不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析

李宏艳，康立军，徐子杰,3，齐庆新，赵善坤

(1.煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013;3.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析

李宏艳1,2，康立军1,2，徐子杰1,2,3，齐庆新1,2，赵善坤1,2

(1.煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013;3.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

掌握煤体冲击破坏前兆信息是科学预测预报煤岩介质冲击地压的科学瓶颈问题，应力加载下不同冲击倾向性煤体失稳破坏声发射前兆信息研究是解决这一问题的重要手段。采用声发射探测手段对不同冲击倾向性煤体失稳破坏进行实验研究，通过分析发现不同冲击倾向煤体失稳破坏过程中振铃计数、AE能量、频谱及b值变化存在差异。伴随煤体冲击倾向性增强，加载过程煤体振铃计数、AE能量趋向于高应力区域集中，煤体弹性阶段所占比例增加，塑性破坏阶段所占比例减少；主频带宽变动较小，有集中的趋势，主频强度在弹性阶段、塑性破坏阶段、临破断阶段均不同程度增加，煤体冲击倾向性越强，主频强度增幅越大；b值降低时应力值增加，更靠近煤样破坏强度。

冲击倾向性；煤体；声发射；频谱；b值

煤岩体是一种非均质体，其中存在各种微裂隙、孔隙等，以致煤岩体在受载荷作用时,在这些缺陷部位产生应力集中，发生突发性破裂，使积聚在煤岩体中的能量得以释放，且以弹性波的形式向外传播。这就是煤岩体在地应力、采动应力等影响下产生的声发射(AE)现象。煤岩体加载过程产生的声发射信号包含着丰富的信息，对之加以处理和研究，可以推断出煤岩体内部的结构变化，反演煤岩体的破坏机制，依此研究声发射在煤岩破坏及冲击地压监测预报方面的应用已成为研究热点[1-9]。其中刘宝县等[1]以煤岩变形破坏过程“归一化”的累计声发射振铃计数为损伤变量，建立基于声发射特征的单轴压缩煤岩损伤模型；曹树刚等[2]利用 AE 事件率、振铃事件比和累计振铃数作为 AE 表征参数，将突出煤体单轴破坏过程划分为 5 个阶段，并发现在接近破坏前出现声发射相对平静期；李庶林等[3]研究了 AE 数、事件率与应力、时间关系，得到岩体破坏全过程力学特征和声发射特征；尹贤刚等[4]测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及声发射特征，得出了岩石破坏前声发射平静期及分形变化规律；王恩元等[5-6]针对煤体破裂过程的声发射频谱特征进行研究，发现了煤体变形破裂过程的声发射频谱变化。因此，笔者将煤岩介质破断的声发射研究引入到煤岩介质冲击倾向性的研究上，通过分析不同冲击倾向性煤体失稳破坏声发射规律，探讨冲击煤岩介质失稳破坏过程中内部损伤演化、能量积蓄与释放、破断声发射前兆信息。

1 不同冲击倾向性煤体声发射试验

试验所取煤样来自无、弱、强冲击3种煤层冲击倾向性矿井，试验前完成3个煤层冲击倾向性测试，测试结果见表1。

试验由TAW-2000 高温岩石三轴伺服试验机加载，声发射数据由德国Vallen公司生产的AMSY-6声发射仪，采样频率为10 MHz，采用VS45-H型宽频带传感器(主要频带在45～500 kHz)、带旁路电路自标定，增益34 dB，测试传感器平均灵敏96 dB。声发射探头布置在煤样中部对称两侧，探头与煤样之间通过真空封脂耦合，探头下端布置支架保证探头不滑落。试样加载采用应力加载方式，加载速度为0.5 MPa/s。

表1煤样冲击倾向性测试结果
Table1Resultsofthecoaloutburstpronenesstest

煤样编号取样地点煤样描述煤层冲击倾向性结果单轴抗压强度/MPa冲击能量指数弹性能量指数动态破坏时间/ms综合判断破坏强度/MPaM1-1M1-2山东光正煤矿孔隙、裂隙结构发育，分布不均匀4 270 762 40260无冲击4 434 03M2-1M2-2山东东泰煤矿内生裂隙网状分布，无明显层理分布7 310 884 34212弱冲击6 618 01M3-1M3-2陕西郭家河煤矿表面光滑，无明显层理、裂隙结构24 770 8712 40267强冲击28 5221 02

1.1 不同冲击倾向性煤体振铃计数与 AE 能量分析

煤体冲击倾向性程度增强，煤体失稳破坏过程所产生的声发射振铃计数与AE能量变化也有所不同，图1为不同冲击倾向煤样以应力与破坏强度比值为时间坐标建立的煤样振铃计数与AE能量变化曲线，其中压密阶段很短，故将煤样的变形和破坏过程大致分为3个阶段：压密及弹性阶段、塑性破坏阶段与临破断阶段，如图1所示。

图1 无、弱、强冲击煤样振铃计数与AE能量Fig.1 Counts and AE energy of non-impact,weak-impact and strong-impact coal

压密及弹性阶段：煤体内孔隙、裂隙闭合，煤体以可逆变形为主，弹性能量积蓄。这个阶段煤体产生的声发射振铃计数与 AE 能量很少，声发射产生主要为孔隙、裂隙闭合、颗粒内部及颗粒之间滑移。这一阶段在无冲击煤样中，占整个煤样单轴失稳破坏全过程的 40%～45%，弱冲击煤样中这一阶段占50%～55%，强冲击煤样中这一阶段占 70%～80%，冲击倾向性越强的煤样压密和弹性阶段占整个破坏过程比例越高。

塑性破坏阶段：经过之前压密及弹性阶段的能量积蓄，煤体内部积蓄了足够的能量，开始产生局部破坏，承载能力开始下降。煤体内部以微裂隙等小尺度破坏持续产生发展，并随加载快速增加，煤体产生的声发射振铃计数与AE能量快速增大。无冲击煤样中这一阶段占整个煤样失稳破坏全过程的40%～45%，弱冲击煤样中占30%～35%，强冲击煤样中这一阶段占10%～20%，冲击倾向性越强的煤样承载结构破坏占整个破坏过程比例越低。

临破断阶段：这个阶段煤体内部大的裂隙互相汇合、贯通最终导致煤体失稳破坏。这个阶段持续时间短，声发射振铃计数与AE能量峰值均出现在这一阶段。而冲击倾向性增强，振铃计数与AE能量峰值相对于之前振铃计数与AE能量水平增幅越大，峰值位置也更接近最终破坏强度。这段时间无冲击煤样和弱冲击煤样振铃计数与AE能量相对应力有较小幅度增加，所呈现的声发射“平静期”不明显，只有强冲击煤体才有较短时间的振铃计数、AE能量的低水平的“平静期”阶段。声发射平静期是指煤体产生的声发射不活跃，振铃计数、AE能量水平很低，这段时间是煤体内部小破裂产生后，其内部应力场寻求新的平衡，到达新的平衡时裂纹才会拓展形成最终煤体的失稳破坏。

1.2 不同冲击倾向性煤体频谱分析

煤体的变形及破坏过程不是连续的，也不是均匀的，而是阵发性的，这一过程产生声发射信号也是阵发性的脉冲信号。当煤体局部变形能积蓄到一定程度时引起破裂，每次的破裂都会引起弹性能的释放，产生声发射。将煤样变形破坏过程采集到的声发射数据分别按照不同失稳破坏阶段进行快速傅里叶变换(FFT)，得到不同冲击倾向煤样的声发射频谱。无冲击煤体失稳破坏过程声发射主频带宽变化不大，主频带分布集中在0.005～0.040 MHz之间，次主频带分布在0.05～0.06 MHz之间，且强度逐步降低直到临破断阶段与主频带重合，如图2(a)所示。从图2(b),(c)上看，冲击倾向性煤体失稳破坏过程主频带与无冲击倾向性煤体相似，但没有明显的次主频带，且随着冲击倾向性增强，煤样失稳破坏前主频峰值逐渐向高频转移。

图2 无、弱和强冲击煤样不同加载阶段频谱变化曲线Fig.2 Changing curves of non-impact,weak-impact and strong-impact coal during different loading stages

而从声发射强度上分析，煤体破断过程声发射强度整体呈先降低后增加的趋势，无冲击煤体塑性破坏阶段与临破断阶段声发射强度增幅较大，而强冲击煤体增幅较小，如图3所示。

图3 不同阶段声发射主频信号强度Fig.3 The strength of AE spectrum in different stage

1.3 不同冲击倾向性煤体声发射b值分析

b值表征地震的震级-频度关系的参数，经过一些学者研究和推广引入岩石破坏试验[10]，以声发射事件模拟地震，研究地震或岩爆发生前b值变化规律[11]。本文b值采用最小二乘法计算，震级分档为2 dB，按照时间滑动取样计算，得出b值随时间动态变化曲线。

b值变化决定着煤岩体内部微破裂的不同尺度变化，b值降低意味着煤岩体内部大事件所占比例增加，大尺度微破裂增加。从图4可以看出，无冲击倾向煤体b值降低较早，在0.6σC～0.7σC之间b值已经迅速降低，而冲击倾向性煤体b值降低较晚，在0.75σC～0.9σC之间，且随着煤体冲击倾向增强，b值下降更接近最终破坏强度。

图4 煤样声发射b值变化曲线Fig.4 The b-value curvse of the coal’s AE

2 不同冲击倾向性煤体失稳破坏声发射前兆分析

煤体冲击倾向性与其自身性质有关，应力加载方式下，煤体失稳破坏过程中内部损伤演化不同，声发射相关参数变化也存在区别。无冲击煤体孔隙、裂隙较发育，承载能力差，最终破坏多为粉碎性破坏；而冲击煤体原生裂隙不发育，承载能力强，且随着冲击倾向增强，煤体承载更类似于岩体，最终破坏为脆性破坏。

无冲击煤体较软，孔隙、裂隙等原生损伤较大，加载过程弹性阶段持续时间短，很快就进入局部破坏阶段，弹性积蓄能量较少。而冲击倾向性煤体硬度大，裂隙等原生损伤不发育，故弹性阶段持续较长，积蓄弹性能量大，且煤体冲击倾向性越强，能量积蓄阶段越长。从声发射参数上来说，加载前期(压密及弹性阶段)振铃计数、AE能量较少，声发射强度有所增加，声发射频率短变化较小，声发射b值近似水平波动。

而进入塑性破坏阶段无冲击煤体由于承载结构差，内部多处局部破坏，局部能量释放，呈现较长时间反复的能量积蓄-局部破坏过程直到整体结构失去承载能力发生最终失稳破坏。而冲击倾向性煤体承载能力强，进入塑性破坏阶段后，局部破坏较为集中，多集中在主裂纹带附近。随着加载局部破坏不断累积至最后迅速破坏，持续时间较无冲击煤样短，且随着冲击倾向性增强，煤体塑性破坏阶段所需时间比例更短。从声发射参数分析，这个阶段是声发射活跃期，煤样振铃计数、AE能量持续产生，声发射强度增强，频率分布也逐渐集中，b值迅速下降。无冲击煤样这一阶段破坏是由小尺度破坏缓慢过度到大尺度破坏，持续时间较长，而冲击倾向性煤体则是小尺度破坏迅速形成大尺度破坏，持续时间较短，故随着煤体冲击倾向增强，b值下降更接近破坏强度、下降幅度也更快。

煤样最终失稳破坏前，无冲击煤体整体结构已经完全破坏，孔隙、裂隙密集分布，最终多为粉碎性破坏，而冲击倾向性煤体承载结构还保持较完整，孔隙、裂隙多分布在主裂纹及若干次生裂纹周围，最终破坏也多为数条裂纹贯通的剪切破坏。声发射振铃计数、AE 能量峰值就出现在这一阶段，且煤样冲击倾向性越强，最终峰值水平较之前水平增幅越大，而强冲击煤样破断前还表现出低振铃计数、AE 能量水平的 “平静期”。同时煤样冲击倾向性越大，声发射强度增幅增大，声发射频率向高频集中。

3 结 论

(1)煤体冲击倾向性越强，煤体压密及弹性阶段所占比例越大，塑性破坏阶段所占比例越小。

(2)煤体冲击倾向性越强，煤体失稳破坏前声发射振铃计数、AE 能量水平增幅越大。

(3)相同应力增幅下，冲击倾向性较强的煤样失稳破坏过程表现出振铃计数、AE 能量值下降的“平静期”，无冲击倾向性煤样则不明显，“平静期”可以作为强冲击煤体失稳破坏的前兆信息。

(4)煤样失稳破坏过程声发射主频带宽变动较小，随煤体冲击倾向性增强，煤体失稳破坏前主频强度增幅越大，声发射强度峰值也向高频集中。

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Precursorinformationanalysisonacousticemissionofcoalwithdifferentoutburstproneness

LI Hong-yan1,2,KANG Li-jun1,2,XU Zi-jie1,2,3，QI Qing-xin1,2,ZHAO Shan-kun1,2

(1.MineSafetyTechnologyBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandCleanUtilization,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;3.SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

To master the precursor information of burst coal bursting failure is the bottleneck problem to scientifically forecast rock burst,and the precursor information study on acoustic emission of coal with different outburst proneness under stress loading is one of the important ways for rock burst forecasting.The research results presented in this paper show that,as the level of coal’s outburst proneness increasing,the counts of coal vibration and energy of acoustic emission were concentrated at high stress region,with the time proportion of the elastic stage increasing while time proportion of plastic stage decreasing.The width of the main frequency channel changed little,tending to a concentration.The strength of the main frequency channel increased with varying degrees during the elastic stage,plastic stage and breaking stage,the growth of the strength of frequency increasing as the coal’s outburst proneness becoming larger.The stress increased as theb-value decreasing,tending to close to breaking strength of the coal.

outburst proneness;coal mass;acoustic emission;frequency spectrum;b-value

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2023

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226806);国家自然科学基金资助项目(51174112)；国家自然科学基金煤炭联合基金资助项目(51174272)

李宏艳(1978—)，女，河北迁安人,博士，高级工程师。E-mail：lhylhb@163.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0384-05

李宏艳，康立军，徐子杰,等.不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析[J].煤炭学报,2014,39(2):384-388.

Li Hongyan,Kang Lijun,Xu Zijie,et al.Precursor information analysis on acoustic emission of coal with different outburst proneness[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):384-388.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2023