于麗雅，趙永芳，張哲瑞，盧國(guó)菊

(山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600)

瓦斯抽采鉆孔封孔段孔周存在裂隙過(guò)多會(huì)造成抽采濃度下降，瓦斯抽采效果也會(huì)因此受到影響。超聲波對(duì)裂隙有天然的敏感性，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，利用超聲波探測(cè)裂隙的發(fā)展情況，檢測(cè)鉆孔不同角度、不同深度的孔壁超聲波參數(shù)，進(jìn)而得出抽采鉆孔在不同位置的密封特性[1-4].為了定量化開(kāi)展裂紋參數(shù)研究，采用超聲波儀采集不同頻率下的含孔試樣漸進(jìn)性破壞過(guò)程中的透射波數(shù)據(jù)，得到不同階段的超聲波波形，從頻域的功率譜密度和時(shí)域的超聲波波形幅值兩個(gè)角度進(jìn)行分析[5-7]，從而得到檢測(cè)效果好的最佳檢測(cè)頻率。

1 超聲波波形收集

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，預(yù)先測(cè)量記錄實(shí)驗(yàn)樣品的寬度。將實(shí)驗(yàn)樣品平穩(wěn)放置在試驗(yàn)機(jī)儀器底座后，在實(shí)驗(yàn)樣品左右兩側(cè)涂抹耦合劑，再將聲波儀的發(fā)射端和接收端貼牢固。

將聲波儀的發(fā)射方式設(shè)置為連續(xù)發(fā)射，采樣長(zhǎng)度為512 us.在試驗(yàn)機(jī)未加壓時(shí)，進(jìn)行首次測(cè)量，測(cè)試試樣的超聲波波形，從而計(jì)算分析出試樣的初始狀態(tài)參數(shù)。隨后，每升壓1 kN，進(jìn)行一次測(cè)量，獲得波形數(shù)據(jù)，直到試樣破壞。

波形數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1.圖1中，曲線0 kN即未加壓的波形，曲線3～15 kN分別為壓力機(jī)軸向壓力3～15 kN，每增壓1 kN時(shí)所收集到的波形數(shù)據(jù)。

圖1 加載過(guò)程中的波形圖

如圖1所示，0～15 kN壓力區(qū)內(nèi)，波形無(wú)明顯差異，相似性較高；0～12 kN壓力區(qū)內(nèi)，波形存在1～2 us的延遲，較好地采集了波形，但是透射波穿過(guò)試樣的同時(shí)，會(huì)伴隨著多次的反射和衍射。此外，這些振動(dòng)會(huì)和發(fā)射端的運(yùn)動(dòng)疊加，出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，因此波形圖上會(huì)有明顯的變化，如第二、第三波峰的幅值大幅上升，最大值超過(guò)1 500 mV.

2 超聲波檢測(cè)的功率譜密度演化規(guī)律

當(dāng)遇到煤巖體中的孔洞與巖體結(jié)構(gòu)面時(shí)，會(huì)造成波的反射，波形中會(huì)存在能量損失，因此，功率譜對(duì)煤巖體中的孔洞特別敏感。為此，通過(guò)分析含孔試樣的透射波波形，對(duì)比功率譜密度，總結(jié)出試樣破壞過(guò)程中功率譜密度的變化規(guī)律。依據(jù)此思路，計(jì)算整理了含孔試樣功率譜密度。

試樣初始功率譜密度見(jiàn)圖2.如圖2所示，功率譜密度頻率大于1×105Hz的區(qū)域內(nèi)，存在衰減的現(xiàn)象，而后基本處于-50 dB/Hz；對(duì)比之下，功率譜密度頻率處于4.5×104～5.2×104Hz內(nèi)達(dá)到峰值。由此可見(jiàn)，通過(guò)發(fā)射端穿透試樣，最后到達(dá)接收端采集的波形中，頻率范圍介于4.5×104～5.2×104Hz時(shí)，所攜帶的能量最大，同時(shí)，試樣在4.5×104～5.2×104Hz頻率范圍內(nèi)，波形的穿透力較強(qiáng)，且能夠最好的響應(yīng)振動(dòng)。

圖2 試樣初始功率譜密度圖

3 不同頻率超聲波的功率譜密度特征

在試驗(yàn)開(kāi)始前測(cè)得不同頻率下試樣的初始波形，并計(jì)算得到不同頻率下試樣的功率譜密度,見(jiàn)圖3.

圖3 不同頻率的試樣功率譜密度圖

在破壞過(guò)程中，含孔試樣的功率譜密度都出現(xiàn)了衰減的現(xiàn)象，而且頻率不同時(shí)，試樣的衰減程度存在明顯的差異，見(jiàn)圖3.采用12.5 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3a)，開(kāi)始試樣就出現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢(shì)，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近。試驗(yàn)表明，試樣在該頻率范圍內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)較差，波形穿透力不強(qiáng)。由此可見(jiàn)，12.5 kHz頻率，檢測(cè)效果較差。

采用25 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3b)，當(dāng)頻率>105Hz時(shí)，試樣也同樣出現(xiàn)了衰減的趨勢(shì)，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近；譜峰出現(xiàn)在1.8×104～2.7×104Hz.試驗(yàn)表明，由發(fā)射端穿過(guò)試樣到達(dá)接收端的波形中，1.8×104～2.7×104Hz所攜帶的能量最大。

采用50 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3c)，當(dāng)頻率>105Hz時(shí)，衰減過(guò)程相同，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近；譜峰出現(xiàn)在4.5×104～5.2×104Hz.試驗(yàn)表明，由發(fā)射端穿過(guò)試樣到達(dá)接收端的波形中，4.5×104～5.2×104Hz所攜帶的能量最大，此外，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，試樣波形的穿透力比較強(qiáng)，能夠很好的響應(yīng)振動(dòng)。因此可以確定，檢測(cè)頻率50 kHz時(shí)，效果是比較好的。

采用100 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3d)，當(dāng)頻率>105Hz時(shí)，試樣出現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，各條曲線波動(dòng)較大，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近；譜峰出現(xiàn)在9.5×104～10.2×104Hz.試驗(yàn)表明，由發(fā)射端穿過(guò)試樣到達(dá)接收端的波形中，9.5×104～10.2×104Hz所攜帶的能量最大，此外，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，試樣波形的穿透力比較強(qiáng)，能夠很好的響應(yīng)振動(dòng)。因此可以確定，檢測(cè)頻率100 kHz時(shí)，效果比較好。

采用250 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3e)，從實(shí)驗(yàn)之初就出現(xiàn)了衰減的趨勢(shì)，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近；整體呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢(shì)，這意味著，試樣在該頻率范圍內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)較差，波形穿透力不強(qiáng)。因此可以確定，檢測(cè)頻率250 kHz時(shí)，效果是比較差的。

4 不同頻率超聲波的檢測(cè)精度

含孔試樣在破壞過(guò)程中功率譜密度會(huì)因?yàn)樵嚇拥钠茐模斐伤p程度產(chǎn)生較大的差異。根據(jù)超聲波對(duì)裂隙敏感性的特點(diǎn)，測(cè)試不同頻率試樣在破壞時(shí)的衰減程度，衰減程度越大的超聲波頻率對(duì)裂隙越敏感。也就是說(shuō)，衰減程度越大，此頻率檢測(cè)的精度就越高，見(jiàn)圖4,研究發(fā)現(xiàn)，不同頻率試樣在破壞過(guò)程中的衰減呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

將超聲波頻率劃分為低頻0～160 kHz，中頻160～340 kHz，高頻340～500 kHz 3個(gè)階段。

對(duì)比圖3a)，圖4a)中采用12.5 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，在低頻區(qū)，衰減程度顯著增強(qiáng)，能量損失也比較大，可見(jiàn)超聲波在穿過(guò)裂紋的過(guò)程中存在能量損失，在低頻區(qū)，超聲波對(duì)裂紋來(lái)說(shuō)比較敏感。

對(duì)比圖3b)，圖4b)中采用25 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，在低頻區(qū)，特別是在22～25 kHz，不同應(yīng)力階段十分突顯，衰減程度顯著增強(qiáng)，該階段對(duì)裂紋比較敏感。

對(duì)比圖3c)，圖4c)中采用50 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，在低應(yīng)力區(qū)，含孔試樣裂隙擴(kuò)展不明顯，破壞程度比較低，功率譜密度衰減程度較小，然而當(dāng)強(qiáng)度接近峰值時(shí)，如98.1%σp，功率譜密度顯著衰減，特別是在48～52 kHz的超聲波對(duì)裂隙敏感。

對(duì)比圖3d)，圖4d)中采用100 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，在低頻率階段，衰減程度急劇增強(qiáng)。在圖3e)中，采用250 kHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)，功率譜密度整體呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢(shì)，最終維持在頻率在-50 dB/Hz附近；在圖4e)中250 kHz的試樣，在低頻率階段，衰減程度急劇增強(qiáng)。

圖4 不同頻率的試樣功率譜密度衰減規(guī)律圖

綜上所述，在低頻階段，超聲波頻率對(duì)裂隙有很強(qiáng)的敏感性，12.5 kHz、25 kHz、50 kHz在低頻檢測(cè)階段的檢測(cè)精度高，但12.5 kHz的試樣，整體呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢(shì)，頻率范圍內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)較弱，波形穿透力不強(qiáng)。

5 結(jié) 論

超聲波工作頻率為25 kHz、50 kHz、100 kHz時(shí)，分別在1.8×104～2.7×104Hz，4.5×104～5.2×104Hz及9.5×104～10.2×104Hz達(dá)到譜峰，此3種工作頻率波形穿透力較強(qiáng)，振動(dòng)響應(yīng)好，主頻分辨率較高。超聲波工作頻率為25 kHz、50 kHz時(shí)，在低頻檢測(cè)階段的檢測(cè)精度高，但是25 kHz的試樣功率譜密度譜峰較小，其分辨率較低，頻率范圍內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)較弱，波形穿透力不強(qiáng)；100 kHz的試樣由于在不同應(yīng)力階段的衰減極為相似，其分辨率較低。

綜合以上，50 kHz的超聲波頻率的有效檢測(cè)半徑滿足要求，而且在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，波形穿透力較強(qiáng)，振動(dòng)響應(yīng)好，檢測(cè)精度高，是最佳檢測(cè)頻率。