煤岩体声发射判别研究

程 鹏，王龙飞，刘江伟

(1.郑州神火 申盈矿业有限公司，河南 郑州 450000;2.济宁矿业集团，山东 邹城 273503;3.中煤平朔集团 井工三矿，山西 朔州 036006)

现代声发射技术开始以20世纪50年代初Kaiser效应的发现为标志，发现材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不发生声发射信号，同时提出了连续性和突发性声发射的概念。随后位错(塞积和滑移)和交错位移是声发射信号的主要来源，同时认定表面状态也有一定影响［1］。20世纪50年代末到60年代期间，研究各种材料的声发射物理机制，并且首次将声发射用于压力容器检测，20世纪70年代初，声发射的试验频率发展到了100 kHz～1 MHz。20世纪80年代初现代微处理技术引入声发射检测系统，并开发了一系列多功能检测和分析软件，而且声发射检测技术在金属盒、玻璃钢容器、压力容器、储罐、管道、桥墩等重要领域进入工业化作用。20世纪90年代出现了声发射实时测量和声发射定位以及进行少量生发波形的观察、显示、记录和频谱分析的多通道声发射检测分析系统［2］。

不同的煤岩体由不同的天然单质或化合物组成［3］，按照不同的排列方式和排列强度组合，造成了煤岩体不同的强度，强度的不同造成了破裂时释放能量的强弱，引起了声发射上升时间参数和RMS(有效电压)参数的变化，通过对参数的处理和分析，可以对煤岩体的具体属性进行简单的判定。

1 实验过程

1.1 试块加工

选取煤层的顶板、底板、煤体和混凝土做出圆柱体进行单轴压缩实验，参数见表1。

表1 实验选取

1.2 实验方法

采用MTS815电液伺服控制材料试验机和美国声发射公司的声发射仪器，如图1所示。

图1 声发射信号简化波形参数的定义

主要声发射参数为:波击(事件)计数、振铃计数、能量、幅度、持续时间，上升时间。上升时间的横坐标和纵坐标的比值代表了声发射信号的突然性，即代表了能量爆发的突然性。声波的能量主要表现在做功，因此，声波的能量E与声波波动的振幅A有关。上升时间为煤岩体破裂产生声信号的上升阶段，表示从声信号第一次越过门槛值到达到最大峰值所经历的时间。一般人只对振铃计数和能量参数进行分析，而忽略了上升时间参数和RMS(有效值电压)参数的作用。

2 实验结果分析

2.1 不同岩性声发射能量率特征

声发射能量率－时间曲线示意图见图2，代表了AE事件中能量率和计数随时间变化的图，其中图2(a)图代表了直接底灰岩的能量－计数－时间曲线，图2(b)图为老顶灰质砂岩的能量－计数－时间曲线，图2(c)图代表了混凝土块的能量－计数－时间曲线，图2(d)图代表了煤块的曲线。

对图2(a)～图2(d)进行对比，煤岩体破坏时峰值的能量大小不同，响应信号也不同，混凝土采用的比例是水泥(0.5)∶沙子(3.5)∶水(适量)，混凝土和煤块的硬度相似，两者的破裂现象比较接近。灰岩和灰质砂岩破坏时的能量最大，峰值为20000 mV，而煤块破裂时能量最小，峰值为6000 mV，混凝土块的破坏为岩石和煤块的中间状态，峰值为10000 mV。

混凝土、岩石、煤块进行对比，岩石的能量突破20000 mV的最高，混凝土和煤块的单轴压缩的破坏能量相似，但AE事件的计数不同，这与煤岩体的结构本身有关，煤块本身多分布裂隙，而且特别发育，造成AE事件的局部变形多，但能量积累比较低。

图2依次对比可以看出，无论煤岩体的硬度是大还是小，破裂时AE事件的规律是一致的，而且主要发生在塑性阶段和破裂阶段。煤岩体破裂时AE事件的能量表现为突刺状，与其它的AE事件响应有着明显区别，这样更有助于观察异常，即观察破裂。

图2中的各个岩性AE事件的能量变化趋势有着很大的区别，不同的岩性有着不同的规律，煤岩体的硬度越大，单轴压缩时能量峰值越大，也就表明突发程度越大，积累能量也越大，破裂也越剧烈。老顶是灰质泥岩，和煤做单轴压缩试验的AE事件的能量进行对比，煤的能量主要在低位震荡，而灰质泥岩则是在高位震荡，同时灰质泥岩的能量低值出现空缺，煤的能量低值连续，没有出现间断现象，这与灰质泥岩硬度较高，AE事件连续震荡，造成突发程度一直较高，而且没有低值。图2(d)图开始由压头接触煤块，加力后，由于煤的松软，没有AE事件的触发，造成开头出现断层现象，但在能量和计数率上，这一过程没有得到体现，所以说AE事件能量率和技术率参数相互有效补充，对于具体现象分析更加合理有效。

图2 声发射能量率－时间曲线图

2.2 不同岩性声发射上升时间特征

上升时间的大小表示了AE事件的突发程度，上升时间越大，突然性也越厉害，而AE事件的突发表明了煤岩体本身出现了破裂现象，上升时间越大，破裂越剧烈。

根据图2中各个岩性相同和差异点，又继续对取自老顶和顶底板的煤岩体的单轴压缩的AE事件进行分析，得到了RISE的统计，对于不同岩性的区别有了很大的帮助，对于岩性和煤可更好地区别。

由图3可知，老顶1#和老顶2#超过1000 μs约占RISE总点数的2%，而直接底超过1000 μs只占RISE总点数的1%;老顶岩石的AE事件的RISE中大于 1000 μs∶500 μs 和 1000 μs 之间∶小于 500 μs=1∶9∶40，而直接底岩石的AE事件的RISE中大于 1000 μs∶500 μs 和 1000 μs 之间∶小于 500 μs=1∶18∶81。煤岩体岩性的刚度越大，AE事件的RISE越高，主要由于岩石的刚性，导致能量积聚，最后导致能量的突然释放，从而显示曲线的平缓和突然爆发性，也间接说明了煤岩体的承受能力。

图3 老顶和直接底超过1000 μs

2.3 煤岩体判别方法

煤岩体的刚度是岩体的本身固有属性，通过刚度大小可实现煤岩体判别，老顶声发射曲线图见图4和图5。

试块选自老顶的灰质砂岩，硬度不大，峰值只有38 MPa。老顶1号探头轴向应力－声发射能量率－应变图中a代表压密阶段，b代表线弹性阶段，c代表塑性阶段，d代表破裂阶段。全应力－时间曲线图和声发射能量率－应变曲线图走势规律相同，根据全应力应变曲线图，起初阶段轴向应力和应变呈现线性关系，其斜率为 2.14 GPa，即弹性模量为 2.14 GPa。在应变达到0.02时，岩块初次破裂，轴向应力突降，出现波段曲折，当随着应变的继续增大，轴向应力整体趋势增大，轴向应力达到峰值后，岩块破裂，轴向应力剧烈衰减到初次破裂前值以下。峰值过后，随着应变的增大，轴向压应力波动起伏，但整体趋势减小。

试块的声发射现象比较明显出现在线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。最明显出现在塑性和破坏阶段。计数率和声发射能量率的峰值波动出现在塑性阶段和破坏阶段，轴向压应力峰值时，计数率不是最高;应变为0.035时，岩体破坏最严重，轴向压应力出现竖直下降现象，峰值过后，能量和计数处于高位震荡，此时岩体本身一直处于连续破坏状态。图5中的突刺就是AE事件的连续触发，出现阶段是塑性阶段和破坏阶段，密集在两个阶段的交界处。

3 结论

声发射是通过对声信号记录判断外界响应的仪器，对各个参数分析，可以简单对煤岩体进行判定，通过上述实验得到以下结论:

1)声发射的上升时间越大，超过1000 μs的脉冲越多，煤岩体的刚度越大，而对于煤体的声发射上升时间基本处于500 μs以下。

2)老顶和直接底中，老顶的上升时间超过1000 μs比直接底的多，其中老顶岩块上升时间超过1000 μs的为2%，而直接底为1%。

3)声发射比较明显的现象出现在线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段，最明显出现在塑性和破坏阶段，应力的变化和声发射能量变化一致。

4)在开始阶段，煤块基本没有明显的声发射信号或者很小，而岩体的上升时间从开始就高位震荡。

5)煤岩体的AE事件中，岩体的峰值能量最大，煤体的峰值能量最低，混凝土的峰值处于两者之间。岩体峰值为20000 mV而煤体的不超过10000 mV。

［1］陈 兵，姚 武.声发射技术在混凝土研究中的应用［J］.无损检测，2000，22(9):387－390，396.

［2］张俊哲.无损检测技术及其应用［M］.北京:科学出版社，1993:58－62.

［3］戈定夷，田慧新，曾若谷，等.矿物学简明教程［M］.北京:地质出版社，1989:1－3.