煤受載破壞聲電信號波形持續時間特征研究

肖鈺哲，邱黎明，田向輝，周 超，劉 洋

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；）

煤巖受載破壞時產生變形及破壞，以彈性波和電磁波的形式釋放能量的現象，稱為聲發射和電磁輻射[1-3]。聲發射和電磁輻射作為一種連續實時的監測技術，被廣泛應用于煤巖動力災害監測預警[4-7]。

針對煤巖受載破壞過程的聲電信號特征，國內學者進行了大量研究。在聲電信號與煤巖破裂相關性方面，李忠輝等[8]研究發現巖樣受載破裂時聲電信號對內部裂紋的產生、擴展和貫通有較好的響應；范鵬宏[9]實驗發現聲電信號的產生與煤樣主破裂有較好相關性，且信號頻率在主破裂產生前出現了增大-減小-再增大的變化規律；王雪妮[10]通過研究混凝土受載破裂時的聲電信號特征，發現聲電信號可以很好地反映試樣整體損傷破裂狀況。聲電信號與應力具有一定的對應關系，邱黎明等[11]通過實驗發現，含孔洞混凝土破壞時聲電信號與所受應力存在正相關關系；趙伏軍[12]等通過花崗巖破碎試驗，發現其破壞過程中聲電信號波形變化與應力曲線具有較高的同步性；李振雷等[13]開展了不同速率的煤樣單軸加載和加卸載聲電信號測試實驗，發現聲電信號均與應力降有明顯的正相關性。在聲電信號時頻特征方面，王笑然等[14]研究發現聲電信號與加載有較高相關性，聲電信號強度在煤樣破壞階段達到最大值；王崗等[15]發現煤樣破壞過程中聲電信號在時域上變化趨勢較為一致，且隨著加載階段的變化，聲電信號頻率逐漸轉向低頻，主頻幅值逐漸增大；徐劍坤等[16]實驗發現煤體受載破壞過程聲電信號的幅度、計數、能量在時域上有很好的一致性；婁全等[17]發現電磁輻射優勢頻帶窄于聲發射，兩者在頻譜和主頻分布上具有近似的成分。

聲電信號與煤巖破壞具有較好的對應性關系，通過文獻梳理可以發現，作為煤巖破壞時電-震相關性的重要內容，聲電波形持續時長特征及演化規律尚不明確。鑒于此，進行了多組不同加載速率的煤單軸壓縮實驗，同步采集加載全過程聲電信號，對加載過程聲電信號波形特征與持續時間進行了對比分析研究。

1 實驗設計

1）試樣制備。實驗所用的煤樣取自新疆寬溝煤礦，依據國家標準，將現場采集到的原煤制作成尺寸為φ50 mm×100 mm 的標準圓柱體試樣，分為3組分別進行加載速率為11、15、20 μm/s 的單軸壓縮實驗，按加載速率由小到大分別以A、B、C 進行編號，實驗試樣實際參數見表1。

表1 實驗試樣實際參數Table 1 Actual parameters of test samples

2）實驗系統。自主搭建了煤巖受載破壞聲電同步測試實驗系統，系統中的GP1A 型電磁屏蔽室綜合屏蔽效能大于75 dB，能有效減小外界磁場對實驗結果的干擾；加載控制系統采用YAW-600 型微機控制電液伺服壓力實驗機，實驗機載荷分辨力3 N，位移分辨率0.3 μm；實驗所用聲電數據采集系統最高采樣頻率10 MHz，模數轉換分辨率16 bit，輸入信號電壓范圍±5 V，輸入阻抗50 Ω。聲發射傳感器響應頻率范圍50～400 kHz。電磁輻射傳感器響應頻率范圍20 Hz～2 MHz。

3）實驗方法。采用位移控制加載，對已分組的試樣分別進行11、15、20 μm/s 的速率的單軸加載。試樣加載前，先利用膠帶和耦合劑將聲發射傳感器與試樣進行耦合固定，電磁輻射天線布置于試樣正后方6 cm 處，各實驗系統調試完畢后，同步開始單軸加載和聲電信號采集。聲電采樣頻率設定為2 MHz，確保完整采集加載全過程聲電信號波形。

2 實驗結果

2.1 煤樣受載破壞聲電信號特征

煤樣單軸加載破壞全過程的載荷-時間曲線及聲電信號曲線如圖1。

圖1 煤樣單軸加載載荷-時間及聲電信號典型曲線Fig.1 Typical curves of load time and acoustic electric signal of coal samples under uniaxial loading

根據煤樣加載過程中載荷-時間曲線的特征，可將破壞過程分為4 個階段[18]，分別為：壓密階段；②彈性階段；加速破壞階段；完全破壞階段。

對比聲電信號曲線可以發現，聲電信號隨加載具有階段性變化特征。壓密與彈性階段，聲電信號無明顯波動，處于穩定狀態；加載至加速破壞階段，聲電信號幅值逐漸升高，且聲發射信號更豐富；進入完全破壞階段，當載荷達到峰值時，聲電信號幅值同時達到最大，并在峰后同步衰減。從加載全程來看，聲電信號隨時間變化的趨勢基本相同，表現為從能量幅值較低的離散突變型能量幅值向能量較高的連續密集型過渡[19]，聲信號相對于電磁輻射而言更為活躍；加載速率較低時，試樣在彈性階段及加速破壞階段的聲電信號數量較少，聲電信號主要密集出現在試樣完全破壞階段；隨著加載速率的增大，彈性階段聲電信號的數量開始增多，完全破壞階段聲電信號出現更為密集且能量幅值上升幅度更高。出現上述情況的原因是，加載速率處于較低水平時，試樣中的變形能耗散緩慢，裂隙充分發育，試樣表現出強度較低及累計變形能較小的特點，完全破壞時的劇烈程度較小；加載速率上升后，裂隙的發育時間縮短，能量主要以變形能的形式儲存在試樣內部，此時試樣表現出強度升高且累計變形能較大的特征。加載速率越快，變形能累積越多，導致試樣破壞時更為劇烈，產生的聲電信號更為密集且能量幅值更高[20]。

2.2 聲電信號持續時間

為進一步對比分析煤樣破壞時的聲電信號波形持續時長，首先利用Matlab 對聲電信號波形數據進行濾波處理。通過對聲電信號原始波形曲線進行放大觀察，確定環境噪聲幅值，以此作為過濾閾值對所采集到的聲電信號進行濾波處理，煤樣完全破壞階段聲電信號典型波形圖如圖2。

圖2 煤樣完全破壞階段聲電信號典型波形圖Fig.2 Typical waveform of acoustic and electrical signals in complete failure stage of coal sample

圖2 表明，煤樣主破壞發生時，聲電信號波形有較強的相關性，完全破壞階段，電磁輻射信號幅值共出現3 次明顯波動（a、b、c），同時段的聲發射信號也呈現出相同的波動變化。同時，聲發射信號在中間區段也出現2 次較大波動（f、g），但對應時段的電磁輻射信號相對較弱，幅值較小，僅出現較小的波動響應（d、e）。

以煤樣主破壞時的聲電信號波形為研究對象，對該階段聲電持續時間進行對比分析。為控制和減小聲電信號始末時刻人為選擇對結果造成的誤差，需要先對信號的起始與終止時刻選擇進行統一，以主破壞階段聲發射波形中第1 個高于信號峰峰值25%的波峰為起點，以最后1 個高于峰峰值25%的波峰為截止點，定義2 點間的區段為煤樣發生主破壞時對應聲發射和電磁輻射的持續時間。煤樣主破壞時刻典型聲電信號波形持續時間定義示意圖（加載速率15 μm/s）如圖3。

圖3 煤樣主破壞時刻典型聲電信號波形持續時間定義示意圖（加載速率15 μm/s）Fig.3 Definition diagrams of typical acoustic and electrical signal waveform duration at main failure time of coal sample（loading rate 15 μm/s）

從圖3 可以看出，加載速率為15 μm/s 的煤樣發生主破壞時，電磁輻射信號持續時間為0.69 ms；對應的聲發射信號持續時間為1.66 ms，聲發射信號持續時長約為電磁輻射信號的2.41 倍。按上述方式對各組煤樣主破壞時的聲電信號持續時長進行統計，煤樣主破壞階段聲電信號持續時長統計見表2。可以看出，隨著加載速率的增大，聲發射信號與電磁輻射信號持續時間也隨之增加。

表2 煤樣主破壞階段聲電信號持續時長統計Table 2 Statistics of the duration of acoustic and electrical signals in the main failure stage of coal samples

聲電信號持續時長隨加載速率的變化如圖4。不同加載速率下，聲發射信號持續時間均大于電磁輻射，且隨著加載速率的增大，聲發射信號持續時長的增長幅度大于電磁輻射。因此，聲發射信號持續時間與對應電磁輻射信號持續時間的倍數關系也隨著加載速率的增大而增大，由初始的接近2 倍逐漸增長至3 倍左右。

圖4 聲電信號持續時間Fig.4 Duration of acoustic signal

2.3 聲電持續時間特征及差異原因

煤樣受載破壞過程中，其內部變形能的快速釋放，產生了瞬態彈性波，即聲發射信號。聲發射信號的出現與裂紋的破裂擴展密切相關，低加載速率時，煤樣內部裂隙充分發育，變形能的耗散和累積過程均較為緩慢，內部積聚的變形能較小，主破裂發生時，內部新增裂紋數量較少，且裂紋破裂擴展較為緩和，破壞以應變軟化為主[19]。反映到聲發射信號上的表現，就是聲發射信號強度較低，導致信號持續時長較短；隨著加載速率的增大，煤樣裂隙發育時間相對縮短，內部變形能累積速度加快，能量累積增大，導致破壞更為劇烈，大量新裂紋產生并快速擴展，聲發射信號強度激增，進而使信號持續時間明顯增加。

煤巖破壞時形成的新裂紋壁面和擴展裂紋尖端會產生大量自由電荷[20]，2 個裂紋壁面及周圍介質一起可視為電容器結構，壁面間電荷的正負變換以及裂紋擴展兩側壁面的不斷張合運動導致壁面間電場隨之變化[21-22]，破壞了壁面間電荷的平衡[23]，進而產生電磁輻射。低速率加載條件下，煤樣內部裂紋發育較為緩慢且完全，裂紋壁面的張合運動相對平緩，導致壁面間電容結構中的電場變化幅度較小，電荷平衡破壞較小，電荷自由運動較為緩和，從而產生的電磁輻射信號強度較低，信號衰弱耗時更短，因此持續時長較短；隨著加載速率的增大，煤樣內部能量積聚速率上升，裂紋數量增多且發育速度加快，由于內部積聚了大量變形能，導致煤樣發生劇烈的脆性破壞，破壞形式以彈射碎裂為主，該過程中裂隙壁面運動更為劇烈，壁面間電場變化幅度也隨之增大，電荷平衡被嚴重破壞，電荷自由運動加劇，加之因脆性破壞而彈射出的帶電碎片也會產生電磁輻射[24]，最終激發出更強的電磁輻射信號。根據持續時長的定義，信號越強則衰減75%的絕對衰減量更大，因此耗時更長。因此，加載速率越快，電磁輻射信號越強，衰弱過程越久，因此信號持續時長越長。

研究表明，聲電信號是煤巖破壞過程產生的同源異像現象[13]。煤樣在完全破壞前，裂紋擴展的過程始終存在，聲電信號的產生均與煤樣內部破裂密切相關，所以在時序波形上，電磁輻射信號與同時期的聲發射信號有較好的協同性。但由于二者產生機理不同，導致二者的持續時間及隨加載速率的變化存在差異。對于同一破壞，由于電荷平衡的破壞與重建所需時間相對較短，而聲發射事件的出現消失總是伴隨著裂紋破裂擴展的全過程，導致該過程中的電磁輻射信號持續時間總是小于聲發射信號的持續時間。隨著加載速率的增大，煤樣破壞更為劇烈，裂紋的生成、擴展以及震蕩也更為劇烈，聲電信號持續時間均會增大。而此時裂紋也賦予了電荷更快的運動速率，因此，電荷的平衡時間會有所減短。這就導致隨著加載速率的增大，聲發射持續時間的增長幅度大于電磁輻射，二者之間的倍數關系因此增大。

3 結 論

1）煤樣單軸加載破壞過程，聲電信號響應有較好的協同性，加載速率越大，破壞時產生的聲電信號更強且更為密集。

2）聲電信號隨加載具有階段性變化特征，壓密與彈性階段，聲電信號維持在較低水平，無明顯幅值波動；加速破壞階段，聲電信號幅值逐漸升高，且聲發射信號更豐富；完全破壞階段，聲電信號幅值在主破壞發生時達到最大，并在峰后同步衰減。

3）煤樣完全破壞階段，聲發射信號與電磁輻射信號波形具有一定的相似性。主破裂時聲電信號持續時間在毫秒級，且聲發射信號持續時間明顯長于電磁輻射。隨著加載速率的增大，產生的破壞更為劇烈，主破壞時的聲電信號持續時間均有所增加，但聲發射增加幅度更大，聲電信號持續時間倍數關系隨之從2 倍增加到接近3 倍。