趙揚鋒, 丁 玲, 劉玉春, 李 兵

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000; 2.遼寧省礦山沉陷災(zāi)害防治重點實驗室,遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院, 遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

近年來,大量的深部地下工程項目投入建設(shè)當(dāng)中,如錦屏二級水電站深埋長隧洞群開挖以及在地下1 000 m富水巖層中鑿井、采礦等,這些深部地下工程的開展經(jīng)常會使煤巖頻繁承受周期性動力荷載,進而導(dǎo)致突水、沖擊地壓等動力災(zāi)害的發(fā)生,嚴重威脅施工安全,周期性荷載引起的煤巖變形破裂已成為巖石領(lǐng)域的熱點問題[1]。煤巖動力災(zāi)害發(fā)生時可通過監(jiān)測煤巖變形破裂過程產(chǎn)生的物理信息,如微震、電荷感應(yīng)、聲發(fā)射等對煤巖動力災(zāi)害進行預(yù)警,因此開展循環(huán)加卸載實驗,研究煤巖變形破裂過程中的力學(xué)特征以及裂隙的產(chǎn)生、擴展和演變與電荷感應(yīng)、微震信號波動變化之間的關(guān)系,對深部地下工程中煤巖動力災(zāi)害的預(yù)警預(yù)測有重要意義。

目前微震監(jiān)測技術(shù)已在水利水電、礦山、隧道等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2],關(guān)于煤巖變形破裂微震信號的研究,基本上是根據(jù)工程現(xiàn)場監(jiān)測到的微震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來進行的。蔣雄等[3]研究了兩河口水電站 5#、6#母線洞開挖過程中微震信號特征,認為通過分析微震信號中心頻率變化能夠提前識別和圈定破壞區(qū)域;徐奴文等[4]利用微震監(jiān)測和現(xiàn)場調(diào)查評價了開挖過程中猴子巖水電站地下洞室群圍巖的穩(wěn)定性,得出分析微震的時空演化規(guī)律可以識別和圈定地下洞室群巖石微破裂集中區(qū)及潛在風(fēng)險區(qū)域;Feng等[5]在錦屏二級水電站的排水洞與引水隧洞構(gòu)建了微震監(jiān)測系統(tǒng),并利用矩張量理論研究深埋隧洞的巖爆機制,得到了相應(yīng)的微震活動性規(guī)律;趙永等[6]建立了基于微震反演裂隙的各向異性損傷模型,并應(yīng)用到張馬屯鐵礦注漿帷幕突水通道分析中,確定了巖體采動誘發(fā)突水通道特征及其形成機理;許延春等[7]提出了一種基于微震監(jiān)測的工作面底板突水全時空預(yù)警的方法,使得焦作、邯邢礦區(qū)多個工作面基于微震監(jiān)測的底板突水預(yù)測結(jié)果更加準確;Tian等[8]采用傅立葉變換、小波包變換、希爾伯特-黃變換等方法深度分析微震信號,建立了基于權(quán)重決策的分析模型以對沖擊地壓多參數(shù)進行監(jiān)測;Du等[9]采用微震監(jiān)測系統(tǒng)對單結(jié)構(gòu)面和多結(jié)構(gòu)面巖爆孕育過程進行監(jiān)測,分析了結(jié)構(gòu)面上微震事件的空間分形特征及變化趨勢;Gai等[10]引入能量變異系數(shù)和兩個空間因子來研究微震事件的能量差和聚集特征,從而提出了一種評價動荷載沖擊下頂、底板巖層破壞的新方法。對于電荷感應(yīng)信號方面的研究,潘一山等[11-13]對砂巖、泥巖及含瓦斯煤的失穩(wěn)破壞過程進行了實時電荷監(jiān)測,分析了不同加載速率、孔隙壓力和圍壓對煤巖電荷感應(yīng)信號的影響規(guī)律,極大地推動了電荷感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展;趙揚鋒等[14-19]研究了單軸壓縮條件下不同類型、不同組合比例、不同傾角裂隙煤巖和三點彎曲下脆性巖石試樣以及斷層黏滑失穩(wěn)的微震和電荷感應(yīng)信號變化規(guī)律;楊玉龍等[20]、劉永杰等[21]、孔艷慧等[22]、張昕等[23]研究了煤巖摩擦過程中表面電位及其變化規(guī)律、頂板巖石失穩(wěn)破壞過程中表面電位信號的臨界慢化特征、煤體吸附瓦斯過程表面電位特征規(guī)律以及突水過程中煤巖表面電位變化規(guī)律;李德行等[24]利用自主研制的礦用微電流監(jiān)測儀對沖擊地壓煤礦回采工作面進行了現(xiàn)場測試,研究了回采過程中巷道內(nèi)煤體微電流的空間分布規(guī)律和工作面前煤體微電流的時域響應(yīng)規(guī)律,確定了煤體失穩(wěn)破壞的微電流前兆特征;Tian等[25]對單軸壓縮巖石破壞過程中的電磁輻射和微震信號進行研究,分析了電磁輻射和微震的耦合效應(yīng),進一步闡明了巖石破裂誘發(fā)電磁輻射的機理;Luo等[26]建立了聲發(fā)射、電磁脈沖與荷載同步監(jiān)測系統(tǒng)對單軸壓縮下煤巖破壞進行監(jiān)測,定量評價了聲發(fā)射、電磁信號與應(yīng)力突降的相關(guān)性以及聲發(fā)射和電磁信號的頻譜特征。目前,國內(nèi)外探究煤巖失穩(wěn)機理以及多參量前兆信息的試驗多基于單軸壓縮的加載方式,而對循環(huán)荷載下煤巖的電荷感應(yīng)與微震信號變化特征鮮有報道。因此,本文采用自行研制的多通道電荷感應(yīng)和微震監(jiān)測系統(tǒng),監(jiān)測和分析在不等幅循環(huán)荷載作用下煤巖變形破裂過程電荷感應(yīng)和微震信號的時、頻特性和能量特征,并與單軸壓縮實驗進行對比,從而形成有效的煤巖失穩(wěn)預(yù)警判據(jù)。

2 試驗研究方法

2.1 試驗系統(tǒng)與試件

煤巖加載試驗與測試系統(tǒng)如圖1所示。試驗系統(tǒng)主要由加載及荷載-位移記錄系統(tǒng)、電磁屏蔽系統(tǒng)、多通道電荷感應(yīng)與微震信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個部分組成。加載系統(tǒng)采用MTS系列液壓萬能試驗機,加載速度為0.01 mm/s,試驗時選用位移加載控制方式。電荷感應(yīng)和微震信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自行研制的多通道數(shù)據(jù)采集器,主要包括電荷與微震傳感器、A/D數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集器3個模塊。試驗時選用3個PSH-10B微震傳感器,其中一個豎直布置,另外兩個水平布置,傳感器互成直角,形成三維傳感器系統(tǒng)。電荷傳感器設(shè)置在試件相鄰3個側(cè)面的中部,正對試件表面,距表面約5 mm,電荷傳感器的原理可參見文獻[27]。試驗選用平頂山煤礦十一礦己四工作面的原煤、原巖,經(jīng)切割加工后制成外觀均勻、端面平整的圓柱狀煤和砂巖試樣,并置于自然中至干燥狀態(tài)。選取表面無明顯缺陷的A組煤、C組砂巖試樣各4個進行加載,其中A1、A2和C1、C2為多級循環(huán)加載,A3、A4和C3、C4為單軸壓縮。

圖1 煤巖加載試驗與測試系統(tǒng)示意圖

2.2 試驗步驟

試驗時,按照以下步驟進行:

(1)按圖1所示連接儀器,調(diào)整多通道采集系統(tǒng)。

(2)將試件置于屏蔽筒內(nèi)中心位置,利用絕緣紙將試件與壓力機底座和壓頭隔絕,并用銅網(wǎng)包裹屏蔽筒。

(3)調(diào)節(jié)荷載-位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),設(shè)置加載速率;調(diào)節(jié)電荷感應(yīng)與微震信號采集系統(tǒng),設(shè)置采樣頻率,同時啟動各采集系統(tǒng),以確保數(shù)據(jù)同步。

(4)對8個試件分別進行單軸壓縮或多級循環(huán)加、卸載。

(5)試驗開始時,先啟動MTS壓力機,再啟動電荷感應(yīng)與微震信號采集系統(tǒng)。試驗結(jié)束時,先關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),然后再停止MTS壓力機,以減少信號干擾。

3 試驗結(jié)果與分析

以煤巖試件為對象開展了8組多參量監(jiān)測試驗,篇幅所限,僅選取其中具有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究。

3.1 力學(xué)特性分析

表1為各試樣的試驗參數(shù)表,圖2為不同加載方式下煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖2(a)、2(b)為循環(huán)荷載下A1煤樣、C1砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圖2(c)、2(d)為單軸壓縮下A3煤樣、C3砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表1 試樣試驗參數(shù)

圖2 不同加載方式下煤和砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2(a)、2(b)可知,在循環(huán)加、卸載過程中,煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的滯回效應(yīng),加、卸載路徑不能完全重合,形成多個滯回環(huán),并且隨著不可逆塑性變形逐漸累積,滯回環(huán)不斷向后遷移[28]。循環(huán)荷載下煤巖在達到抗壓強度前有多次應(yīng)力調(diào)整,當(dāng)應(yīng)力未達到或接近抗壓強度時,煤巖尚未破裂,應(yīng)力會迅速減小,只有當(dāng)應(yīng)力超過抗壓強度一定程度時才會發(fā)生“階梯式”失穩(wěn)破壞。在圖2(c)、2(d)中,單軸壓縮下煤巖在達到抗壓強度后才首次進行應(yīng)力調(diào)整,峰后曲線基本呈垂直跌落趨勢,煤巖試件瞬間發(fā)生失穩(wěn)破壞,應(yīng)變脆性特征明顯。

圖3為不同加載方式下煤巖試件破壞實物圖。綜合表1和圖2、3可知,單軸壓縮下煤樣和砂巖的最大抗壓強度分別為 14.2、27.3 MPa,多級循環(huán)荷載作用下煤樣和砂巖的最大抗壓強度分別為 12.4、25.2 MPa;單軸壓縮下煤樣呈塊狀劈裂破壞,循環(huán)荷載下煤樣呈多裂紋貫穿劈裂破壞,單軸壓縮下砂巖呈整體劈裂破壞,循環(huán)荷載下砂巖呈局部劈裂破壞。隨著循環(huán)荷載的不等幅加載,試件的抗壓強度降低,循環(huán)荷載會改變煤巖的力學(xué)特征和變形破壞特征,每個循環(huán)曲線都會損耗煤巖體內(nèi)部能量,促使裂紋的發(fā)育和擴展,破壞形式由突然失穩(wěn)破壞向漸進破壞轉(zhuǎn)變。

圖3 不同加載方式下煤和砂巖試樣破壞實物圖

3.2 微震與電荷感應(yīng)時域特征分析

圖4、5分別為循環(huán)荷載下煤樣和砂巖的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號監(jiān)測結(jié)果,電荷感應(yīng)信號為1、2、3號通道,微震信號為5、6、7號通道,其中6號微震傳感器垂直放置。將圖4(a)、5(a)的應(yīng)力-時間曲線劃分為5個階段。

圖4 循環(huán)荷載下煤樣的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號監(jiān)測結(jié)果 圖5 循環(huán)荷載下砂巖的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號監(jiān)測結(jié)果

將圖4(a)應(yīng)力-時間曲線的5個階段對應(yīng)圖4(b)、4(c)可知,循環(huán)加載初期,煤樣處于壓密階段(AB),煤樣內(nèi)部微裂隙受力閉合,產(chǎn)生微弱的微震信號; 彈性階段 (BC),煤樣發(fā)生彈性變形,內(nèi)部裂隙發(fā)育不明顯,隨著應(yīng)力的增加煤樣持續(xù)產(chǎn)生小于5 pC非常微弱的電荷感應(yīng)信號。彈性階段后期(CD),煤樣內(nèi)部原生裂隙開始擴展,新生微裂紋萌生并逐漸開始發(fā)育,257.7 s(42%σc,σc為抗壓強度)時,電荷傳感器所對的3個側(cè)面均首次出現(xiàn)電荷感應(yīng)信號,3號通道有幅值為25 pC的電荷感應(yīng)信號產(chǎn)生,并且也有較大幅值的微震信號出現(xiàn)。強化損傷階段(DE),第4次循環(huán)加載時煤樣處于強化損傷階段中期,此階段塑性變形加劇,煤樣內(nèi)部累積損傷增加,有較小幅值的電荷感應(yīng)與微震信號產(chǎn)生。在400.0 s(70.5%σc)時應(yīng)力發(fā)生突變,塑性變形和損傷累計區(qū)域擴大,微裂紋壓剪滑動變形并不斷延伸,繼而出現(xiàn)大幅值的電荷感應(yīng)與微震信號, 此時2號通道電荷感應(yīng)幅值最大,達到50 pC,1號通道電荷感應(yīng)幅值最小,僅為3 pC,3號通道電荷感應(yīng)幅值為17 pC,5、6號通道微震信號的幅值為5.7×10-3m/s。在第4次循環(huán)加載后,有兩次小的應(yīng)力調(diào)整,5、6號通道有幅值為2.3×10-3m/s的微震信號產(chǎn)生,電荷感應(yīng)信號微弱,微裂隙匯合貫通后應(yīng)力繼續(xù)增加。強化損傷階段后期有較多高幅值電荷感應(yīng)與微震信號,信號形式多為單個脈沖信號,隨著荷載的增加,大量裂隙發(fā)育、貫通,直至形成主破裂,煤樣的承載能力達到峰值 E 點。峰后軟化階段(EF),煤樣在峰前聚積了大量的彈性能,當(dāng)荷載一旦超過了抗壓強度,煤樣就會進入峰后軟化階段并釋放更大的能量,3側(cè)面均有幅值為50 pC的電荷感應(yīng)信號和6.0×10-3m/s的微震信號產(chǎn)生,該階段所產(chǎn)生的微震和電荷感應(yīng)信號事件數(shù)多、強度大、同步性強、具有高幅值振蕩現(xiàn)象。達峰值強度后大量裂縫面間的充分咬合使得試件破而不碎,仍具有一定的殘余承載能力,殘余承載結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂隙繼續(xù)發(fā)育,應(yīng)力逐級跌落,失穩(wěn)破壞持續(xù)時間較長,在峰后軟化階段至試件產(chǎn)生多裂紋貫穿劈裂破壞前,1號通道的電荷感應(yīng)信號更加頻發(fā),呈現(xiàn)出脈沖信號的振蕩現(xiàn)象,但峰值僅為23 pC,并非最大,此過程為危險易發(fā)區(qū)域,易被誤判。

由前文分析可知:每個循環(huán)加載過程中煤樣的荷載變化與電荷感應(yīng)和微震信號的波動之間有良好的對應(yīng)關(guān)系。隨著每一次加、卸載的進行,在微裂隙壓密閉合、發(fā)育擴展、連接貫通的各個階段,均伴有不可逆變形的增加以及損傷變量的增大,從而局部破壞區(qū)域會以應(yīng)力波的形式釋放能量,產(chǎn)生高幅值的微震信號,并且由于裂隙間發(fā)生摩擦錯動時會瞬間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,產(chǎn)生急劇增大的電荷感應(yīng)信號。但當(dāng)荷載在達到某值后進行卸載時,裂隙展開,逐漸趨于穩(wěn)定的微震和電荷感應(yīng)信號便會再次發(fā)生突變,所以當(dāng)電荷感應(yīng)和微震信號出現(xiàn)突變-平穩(wěn)-突變的周期變化時,可以推斷煤樣完成了一次循環(huán)加、卸載過程。該結(jié)論與文獻[29]類似,文獻[29]中是利用聲發(fā)射和電荷信號周期變化次數(shù)來預(yù)測采動巖體經(jīng)歷的分級和循環(huán)加、卸載次數(shù)。因此,通過分析多通道采集獲取的微震和電荷感應(yīng)信號的周期性變化,可對煤樣所處應(yīng)力階段進行預(yù)測。

在常規(guī)認識中,通常認為材料的損傷只發(fā)生在加載階段,但根據(jù)上述試驗結(jié)果可以看出,在各個加、卸載過程中強信號幾乎遍布卸載階段,這就意味著對于類似于煤這種內(nèi)部微破裂繁多,并且以微裂紋起裂為主要損傷形式的材料而言,在循環(huán)卸載段反而有更多損傷或者微破裂事件出現(xiàn),其原因是煤直接加載至抗壓強度所用的時間往往較短,留給煤樣內(nèi)部損傷累積的時間很少,裂紋的貫通幾乎是瞬間完成的。而在卸載時群體微裂紋有足夠時間發(fā)生多層次、多維度的連接和貫通,從而更易形成復(fù)雜的多裂縫系統(tǒng),并且微裂紋附近區(qū)域應(yīng)力集中程度較大,應(yīng)變能密度也顯著高于其他區(qū)域,多裂縫系統(tǒng)出現(xiàn)反向滑動時,應(yīng)變能則會大量釋放[30],從而產(chǎn)生大量電荷感應(yīng)與微震信號,循環(huán)卸載段所產(chǎn)生的損傷對煤的強度劣化起著重要作用。

由圖5(a)、5(b)可知,354.1 s(40.4%σc)時,3號通道處有較大幅值的電荷感應(yīng)信號產(chǎn)生,幅值為21 pC, 2號通道的電荷信號幅值為9 pC,而1號通道信號微小; 375.1s(35.6%σc)時,2號通道有較大幅值的電荷感應(yīng)信號產(chǎn)生,幅值為22 pC;在555.4 s砂巖失穩(wěn)破壞時,3個側(cè)面均出現(xiàn)幅值為50 pC電荷感應(yīng)信號;578.2 s(54.7%σc)時,1、3號通道電荷感應(yīng)信號幅值最大,達到50 pC,2號通道電荷感應(yīng)信號幅值最小,僅為4 pC。與循環(huán)荷載作用下煤樣電荷感應(yīng)信號的變化規(guī)律相比,砂巖試件在循環(huán)加卸載初期沒有明顯的電荷感應(yīng)信號產(chǎn)生,這是因為砂巖不含石英等壓電材料,其電荷信號產(chǎn)生的主要原因是微裂隙尖端放電以及微裂隙間摩擦錯動,故只在354.1與375.1 s(裂紋擴展)、555.4 與578.2 s(失穩(wěn)破壞)時有電荷感應(yīng)信號產(chǎn)生。

對應(yīng)圖5(a)、5(c)可知,微震信號在354.1、555.4 s(應(yīng)力最大值處)與578.2 s時,3個通道均有振動速度為6×10-3m/s的微震信號產(chǎn)生。循環(huán)荷載作用下砂巖試件的應(yīng)力-時間曲線在壓密階段(AB)、彈性階段(BC)變化平緩,強化損傷階段(DE)時間較長,峰后軟化階段(EF)時間很短,試件發(fā)生瞬時局部塊狀劈裂破壞時,曲線瞬間跌落,裂隙多維度貫通,電荷感應(yīng)和微震信號明顯增強,并且電荷感應(yīng)與微震信號的變化與應(yīng)力之間的協(xié)同性增強。在整個破壞過程中煤樣的微震與電荷信號較砂巖更豐富、幅值更大,其首次高幅值微震與電荷感應(yīng)信號也早于砂巖試件。

圖6、7分別為單軸壓縮下煤樣和砂巖的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號監(jiān)測結(jié)果,同樣將圖6(a)、7(a)的應(yīng)力-時間曲線劃分為5個階段。

圖6 單軸壓縮下煤樣的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號監(jiān)測結(jié)果 圖7 單軸壓縮下砂巖的應(yīng)力、電荷感應(yīng)和微震信號監(jiān)測結(jié)果

由圖6可知,煤樣在257.8 s(84%σc)時,2號通道首次接收到幅值為32 pC的電荷感應(yīng)信號;煤樣在268. 0s(100%σc)時失穩(wěn)破壞,3個通道同時出現(xiàn)高幅值的電荷感應(yīng)信號,之后進入平靜期;在286.0 s(71.4%σc) 時3通道同時接收到高幅值的電荷感應(yīng)信號,其最大值為50 pC,之后平靜期縮短,3個通道有間斷的同步和非同步電荷感應(yīng)信號,其原因是峰后結(jié)構(gòu)面持續(xù)破壞,不間斷地有裂隙貫通,電荷感應(yīng)信號主要集中在峰后軟化階段。124.0 s(25%σc)時,在5號通道首次接收到9.5×10-4m/s的微震信號;268.0、286.0、293.3(59.4%σc)和306.0 s(32%σc)應(yīng)力突變處3個通道有同步高幅值微震信號,其最大值為6.0×10-3m/s,微震信號與應(yīng)力的突變有較好的一致性。電荷信號與微震信號在268.0、286.0、306.0 s等均有同步信號,表明微震與電荷信號之間有很好的相關(guān)性。

由圖7可知,在236.4 s(54%σc)時,砂巖電荷傳感器首次接收到明顯幅值的同步電荷信號;在274.5～281.7 s之間有間斷的、幅值較小的電荷信號,其中在275.7(93%σc)、279.8 s(97%σc)時,3個通道有同步電荷感應(yīng)信號。236.4 s首次同步出現(xiàn)高幅值微震信號,幅值為5.8×10-3m/s,246.9 s(61%σc)時再次出現(xiàn)同步微震信號,其幅值最大為3.9×10-3m/s,在275.7、281.5 s(92%σc)時,微震信號幅值最大為6.0×10-3m/s。在236.4、275.7和279.8 s時,電荷感應(yīng)信號均同步于微震信號且幅值較大。

根據(jù)圖6、7 可得出電荷感應(yīng)、微震信號與單軸壓縮下煤巖應(yīng)力階段主要具有以下對應(yīng)關(guān)系:峰值前高幅值信號產(chǎn)生較少,首次明顯幅值的電荷感應(yīng)與微震信號產(chǎn)生與應(yīng)力突降相對應(yīng);峰值時刻具有顯著的高幅值信號,在峰后軟化階段應(yīng)力突降時均有明顯的高幅值電荷信號產(chǎn)生;最終失穩(wěn)時刻應(yīng)力大幅跌落,將集聚的能量迅速大量釋放,產(chǎn)生了整個受載過程中電荷感應(yīng)和微震信號的最大值。

將煤巖在單軸壓縮和循環(huán)荷載下的監(jiān)測結(jié)果進行對比,單軸壓縮下煤巖的電荷感應(yīng)與微震信號主要集中在峰后軟化階段,而循環(huán)荷載下煤巖各加載階段均有明顯的電荷感應(yīng)與微震信號產(chǎn)生,進一步說明了煤巖在循環(huán)荷載下的破壞是一個損傷累積的過程,每個分級循環(huán)過程都對應(yīng)有微裂紋的壓密閉合和新裂紋的進一步萌生擴展、連接貫通,從而產(chǎn)生部分不可逆變形,其內(nèi)部能量以表面能與塑性能的形式釋放出來。因此,相較于能量瞬間集聚釋放的單軸壓縮,循環(huán)荷載下的煤巖在每個加載階段都會產(chǎn)生豐富的電荷感應(yīng)與微震信號,更具研究價值。

不同加載方式下煤巖的電荷量累計曲線如圖 8、9 所示。由圖8(a)和9(a)可知,循環(huán)荷載下煤的電荷量積累曲線在彈性階段后期開始呈臺階式增加,并且由于循環(huán)荷載使煤樣內(nèi)部的裂隙得到充分的發(fā)展,之后各個階段都有顯著的臺階式電荷累計;單軸壓縮下煤樣電荷量積累量表現(xiàn)為從峰后軟化階段開始急劇增加,突變期延后,說明峰前階段煤樣內(nèi)部損傷并沒有充分發(fā)育擴展,而是在達到抗壓強度后瞬間形成宏觀裂縫發(fā)生失穩(wěn)破壞,高幅值脈沖數(shù)量突增。由圖8(b)和9(b)可知,循環(huán)荷載下的砂巖電荷量累計曲線與單軸壓縮下砂巖電荷量累計曲線的走勢大致相同,總體表現(xiàn)為:在加載初期電荷量增幅平緩,在彈性后期有應(yīng)力突降時躍增,在劈裂破壞時電荷量在極短的時間內(nèi)達到最大值。

圖8 循環(huán)荷載下煤巖的電荷量累積曲線

圖9 單軸壓縮下煤巖的電荷量累積曲線

3.3 微震信號頻域特征分析

由上節(jié)分析可知,循環(huán)荷載下煤巖在各階段均有高幅值的微震信號產(chǎn)生,而單軸壓縮下的煤巖只有發(fā)生應(yīng)力突降時才會產(chǎn)生高幅值微震信號,且應(yīng)力突降多發(fā)生在峰后軟化階段,故選用A1、C1煤樣6號通道數(shù)據(jù)做不同時間階段的微震頻譜圖。圖10為多級循環(huán)加、卸載過程中A1煤樣6號通道的微震信號頻譜圖;圖11為單軸壓縮過程中C1煤樣6號通道的微震信號頻譜圖,圖中σ/σc為各事件開始觸發(fā)時刻的應(yīng)力水平。

圖10 煤樣循環(huán)加載過程中不同階段的微震信號頻譜圖

圖11 煤樣單軸壓縮過程中不同階段的微震信號頻譜圖

由圖10可知,在壓密、彈性階段,煤樣內(nèi)部裂隙和孔隙較多,隨著荷載的增加,裂隙與孔隙閉合產(chǎn)生微弱的微震事件,所以此階段微震信號主頻較低。第2次加載時煤樣處于彈性階段后期,內(nèi)部裂隙開始擴展,此時微震信號主頻幅值增大,最大幅值達到272 μm/s。第2次卸載初期煤樣彈性能釋放,這時微震活動短暫增強,微震主頻相對幅值也隨之增大,達到281 μm/s,主頻大小為20～60 Hz,而隨著荷載的減小,主頻相對幅值也呈現(xiàn)出減小的趨勢, 第2次卸載后期主頻幅值減小到76 μm/s。隨著第4次循環(huán)加、卸載的進行,煤樣步入強化損傷階段中期,此階段煤樣變形加劇,煤樣的變形破裂呈陣發(fā)、非連續(xù)狀態(tài),不同裂隙匯合、貫通、破裂所產(chǎn)生的微震頻率各不相同,從而使主頻帶變寬并出現(xiàn)次主頻,頻譜在20～80 Hz集中分布,微震強度有增強的趨勢,高頻微震信號增多,主頻幅值增大,最大幅值達到761 μm/s。進入峰后軟化階段時,煤樣內(nèi)部已經(jīng)形成的大量微裂紋開始匯合、貫通,隨著荷載增加、變形加速,即使保持恒載也會產(chǎn)生形變,此階段微震事件數(shù)增多,振幅增大,具有高幅值的特點,主頻信號最大幅值達到868 μm/s。峰后軟化階段后期,主頻信號幅值為179 μm/s,高幅值減小,主頻帶變窄,次主頻逐漸消失。煤樣在循環(huán)荷載作用下微震信號頻譜幅值呈現(xiàn)出彈性變形階段先升后降、強化損傷階段上升、峰后軟化階段持續(xù)上升后下降的變化規(guī)律。

由圖11可知,彈性階段微震信號主頻較低、幅值較小,主頻最大幅值僅為63 μm/s;強化損傷階段微震信號主頻幅值持續(xù)上升,最大幅值達到260 μm/s,并出現(xiàn)次主頻;峰后軟化階段微震信號主頻幅值增幅最大,主頻信號幅值達到418 μm/s后逐漸減小,該階段出現(xiàn)高值現(xiàn)象,次主頻逐漸消失。

由此可見,微震信號頻譜的階段特征及變化規(guī)律能夠很好地反映煤樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài),在不同加載方式下煤樣的整個變形破裂過程中,主頻率是不斷發(fā)生變化的,但均具有低頻的特點,微震信號主頻幅值的增大與微震信號的增強具有同步性。因此,微震信號的頻域特征可以作為探究煤樣失穩(wěn)破壞的判據(jù)。

3.4 微震與電荷感應(yīng)信號的能量分析

試驗監(jiān)測到的電荷感應(yīng)和微震信號為隨機波動信號,均方值可以表示信號的強度,代表了信號的能量。圖12 為不同加載方式下煤巖微震與電荷感應(yīng)信號的均方值圖,其中微震信號為6號通道,電荷感應(yīng)信號為2號通道。

圖12 不同加載方式下煤巖微震與電荷信號均方值

由圖12(a)、12(b)可知,循環(huán)荷載下煤巖的疲勞損傷是一個不可逆的非均質(zhì)能量耗散過程,在壓密、彈性階段煤巖產(chǎn)生的電荷感應(yīng)和微震信號事件數(shù)較少,257.7s(煤樣)和354.1 s(砂巖)的能量釋放均與應(yīng)力突降相對應(yīng),信號能量主要分布在強化損傷階段與峰后軟化階段。不同循環(huán)加、卸載階段試件能量的釋放均與應(yīng)力突降有較好的一致性,應(yīng)力突降會導(dǎo)致更多損傷或者微破裂事件出現(xiàn),由此產(chǎn)生的電荷感應(yīng)和微震信號也會更加豐富,且幅值更大,信號能量也更大,煤樣最大微震信號均方值為1.74×10-5,最大電荷感應(yīng)信號均方值為1 351;砂巖最大微震信號均方值為1.98×10-5,最大電荷感應(yīng)信號均方值為508。由圖12(c)、12(d)可知,單軸壓縮下煤巖的信號能量主要分布在峰后軟化階段,煤樣最大微震信號均方值為2.16×10-5,最大電荷感應(yīng)信號均方值為846;砂巖最大微震信號均方值為2.15×10-5,最大電荷感應(yīng)信號均方值為849,微震和電荷感應(yīng)信號均在應(yīng)力突降時有較大的信號值產(chǎn)生,這同樣表明微震和電荷感應(yīng)信號與應(yīng)力突降有較好的一致性。

4 煤巖失穩(wěn)破壞的前兆特征

電荷感應(yīng)與微震信號的變化特征與煤巖的受載階段有良好的一致性,將兩種信號相互補充對煤巖的受載階段進行綜合分析和劃定,可提高預(yù)測的準確性。通過分析循環(huán)荷載作用下煤巖的力學(xué)性質(zhì)以及電荷感應(yīng)與微震信號的變化特征,提出以下煤巖失穩(wěn)破壞的前兆特征:

(1)通過分析電荷感應(yīng)與微震信號時域特征可知,電荷感應(yīng)與微震信號的周期性以及高幅值信號的密集程度可以預(yù)測煤巖體所處的應(yīng)力階段。電荷感應(yīng)和微震信號出現(xiàn)突變-平穩(wěn)-突變的周期變化時,可以推斷煤巖完成了一次循環(huán)、加卸載;在每個循環(huán)加、卸載過程中又可以由較強信號的出現(xiàn)來判斷煤巖體處于卸載階段;當(dāng)非周期性且事件數(shù)最多、強度最大、同步性最強、高值振蕩現(xiàn)象的脈沖微震和電荷感應(yīng)信號同時出現(xiàn)時,可判定試件即將由強化損傷階段末期進入峰后軟化階段。不同于常規(guī)單軸壓縮,循環(huán)荷載下煤樣在發(fā)生多裂紋貫穿劈裂破壞前會頻繁出現(xiàn)峰值較小的電荷感應(yīng)信號,預(yù)警過程中需警惕此類信號。

(2)通過分析微震信號頻域特征可知,當(dāng)微震信號主頻幅值較低、頻譜分布均勻時,說明煤樣處于彈性階段;微震信號頻譜主頻相對幅值較高、主頻帶變寬、次主頻出現(xiàn)、頻譜從均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l集中分布時,可以認為煤樣處于強化損傷階段;微震信號主頻帶變窄、次主頻消失、頻譜集中在低頻區(qū)域時,可以判斷煤樣處于峰后軟化階段。

5 結(jié) 論

(1)循環(huán)荷載下煤巖電荷感應(yīng)和微震信號在不同受載階段各具特點,信號的時域特征總體表現(xiàn)為隨裂隙發(fā)育程度的提高信號幅值明顯增加,特別是與加載段相比,在卸載段反而有更多的高幅值電荷感應(yīng)與微震信號出現(xiàn)。

(2)循環(huán)荷載作用下煤樣破壞過程中微震信號的頻譜變化規(guī)律與煤樣內(nèi)部裂隙的擴展?fàn)顟B(tài)有較好的對應(yīng)性,且微震信號主頻幅值的增高與微震信號的增強具有同步性。單軸壓縮下煤樣微震信號的頻譜也具有相同特征。

(3)電荷感應(yīng)與微震信號的變化特征與煤巖的受載階段有良好的一致性,通過多通道采集的電荷感應(yīng)與微震信號可以很好地劃定煤巖的受載階段,避免了單個采集方法的信息損失遺漏,從而得到更加準確的煤巖失穩(wěn)預(yù)警信息。