiàn)象一直受國內外學者關注。巖石電磁輻射最早從地震工作者發(fā)現(xiàn)震前電磁異常開始的。巖石在受載破裂過程中會產(chǎn)生明顯的電磁異常,這種電磁異常在實驗室尺度[1-2]和地球物理尺度[3-4]均被探測到。電磁輻射是寬頻的,頻率從超低頻到甚高頻,甚至更高[5-6]。Eftaxias等[7-8]分析了地震前超低頻電磁異常信號特征。錢書清等[9]通過大尺寸巖石試樣的破裂試驗認為20～1 000 Hz頻段的信號先于其他頻段的信號出現(xiàn)。曹惠馨等[10]進行了超長波段電磁輻射信號實驗研究,認為巖石破裂過程中在超低頻段有較強的電磁輻射。而在強度較低的煤體變形破裂電磁輻射研究方面,國內外學者通過大量的理論分析、模擬實驗和現(xiàn)場測試,對煤體電磁輻射的產(chǎn)生機理、特征、規(guī)律及應用等進行了深入的研究[11-15]。但現(xiàn)有的研究主要集中在3 kHz以上頻段,而對1 kHz以下低頻電磁信號研究較少[16-18]。低頻電磁信號(1 kHz以下),尤其是300 Hz以下超低頻/極低頻電磁信號具有傳播距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點,更適用于煤礦井下復雜環(huán)境下沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害監(jiān)測。因此,有必要對煤體破裂超低頻/極低頻電磁效應進行深入研究。

目前,電磁輻射技術已經(jīng)成功的運用于煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害的預測預報,其技術關鍵在于電磁信號特征的準確識別。前人研究多采用拉伸,剪切和摩擦等靜態(tài)或準靜態(tài)加載方式研究煤巖破裂電磁信號變化規(guī)律,而關于動載作用下煤巖破裂電磁信號特征的研究較少。煤礦開采過程中放炮、風鎬掘進等使煤體應力得到瞬間釋放,是引起煤與瓦斯突出等煤巖動力災害的主要誘因[19]。爆破震動、風鎬掘進、頂?shù)装鍘r層突然破斷或滑移垮落、斷層活化等均能使煤體承受強烈的動載荷作用,其應變率一般為10～103s-1[20],動態(tài)沖擊過程電磁信號特征和靜載過程存在較大差別。因此,研究動載作用下煤體破壞電磁信號特征,對提高煤巖動力災害預測預報準確性更具現(xiàn)實意義。本文借助分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗系統(tǒng),采用自主研發(fā)的ZDKT-1型瞬變磁振測試系統(tǒng),探究快速沖擊作用下煤體破壞超低頻/極低頻電磁異常信號特征。

1 煤體沖擊破壞實驗系統(tǒng)

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗是在中國礦業(yè)大學(北京)深部巖石力學和地下工程國家重點實驗室完成。該實驗系統(tǒng)是由SHPB實驗裝置和ZDKT-1型瞬變磁振測試系統(tǒng)2個獨立系統(tǒng)構成。實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig．1 Experimental system

實驗所采用的是?50 mm鋼桿SHPB實驗裝置包括：動力系統(tǒng)、撞擊桿、輸入桿、輸出桿、吸收桿和測量記錄系統(tǒng)等。撞擊桿為?50 mm×400 mm的圓柱體,輸入桿和輸出桿均為鋼質壓桿,直徑為50 mm,被測試樣夾在輸入桿和輸出桿之間。撞擊速度測量采用光電法,根據(jù)撞擊桿飛行時截斷兩束白光的時間間隔和光束間距確定撞擊桿的飛行速度。輸入桿和輸出桿上應變計記錄的應變脈沖經(jīng)超動態(tài)應變儀放大后由瞬態(tài)波形存儲器采集存儲,采樣速率為107s-1。

SHPB實驗技術是建立在彈性壓桿一維應力假定和試件內部應力均勻化假定之上。實驗中撞擊桿以一定速度沿軸向撞擊輸入桿,在輸入桿中產(chǎn)生壓縮應力波。假定輸入桿和輸出桿僅發(fā)生彈性變形,桿中應力波做一維傳播。當應力波到達試樣時,如果試樣的波阻抗小于壓桿的波阻抗,將反射一個波返回到輸入桿中,并經(jīng)過試樣透射一個波進入到輸出桿中。壓桿中的脈沖信號通過應變片來測量,通過測定壓桿上的應變來推導試件材料的應力-應變關系[21]。

ZDKT-1型瞬變磁振測試系統(tǒng)(圖2)包括：磁場接收器、瞬變磁振測試儀及計算機。實驗過程中磁場接收器正對煤試件,并且與試件保持同一水平,水平距離為40 mm。磁場接收器由1 000匝線圈繞在磁棒上組成,線圈直徑為100 mm,內阻為21．8 Ω,電感為11．39 mH,電容為13．61 μF。實驗測得磁場接收器的有效接收頻段為0～2 200 Hz。瞬變磁振測試儀采用美國國家儀器公司(NI)的cRIO-9074嵌入式機器控制與監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。NI cRIO-9074集成了400 MHz工業(yè)實時處理器和2百萬門FPGA,具有用于嵌入式操作的128 MB DRAM和用于數(shù)據(jù)記錄的256 MB非易失性存儲器。瞬變磁振測試儀采樣頻率為3 000 Hz,前置放大器增益為80 dB。

ZDKT-1型瞬變磁振測試系統(tǒng)主要依據(jù)法拉第電磁感應定律,當煤體破裂會產(chǎn)生瞬變的電磁場,電磁場的瞬間產(chǎn)生和消失會引起磁場接收器中的磁通量發(fā)生變化,進而會使繞在磁棒上的線圈產(chǎn)生感應電動勢。感應電信號由瞬變磁振測試儀采集,并經(jīng)前置放大器放大及A/D轉換處理,最后通過網(wǎng)絡傳輸?shù)接嬎銠C。通過監(jiān)測感應電動勢大小來反映煤體破裂產(chǎn)生電磁信號的大小。

圖2 瞬變磁振測試儀位置Fig．2 Location of ZDKT-1 transient magnetic field tester

1.2 煤樣制備

煤樣選自平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦丁5．6-21180機巷掘進工作面大塊煤體。煤試件在中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室加工得到。根據(jù)Davies和Hunter[22]所推薦的最佳長徑比計算公式,筆者用取芯機取出直徑為50 mm試件,經(jīng)打磨機打磨成高為50 mm、直徑為50 mm的標準試件。為使試件滿足受力的“均勻性”假定,試件兩端不平行度在0．02 mm以內[23]。為了減少界面摩擦效應,在彈性桿與試件界面間涂抹黃油潤滑[24]。

1.3 實驗方案

為研究不同沖擊速度下電磁信號特征,筆者選取了12組煤樣進行測試,沖擊速度為4．534～19．361 m/s,沖擊實驗方案見表1。

表1 SHPB沖擊實驗方案Table 1 Experimental schemes of SHPB

2 動態(tài)響應特征分析

2.1 應變率分析

圖3為不同沖擊速度下應變率時程曲線,應變率變化持續(xù)時間均在0～250 μs,曲線均呈先迅速上升至峰值,然后保持在峰值平臺,隨后迅速下降的趨勢。隨著速度的增大,應變率曲線上升階段和下降階段持續(xù)時間越短,峰值也逐漸增大。低沖擊速度(4．534～7．990 m/s)時,峰值平臺波動比較大,中等沖擊速度(8．714～12．730 m/s)時,峰值平臺波動相對較小,而高沖擊速度(14．503～19．361 m/s)時,峰值平臺基本呈現(xiàn)一條直線。根據(jù)峰值平臺對應的應變率,即可找到煤體材料的近似平均恒應變率[25]。近似平均恒應變率與相應的沖擊速度關系如圖4所示。可以看出應變率的幅值和沖擊速度呈現(xiàn)良好的線性關系,說明實驗測得的入射波和應力波基本理論具有較好的一致性,進而表明實驗所測數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

圖3 不同沖擊速度下應變率時程曲線Fig．3 Strain rate trend with time under different impact velocities

圖4 平均恒應變率和沖擊速度關系Fig．4 Relationship between average constant strain rate and impact velocity

2.2 動態(tài)應力應變關系

圖5為不同沖擊速度下的應力應變關系,可以看出,隨著沖擊速度的增大,極限應力逐漸增大。低沖擊速度時,在第1個極大值之前曲線斜率(動態(tài)彈性模量)偏離較大,和沖擊速度關系密切。進入塑性階段,曲線近似水平,峰后曲線并沒出現(xiàn)回彈,如圖5(a)所示;中等沖擊時,初始上升階段基本是一條直線,不同速率下曲線斜率偏離也不大,能夠很好的重疊,一般認為這個階段煤材料具有線彈性。曲線在上升到第1個極大值后,隨著應變的增大,應力先是減小然后又升高到峰值,表現(xiàn)為應變強化的響應性質。峰后曲線成負斜率下降,這和巖石材料呈現(xiàn)較為相似的特征,如圖5(b)所示;高速沖擊時,初始上升階段和中等沖擊速度相似,基本是一條直線,不同速率下偏離也不大,能夠很好的重疊。高應變率下,煤體表現(xiàn)明顯的脆性特征,試件在較小的應變下即達到極限應力值,隨后隨著應變的增大,并沒有呈現(xiàn)先下降后上升至第2個極值的趨勢,而是隨著應變進一步增大,應力迅速減小,試件脆性破裂特征逐漸明顯,這和巖石材料有明顯差別,如圖5(c)所示。

圖5 不同沖擊速度的應力-應變關系Fig．5 Stress-strain relationship under different impact velocities

2.3 沖擊破壞耗散能分析

巖石在承受動載作用時,隨著沖擊速率(應變率)增加,其非線性變形明顯增加,而破碎吸收能是衡量巖石破壞難易程度的重要指標之一[26]。試樣的破碎吸收能根據(jù)入射能、反射能和透射能的差值求得。而入射能、反射能、透射能根據(jù)應力波幅值和入射桿與透射桿參數(shù)加以確定。圖6為應變能和耗散能與沖擊速度的關系曲線,可以看出,入射能和反射能與沖擊速度均呈現(xiàn)良好的二次多項式關系,而透射能與沖擊速度的二次多項式關系并不好,耗散能與沖擊速度的關系也近似為二次多項式關系,這和文獻[27]中耗散能和沖擊速度的關系是一致的。

3 電磁響應特征分析

3.1 動態(tài)沖擊下電磁信號形態(tài)

實驗發(fā)現(xiàn),不同沖擊速度下煤體破壞過程均測得電磁異常信號,限于篇幅,筆者僅列出3組實驗的電磁信號形態(tài),如圖7所示。沖擊荷載作用下電磁異常持續(xù)時間很短,不超過3 s,且呈現(xiàn)近似直線上升,然后迅速下降的變化趨勢。沖擊速度小(4．534 m/s)時,電磁異常變化并不明顯,電磁信號幅值在0．7 mV左右,如圖7(a)所示;沖擊速度中等(8．714 m/s)時,電磁異常變化較為明顯,電磁信號幅值在1．5～2．0 mV,如圖7(b)所示;沖擊速度較大(19．361 m/ s)時,電磁異常變化非常明顯,電磁信號幅值在4．0 mV之間,如圖7(c)所示。同時,原始電磁信號包含大量的噪聲,為進一步分析電磁異常信號特征,需要對原始信號進行降噪處理。

圖6 不同沖擊速度下的應變能和耗散能Fig．6 Strain energy and dissipation energy under different impact velocities

3.2 電磁信號去噪分析

3.2.1 背景噪音Hilbert譜分析

煤巖變形破壞過程中的電磁異常信號十分微弱,大量的干擾和噪聲對于微弱電磁異常信號產(chǎn)生較大影響,因此必須研究噪聲特性并采取適當?shù)姆椒ㄟM行將其濾除以得到真正的電磁異常信號。經(jīng)考察,所有實驗背景噪音均呈現(xiàn)相同特征,以實驗1-6為例,從圖7(b)可以看出,前60 s信號均是背景噪音,為了便于分析,本文選擇實驗1-6的0～5 s的數(shù)據(jù)分析噪聲特征。將0～5 s數(shù)據(jù)經(jīng)整體經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)后求其功率譜[28],如圖8所示。

圖7 不同沖擊速度下的電磁異常Fig．7 Electromagnetic anomaly under different impact velocities

圖8 背景噪音功率譜Fig．8 Power spectrum of background noise

從圖8(a)可以看出,實驗室背景噪音信號頻率在100 Hz以內。為了便于觀察,僅觀察100 Hz內的功率譜圖,如圖8(b)所示。從圖8(b)可以看出, 40～60 Hz內的噪音信號較強,主頻為50 Hz,經(jīng)推斷背景噪音可能是實驗室內電器設備的工頻干擾。故實驗室條件下的背景噪音主頻為50 Hz。

3.2.2 電磁異常信號Hilbert譜分析

截取各個實驗包含電磁異常的信號,為與背景噪音相比較,信號截取長度也均取為5 s。對電磁異常信號進行EEMD變換,然后求其功率譜(圖9)。

圖9 電磁異常信號功率譜圖Fig．9 Power spectrum of electromagnetic anomalies

由圖9可以看出,沖擊速度較小時,產(chǎn)生的電磁異常并不明顯,且電磁異常的功率譜和背景噪音的功率譜相當(圖9(a))。隨著撞擊桿速度的增大,電磁信號和背景噪音區(qū)分也逐漸明顯,電磁信號的功率譜逐漸增大(圖9(b),(c))。通過圖9觀察可知,電磁信號的頻率均在100 Hz以內,為此,筆者截取100 Hz的功率譜進行分析。為了便于考察頻率范圍,筆者取圖9中的100 Hz以內功率譜俯視圖,如圖10所示。從圖10(a)可以看出,沖擊速度為4．534 m/s下的電磁異常主頻在10 Hz以內。其余沖擊速度下電磁信號的頻率均為0～30 Hz,10 Hz以內的信號能量最大,如圖10(b),(c)所示。通過以上分析,可知電磁信號的主頻為0～30 Hz。

圖10 電磁異常功率譜局部俯視圖Fig．10 Local vertical view of power spectrum of electromagnetic anomalies

3.2.3 電磁異常信號去噪

為了實現(xiàn)信號去噪,筆者采用EEMD低通濾波[28]。12組實驗數(shù)據(jù)經(jīng)EEMD分解后,原始信號均被分為12個固有模態(tài)函數(shù)(IMF)和1個殘差分量residual。為便于區(qū)別,分別用IMF1～IMF12代表12個固有模態(tài)函數(shù)。統(tǒng)計分析背景噪音和12組實驗電磁異常信號經(jīng)EEMD變換后各IMF的能量百分比,為了便于觀察沖擊前后信號的IMF變化情況,筆者以噪聲IMF能量百分比為界限,分析電磁異常與噪聲信號的異同,如圖11所示,其中紅線代表的是噪聲IMF1～IMF12的能量百分比。

圖11 各實驗IMF能量百分比Fig．11 Power percentages of each IMF in each experiment

從圖11可看出,12組電磁異常信號EEMD分解后IMF6～IMF12能量百分比均大于噪聲信號的IMF6～IMF12,IMF1～IMF4能量百分比恰恰相反,說明沖擊過程IMF6～IMF12的能量在增加,而IMF1～IMF4的能量在減小。所以,IMF6～IMF12應為有用信號分量。對于IMF5,電磁異常信號功率大部分小于噪聲信號,小部分異常信號大于噪聲段,而對IMF5進行傅里葉變換,發(fā)現(xiàn)IMF5的主頻為50 Hz,此處認為其主要包含噪聲信號。由此可認為電磁異常信號處于IMF6～IMF12頻段內,這與上文的分析結果一致。

由以上分析,可知電磁異常信號的頻段均在30 Hz以內,主要分布在IMF6～IMF12,殘差分量residual代表信號的趨勢項,因此,將IMF6～IMF12和分量residual加以重構,得出去噪后的電磁異常信號。圖12為電磁異常信號重構結果。相比沖擊破裂電磁異常原始信號,EEMD低通濾波效果很好。電磁異常上升階段均呈現(xiàn)近似直線上升的趨勢。電磁異常下降階段趨勢和沖擊速度的大小有關,沖擊速度小時,下降階段呈現(xiàn)近似負指數(shù)衰減的趨勢,如圖12(a)所示。沖擊速度中等時,下降階段呈現(xiàn)先近似指數(shù)衰減趨勢,末尾存在小幅度振蕩衰減,如圖12(b)所示。沖擊速度較大時,下降階段迅速衰減至反向最大值,然后直線上升至第二極大值,隨后負指數(shù)衰減,末尾不存在小幅度振蕩,如圖12(c)所示。中等沖擊速度下電磁異常持續(xù)時間大于低沖擊速度和高沖擊速度。究其原因,電磁異常的產(chǎn)生主要與塑性變形過程中裂紋擴展、裂紋面的摩擦等有關,由圖5可知,中等沖擊速度下塑性區(qū)應變高于其他2種沖擊速度,煤體裂紋擴展較為充分,由此導致中等沖擊速度下電磁異常持續(xù)時間較長。

3.3 電磁能和耗散能的關系

動態(tài)沖擊作用下試件所吸收的能量主要用于以下3個方面：①破碎耗能,產(chǎn)生新的斷裂表面和微裂紋以及裂紋擴展等;②碎塊彈射的動能;③伴隨著裂紋擴展或斷面間摩擦的電磁輻射、聲發(fā)射、紅外輻射等能量耗散形式[29]。以往研究發(fā)現(xiàn),破碎耗能占吸收的95%左右,碎塊動能較小。與前述機械能相比,電磁輻射等輻射能量級非常小,在傳統(tǒng)能量計算中大多會忽略,但是由于這些能量釋放是煤巖體內部裂紋擴展、裂紋面的摩擦、煤巖顆粒的滑動的具體表現(xiàn),包含能夠反映煤巖內部損傷程度的豐富信息[30]。統(tǒng)計12組實驗去噪后的電磁信號幅值和能量,如圖13所示?？梢钥闯鲭S沖擊速度的增大,電磁信號的幅值呈現(xiàn)線性增大的趨勢。而電磁信號的能量與沖擊速度為二次多項式關系。此外,隨著沖擊速度的增大,沖擊耗散能和電磁信號能量呈現(xiàn)相同的增長趨勢(圖14),沖擊耗散能主要用于破碎耗能,由此可看出沖擊破壞過程中產(chǎn)生新的斷裂表面和微裂紋以及裂紋擴展等耗能形式與沖擊破裂電磁信號關系密切,通過分析煤體沖擊破壞中超低頻/極低頻電磁信號強度的變化規(guī)律可間接反映煤體內部的損傷程度。

圖12 電磁異常的重構信號Fig．12 Signal reconstruction of electromagnetic anomaly

圖13 去噪信號幅值、能量和沖擊速度關系Fig．13 Relationship between amplitude of signal after de-noising,energy and impact velocity

圖14 耗散能和電磁信號能量關系Fig．14 Relationship between dissipated energy and electromagnetic energy

4 結 論

(1)不同沖擊速度下煤體破壞過程均有電磁異常信號產(chǎn)生,電磁異常持續(xù)很短,不超過3 s,且呈現(xiàn)近似直線上升,然后迅速下降的變化趨勢。中等沖擊速度下電磁異常持續(xù)時間高于低沖擊速度和高沖擊速度下的持續(xù)時間。

(2)對SHPB沖擊實驗采集信號進行整體經(jīng)驗模式分解(EEMD)和Hilbert功率譜特征分析,發(fā)現(xiàn)煤體在沖擊破壞過程中存在超低頻/極低頻電磁效應,電磁異常信號主頻為0～30 Hz。

(3)超低頻/極低頻電磁信號幅值和沖擊速度呈現(xiàn)正線性相關,電磁信號能量和沖擊速度為二次多項式關系,沖擊耗散能和電磁信號能量呈現(xiàn)相同的增長趨勢,通過分析煤體沖擊破壞中超低頻/極低頻電磁信號強度的變化規(guī)律可間接反映煤體內部損傷的程度。實驗結果為利用超低頻/極低頻電磁信號實現(xiàn)遠距離煤巖動力災害監(jiān)測提供理論依據(jù)。

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Characteristic analysis of SLF/ELF electromagnetic anomaly in the process of coal impact damage

LI Cheng-wu,YANG Wei,XU Xiao-meng,WANG Qi-fei

(Faculty of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In order to determine whether the impact damage of coal produces SLF/ELF electromagnetic signal in the process of coal and rock dynamic disasters,the change law of electromagnetic signal under different impact speed was studied using Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)experimental system and ZDKT-1 transient magnetic field test system．Subsequently,the Hilbert spectrum signature of abnormal electromagnetic signal was analyzed and the SLF/ ELF electromagnetic effect in the process of coal impact damage was confirmed．In addition,the relationship between the impact dissipation energy and the energy of electromagnetic anomaly was studied．Results show that there is SLF/ ELF electromagnetic signal in the impact damage process of coal body,and the dominant frequency of electromagnetic anomaly is 0-30 Hz．Furthermore,the amplitude of electromagnetic signal has positive linear correlation with impact velocity,and the relationship between the energy of electromagnetic signals and the impact velocity is quadratic polynomial．Impact dissipation energy and electromagnetic energy have same rising trend with the increase of impact velocity．Therefore,the internal damage of coal can be described by the strength of SLF/ELF electromagnetic signal．

coal;SHPB;impact damage;SLF/ELF;electromagnetic anomaly

TD324

A

0253-9993(2014)10-2014-08

2013-10-14 責任編輯：許書閣

國家自然科學基金資助項目(51274206);國家重點實驗室開放課題資助項目(SKLCRSM11KFB02)

李成武(1969—),男,黑龍江延壽人,研究員,博士生導師。E-mail：lcw@cumtb．edu．cn。通訊作者：楊 威(1986—),男,河南信陽人,博士研究生。E-mail：ywbj2008@126．com

李成武,楊 威,徐曉萌,等．煤體沖擊破壞超低頻/極低頻電磁異常特征分析[J]．煤炭學報,2014,39(10)：2014-2021．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1463

Li Chengwu,Yang Wei,Xu Xiaomeng,et al．Characteristic analysis of SLF/ELF electromagnetic anomaly in the process of coal impact damage[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2014-2021．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1463