水對煤巖聲發射特性影響的試驗研究

李高陽

摘要：對水浸泡（0 h、72 h、144 h）后的煤巖試件進行單軸壓縮聲發射（AE）特性試驗，研究煤巖試件壓縮試驗過程與聲發射指標之間的對應關系，分析浸水時間對聲發射參數幅度的影響。試驗結果發現：在單軸壓縮過程中，隨著載荷的增大，AE最大幅度逐漸增加;在相同的載荷作用下，隨著浸泡時間的增加，AE最大幅度呈現逐漸降低的趨勢。

關鍵詞：煤巖;聲發射;幅度

中圖分類號：O424? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）41-0128-02

一、聲發射檢測原理及方法

聲發射（AE）現象的產生是由于物體受到各種外界條件作用時，它的內部會出現彈性波能量波動。當外界的作用值逐漸增大至一個臨界值時，物體內部會發生能量釋放的現象，稱此過程為聲發射活動。同樣，當對煤巖進行壓縮時，隨著載荷的不斷增加，其內部結構發生破壞，也會隨之產生聲發射現象，并且，受外力作用而出現的聲發射信號里包含著可以預示煤巖試件在出現斷裂的每個階段的信號。在外載荷對煤巖產生力作用的過程中，煤巖內部的原生裂縫延長、擴展，并且隨著載載荷的不斷增加，產生的新的裂隙延長、擴展，最后發生斷裂破壞。這些過程都伴隨著聲發射活動，這種活動也是煤巖內部結構發生變化伴隨的能量信號的傳遞過程，AE信號的大小、變化趨勢與煤巖受力發生破壞和其內部結構發生破壞的變化階段相對應。因此，我們利用煤巖試件單軸壓縮過程中產生的AE信號對煤巖的壓縮斷裂過程進行實時監測，這對于礦區中煤巖體受力變形和整體結構的穩定性評價有很重要的價值。

聲發射檢測方法為：將源信號發出的彈性波能量傳輸到被測試試件的表面上，試件表面接觸著的傳感器會及時接收能量波，并且立即把此信號轉換為電信號，之后通過放大器將信號放大，最后由電腦分析計算、記錄此信號，并將此信號輸出顯示為圖像和數字信息。因此，我們能對電腦顯示的聲發射信息進行研究、計算、分析。AE幅度是聲發射特性的一個主要參數，從試件表面接收到的AE信號會產生波形，其波形的最大振幅值稱為AE幅度，AE最大幅度代表試件內部結構斷裂時產生能量波信號的最大值。

二、試驗方法

本文對浸水時間不同的煤巖試件進行單軸壓縮聲發射試驗，單軸壓縮加載設備使用DNS200型電子萬能試驗機，AE測試儀器采用SAEU2S聲發射系統。試驗過程中使DNS200型電子萬能試驗機和聲發射系統同時運行，設置為力控制的加載方式，將加載速率定為0.5kN/s。在聲發射系統中將采集信號的時間間隔設置為200ms，放大器設置為40dB，門檻值設置為35dB。在試件表面的中心部位和傳感器探頭處均涂上耦合劑，這樣可以使信號的接收更加流暢。

三、煤巖聲發射試驗參數分析

本次試驗對3個浸水時間不同的煤巖試件進行了單軸壓縮試驗，對聲發射參數幅度特性進行了對比分析。

將試件產生的AE最大幅度繪制為AE幅度條形圖，如圖1、圖2、圖3所示。比較圖1、圖2、圖3發現：當試件浸水0 h時，隨著應力水平的增大，AE最大幅度值分別為58 dB、65 dB、70 dB;當浸水72 h時，隨著應力水平的增大，AE最大幅度值分別為50 dB、59 dB、63 dB;當試件浸潤144 h時，隨著應力水平的增加，AE最大幅度值分別為42 dB、50 dB、55 dB。將所有的AE最大幅度值進行比較發現，隨著應力的不斷增加，試件產生的AE最大幅度值呈現逐漸變大的趨勢。并且，通過比較同一應力條件下的試件可以看出，當煤巖試件浸水時間延長時，AE最大幅度值出現逐漸減小的趨勢。由此可見，水的作用弱化了煤巖試件的強度等級，使其內部的能量信號減弱，繼而使幅度降低。

四、結論

利用SAEU2SAE系統對煤巖單軸壓縮試驗過程進行測試，分析AE幅度參數，得出以下結論：

第一，在相同的浸水時間條件下，隨著應力增加，AE幅度的最大值呈現逐漸上升的趨勢。

第二，在同樣應力水平條件下，隨著試件的浸水時間延長，其AE幅度的最大值呈現逐漸下降的趨勢。

第三，水可以弱化煤巖的物理力學性質，降低其強度等級，使其內部的能量信號減弱，繼而使AE最大幅度降低。

參考文獻：

[1]陳顒.聲發射技術在巖石力學中的應用[J].地球物理學報，1997，20（04）：312-322.

[2]蔣宇，葛修潤，任建喜.巖石疲勞破壞過程中的變形規律及聲發射特性[J].巖石力學與工程學報，2004，23（11）：1810-1814.

[3]張茹，謝和平，劉建鋒，鄧建輝，彭琦.單軸多級加載巖石破壞聲發射特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25（12）：2584-2588.

[4]李庶林，唐海燕.不同加載條件下巖石材料破裂過程的聲發射特性研究[J].巖土工程學報，2010，32（01）：147-152.

[5]尹賢剛，李庶林，唐海燕.巖石破壞聲發射強度分形特征研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（19）：114-118.

[6]李元輝，劉建坡，趙興東，楊宇江.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（09）：2559-2563+2574.

[7]張暉輝，顏玉定，余懷忠，尹祥礎.循環載荷下大試件巖石破壞聲發射實驗——巖石破壞前兆的研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23（21）：3621-3628.

[8]苗勝軍，樊少武，蔡美峰，蔡美峰，陳長臻.基于加卸載響應比的載荷巖石動力學特征試驗研究[J].煤炭學報，2009，34（03）：329-333.

[9]李俊平，周創兵.巖體的聲發射特征試驗研究[J].巖土力學，2004，25（03）：374-378.

[10]鄒銀輝，文光才，胡千庭，許進鵬.巖體聲發射傳播衰減理論分析與試驗研究[J].煤炭學報，2004，29（06）：663-667.

[11]李夕兵，劉志祥.巖體聲發射混沌與智能辨識研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（08）：1296-1300.

[12]尹賢剛，李庶林，唐海燕，裴建良.巖石破壞聲發射平靜期及其分形特征研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（S2）：3383-3390.

[13]王寧，韓志型，王月明，趙明波.評價巖體穩定性的聲發射相對強弱指標[J].巖石工程學報，2005，27（02）：190-192.

[14]蔡美峰，來興平.巖石基復合材料支護釆空區動力失穩聲發射特征統計分析[J].巖土工程學報，2003，25（01）：51-54.