單軸壓縮下沖擊傾向性煤樣聲發射特性的實驗研究

楊 磊，毛德兵

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓等煤巖動力災害日趨嚴重。沖擊地壓是煤巖體失穩破壞的宏觀表現，煤巖體失穩破壞過程中伴隨著彈性能、聲能、電磁能等多種能量信號的釋放，其中聲發射是一種常用的研究煤巖破壞特性的指標［1］。

早在20世紀30年代，美國學者Obert和Duvall就應用聲發射檢測技術來確定巖石受壓后的破裂位置［2］。隨后國內外學者對煤巖破壞過程中的聲發射現象進行了大量的研究，李庶林等［3］對單軸受壓巖石破壞全過程進行了聲發射試驗，分析了巖石破壞過程中的力學特性和聲發射特征;王恩元等［4］對單軸壓縮煤體破裂過程中聲發射的頻譜特征進行了研究，發現煤體聲發射的頻譜特征變化與煤體變形破裂過程密切相關;楊永杰等［5］對單軸壓縮條件下煤樣的聲發射特征進行了研究，得出了預測煤樣破裂時間的指標;左建平等［6］對煤巖組合體破壞過程的聲發射行為進行了研究，并獲得了聲發射三維空間分布規律。

目前，將聲發射與沖擊傾向性相聯系的研究相對較少，寧超等［7］研究了單軸壓縮下沖擊煤巖的聲發射特性，發現了沖擊煤巖屈服階段聲發射參數的平靜現象;趙毅鑫等［8］對沖擊傾向性煤體破壞過程中的聲熱效應進行了研究，發現沖擊傾向性煤體的失穩破壞更突然、更難于預測。因此，本文將沖擊傾向性煤樣與無沖擊傾向性煤樣破壞時的聲發射特征進行對比分析，重點研究沖擊煤樣破壞時的聲發射特征，探索沖擊煤樣失穩破壞的前兆信息，這對沖擊地壓和煤巖體失穩破壞的預測預報研究具有十分重要的意義。

1 試驗煤樣及試驗方法

1.1 煤樣的選取與制備

試驗所用沖擊煤樣取自新疆某礦井，無沖擊煤樣取自內蒙古東部的褐煤，試驗前對其沖擊傾向性再次進行鑒定，均符合要求。為盡可能保持煤樣原有狀態，從回采工作面煤壁選取比較完整的大煤塊，按照規程的要求，沿垂直層理方向加工成φ50mm×100mm的圓柱體煤樣，煤樣兩端不平行度小于0.05mm。為盡可能降低試驗結果的離散性，試驗所用的同一類煤樣均取自同一大煤塊，共做了40個煤樣。

1.2 試驗設備

試驗加載設備采用德國WPM巖石力學試驗系統，該系統最大軸向加載載荷為1000kN。聲發射裝置采用美國物理聲學公司 (Physical Acoustic Corporation)生產的PCI－2全數字化聲發射測試分析系統，采樣率設為1MHz。采用雙通道同時采集數據，在煤樣中部兩側對稱布置2個聲發射傳感器，傳感器與煤樣表面之間用凡士林耦合，并用膠帶固定。

1.3 測試方法

每次試驗前，在傳感器附近進行斷鉛試驗，以確保傳感器與試樣耦合良好，并對實驗室的機械噪音進行測定，經過反復測試，最終將門檻值設定為45dB。試驗時，采用軸向位移加載控制方式，并保持加載過程與聲發射監測同步。

2 試驗結果與分析

沖擊傾向性受到時間和能量的雙重影響，本文從能夠同時反映時間和能量效應的聲發射能率角度來研究單軸壓縮破壞過程中沖擊傾向性煤樣的聲發射特征，探索沖擊傾向性煤樣失穩破壞的前兆信息。

2.1 沖擊傾向性煤樣的聲發射能率特征

圖1為2個典型沖擊傾向性煤樣聲發射能率與應力－時間的關系曲線。

圖1 沖擊傾向性煤樣應力、聲發射能率與時間關系曲線

從圖1中可以看出，沖擊傾向性煤樣從初始加載至峰值應力90%左右的過程中，聲發射能率一直保持非常低的水平，表明煤樣內部結構較完整，節理裂隙不發育，承載能力較強，當應力達到峰值應力的90%左右時，聲發射能率出現明顯的突增，之后隨著載荷的繼續增加，聲發射能率呈臺階式增長，增長過程中聲發射能率出現突增－平緩－突增現象，表明煤樣內部經歷著裂紋擴展、積累能量、裂紋進一步擴展，峰值應力時，聲發射能率達到最大值，且高出上一個能率峰值很多，之后迅速降低到最小值。

圖2為無沖擊傾向性煤樣聲發射能率與應力－時間的關系曲線。從圖中可以看出，在初始加載階段，無沖擊傾向性煤樣的聲發射能率也一直保持非常低的水平，偶爾出現稍高的聲發射能率，當加載到峰值應力的50%左右時，聲發射能率開始明顯增加，之后隨著載荷的繼續增加，聲發射能率也呈臺階式增長，峰值應力時，聲發射能率達到最大值，這一階段與沖擊傾向性煤樣類似，峰值應力過后，聲發射能率并不是直接降為零，而是臺階式地逐漸降到最小值。

圖2 無沖擊傾向性煤樣應力、聲發射能率與時間關系曲線

對圖1、圖2進行對比分析可以發現，沖擊傾向性煤樣與無沖擊傾向性煤樣的聲發射能率有較大差別:沖擊傾向性煤樣的聲發射能率活躍點在峰值應力的90%左右，此時能率開始出現小幅度的突增現象，表明煤樣開始緩慢釋放能量，在峰值應力處，能率曲線迅速達到峰值隨后降到最小值，表明此時煤樣釋放出非常高的能量;而無沖擊傾向性煤樣的能率活躍點在峰值應力的50%左右，峰值應力處，釋放較高能量，之后仍緩慢釋放能量;在峰值應力處，沖擊傾向性煤樣釋放的聲發射能率高達21000，而無沖擊傾向性煤樣釋放的能率剛接近3000，由此可見，沖擊傾向性煤樣充分展示了瞬間釋放高能量的特征。

2.2 沖擊煤樣聲發射b值的動態特征

b值是介質控制所積累的能量的釋放能力［10］。在巖石力學領域，可以把巖石破壞過程中的聲發射事件當作地震活動，用聲發射b值來研究巖石破壞的前兆特征。

假設AE事件的相對震級M正比于AE振幅A，把AE頻度的對數 (lg N)與M的關系式轉化為lg N與振幅A的線性關系，然后計算出b值。

本文采用最小二乘法進行b值計算。在b值計算過程中，M按2dB分檔，取256s內的AE事件為一組數據，按128s進行時間滑動取樣計算，得出b值隨時間的動態變化曲線。線性最小二乘法的b值由下式給出:

式中，m為震級分檔總數;Mi為第i檔震級中數;Ni為第i檔震級的AE事件數。

圖3為2個沖擊傾向性煤樣b值的動態變化曲線。

圖3 沖擊煤樣聲發射b值動態變化曲線

對比2個煤樣的b值動態變化曲線可以得出，2個煤樣的b值動態曲線在很大程度上具有相似的變化規律，在進入彈性階段后，2個煤樣的聲發射b值基本上是呈線性增長，說明煤樣內部裂隙開始不斷擴展，低能量的AE事件所占比例較多;當加載應力達到峰值應力的80%左右時，兩煤樣的聲發射b值均較平緩地下降，說明此時高能量的AE事件所占比例開始增加，較大尺度的破裂開始出現;隨后聲發射b值快速下降，說明高能量的AE事件顯著增加，破裂開始擴展貫通，意味著煤樣即將失穩破壞，因此將聲發射b值的“平緩下降期”作為判定沖擊傾向性煤樣破壞的前兆信息更具有實際意義。

3 結論

(1)本文選取能夠同時反映時間和能量效應的聲發射能率參數作為研究對象，發現沖擊傾向性煤樣和無沖擊傾向性煤樣的聲發射能率活躍點分別為峰值應力的90%和50%，且聲發射能率的變化特征很好地詮釋了沖擊傾向性的本質。

(2)聲發射b值的變化反映了煤樣內部不同能量事件所占的比例，其平緩下降的特征可以作為沖擊傾向性煤樣失穩破壞的前兆信息。因此，研究聲發射能率和b值的動態變化特征有利于預測沖擊地壓災害的發生，提高預報的準確率。

［1］王恩元，何學秋，李忠輝，等.煤巖電磁輻射技術及其應用［M］.北京:科學出版社，2009.

［2］OBERT L，DUVALL W I.Use of sub audible noises for prediction of rockbursts II—report of investigation［R］.Denver:U.S.Bureau of Mines，1941.

［3］李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等.單軸受壓巖石破壞全過程聲發射特征研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(15):2499－2503.

［4］王恩元，何學秋，劉貞堂，等.煤體破裂聲發射的頻譜特征研究 ［J］.煤炭學報，2004，29(3):289－292.

［5］楊永杰，陳紹杰，韓國棟.煤樣壓縮破壞過程的聲發射試驗［J］.煤炭學報，2006，31(5):362－365.

［6］左建平，裴建良，劉建鋒，等.煤巖體破裂過程中聲發射行為及時空演化機制 ［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(8):1564－1570.

［7］寧 超，余 鋒，景麗崗.單軸壓縮條件下沖擊煤巖聲發射特性實驗研究［J］.煤礦開采，2011，16(1):97－100.

［8］趙毅鑫，姜耀東，韓志茹.沖擊傾向性煤體破壞過程聲熱效應的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(5):965－971.

［9］李元輝，劉建坡，趙興東，等.巖石破裂過程中的聲發射b值及分形特征研究 ［J］.巖土力學，2009，30(9):2559－2563，2574.

［10］趙得秀.地震探源與地震預報［M］.西安:西北工業大學出版社，2007.