肖鈺哲，邱黎明，田向輝，周 超，劉 洋

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；）

煤巖受載破壞時產(chǎn)生變形及破壞，以彈性波和電磁波的形式釋放能量的現(xiàn)象，稱為聲發(fā)射和電磁輻射[1-3]。聲發(fā)射和電磁輻射作為一種連續(xù)實時的監(jiān)測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警[4-7]。

針對煤巖受載破壞過程的聲電信號特征，國內(nèi)學者進行了大量研究。在聲電信號與煤巖破裂相關(guān)性方面，李忠輝等[8]研究發(fā)現(xiàn)巖樣受載破裂時聲電信號對內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通有較好的響應(yīng)；范鵬宏[9]實驗發(fā)現(xiàn)聲電信號的產(chǎn)生與煤樣主破裂有較好相關(guān)性，且信號頻率在主破裂產(chǎn)生前出現(xiàn)了增大-減小-再增大的變化規(guī)律；王雪妮[10]通過研究混凝土受載破裂時的聲電信號特征，發(fā)現(xiàn)聲電信號可以很好地反映試樣整體損傷破裂狀況。聲電信號與應(yīng)力具有一定的對應(yīng)關(guān)系，邱黎明等[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)，含孔洞混凝土破壞時聲電信號與所受應(yīng)力存在正相關(guān)關(guān)系；趙伏軍[12]等通過花崗巖破碎試驗，發(fā)現(xiàn)其破壞過程中聲電信號波形變化與應(yīng)力曲線具有較高的同步性；李振雷等[13]開展了不同速率的煤樣單軸加載和加卸載聲電信號測試實驗，發(fā)現(xiàn)聲電信號均與應(yīng)力降有明顯的正相關(guān)性。在聲電信號時頻特征方面，王笑然等[14]研究發(fā)現(xiàn)聲電信號與加載有較高相關(guān)性，聲電信號強度在煤樣破壞階段達到最大值；王崗等[15]發(fā)現(xiàn)煤樣破壞過程中聲電信號在時域上變化趨勢較為一致，且隨著加載階段的變化，聲電信號頻率逐漸轉(zhuǎn)向低頻，主頻幅值逐漸增大；徐劍坤等[16]實驗發(fā)現(xiàn)煤體受載破壞過程聲電信號的幅度、計數(shù)、能量在時域上有很好的一致性；婁全等[17]發(fā)現(xiàn)電磁輻射優(yōu)勢頻帶窄于聲發(fā)射，兩者在頻譜和主頻分布上具有近似的成分。

聲電信號與煤巖破壞具有較好的對應(yīng)性關(guān)系，通過文獻梳理可以發(fā)現(xiàn)，作為煤巖破壞時電-震相關(guān)性的重要內(nèi)容，聲電波形持續(xù)時長特征及演化規(guī)律尚不明確。鑒于此，進行了多組不同加載速率的煤單軸壓縮實驗，同步采集加載全過程聲電信號，對加載過程聲電信號波形特征與持續(xù)時間進行了對比分析研究。

1 實驗設(shè)計

1）試樣制備。實驗所用的煤樣取自新疆寬溝煤礦，依據(jù)國家標準，將現(xiàn)場采集到的原煤制作成尺寸為φ50 mm×100 mm 的標準圓柱體試樣，分為3組分別進行加載速率為11、15、20 μm/s 的單軸壓縮實驗，按加載速率由小到大分別以A、B、C 進行編號，實驗試樣實際參數(shù)見表1。

表1 實驗試樣實際參數(shù)Table 1 Actual parameters of test samples

2）實驗系統(tǒng)。自主搭建了煤巖受載破壞聲電同步測試實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)中的GP1A 型電磁屏蔽室綜合屏蔽效能大于75 dB，能有效減小外界磁場對實驗結(jié)果的干擾；加載控制系統(tǒng)采用YAW-600 型微機控制電液伺服壓力實驗機，實驗機載荷分辨力3 N，位移分辨率0.3 μm；實驗所用聲電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最高采樣頻率10 MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率16 bit，輸入信號電壓范圍±5 V，輸入阻抗50 Ω。聲發(fā)射傳感器響應(yīng)頻率范圍50～400 kHz。電磁輻射傳感器響應(yīng)頻率范圍20 Hz～2 MHz。

3）實驗方法。采用位移控制加載，對已分組的試樣分別進行11、15、20 μm/s 的速率的單軸加載。試樣加載前，先利用膠帶和耦合劑將聲發(fā)射傳感器與試樣進行耦合固定，電磁輻射天線布置于試樣正后方6 cm 處，各實驗系統(tǒng)調(diào)試完畢后，同步開始單軸加載和聲電信號采集。聲電采樣頻率設(shè)定為2 MHz，確保完整采集加載全過程聲電信號波形。

2 實驗結(jié)果

2.1 煤樣受載破壞聲電信號特征

煤樣單軸加載破壞全過程的載荷-時間曲線及聲電信號曲線如圖1。

圖1 煤樣單軸加載載荷-時間及聲電信號典型曲線Fig.1 Typical curves of load time and acoustic electric signal of coal samples under uniaxial loading

根據(jù)煤樣加載過程中載荷-時間曲線的特征，可將破壞過程分為4 個階段[18]，分別為：壓密階段；②彈性階段；加速破壞階段；完全破壞階段。

對比聲電信號曲線可以發(fā)現(xiàn)，聲電信號隨加載具有階段性變化特征。壓密與彈性階段，聲電信號無明顯波動，處于穩(wěn)定狀態(tài)；加載至加速破壞階段，聲電信號幅值逐漸升高，且聲發(fā)射信號更豐富；進入完全破壞階段，當載荷達到峰值時，聲電信號幅值同時達到最大，并在峰后同步衰減。從加載全程來看，聲電信號隨時間變化的趨勢基本相同，表現(xiàn)為從能量幅值較低的離散突變型能量幅值向能量較高的連續(xù)密集型過渡[19]，聲信號相對于電磁輻射而言更為活躍；加載速率較低時，試樣在彈性階段及加速破壞階段的聲電信號數(shù)量較少，聲電信號主要密集出現(xiàn)在試樣完全破壞階段；隨著加載速率的增大，彈性階段聲電信號的數(shù)量開始增多，完全破壞階段聲電信號出現(xiàn)更為密集且能量幅值上升幅度更高。出現(xiàn)上述情況的原因是，加載速率處于較低水平時，試樣中的變形能耗散緩慢，裂隙充分發(fā)育，試樣表現(xiàn)出強度較低及累計變形能較小的特點，完全破壞時的劇烈程度較?。患虞d速率上升后，裂隙的發(fā)育時間縮短，能量主要以變形能的形式儲存在試樣內(nèi)部，此時試樣表現(xiàn)出強度升高且累計變形能較大的特征。加載速率越快，變形能累積越多，導致試樣破壞時更為劇烈，產(chǎn)生的聲電信號更為密集且能量幅值更高[20]。

2.2 聲電信號持續(xù)時間

為進一步對比分析煤樣破壞時的聲電信號波形持續(xù)時長，首先利用Matlab 對聲電信號波形數(shù)據(jù)進行濾波處理。通過對聲電信號原始波形曲線進行放大觀察，確定環(huán)境噪聲幅值，以此作為過濾閾值對所采集到的聲電信號進行濾波處理，煤樣完全破壞階段聲電信號典型波形圖如圖2。

圖2 煤樣完全破壞階段聲電信號典型波形圖Fig.2 Typical waveform of acoustic and electrical signals in complete failure stage of coal sample

圖2 表明，煤樣主破壞發(fā)生時，聲電信號波形有較強的相關(guān)性，完全破壞階段，電磁輻射信號幅值共出現(xiàn)3 次明顯波動（a、b、c），同時段的聲發(fā)射信號也呈現(xiàn)出相同的波動變化。同時，聲發(fā)射信號在中間區(qū)段也出現(xiàn)2 次較大波動（f、g），但對應(yīng)時段的電磁輻射信號相對較弱，幅值較小，僅出現(xiàn)較小的波動響應(yīng)（d、e）。

以煤樣主破壞時的聲電信號波形為研究對象，對該階段聲電持續(xù)時間進行對比分析。為控制和減小聲電信號始末時刻人為選擇對結(jié)果造成的誤差，需要先對信號的起始與終止時刻選擇進行統(tǒng)一，以主破壞階段聲發(fā)射波形中第1 個高于信號峰峰值25%的波峰為起點，以最后1 個高于峰峰值25%的波峰為截止點，定義2 點間的區(qū)段為煤樣發(fā)生主破壞時對應(yīng)聲發(fā)射和電磁輻射的持續(xù)時間。煤樣主破壞時刻典型聲電信號波形持續(xù)時間定義示意圖（加載速率15 μm/s）如圖3。

圖3 煤樣主破壞時刻典型聲電信號波形持續(xù)時間定義示意圖（加載速率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）

從圖3 可以看出，加載速率為15 μm/s 的煤樣發(fā)生主破壞時，電磁輻射信號持續(xù)時間為0.69 ms；對應(yīng)的聲發(fā)射信號持續(xù)時間為1.66 ms，聲發(fā)射信號持續(xù)時長約為電磁輻射信號的2.41 倍。按上述方式對各組煤樣主破壞時的聲電信號持續(xù)時長進行統(tǒng)計，煤樣主破壞階段聲電信號持續(xù)時長統(tǒng)計見表2?？梢钥闯?，隨著加載速率的增大，聲發(fā)射信號與電磁輻射信號持續(xù)時間也隨之增加。

表2 煤樣主破壞階段聲電信號持續(xù)時長統(tǒng)計Table 2 Statistics of the duration of acoustic and electrical signals in the main failure stage of coal samples

聲電信號持續(xù)時長隨加載速率的變化如圖4。不同加載速率下，聲發(fā)射信號持續(xù)時間均大于電磁輻射，且隨著加載速率的增大，聲發(fā)射信號持續(xù)時長的增長幅度大于電磁輻射。因此，聲發(fā)射信號持續(xù)時間與對應(yīng)電磁輻射信號持續(xù)時間的倍數(shù)關(guān)系也隨著加載速率的增大而增大，由初始的接近2 倍逐漸增長至3 倍左右。

圖4 聲電信號持續(xù)時間Fig.4 Duration of acoustic signal

2.3 聲電持續(xù)時間特征及差異原因

煤樣受載破壞過程中，其內(nèi)部變形能的快速釋放，產(chǎn)生了瞬態(tài)彈性波，即聲發(fā)射信號。聲發(fā)射信號的出現(xiàn)與裂紋的破裂擴展密切相關(guān)，低加載速率時，煤樣內(nèi)部裂隙充分發(fā)育，變形能的耗散和累積過程均較為緩慢，內(nèi)部積聚的變形能較小，主破裂發(fā)生時，內(nèi)部新增裂紋數(shù)量較少，且裂紋破裂擴展較為緩和，破壞以應(yīng)變軟化為主[19]。反映到聲發(fā)射信號上的表現(xiàn)，就是聲發(fā)射信號強度較低，導致信號持續(xù)時長較短；隨著加載速率的增大，煤樣裂隙發(fā)育時間相對縮短，內(nèi)部變形能累積速度加快，能量累積增大，導致破壞更為劇烈，大量新裂紋產(chǎn)生并快速擴展，聲發(fā)射信號強度激增，進而使信號持續(xù)時間明顯增加。

煤巖破壞時形成的新裂紋壁面和擴展裂紋尖端會產(chǎn)生大量自由電荷[20]，2 個裂紋壁面及周圍介質(zhì)一起可視為電容器結(jié)構(gòu)，壁面間電荷的正負變換以及裂紋擴展兩側(cè)壁面的不斷張合運動導致壁面間電場隨之變化[21-22]，破壞了壁面間電荷的平衡[23]，進而產(chǎn)生電磁輻射。低速率加載條件下，煤樣內(nèi)部裂紋發(fā)育較為緩慢且完全，裂紋壁面的張合運動相對平緩，導致壁面間電容結(jié)構(gòu)中的電場變化幅度較小，電荷平衡破壞較小，電荷自由運動較為緩和，從而產(chǎn)生的電磁輻射信號強度較低，信號衰弱耗時更短，因此持續(xù)時長較短；隨著加載速率的增大，煤樣內(nèi)部能量積聚速率上升，裂紋數(shù)量增多且發(fā)育速度加快，由于內(nèi)部積聚了大量變形能，導致煤樣發(fā)生劇烈的脆性破壞，破壞形式以彈射碎裂為主，該過程中裂隙壁面運動更為劇烈，壁面間電場變化幅度也隨之增大，電荷平衡被嚴重破壞，電荷自由運動加劇，加之因脆性破壞而彈射出的帶電碎片也會產(chǎn)生電磁輻射[24]，最終激發(fā)出更強的電磁輻射信號。根據(jù)持續(xù)時長的定義，信號越強則衰減75%的絕對衰減量更大，因此耗時更長。因此，加載速率越快，電磁輻射信號越強，衰弱過程越久，因此信號持續(xù)時長越長。

研究表明，聲電信號是煤巖破壞過程產(chǎn)生的同源異像現(xiàn)象[13]。煤樣在完全破壞前，裂紋擴展的過程始終存在，聲電信號的產(chǎn)生均與煤樣內(nèi)部破裂密切相關(guān)，所以在時序波形上，電磁輻射信號與同時期的聲發(fā)射信號有較好的協(xié)同性。但由于二者產(chǎn)生機理不同，導致二者的持續(xù)時間及隨加載速率的變化存在差異。對于同一破壞，由于電荷平衡的破壞與重建所需時間相對較短，而聲發(fā)射事件的出現(xiàn)消失總是伴隨著裂紋破裂擴展的全過程，導致該過程中的電磁輻射信號持續(xù)時間總是小于聲發(fā)射信號的持續(xù)時間。隨著加載速率的增大，煤樣破壞更為劇烈，裂紋的生成、擴展以及震蕩也更為劇烈，聲電信號持續(xù)時間均會增大。而此時裂紋也賦予了電荷更快的運動速率，因此，電荷的平衡時間會有所減短。這就導致隨著加載速率的增大，聲發(fā)射持續(xù)時間的增長幅度大于電磁輻射，二者之間的倍數(shù)關(guān)系因此增大。

3 結(jié) 論

1）煤樣單軸加載破壞過程，聲電信號響應(yīng)有較好的協(xié)同性，加載速率越大，破壞時產(chǎn)生的聲電信號更強且更為密集。

2）聲電信號隨加載具有階段性變化特征，壓密與彈性階段，聲電信號維持在較低水平，無明顯幅值波動；加速破壞階段，聲電信號幅值逐漸升高，且聲發(fā)射信號更豐富；完全破壞階段，聲電信號幅值在主破壞發(fā)生時達到最大，并在峰后同步衰減。

3）煤樣完全破壞階段，聲發(fā)射信號與電磁輻射信號波形具有一定的相似性。主破裂時聲電信號持續(xù)時間在毫秒級，且聲發(fā)射信號持續(xù)時間明顯長于電磁輻射。隨著加載速率的增大，產(chǎn)生的破壞更為劇烈，主破壞時的聲電信號持續(xù)時間均有所增加，但聲發(fā)射增加幅度更大，聲電信號持續(xù)時間倍數(shù)關(guān)系隨之從2 倍增加到接近3 倍。