原煤與型煤損傷破壞的應力聲發射變化特征對比研究

摘要：在研究聲發射特征與煤樣和斷裂的關系時，原煤和型煤都可用作實驗樣本。大多煤層材質較軟，制造標準的原煤試樣較為困難，因此使用型煤作為研究樣本的實驗較普遍，但型煤改變了煤的原始結構，影響了其物理和力學性質，使用型煤替代原煤作為實驗樣本的適用性一直是學術界討論的焦點。此外，目前對于原煤和型煤在假三軸壓縮實驗中表現出的聲發射特征差異的研究相對有限。針對上述問題，開展了原煤和型煤假三軸壓縮聲發射實驗，從力學性能、斷裂模式和聲發射時空演化、頻帶能量分布、非線性特征等方面著重討論和分析。結果表明：加載過程中釋放的聲發射能量和峰值應力總能量與煤樣強度密切相關，原煤主要為剪切和拉伸混合破壞模式，型煤主要為拉伸軸裂破壞模式；煤樣的聲發射位置分別對應其宏觀破裂形態，但發生時間和空間分布不同；在峰前加載階段，原煤的聲發射信號相對較少，而型煤的聲發射響應劇烈，并在峰值應力時刻達到最大值；通過小波包分析得到型煤的聲發射頻帶能量分布范圍小于原煤，原煤的聲發射信號頻率主要集中在10～120 kHz，而型煤的聲發射信號僅在0～100 kHz 頻率范圍內活躍，說明型煤的微破裂規模大于原煤；原煤和型煤的波形能量90% 活躍在0～150 kHz；當加載試樣接近失穩破壞時，即加載應力為峰值應力的99% 左右時，原煤和型煤聲發射信號的Hurst 指數均大于0.5，表明聲發射時間序列與加載過程具有長期相關性。

關鍵詞：原煤；型煤；聲發射演化特征；假三軸壓縮實驗；頻帶能量分布；非線性特征；Hurst 指數

中圖分類號：TD315 文獻標志碼：A

0 引言

煤體作為實驗室研究礦山開采活動的主要對象之一，其內部缺陷的結構變化和分布特征決定了煤體的物理性質和強度特征[1]，針對不同性質的煤體采取不同的開采方法和防災措施已逐漸成為實驗室研究和礦山開采優化研究的重點[2]。聲發射作為一種響應速度快、分辨率高的無損檢測技術[3]，可用于研究礦山沖擊地壓的發生機制、演化過程、預測和預防，對礦山事故預防具有重要意義。煤樣的聲發射反映了煤的損傷程度，與內部缺陷的演化有直接關系[4]。原煤和型煤都可用作實驗樣本，探索聲發射特征與煤樣和斷裂的關系，有助于闡明原煤和型煤的斷裂機制異同，從而為礦山動力災害監測提供理論和技術依據。

相關學者針對不同煤樣損傷破壞過程中的性能和聲發射演化特征開展了大量研究工作。在聲發射時間方面，李術才等[5]通過單軸聲發射響應實驗發現，不同破壞階段試樣的聲發射信號有顯著區別；陳結等[6]從不同應力路徑開展了含瓦斯煤軸向加卸載實驗，研究了煤的聲發射特性；馮志杰等[7]利用聲發射手段，結合沖擊地壓鑒定標準開展了煤的相關破壞實驗；Zhou Xin 等[8]研究了聲發射時變特征和裂紋擴展模式，并引入聲發射事件的統計b 值和βt 值（損傷參數）來確定受擾動煤的加載損傷狀態。在空間演化方面，吳永勝等[9]對2 組試樣開展了單軸壓縮實驗，并全程監測聲發射信號，分析了聲發射響應隨試樣、加載應力和失穩變形的變化規律；Z. Moradian等[10]對預制斷裂花崗巖進行了單軸壓縮實驗，發現聲發射沖擊次數可反映裂紋的數量和大??；楊磊[11]分析了不同沖擊傾向性煤體的聲發射事件時空演化規律。在幅頻特性方面，杜帥等[12]研究了大理巖巖爆前后的聲發射頻率和幅值的變化規律； M. C. He等[13]通過對不同溫度下的砂巖進行單軸壓縮實驗，闡明了聲發射信號的幅頻特征及不同應力下的頻率分布；Qi Gang 等[14]則通過小波包分析研究了聲發射信號在不同頻段的能量分布，為聲發射技術在巖土工程中的應用奠定了實驗基礎。非線性特征方面，Kong Biao 等[15]論證了熱損傷砂巖變形過程中聲發射信號的多重分形特征，Hurst 指數和多重分形參數反映了熱損傷砂巖的變形和破裂；Wang Guilin 等[16]研究了裂紋閉合和擴展的非線性行為，提出用初始平衡應力、周期裂紋擴展應力和初始混沌應力3 個閾值應力指標描述微裂紋的閉合和擴展。

在實驗研究中， 原煤和型煤都被用作實驗樣本。由于多數煤層材質較軟，制造標準的原煤試樣較為困難，所以使用型煤作為研究樣本的實驗越來越普遍。型煤通常是將煤粉與水混合后，在特制模具中壓制成型。盡管型煤的加工和成型較為便捷，但其改變了煤的原始結構，從而影響了其物理和力學性質。因此，使用型煤替代原煤作為實驗材料的適用性一直是學術界討論的焦點。此外，對于原煤和型煤在假三軸壓縮實驗中表現出的聲發射特征差異的研究相對有限。為了深入研究原煤和型煤的差異性，本文研究了原煤和型煤在假三軸壓縮過程中的聲發射信號特征，對比了在假三軸壓縮下的基本力學性能、聲發射時序特性、空間演化、頻帶能量分布及峰值應力非線性特性，對礦山開采工程災害監測中煤體的變形和斷裂過程進行了探討，以了解煤體的斷裂規律，便于災害監測。

1 假三軸壓縮聲發射實驗裝置與方案

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示。假三軸壓縮實驗裝置采用RLJW–2000 實驗機，加載速率為0.05 mm/min，控制方式為位移控制。選擇DS5–8B 全信息聲發射采集儀作為聲發射信號采集裝置，采樣頻率為3 MHz，觸發方式為門限觸發（100 mV）。傳感器固定至試樣表面并以凡士林為耦合劑，增加傳感器與金屬外殼接觸面的耦合效果。實驗開始后，同時啟動加載系統和聲發射采集系統，為保證實驗數據的連續采集，實驗過程不得終止，直到實驗結束。

1.2 樣品制備與實驗方案

實驗煤樣取自貴州某礦9 號煤層，該煤層瓦斯含量高、壓力大，為煤與瓦斯突出煤層。從煤礦獲取原始煤心并進行切削、打磨，加工制作成原煤樣；獲取突出煤塊和非突出煤塊，分別粉碎并制作成型煤。篩選40～60 目的煤粉顆粒，加水拌勻，放入模具中，在2 000 kN 剛性實驗機上以100 MPa 的壓力施壓成型。加工完的煤樣尺寸為?50 mm×100 mm，兩端平整度約為0.05 mm。原煤、型煤樣制作完成后，發現二者表面光滑度、質地等均存在差異，選擇密實度相近、裂紋相似的煤樣開展實驗。煤樣制作流程如圖2 所示，部分標準煤樣如圖3 所示。原煤試樣編號為M?01， M?02， M?03， 型煤試樣編號為XM?01，XM?02，XM?03。

2 實驗結果分析

通過假三軸壓縮至破壞過程、同步加載過程和聲發射監測過程采集煤樣變形破壞過程的應力應變和聲發射參數。

2.1 基本力學性能

原煤和型煤6 個樣品的基本力學參數見表1?？煽闯鲈杭偃S抗壓強度、彈性模量和密度均大于型煤，而型煤泊松比大于原煤。

原煤和型煤的應力?應變曲線如圖4 所示?？煽闯鲈旱膽υ谶_到峰值后迅速減小，應變仍在增大；型煤應力在達到峰值后立即破壞失穩，應力不會減小，應變在整個破壞過程中一直增大，揭示了原煤完全破壞前的應力特征和脆性。應力?應變曲線在很大程度上反映了試樣的變形破壞過程，試樣在整個破壞過程中表現出不同的變形特征。其中，原煤的壓實階段較為典型，但時間較短，應力峰值為線彈性變形。型煤在達到峰值應力前存在明顯應力線性增大，無明顯殘余強度。

2.2 原煤和型煤的斷裂特征

盡管2 種煤樣的基本特征參數相似，但其破壞模式不同，如圖5 和圖6 所示。圖5 顯示了原煤不均勻的成煤礦物顆粒和相對松散的結構，主破裂時產生的噪聲更大，聲發射響應較型煤劇烈，在破壞后的側面形成了多個垂直裂紋。軸向中間位置向外凸起，體積膨脹增大，破壞模式為剪切?拉伸復合破壞。圖6 顯示了型煤強度顯著減小且變形大，結構穩定，內部均質，發生主裂紋時可聽到明顯的沉悶聲，隨后形成一條向上傾斜并貫穿整個試樣的主斷口，加載應力達到峰值，試樣瞬間完全失去承載能力，因此無法對破壞后的裂紋形態進行描述和表征。

2.3 原煤和型煤的能量耗散特性

煤樣的動態失穩破壞過程經歷了裂紋閉合、裂紋萌生、裂紋擴展、裂紋貫通到失穩破壞的過程。該過程伴隨著能量的累積和釋放，是一種能量穩定轉換的動力現象。Liu Xiaofei 等[17]通過實驗分析了試樣破壞過程中能量轉換與試樣損傷破壞的內在關系。試樣失穩破壞過程中遵循能量守恒定律，假設該過程與外界沒有熱交換，對試樣所做的總功分為2 個部分：一部分轉換為彈性勢能集聚于試樣內部，作為試樣破壞的內在能量；另一部分是內部缺陷發展過程中產生的耗散能量，是不可逆的。假三軸壓縮下外力對試樣所做的總功U0、煤體的彈性能Ue和耗散能Ud分別為[18]

式中：A，L 分別為試樣的加載面積和高度；σ為試樣加載應力；ε 為試樣最大應變；n為應力?應變曲線上點的個數；σi為應力?應變曲線上各點的應力；εi 為σi 對應的應變；E 為彈性模量。

通過式（1）?式（3）獲取原煤和型煤試樣失穩破壞過程的能量變化曲線，如圖7 所示。可看出不同破壞階段，原煤能量曲線有明顯的階段特征，彈性能存在明顯拐點。峰值前期，隨著加載應力的增加，試樣從壓實閉合、裂紋萌生到裂紋擴展，集聚了大量彈性能，總能量和彈性能呈指數增長，耗散能呈線性緩慢增長。峰值后期，試樣內部裂紋逐漸貫通，進入塑性變形破壞階段，在試樣失穩破壞過程中大量彈性能瞬間釋放，總能量和耗散能繼續增長，耗散能增長速率明顯變大，而彈性能迅速降低，整體變化趨勢為急劇減小到緩慢減小再到趨于平穩。而型煤能量曲線在整個失穩破壞過程中均呈近似指數增長，直到試樣失穩破壞。試樣中儲存的彈性能主要以瞬時耗散能的形式釋放，如動能、表面能、輻射能等，誘發了初級宏觀斷裂的形成和整體失穩。

3 原煤和型煤的聲發射響應特征

由于篇幅有限，每種煤樣選取2 個試樣（M–02，M–03，XM–02，XM–03）進行實驗，揭示聲發射的時間序列、空間演化、頻幅特征和非線性特征。

3.1 原煤和型煤聲發射的時間序列特征

利用聲發射能量和聲發射累計計數分析原煤和型煤的變形和破裂過程，原煤和型煤的聲發射信號變化趨勢不同，聲發射特性如圖8 所示。具體而言，原煤破壞前后聲發射能量出現跳變，對應原煤裂紋擴展階段，大量微裂紋迅速擴展，能量急劇釋放，產生大量高振幅聲發射信號；型煤的聲發射能量在整個失穩破壞過程中顯著波動。原煤在微裂紋壓實階段、彈性變形階段和塑性變形階段的聲發射能量較小，在塑性變形破壞階段聲發射能量激增；型煤在壓力下表現出能量增加。原煤在破壞時刻釋放的最大能量明顯高于型煤。原煤的聲發射累計計數在破壞前后呈近似線性上升趨勢，而型煤上升趨勢相對較為平緩。

3.2 原煤和型煤聲發射的空間演化特征

為了更好地觀察煤樣內部的破裂過程，對原煤和型煤進行三維聲發射定位，分析在假三軸壓縮下的空間演化。定位原理依賴于新裂紋產生的應力波（P 波）到達各傳感器的時間差變化?？紤]到微裂紋長度相對于震源與傳感器之間的距離要小得多，同時考慮到均勻速度模型，將裂紋源視為點源，坐標為X（x， y， z），設第j 個傳感器的坐標為Xj（xj， yj， zj），則聲發射定位方程為

式中：cp 為縱波速度；Tj 為縱波到達第j 個傳感器的時間；T 為聲發射事件的發生時間。

在縱波速度和各傳感器坐標已知的情況下，式（4）包含x，y，z，T 4 個未知變量。考慮到波速模型的影響及個別誤差較大的離群值對定位精度的影響，采用最小絕對偏差和單純形數值優化算法進行數據處理，即取各傳感器處實測到達時間與計算到達時間之差的絕對值作為目標函數f （x）， f （x）峰值處的點作為源坐標解[19]。

式中M 為傳感器個數。

4 個試樣在假三軸壓縮下聲發射局部化點的空間分布及其能量如圖9 所示。

由圖9（a）可知：在壓實階段（應力水平為20%），原煤M–02 的聲發射定位點較少，且分布隨機；應力水平為40% 時，裂紋首先出現在左前、后凹處，內部有多個聲發射定位點；應力水平為60% 時，左側裂紋繼續發育，右側裂紋更加明顯，聲發射定位點后側明顯增大；應力水平為80% 時，聲發射測點密集，內部微裂紋發育充分；應力水平為100% 時，聲發射事件顯著增加，裂紋開始連通成核，試樣發生宏觀斷裂。

由圖9（b）可知：初始加載階段（應力水平為20%，40%），原煤M–03 聲發射事件集中在下部，在試樣中部存在原始微破裂孔隙閉合產生的隨機聲發射定位點；應力水平為60% 時，上端位置繼續增大，兩側聲發射定位點數量激增，說明兩側裂紋同時發育；應力水平為80% 時，上部聲發射定位點開始生長，兩側裂紋從下部開始發育；應力水平達到100% 時，聲發射定位點將出現激增和集中，裂紋擴展成核，同時裂紋充分發育，宏觀裂紋開始形成，聲發射事件達到峰值。

由圖9（c）可知：在初始加載階段（應力水平為20%），型煤XM–02 試樣處于壓實階段，原有的微裂紋和孔隙被封閉，聲發射定位點較多；應力水平為40%時，聲發射定位點將繼續增加，在原聲發射定位點的上下部分沿對角線由上到下生成一個新的聲發射定位點，說明試樣中形成的裂紋由上到下沿對角線方向發展；應力水平為60% 時，在原斷裂位置增加聲發射定位點；應力水平為80% 時，中部聲發射定位點急劇增加，從中部開始出現左右裂紋發育；應力水平為100% 時，聲發射事件達到峰值，右下方的聲發射定位點開始發育。

由圖9（d）可知：在初始加載階段，型煤XM–03試樣處于壓實階段，原始微裂紋和孔洞被封閉，聲發射定位點較多，由于微孔等缺陷的隨機分布，聲發射定位點較為分散；應力水平為20% 時，中上部分出現左、右裂紋，中下部分出現聲發射定位點；應力水平為40% 時，兩側裂紋擴展，下部聲發射定位點不斷增加；應力水平為60% 時，中部聲發射定位點明顯增加，兩側裂紋從中部開始發育；應力水平為80% 時，聲發射定位于材料中心，裂紋萌生，聲發射達到峰值；應力水平接近100% 時，試樣中部聲發射定位點強化，試樣演化，開始出現可見裂紋。

3.3 原煤和型煤聲發射信號的幅頻特征

加載過程中產生的聲發射信號不是連續的，而是一種間歇脈沖信號。變形破壞的發生需要能量積累，變形達到一定程度后才能形成斷裂。試樣變形和斷裂產生的聲發射定義為材料內部的小裂紋等缺陷在受力時發出的高頻彈性波[20]。因此，每種煤樣都有其特定的主頻率和頻率分布。

加載過程中，聲發射信號頻率發生變化。對時域波形進行離散傅里葉變換[21]，將經過分幀和加窗處理的信號從時域轉移到頻域。對每幀信號的頻譜進行模平方運算，計算信號功率譜。考慮到時域信號的變化往往不能直觀反映信號特性，常將其轉換為頻域的能量分布進行分析。頻域能量分布可揭示不同信號的特性[22]。具體的轉換方法為

式中： X （K）為離散傅里葉變換后信號 X 的第 K 個值；Z 為幀長；x'（r）為加窗后信號的第r 個值；i 為虛數單位。

以db5 為小波基函數，深度為8 層，對原煤和型煤聲發射信號進行假三軸壓縮小波包分析。原煤和型煤在σ/σc=99%（σc 為峰值應力）時的聲發射譜如圖10 所示?？煽闯鲈旱穆暟l射信號主要集中在10～120 kHz 頻率范圍內，而型煤的聲發射信號僅在0～100 kHz 頻率范圍內跳躍活動。

為了明確聲發射主頻段的分布，將頻率劃分為8 個頻段，邊界為30 kHz。另外，設大于240 kHz 的頻率為1 個頻帶。波形能量在各頻段的占比如圖11所示。樣品主次能量的主頻段如下。M–02： 30～60， 90～120 kHz；M–03： 0～30， 30～60 kHz；XM–02：30～60，90～120 kHz；XM–03：30～60，120～150 kHz。

3.4 原煤和型煤聲發射信號的非線性特征

R/S 分析在巖石力學、巖土工程、環境變化等領域有著廣泛應用[23]。R/S 分析的基本概念是改變時間尺度，研究其統計特征的變化。本文采用R/S 分析方法對原煤和型煤聲發射信號的非線性特征進行研究[24]。將聲發射信號定義為時間序列{p（t）， t = 1，2，…k}，

累計偏差的取值范圍為

R（k） = maxY （m， k）-minY （m，"k） （9）

標準差為

改變 N 后，重復計算，對R（k）/S （k）統計規律進行Hurst 分析，得

式中H 為Hurst 指數。

當H=0.5 時，時間序列在任何尺度上都是獨立的；當0.5＜H＜1 時，時間序列整體上與序列遞增呈正相關；當0＜H＜0.5 時，時間序列與序列遞增呈負相關。在此基礎上，研究聲發射時間序列的特征和內部趨勢。通過分析分形維數D 與H 的關系，得

D = 2H （12）

D 表示時間序列的不規則性和復雜性。鑒于聲發射時間序列中的聲發射反映了變形和斷裂的程度，D 越大表示變形和斷裂越復雜、越不規則，D 越小表示變形規律性越強。

變換式（11）可得

H = d[ln （R（k） =S （k））]=d[ln k] （13）

不規則或混沌的時間序列可用分形維數Df 來度量。Hurst 指數H 決定時間序列的趨勢，分形維數描述時間序列的演化和復雜程度。可基于Matlab 計算。應力水平為99% 時原煤和型煤變形和破裂聲發射信號的Hurst 統計量如圖12 所示。聲發射信號的分形結果見表2?？煽闯鲈嚇拥腍urst 指數為0.7～1.0，相關系數R 在0.9 以上，說明變形與斷裂聲發射信號符合Hurst 統計規律。當H 大于0.5 時，表明變形斷裂過程中聲發射信號與載荷呈正相關。

4 結論

1） 煤樣加載過程中釋放的聲發射能量和峰值應力處的總能量與煤的強度密切相關。原煤的聲發射活動在預加載階段（即初始壓縮階段、彈性變形階段和塑性變形階段）較少，而型煤的聲發射活動在早期變形階段較活躍，在裂紋擴展損傷階段達最大值。

2） 原煤最終宏觀破裂為剪切和拉伸混合破壞模式，型煤最終宏觀破裂以軸向分裂為主，為典型的拉伸破壞模式。原煤和型煤的聲發射位置與其宏觀裂紋形態一致，但不同煤樣的產狀、時間和空間分布不同。煤樣的損傷特征可通過空間能量差直觀反映。

3） 原煤的聲發射信號主要集中在10～120 kHz頻率范圍內，而型煤的聲發射信號僅在0～100 kHz頻率范圍內跳躍活動，說明型煤的微破裂規模大于原煤。此外，原煤和型煤的波形能量90% 活躍在0～150 kHz。

4） 當試樣接近失穩破壞時， 即在峰值應力的99% 左右時（不代表全過程的破裂），原煤和型煤聲發射信號的非線性分形Hurst 指數均大于0.5，表明聲發射時間序列與加載過程具有長期相關性。Hurst指數越大，表明該變形階段聲發射信號的增加越明顯，可作為動力災害的短期前兆。

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基金項目：國家自然科學基金面上項目（51874133，52174111）。