李宏艷，康立軍，徐子杰,3，齊慶新，趙善坤

(1.煤炭科學研究總院 礦山安全技術研究分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013;3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

不同沖擊傾向煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射先兆信息分析

李宏艷1,2，康立軍1,2，徐子杰1,2,3，齊慶新1,2，趙善坤1,2

(1.煤炭科學研究總院 礦山安全技術研究分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013;3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

掌握煤體沖擊破壞前兆信息是科學預測預報煤巖介質沖擊地壓的科學瓶頸問題，應力加載下不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射前兆信息研究是解決這一問題的重要手段。采用聲發(fā)射探測手段對不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞進行實驗研究，通過分析發(fā)現不同沖擊傾向煤體失穩(wěn)破壞過程中振鈴計數、AE能量、頻譜及b值變化存在差異。伴隨煤體沖擊傾向性增強，加載過程煤體振鈴計數、AE能量趨向于高應力區(qū)域集中，煤體彈性階段所占比例增加，塑性破壞階段所占比例減少；主頻帶寬變動較小，有集中的趨勢，主頻強度在彈性階段、塑性破壞階段、臨破斷階段均不同程度增加，煤體沖擊傾向性越強，主頻強度增幅越大；b值降低時應力值增加，更靠近煤樣破壞強度。

沖擊傾向性；煤體；聲發(fā)射；頻譜；b值

煤巖體是一種非均質體，其中存在各種微裂隙、孔隙等，以致煤巖體在受載荷作用時,在這些缺陷部位產生應力集中，發(fā)生突發(fā)性破裂，使積聚在煤巖體中的能量得以釋放，且以彈性波的形式向外傳播。這就是煤巖體在地應力、采動應力等影響下產生的聲發(fā)射(AE)現象。煤巖體加載過程產生的聲發(fā)射信號包含著豐富的信息，對之加以處理和研究，可以推斷出煤巖體內部的結構變化，反演煤巖體的破壞機制，依此研究聲發(fā)射在煤巖破壞及沖擊地壓監(jiān)測預報方面的應用已成為研究熱點[1-9]。其中劉寶縣等[1]以煤巖變形破壞過程“歸一化”的累計聲發(fā)射振鈴計數為損傷變量，建立基于聲發(fā)射特征的單軸壓縮煤巖損傷模型；曹樹剛等[2]利用 AE 事件率、振鈴事件比和累計振鈴數作為 AE 表征參數，將突出煤體單軸破壞過程劃分為 5 個階段，并發(fā)現在接近破壞前出現聲發(fā)射相對平靜期；李庶林等[3]研究了 AE 數、事件率與應力、時間關系，得到巖體破壞全過程力學特征和聲發(fā)射特征；尹賢剛等[4]測試了不同巖石破裂全過程的力學特征及聲發(fā)射特征，得出了巖石破壞前聲發(fā)射平靜期及分形變化規(guī)律；王恩元等[5-6]針對煤體破裂過程的聲發(fā)射頻譜特征進行研究，發(fā)現了煤體變形破裂過程的聲發(fā)射頻譜變化。因此，筆者將煤巖介質破斷的聲發(fā)射研究引入到煤巖介質沖擊傾向性的研究上，通過分析不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射規(guī)律，探討沖擊煤巖介質失穩(wěn)破壞過程中內部損傷演化、能量積蓄與釋放、破斷聲發(fā)射前兆信息。

1 不同沖擊傾向性煤體聲發(fā)射試驗

試驗所取煤樣來自無、弱、強沖擊3種煤層沖擊傾向性礦井，試驗前完成3個煤層沖擊傾向性測試，測試結果見表1。

試驗由TAW-2000 高溫巖石三軸伺服試驗機加載，聲發(fā)射數據由德國Vallen公司生產的AMSY-6聲發(fā)射儀，采樣頻率為10 MHz，采用VS45-H型寬頻帶傳感器(主要頻帶在45～500 kHz)、帶旁路電路自標定，增益34 dB，測試傳感器平均靈敏96 dB。聲發(fā)射探頭布置在煤樣中部對稱兩側，探頭與煤樣之間通過真空封脂耦合，探頭下端布置支架保證探頭不滑落。試樣加載采用應力加載方式，加載速度為0.5 MPa/s。

表1煤樣沖擊傾向性測試結果
Table1Resultsofthecoaloutburstpronenesstest

煤樣編號取樣地點煤樣描述煤層沖擊傾向性結果單軸抗壓強度/MPa沖擊能量指數彈性能量指數動態(tài)破壞時間/ms綜合判斷破壞強度/MPaM1-1M1-2山東光正煤礦孔隙、裂隙結構發(fā)育，分布不均勻4 270 762 40260無沖擊4 434 03M2-1M2-2山東東泰煤礦內生裂隙網狀分布，無明顯層理分布7 310 884 34212弱沖擊6 618 01M3-1M3-2陜西郭家河煤礦表面光滑，無明顯層理、裂隙結構24 770 8712 40267強沖擊28 5221 02

1.1 不同沖擊傾向性煤體振鈴計數與 AE 能量分析

煤體沖擊傾向性程度增強，煤體失穩(wěn)破壞過程所產生的聲發(fā)射振鈴計數與AE能量變化也有所不同，圖1為不同沖擊傾向煤樣以應力與破壞強度比值為時間坐標建立的煤樣振鈴計數與AE能量變化曲線，其中壓密階段很短，故將煤樣的變形和破壞過程大致分為3個階段：壓密及彈性階段、塑性破壞階段與臨破斷階段，如圖1所示。

圖1 無、弱、強沖擊煤樣振鈴計數與AE能量Fig.1 Counts and AE energy of non-impact,weak-impact and strong-impact coal

壓密及彈性階段：煤體內孔隙、裂隙閉合，煤體以可逆變形為主，彈性能量積蓄。這個階段煤體產生的聲發(fā)射振鈴計數與 AE 能量很少，聲發(fā)射產生主要為孔隙、裂隙閉合、顆粒內部及顆粒之間滑移。這一階段在無沖擊煤樣中，占整個煤樣單軸失穩(wěn)破壞全過程的 40%～45%，弱沖擊煤樣中這一階段占50%～55%，強沖擊煤樣中這一階段占 70%～80%，沖擊傾向性越強的煤樣壓密和彈性階段占整個破壞過程比例越高。

塑性破壞階段：經過之前壓密及彈性階段的能量積蓄，煤體內部積蓄了足夠的能量，開始產生局部破壞，承載能力開始下降。煤體內部以微裂隙等小尺度破壞持續(xù)產生發(fā)展，并隨加載快速增加，煤體產生的聲發(fā)射振鈴計數與AE能量快速增大。無沖擊煤樣中這一階段占整個煤樣失穩(wěn)破壞全過程的40%～45%，弱沖擊煤樣中占30%～35%，強沖擊煤樣中這一階段占10%～20%，沖擊傾向性越強的煤樣承載結構破壞占整個破壞過程比例越低。

臨破斷階段：這個階段煤體內部大的裂隙互相匯合、貫通最終導致煤體失穩(wěn)破壞。這個階段持續(xù)時間短，聲發(fā)射振鈴計數與AE能量峰值均出現在這一階段。而沖擊傾向性增強，振鈴計數與AE能量峰值相對于之前振鈴計數與AE能量水平增幅越大，峰值位置也更接近最終破壞強度。這段時間無沖擊煤樣和弱沖擊煤樣振鈴計數與AE能量相對應力有較小幅度增加，所呈現的聲發(fā)射“平靜期”不明顯，只有強沖擊煤體才有較短時間的振鈴計數、AE能量的低水平的“平靜期”階段。聲發(fā)射平靜期是指煤體產生的聲發(fā)射不活躍，振鈴計數、AE能量水平很低，這段時間是煤體內部小破裂產生后，其內部應力場尋求新的平衡，到達新的平衡時裂紋才會拓展形成最終煤體的失穩(wěn)破壞。

1.2 不同沖擊傾向性煤體頻譜分析

煤體的變形及破壞過程不是連續(xù)的，也不是均勻的，而是陣發(fā)性的，這一過程產生聲發(fā)射信號也是陣發(fā)性的脈沖信號。當煤體局部變形能積蓄到一定程度時引起破裂，每次的破裂都會引起彈性能的釋放，產生聲發(fā)射。將煤樣變形破壞過程采集到的聲發(fā)射數據分別按照不同失穩(wěn)破壞階段進行快速傅里葉變換(FFT)，得到不同沖擊傾向煤樣的聲發(fā)射頻譜。無沖擊煤體失穩(wěn)破壞過程聲發(fā)射主頻帶寬變化不大，主頻帶分布集中在0.005～0.040 MHz之間，次主頻帶分布在0.05～0.06 MHz之間，且強度逐步降低直到臨破斷階段與主頻帶重合，如圖2(a)所示。從圖2(b),(c)上看，沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞過程主頻帶與無沖擊傾向性煤體相似，但沒有明顯的次主頻帶，且隨著沖擊傾向性增強，煤樣失穩(wěn)破壞前主頻峰值逐漸向高頻轉移。

圖2 無、弱和強沖擊煤樣不同加載階段頻譜變化曲線Fig.2 Changing curves of non-impact,weak-impact and strong-impact coal during different loading stages

而從聲發(fā)射強度上分析，煤體破斷過程聲發(fā)射強度整體呈先降低后增加的趨勢，無沖擊煤體塑性破壞階段與臨破斷階段聲發(fā)射強度增幅較大，而強沖擊煤體增幅較小，如圖3所示。

圖3 不同階段聲發(fā)射主頻信號強度Fig.3 The strength of AE spectrum in different stage

1.3 不同沖擊傾向性煤體聲發(fā)射b值分析

b值表征地震的震級-頻度關系的參數，經過一些學者研究和推廣引入巖石破壞試驗[10]，以聲發(fā)射事件模擬地震，研究地震或巖爆發(fā)生前b值變化規(guī)律[11]。本文b值采用最小二乘法計算，震級分檔為2 dB，按照時間滑動取樣計算，得出b值隨時間動態(tài)變化曲線。

b值變化決定著煤巖體內部微破裂的不同尺度變化，b值降低意味著煤巖體內部大事件所占比例增加，大尺度微破裂增加。從圖4可以看出，無沖擊傾向煤體b值降低較早，在0.6σC～0.7σC之間b值已經迅速降低，而沖擊傾向性煤體b值降低較晚，在0.75σC～0.9σC之間，且隨著煤體沖擊傾向增強，b值下降更接近最終破壞強度。

圖4 煤樣聲發(fā)射b值變化曲線Fig.4 The b-value curvse of the coal’s AE

2 不同沖擊傾向性煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射前兆分析

煤體沖擊傾向性與其自身性質有關，應力加載方式下，煤體失穩(wěn)破壞過程中內部損傷演化不同，聲發(fā)射相關參數變化也存在區(qū)別。無沖擊煤體孔隙、裂隙較發(fā)育，承載能力差，最終破壞多為粉碎性破壞；而沖擊煤體原生裂隙不發(fā)育，承載能力強，且隨著沖擊傾向增強，煤體承載更類似于巖體，最終破壞為脆性破壞。

無沖擊煤體較軟，孔隙、裂隙等原生損傷較大，加載過程彈性階段持續(xù)時間短，很快就進入局部破壞階段，彈性積蓄能量較少。而沖擊傾向性煤體硬度大，裂隙等原生損傷不發(fā)育，故彈性階段持續(xù)較長，積蓄彈性能量大，且煤體沖擊傾向性越強，能量積蓄階段越長。從聲發(fā)射參數上來說，加載前期(壓密及彈性階段)振鈴計數、AE能量較少，聲發(fā)射強度有所增加，聲發(fā)射頻率短變化較小，聲發(fā)射b值近似水平波動。

而進入塑性破壞階段無沖擊煤體由于承載結構差，內部多處局部破壞，局部能量釋放，呈現較長時間反復的能量積蓄-局部破壞過程直到整體結構失去承載能力發(fā)生最終失穩(wěn)破壞。而沖擊傾向性煤體承載能力強，進入塑性破壞階段后，局部破壞較為集中，多集中在主裂紋帶附近。隨著加載局部破壞不斷累積至最后迅速破壞，持續(xù)時間較無沖擊煤樣短，且隨著沖擊傾向性增強，煤體塑性破壞階段所需時間比例更短。從聲發(fā)射參數分析，這個階段是聲發(fā)射活躍期，煤樣振鈴計數、AE能量持續(xù)產生，聲發(fā)射強度增強，頻率分布也逐漸集中，b值迅速下降。無沖擊煤樣這一階段破壞是由小尺度破壞緩慢過度到大尺度破壞，持續(xù)時間較長，而沖擊傾向性煤體則是小尺度破壞迅速形成大尺度破壞，持續(xù)時間較短，故隨著煤體沖擊傾向增強，b值下降更接近破壞強度、下降幅度也更快。

煤樣最終失穩(wěn)破壞前，無沖擊煤體整體結構已經完全破壞，孔隙、裂隙密集分布，最終多為粉碎性破壞，而沖擊傾向性煤體承載結構還保持較完整，孔隙、裂隙多分布在主裂紋及若干次生裂紋周圍，最終破壞也多為數條裂紋貫通的剪切破壞。聲發(fā)射振鈴計數、AE 能量峰值就出現在這一階段，且煤樣沖擊傾向性越強，最終峰值水平較之前水平增幅越大，而強沖擊煤樣破斷前還表現出低振鈴計數、AE 能量水平的 “平靜期”。同時煤樣沖擊傾向性越大，聲發(fā)射強度增幅增大，聲發(fā)射頻率向高頻集中。

3 結 論

(1)煤體沖擊傾向性越強，煤體壓密及彈性階段所占比例越大，塑性破壞階段所占比例越小。

(2)煤體沖擊傾向性越強，煤體失穩(wěn)破壞前聲發(fā)射振鈴計數、AE 能量水平增幅越大。

(3)相同應力增幅下，沖擊傾向性較強的煤樣失穩(wěn)破壞過程表現出振鈴計數、AE 能量值下降的“平靜期”，無沖擊傾向性煤樣則不明顯，“平靜期”可以作為強沖擊煤體失穩(wěn)破壞的前兆信息。

(4)煤樣失穩(wěn)破壞過程聲發(fā)射主頻帶寬變動較小，隨煤體沖擊傾向性增強，煤體失穩(wěn)破壞前主頻強度增幅越大，聲發(fā)射強度峰值也向高頻集中。

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Precursorinformationanalysisonacousticemissionofcoalwithdifferentoutburstproneness

LI Hong-yan1,2,KANG Li-jun1,2,XU Zi-jie1,2,3，QI Qing-xin1,2,ZHAO Shan-kun1,2

(1.MineSafetyTechnologyBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandCleanUtilization,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;3.SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

To master the precursor information of burst coal bursting failure is the bottleneck problem to scientifically forecast rock burst,and the precursor information study on acoustic emission of coal with different outburst proneness under stress loading is one of the important ways for rock burst forecasting.The research results presented in this paper show that,as the level of coal’s outburst proneness increasing,the counts of coal vibration and energy of acoustic emission were concentrated at high stress region,with the time proportion of the elastic stage increasing while time proportion of plastic stage decreasing.The width of the main frequency channel changed little,tending to a concentration.The strength of the main frequency channel increased with varying degrees during the elastic stage,plastic stage and breaking stage,the growth of the strength of frequency increasing as the coal’s outburst proneness becoming larger.The stress increased as theb-value decreasing,tending to close to breaking strength of the coal.

outburst proneness;coal mass;acoustic emission;frequency spectrum;b-value

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2023

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2010CB226806);國家自然科學基金資助項目(51174112)；國家自然科學基金煤炭聯合基金資助項目(51174272)

李宏艷(1978—)，女，河北遷安人,博士，高級工程師。E-mail：lhylhb@163.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0384-05

李宏艷，康立軍，徐子杰,等.不同沖擊傾向煤體失穩(wěn)破壞聲發(fā)射先兆信息分析[J].煤炭學報,2014,39(2):384-388.

Li Hongyan,Kang Lijun,Xu Zijie,et al.Precursor information analysis on acoustic emission of coal with different outburst proneness[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):384-388.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2023