不同圍壓下煤巖聲發射基本特性及損傷演化

余 潔，劉曉輝,2，郝齊鈞

不同圍壓下煤巖聲發射基本特性及損傷演化

余 潔1，劉曉輝1,2，郝齊鈞1

(1. 西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039；2. 四川大學 水力學與山區河流保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

利用PCI-2聲發射系統對四川芙蓉白皎煤礦煤巖展開不同圍壓(0、8、16、25 MPa)的聲發射試驗研究，旨在揭示不同圍壓下煤巖破壞過程的振鈴計數率、聲發射時空分布、聲發射值及破壞煤巖的損傷特性變化規律，為有效預測煤巖破壞提供有利的理論依據。研究表明：聲發射現象能夠較好地反映煤巖內部裂紋的擴展情況，圍壓對煤巖破壞具有一定的抑制作用。隨圍壓增大，振鈴計數率平靜期越長；單軸、三軸狀態下振鈴計數率高頻段發生時段不同。單軸狀態下聲發射定位點均勻分布于煤巖內部，三軸狀態下則集中分布于破壞截面。隨圍壓增大，峰前聲發射值波動現象增強，可利用值變化預測煤巖破壞。基于累計振鈴計數、結合煤巖破壞應力建立煤巖損傷破壞模型，結合聲發射振鈴計數率、時空分布、值及損傷變量可對煤巖有效破壞的前兆應力點進行預測。研究成果將為煤巖破壞的微震監測分析奠定基礎。

巖石力學；煤巖；聲發射特性；圍壓；聲發射值；損傷演化；四川白皎煤礦

隨著煤礦開采強度和深度的日益加大，煤與瓦斯突出成為嚴重威脅煤礦安全生產的災害之一[1]。在災害發生過程中，煤巖失穩破壞常伴隨聲發射現象，即煤巖中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象[2]；利用聲發射現象能夠有效研究煤巖變形斷裂機制，更好地為預測、防治煤巖破壞提供有利的理論依據，因此，聲發射技術在煤巖破裂變形分析中得到廣泛應用[3]。

聲發射現象反映了巖石內部微裂紋的產生、擴展全過程，隨著煤礦開采深度的日趨增大，眾多學者對巖石不同圍壓條件下的聲發射特征展開研究[4-9]，發現不同圍壓下巖石聲發射活動與應力–應變過程具有較好的對應關系，圍壓對巖石微破裂活動具有一定的抑制作用；蘇承東等[10-11]通過煤巖和砂巖單軸、三軸狀態下的聲發射試驗發現，煤巖和砂巖破壞過程聲發射特征均具有明顯的圍壓效應；左建平等[12]對煤巖、巖體和煤巖組合進行單軸聲發射現象研究，發現不同巖樣間的聲發射具有顯著差異，可利用時段聲發射特征對其破壞進行判斷；高保彬等[13]對含水煤巖展開單軸壓縮聲發射試驗研究發現，煤巖變形過程聲發射現象存在平靜期、活躍期和峰后平靜期3個階段，利用聲發射計數分維值可對煤巖災害前兆進行預測。

聲發射值[14]作為描述巖石失穩過程中裂紋萌生、擴展的重要參數，具有重要的工程指導意義。張黎明等[15]對巖石展開不同圍壓下的聲發射特征研究發現，利用值的變化規律在一定程度上能對巖石的破壞前兆進行預測；趙小平等[16]、姚旭龍等[17]發現煤巖單軸狀態下聲發射值能夠較好地反映內部微裂紋的擴展情況，值下降可作為煤巖破裂的前兆；張朝鵬等[18]發現煤巖單軸下聲發射值具有明顯的層理效應；劉倩穎等[19]提出三軸卸荷下煤的聲發射值峰值點可作為煤的破壞前兆。

進一步開展巖石損傷變形研究能夠探討其破裂的內在機理，為預防巖石失穩破壞提供重要的參考。鄧飛等[20]建立基于振鈴計數的巖石損傷方程，探討巖石在單軸壓縮下的損傷演化過程；劉保縣等[21]提出基于“歸一化”累計振鈴計數的損傷變量及損傷演化方程，損傷演化過程與巖石實際破壞具有一致性。施工過程中，巖石往往處于三向應力狀態，探究三軸狀態下巖石的損傷特性更具有工程意義。孫雪等[22]建立了大理巖三軸壓縮損傷模型，該模型能夠合理地反映巖石在不同圍壓下的破裂特征；趙洪寶等[23]建立了基于聲發射事件數的損傷演化方程，該方程能夠較好地描述含瓦斯煤三軸壓縮損傷特性。

綜上所述，煤巖單軸壓縮下的聲發射特征研究已難以滿足工程實際，迫切需要開展三軸壓縮聲發射值及損傷演化特性研究。因此，本文通過對煤巖展開不同圍壓下的聲發射試驗，分析在不同圍壓狀態下的聲發射振鈴計數率、空間分布、值及損傷演化特性，以期能夠更好地為礦井微震監測提供理論基礎。

1 試樣制備及試驗方案

1.1 試樣制備及試驗設備

試驗所用煤巖選自四川宜賓芙蓉白皎煤礦，屬高硫煤礦[24-25]。按照制樣標準，將煤巖加工成?50 mm100 mm的圓柱形標準試樣[26]。為減少人為擾動對其原始狀態的影響，在制備過程中采用干鉆、干切、干磨的方法。煤巖試樣如圖1所示。

圖1 煤巖試樣

本試驗采用MTS815巖石力學測試系統，配備PCI-2聲發射定位測試系統，對煤巖進行不同圍壓下的聲發射特征研究，試驗設備如圖2所示。試驗設置聲發射傳感器8個，分別安裝在試樣上下兩端垂直于直徑方向。聲發射(AE)傳感器頻率范圍為1×103~3×106Hz帶寬，考慮到煤巖強度低、聲波衰減快，為盡可能減少非加載過程中噪聲等對聲發射信號的影響，本次聲發射信號采集過程門檻值設定為40 dB。

1—聲發射數據采集、處理系統；2—MTS數據采集、控制系統；3—超聲波收集、處理系統；4—MTS加載系統；5—聲發射探頭；6—軸向引伸計；7—橫向引伸計

1.2 試驗方案

為探究不同圍壓下煤巖變形破壞過程的聲發射特性，進行單軸及圍壓為8、16、25 MPa的常規三軸試驗，每組試驗設置3個平行樣。

2 聲發射基本特性分析

2.1 基本參數特征

試驗得到聲發射事件計數率、振鈴計數率、能量率等參數，均可反映煤巖聲發射現象，且規律基本一致，考慮篇幅問題，現就不同圍壓下煤巖破壞過程聲發射振鈴計數率與時間、應力關系進行分析，如圖3所示。

由圖3a可得，單軸狀態下，煤巖振鈴計數率可分為3個階段：平靜期(Ⅰ)、峰前活躍期(Ⅱ)及破壞期(Ⅲ)。平靜期對應應力–時間曲線的壓密及彈性階段，處于裂隙壓密及裂紋萌生階段，僅產生少量裂紋，AE事件較少，振鈴計數率較小；峰前活躍期對應應力–時間曲線的屈服階段，處于裂紋快速擴展階段，隨應力增加，內部裂紋不斷擴展、貫通，聲發射事件增多、水平活躍，振鈴計數率增大，且出現最大值；破壞期對應應力–時間曲線的破壞階段，煤巖在達到極限承載力后立即發生脆性破壞，AE事件較少、水平低，振鈴計數率較小。

圖3 不同圍壓下煤巖破壞過程聲發射振鈴計數率、應力與時間關系

與單軸狀態不同的是，在三軸狀態下煤巖聲發射振鈴計數率高頻段發生在應力峰后階段，且數值顯著增大。三軸狀態下振鈴計數率可分為4個階段：平靜期(a)、峰前活躍期(b)、峰后破壞期(c)及殘余期(d)。三軸平靜期與單軸平靜期規律相同，振鈴計數率數值較小；峰前活躍期處于屈服階段，試樣開始發生不可恢復的變形，裂紋開始產生，AE水平開始活躍，振鈴計數率與平靜期相比大幅增加；峰后破壞期處于峰后應力快速減小的較短時間，由于圍壓的存在，試樣沒有立即發生破碎，大量裂紋開始擴展、貫通，AE水平較高、數值較大，且出現最大值；殘余期為應力殘余階段，該階段主要由次生裂隙的產生和擴展作用產生AE事件，水平活躍，振鈴計數率有所降低，但仍保持著一定的數值。

聲發射振鈴計數率能夠較好地反映煤巖內部裂紋的發展情況，當數值較大時，AE水平高，煤巖內裂紋擴展速度快；數值較小時，AE水平低，裂紋產生較少，擴展速度慢。從圖3中可以發現，單軸下，煤巖快速擴展產生破碎基本出現在峰前；三軸下，峰后聲發射現象明顯高于峰前，裂紋不斷擴展并造成破碎發生在峰后。

由試驗結果可知，三軸狀態下煤巖最大振鈴計數率發生在應力峰值之后，主要是由于圍壓的存在促進了原生孔隙的閉合作用，阻礙了新生裂紋的形成。煤巖峰值應力點的AE水平較小，且未發生在AE水平高頻期。隨應力增加，AE水平逐漸提高，相應振鈴計數率不斷升高，在臨近破壞時，AE活動反而有所減少，相應振鈴計數率整體上呈減小趨勢，在預測巖石破壞時，可以將這一變化作為破壞前兆，但需要注意的是巖石并不一定會發生破壞。

最大振鈴計數率及其發生時間隨圍壓變化具有一定的規律(圖4)。煤巖破壞過程中，最大振鈴計數率隨圍壓升高而增大；最大振鈴計數率發生的時間隨圍壓的升高而延后，這是由于圍壓越高，對煤巖的約束作用就越強，抑制作用也就越明顯，最大值出現的時間則越滯后。

圖4 最大振鈴計數率及其發生時間與圍壓的關系

不同圍壓下煤巖聲發射事件與時間的關系曲線如圖5所示。圍壓對煤巖聲發射的產生具有一定影響。結合圖3可知，圍壓越大，對煤巖裂紋產生的抑制作用越大，因此，聲發射事件平靜期越長，分別為316、895、1 193、1 912 s；在不同圍壓下煤巖聲發射事件的發生具有相似性，依次呈現為平靜期、快速增加、緩慢增加現象。三軸狀態同一時間下，試樣發生的AE事件累計計數隨圍壓升高減少，進一步驗證了圍壓對煤巖的破壞具有抑制作用。

圖5 不同圍壓下煤巖AE事件計數與時間的關系

2.2 空間分布特征

從聲發射定位點時空分布情況可以了解煤巖在不同圍壓下的微觀破裂演化過程，不同應力水平下的聲發射時空分布如圖6所示，圖中30%代表該處應力水平占峰值應力的30%，其他類同。

圖6 不同應力水平下聲發射空間定位點演化特征

a. 三軸狀態下，圍壓增強了煤巖內部裂紋的閉合作用，抑制裂紋萌生，因此，在峰前僅產生少量AE事件，AE定位點較少，且隨圍壓增大，對裂紋產生的抑制作用越明顯，相同應力水平下的AE定位點越少，與振鈴計數率相吻合；在峰后階段，裂紋不斷擴展、貫通，產生大量AE事件，AE定位點顯著增多。三軸狀態峰前90%~100%應力水平段均發生AE定位點突增現象，因此，監測時若發現AE定位點開始突增，預示著試樣即將發生破壞。

b. 從分布情況來看，隨著時間的推移，單軸狀態下AE定位點均勻地分布于試樣內部，試樣發生脆性破壞；三軸狀態下則是沿某一截面分布，存在集中分布區，發生沿這一截面的剪切破壞，并且隨圍壓增大，AE定位點更集中于破壞平面附近，剪切破壞現象越明顯。

c. AE定位點的演化過程與AE振鈴計數率具有良好的對應關系。在振鈴計數率平靜期，AE事件較少，相應地AE定位點較少，對應各圍壓下應力水平分別為峰值的50%、70%、70%、90%。在振鈴計數率峰前活躍期，AE定位點逐漸增多。單軸狀態振鈴計數率破壞期水平較低，對應AE定位點少量增加；三軸狀態振鈴計數率破壞期和殘余期對應的AE定位點大量增多。

3 聲發射b值特征

3.1 b值的物理意義及確定方法

值最早由古登堡和里克特提出，用以表征地震震級與頻度的比例關系；在某一地震序列中，若強震愈多，則值愈小，反之值愈大[27]。在巖石聲發射現象中，值用來描述巖石裂紋的萌生、擴展演化過程。

研究表明[28]，若值增加，說明試樣中以小尺度破裂為主，AE小事件所占的比例增加；反之，試樣以大尺度破裂為主，AE大事件所占比例增加；若值恒定不變，說明大、小尺度破裂分布均衡，AE大、小事件比例不變。

值計算方法很多，最常用的方法為極大似然估計法和最小二乘法[29]。基于本文主要對煤巖峰前值變化展開分析，極大似然估計法本質上受小事件控制，試驗得到煤巖峰前能量較小，因此，采用極大似然估計法計算值，計算公式如下：

3.2 不同圍壓下b值變化特征

煤巖峰前AE事件較少，因此，值計算采用等次數方法，單、三軸分別以40、50個聲發射事件作為一個滑動窗口，將取樣時間段的中間時刻作為值標度時間。本文僅對峰前值變化進行分析。不同圍壓下煤巖峰前值變化如圖7所示。

在能量突增處，值減小，此時試樣內高能量聲發射事件增加，主要以大尺度裂紋擴展為主；在值增大的地方，低能量聲發射事件增加，試樣內主要以小尺度裂紋擴展為主。巖石破壞是一個復雜的過程，試樣內大、小尺度裂紋發展變化不可預測，在加載過程呈現上下波動現象。

與單軸狀態相比，三軸狀態下煤巖聲發射值較大。在峰前階段，值呈上下波動的變化趨勢，并且隨圍壓增大，波動幅度增大。煤巖內部裂紋分布隨圍壓增大越集中，因此，在聲發射現象頻發段，值上下波動現象尤為明顯。同時，值并未在加載開始時就出現，上文提到在加載初期聲發射現象存在平靜期，因此，值在加載一段時間后開始出現，并且初始值保持著一定數值大小。

在應力水平90%前，值變化較小，說明試樣內聲發射大小事件比例變化較小，尺度不一的裂紋發展較為穩定。在應力水平90%~100%期間，值出現驟降，說明試樣內裂紋擴展情況發生改變，屬于裂紋突發式改變，試樣內產生高能量事件。煤巖不同圍壓下破壞前兆點如圖7所示。單軸狀態下，峰后值出現突降，且聲發射事件較少，此時試樣屬于脆性破壞。三軸狀態下，煤巖破壞逐漸向延性轉變，峰后聲發射活躍，裂紋擴展不斷產生，值呈上下波動現象，且隨圍壓升高，峰后值下降幅度越大，原因是隨圍壓升高，大尺度裂紋產生的速率越快，越容易形成貫通的破壞平面，從而發生剪切破壞。

利用聲發射值對煤巖破壞前兆預測分析如下：單軸狀態下，由于應力水平由峰值90%升到100%時間較短，因此，將出現先減小后增大的現象作為破壞前兆；三軸狀態下，應力呈緩慢增加、值減小的現象作為煤巖的破壞前兆。考慮到圍壓為25 MPa時，應力水平90%~100%內出現多次值下降的現象，巖石破裂不可預測，因此，本文將應力隨應變緩慢增加時，值第一次出現減小的時刻作為破壞前兆點，當值出現減小變化時，應加強對巖石受力過程的監測。

圖7 不同圍壓下聲發射b值變化規律

4 聲發射損傷特性分析

巖石材料在變形破壞過程中，經歷了裂紋的萌生、發展、貫通、破壞等過程，通過聲發射損傷演化分析可反映巖石的破裂過程，有利于理解巖石的破裂機制。

4.1 損傷演化特性

建立損傷演化方程的方法多種多樣，在文獻[30]中提到，可采用Weibull分布函數來近似反映微元強度等力學參數的不同，即有：

若試樣損傷變量為，那么損傷變量與微元損傷率存在以下關系：

通過式(2)和式(3)可得損傷變量的表達式：

結合式(4)和式(5)可得損傷變量與累計振鈴計數的關系有：

根據式(7)得到不同圍壓下煤巖損傷演化過程，如圖8所示。

利用累計振鈴計數得到煤巖的損傷過程與聲發射現象具有良好的對應關系，結合圖3，將單軸狀態下煤巖損傷演化分為3個階段，即損傷平靜階段(Ⅰ)、損傷快速增長階段(Ⅱ)、損傷殘余階段(Ⅲ)。而三軸狀態下，分為4個階段，即損傷平靜階段(a)、損傷緩慢增長階段(b)、損傷快速增長階段(c)、損傷殘余階段(d)。

圖8 不同圍壓下煤巖損傷演化過程

在損傷平靜階段，損傷值趨近于零，此時內部微裂紋等的幾何尺寸相對于其余階段變化很小，產生的聲發射超過閾值較少。隨著圍壓增大，損傷平靜階段越長，接近屈服階段，可見圍壓越高，對煤巖微裂紋的產生具有抑制作用。

在損傷增長階段，煤巖開始產生不可恢復的變形，裂紋增多，損傷快速產生。在單軸狀態下，煤巖損傷基本發生在峰前；而在三軸狀態下，煤巖損傷大部分發生在峰后。由此可見，圍壓的存在對煤巖側向變形具有抑制作用，損傷變形不斷延后。因此，圍壓作用下，損傷在經歷平靜期后開始突增的現象可作為煤巖破壞前兆。

在損傷殘余階段，單軸狀態下煤巖發生脆性破壞，該階段較短；三軸狀態下，試樣在達到極限承載能力時未完全破壞，在該階段產生次生裂隙，損傷不斷增加，直到完全破壞。

總體來說，煤巖的變形破壞過程主要經歷了變形、損傷的萌生和快速發展、出現宏觀破裂面、裂縫繼續貫通直到破壞這樣一個過程。通過累計振鈴計數得到的損傷變量與煤巖的微觀破裂變化具有良好的對應關系，可以較好地描述煤巖在變形破壞過程中裂隙的壓密、裂紋的形成、擴展和貫通過程，通過損傷演化過程分析，可為工程監測及預警提供一定的理論參考。

4.2 聲發射特征參數峰前破壞前兆綜合分析

前文已對聲發射參數進行了不同圍壓下的特征分析，為探究煤巖在圍壓作用下的破壞前兆，現對峰前各參數進行綜合比較(表1)。本文將值突增、突降點定義為時間滑動窗口中間時刻對應的應力水平。

表1 聲發射特征參數峰前破壞前兆綜合分析

上表中得到煤巖在各圍壓下破壞前兆特征點對應的應力水平，可以發現：①單軸狀態下，損傷變量為基于振鈴計數的損傷值，可以反映損傷演化過程，此處用作破壞前兆還不夠充分。從其余參數特征應力水平可知，應力水平達到95%左右可作為煤巖在單軸壓縮下的破壞前兆，可結合AE定位點的變化特征判斷試樣的破裂形式及破裂面；②綜合考慮，計算振鈴計數率、值及損傷變量特征點對應的應力水平平均值，將其取整作為煤巖破壞前兆應力水平，則8、16、25 MPa下的煤巖破壞前兆應力水平分別約為97%、95%、98%，試驗過程中可參照AE定位點變化現象及應力–應變曲線等進行判斷。通過上述分析，利用聲發射技術，結合多特征參數對巖石的破壞前兆進行預測具有一定的工程意義。

5 結論

a. 聲發射振鈴計數率變化規律具有階段性特征，單軸狀態下分為平靜期、峰前活躍期及破壞期，三軸狀態下分為平靜期、峰前活躍期、峰后破壞期及殘余期。隨著圍壓升高，聲發射平靜期延長。振鈴計數率高頻期及其最大值在單軸狀態下發生于峰值應力之前，三軸狀態下發生于峰值應力之后，且最大值出現的時間隨圍壓增大延后。在破壞前夕，振鈴計數率在數值上出現突增現象。

b. 圍壓抑制了煤巖內部裂紋的萌生和擴展，三軸狀態下煤巖AE定位點在峰后大量產生。隨著應力水平的提高，單軸狀態AE定位點均勻分布于試樣內部，而三軸狀態下AE定位點則較集中地分布于破裂面附近。AE定位點突增均出現在破壞前夕，預示著試樣破壞。

c. 圍壓對聲發射值特征具有較大的影響。隨圍壓升高，煤巖聲發射事件增多，值上下波動現象越明顯。在應力水平90%前，聲發射大小事件比例變化小，值變化較小。煤巖在單、三軸狀態下，峰前值分別發生先減小后增大趨勢、減小趨勢可作為破壞前兆信息。

d. 基于累計振鈴計數建立的損傷演化模型能夠較好地反映煤巖在變形破壞過程中破裂的發展。損傷平靜期與聲發射基本參數平靜期吻合。在三軸狀態下，損傷在破裂前夕出現突增現象，可同時結合振鈴計數率、值及AE定位點對巖石的破裂前兆進行預測。

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Acoustic emission characteristics and damage evolution of coal-rock under different confining pressures

YU Jie1, LIU Xiaohui1,2, HAO Qijun1

(1. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery, Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Using PCI-2 acoustic emission(AE) system, the AE experiments of different confining pressures (0, 8, 16, 5 MPa) were carried out in Baijiao coal mine in Furong, Sichuan Province, in order to reveal the change rule of ringing count rate, the temporal and spatial distribution of AE,value of AE and damage characteristics of damaged coal-rock under different confining pressures, and to provide a theoretical basis for prediction of coal-rock damage. The results show that the AE phenomenon can reflect the crack propagation of coal-rock and the confining pressure can restrain the damage of coal-rock. With the increase of confining pressure, the calmer period of ringing count rate was longer. The frequency range of ringing count rate is different under single and triaxial condition. In the uniaxial state, the AE registration points are uniformly distributed in the coal-rock, while in the triaxial state, they are centrally distributed in the failure section. With the increase of confining pressure, the fluctuation of pre-peak AE valueincreases, and the change of valuecan be used to predict the failure of coal-rock. Based on the cumulative ringing count and the failure stress of coal-rock, the damage failure model of coal-rock was established, and the precursor stress point of effective failure of coal-rock could be predicted by combining the AE ringing count rate, spatial and temporal distribution, valueand damage variables. The results will lay a foundation for the monitoring and analysis of coal-rock damage.

rock mechanics; coal-rock; acoustic emission characteristics; confining pressure; valueof AE; damage evolution; Baijiao coal mine in Sichuan

TD315

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.019

1001-1986(2020)03-0128-09

2019-11-07；

2020-04-09

西華大學重點科研基金項目(Z17113)；四川省教育廳重點科研基金項目(18ZA0457)；西華大學研究生創新基金項目(ycjj2019100)

Key Scientific Research Fund of Xihua University(Z17113)；Key Scientific Research Fund of Education Department of Sichuan Province(18ZA0457)；Innovation Fund of Postgraduate, Xihua University(ycjj2019100)

余潔，1995年生，女，四川資陽人，碩士研究生，從事水利水電工程、巖土工程研究. E-mail：yj18482157172@163.com

劉曉輝，1977年生，女，四川成都人，博士，副教授，從事水利水電工程、巖土工程教學及管理工作. E-mail：liuxh@mail.xhu.edu.cn

余潔，劉曉輝，郝齊鈞. 不同圍壓下煤巖聲發射基本特性及損傷演化[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：128–136.

YU Jie，LIU Xiaohui，HAO Qijun. Acoustic emission characteristics and damage evolution of coal-rock under different confining pressures[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：128–136.

(責任編輯 周建軍)