煤岩体岩爆模拟试验中声发射时频演化规律分析

赵菲， 王洪建， 袁广祥， 任富强

(1.华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045； 2.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083)

煤岩体岩爆模拟试验中声发射时频演化规律分析

赵菲1， 王洪建1， 袁广祥1， 任富强2

(1.华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045； 2.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083)

为了研究深部煤炭开采过程中煤岩体岩爆破坏过程声发射随应力演化的特性，对鹤岗矿区南山煤矿软岩巷道的煤岩体进行真三轴卸载岩爆试验，实时记录三向应力演化过程，并采集试验过程中的声发射信号进行参数和波形时频分析。结果表明：南山矿煤岩体岩爆临界破坏强度为17.8 MPa,是其单轴破坏强度的1.19倍，声发射累计释放能量达到(1.83E+5)mv·ms。采用快速傅里叶变换，对选取的加载和卸载岩爆典型阶段声发射数据进行波形分析，得到频率-幅值密度分布。发现加载阶段破裂源相似，产生的信号特征较为接近，都是低幅值、低频率的，而煤爆时产生高频、高幅和低频、高幅多种成分的破裂源，预示着能量在不断地加大。

岩爆试验；声发射特性；能量；时频演化

随着经济的不断发展，煤炭开采深度不断加大，然而深部地质环境复杂，灾害频发，在矿井中经常会遇到岩爆，由于其突发性及不可预测性，往往会严重影响煤矿安全生产，造成很大的经济损失。多年来,学者针对矿井中的岩爆灾害问题已经从多种角度进行了不同分析，积累了大量有价值的成果[1-6]。由于现场监测岩爆发生特征的困难性，所以在室内进行岩爆模拟试验，辅以多种动态监测手段成为研究岩爆发生机理的一个重要手段。那么，如何在室内还原岩体岩爆发生时的应力转化过程，真实再现岩爆破坏现象显得尤为重要。文献[7-13]分别利用单轴、双轴、常规三轴及真三轴试验进行了岩石岩爆过程模拟试验，得到了许多有价值的结论。然而，这些试验并没有真正地模拟出岩爆发生时刻的应力转化过程。岩爆是深部岩体在三向应力状态下单面突然卸载产生临空面的条件下，以岩石动力破坏的形式瞬间释放储存在岩体中的弹性能的现象，室内岩爆模拟试验需要实现上述三向应力条件下单面突然卸载的过程。因此，笔者采用能够实现该功能的真三轴卸载岩爆模拟装置，对煤岩体进行了岩爆试验，分析其岩爆破坏特性，同时监测该试验过程的声发射信号，进行参数和波形分析，找到其主频演化规律，以期更加深入地理解煤岩体岩爆过程的破裂源的损伤演化特性。

1 煤岩体岩爆试验

1.1 岩爆模拟试验原理

巷道开挖前岩体处于三向六面受力的平衡态，开挖后岩体出现临空面成为五面受力，如图1所示。为此，采用深部岩爆模拟试验系统进行煤岩体岩爆试验。该系统主机由荷载支承结构、传力结构、岩爆试验特殊结构等组成，如图2(a)所示。其中，岩爆特殊结构为可拆卸加载杆，可以实现单面突然卸载的功能，如图2(b)所示。在3个方向6个压头上安装应力传感器监测试验过程中的应力变化，同时，在水平主应力方向岩石与压头之间布置的钢垫块内挖孔，安置声发射探头进行声发射信号监测，通过测试得到应力及声发射的演化过程，分析煤岩体岩爆全过程损伤特性规律。声发射探头装置示意图如图2(c)所示。

图1 单元体开挖前后受力状态转变示意图

图2 岩爆模拟试验系统及声发射传感器布置

1.2 煤岩体岩爆试验加载方式

首先，将试件置于三向加载压头中间，使试件中心与加载中心重合，固定好各方向压头，加好应力测试传感器及声发射传感器并做好采集准备。然后，根据现场实测地应力结果，设计初始状态下的三向应力，并从零逐级加载至该初始地应力。试验过程采用液压载荷手动控制对试件进行分级加载，达到初始设定应力值后保持30 min，卸载最小主应力σ3至零，并暴露该方向的试件表面，保持最大主应力σ1并观察试件表面变化。如果发生岩爆破坏，则试验停止，如果试件没有任何变化，则将3个方向的应力调整至下一深度处对应的原岩应力状态，保持30 min，继续观察试件表面变化情况，如此反复直至最终发生岩爆破坏。

2 煤岩体岩爆试验过程及结果分析

2.1 煤岩体试件制备

煤样取自鹤岗南山煤矿北五外区15层综放面切眼处，观察煤试样，肉眼未见炭化的树木结构，将煤岩体按尺寸150 mm×60 mm×30 mm加工成岩爆试验标准长方体试件，由于其易破碎，加工过程煤岩表面留下了切割煤样导致的竖向刀痕。该煤岩体平均单轴抗压强度为15 MPa，弹性模量为1.43 GPa，泊松比为0.29。

2.2 试验过程

所取南山煤样的现场深度为500 m，根据工程深度及构造应力状态可以确定初始应力状态，最大主应力σ1=γh(γ为岩石的单位容重，h为工程深度)；根据工程经验，可取最小主应力σ3=0.2σ1；中间主应力σ2=0.4σ1。在该深度上按自重应力计算该深度的原岩三向应力状态，分别为：σ1=γh=20 kN/m3×500 m=10 MPa；σ2=0.4σ1=4 MPa；σ3=0.2σ1=2 MPa。工程开挖后，应力的分布有一个调整的过程，在巷道内表现为切向应力增加、径向应力降低，根据原岩地应力及工程开挖的影响，垂直向应力集中系数取2，岩爆试验时的初始应力值σ1=16 MPa，σ2=8 MPa和σ3=4 MPa。

具体试验方案为：先分级加载三方向应力至初始应力状态。分级匀速加载，每级间隔5 min(加载速率0.1 MPa/s)。三方向应力均加至最小主应力σ3后，保持σ3不变，均匀增加最大主应力σ1及中间主应力σ2至8 MPa，并保持σ2不变，再增加σ1至设计的σ1应力值，15 min后迅速卸载主应力σ3(或σ2)，并同时加载最大主应力σ1至下一级应力水平，观察是否有岩爆发生。如果没有岩爆发生，15 min后按σ1对应的σ2和σ3值加载σ2和σ3，15 min后再重复上述卸载过程。

每一级应力水平设计增量值为2 MPa,值得注意的是由于试验机为手动人工加载，因此实际应力值跟方案设计值有差别，导致实测应力曲线会有波动。图3为该煤岩体试件的实测应力曲线。

图3 煤样试件实测应力曲线

鹤岗煤岩试件岩爆试验共进行1次卸载后试件发生破坏。在第4、5级加载时听到声响，第8级加载时有小声响，在初始应力保持30 min后，水平一个方向单面突然卸载，然后增加竖直方向荷载。卸载瞬间有块状碎屑剥落，垂直和水平应力降低较大；打开供油路后，有小颗粒掉落，43 s后听到声响；增加垂直应力，130 s时声响加大，有小块状碎屑掉落，基本稳定；继续增加垂直荷载，161 s时左下部有一片状碎屑弹射，166 s时左中上部有片状碎屑弹射，170 s时块片状碎屑弹射增多，试件全面爆裂。临界破坏应力为17.8、8.0、0.0 MPa，其轴向临界破坏应力值是该煤岩体单轴抗压强度的1.19倍。

图4为试验后煤岩体破裂的表面特征。由图4可以看出：该试件正面中上部留有碎屑弹出后的爆坑；从侧面可以看到试件上部约一半厚的煤被弹出，斜向裂纹将煤试件断开，留下较为粗糙的表面；从顶部可以看到横向贯穿裂纹。

图4 煤样试件破坏后形态

2.3 声发射参数分析

岩石受载破坏的过程实质上是能量吸收和释放的转化过程，从声发射能量的角度分析岩石岩爆试验过程中的变化特征更具有代表性[15-21]。图5为煤岩体试件实测声发射累计能量及能率演化图，试验最终累计声发射能量释放量为(1.83E+5) mv·ms。

图5 声发射能率及累计释放能量随时间的变化曲线

从图5中可以看出：在初始加载时期，声发射能率较大，这是由于原生裂隙闭合引起的能量释放，随后，在每级加载过程中，煤岩体内部微裂隙不断发育、扩展，都伴随有明显的能量释放；在荷载保持阶段，能量释放较少，煤岩体进入稳定阶段；卸载最小主应力后，能率释放密集出现，累计声发射能量快速增大，预示着煤岩体内部微裂隙不断贯通形成宏观裂隙，进入非稳定损伤阶段；在煤爆时刻，声发射能率释放值达到最大，累计释放能量也达到峰值，大量的能量以煤岩体裂纹快速扩展、碎屑弹射崩落、试件垮塌的形式释放。

煤岩体试件各级实测应力水平及对应的声发射能率和累计能量值见表1。

表1 煤岩体岩爆加、卸载过程及对应的声发射水平

从表1中可以看出，煤岩体经历8级加载后进入保持阶段，一次卸载后发生最终岩爆破坏，其岩爆破坏的轴向强度约为其单轴抗压强度的1.19倍。

3 声发射时频演化规律分析

声发射作为一种无损检测手段，已广泛应用于岩石力学研究领域，并取得了很多研究进展[14-17]。相较于声发射参数分析，波形分析虽然处理程序较为繁琐，但更能深入分析破裂源特性，是理解煤岩体试件岩爆全过程损伤演化规律的重要手段[18-21]。笔者将该煤岩体试件此次岩爆过程所产生的全部声发射信号文件进行波形处理，即将数据进行快速傅里叶变换处理，得到声发射信号在时域上的频域特征，并以幅值来表征频域能量分布。对该时间序列信号所进行的快速傅里叶变换，如下式所示:

0≤k≤N-1。

式中：N为数据长度；x(n)为数据系列。

选取整个试验过程中的第3、6、8级加载，卸载时刻，最终破坏前以及最后的煤爆阶段的典型波形数据进行时频处理，对频率与幅值分布划分密度区间，统计其分布特征，结果如图6所示。红色区域表示数据分布最为密集，而黑色区域则表示该区域基本没有数据。

一般认为高频信号代表着微张裂纹产生，而低频信号则代表着微剪裂纹产生。波形信号分析能够获得声发射幅值和频率的演化特征，这对于表征岩石试件破坏特征具有重要意义。高幅值波形信号通常集中出现在低频率区域且持续时间较长，预示着高能量的释放[22-25]。

图6 煤爆试验声发射时频特性区域分布

由图6可知，随着煤爆试验加、卸载过程的进行，其频率-幅值分布区域发生明显的变化。初始的第3、6、8级加载产生的声发射信号时频分布较为接近，证明破裂源相似，且信号数据密集地集中在低幅值、低频率区域，即产生的能量较小的微剪裂纹较微张裂纹多。卸载阶段，破裂源特性复杂，产生的信号种类较多，高频、低幅信号及低频、高幅信号大量产生，即剪裂纹和张裂纹均大量出现，尤其是张性破坏明显增强。临界最终煤爆之前，高频、低幅信号继续增多但低频、低幅信号明显减少，即主要产生大量微张裂纹。最终煤爆时，具有高频成分的幅值进一步加大，低频、低幅信号几乎没有，而是集中在高幅区域。表明在煤爆时刻，大量高能量的宏观张性及剪性裂纹产生，微观裂隙贯通使煤试件发生最终破坏。煤爆试验全过程的时频特性经历了由主要的低频、低幅单一破裂源向高频、高幅和低频、高幅多种成分的破裂源演化，也预示着能量不断地加大。

4 结语

1)采用真三轴卸载岩爆模拟试验系统对煤岩体试件进行了室内岩爆试验，找到了该煤岩体试件的岩爆临界破坏强度值，即17.8 MPa，是其单轴抗压强度的1.19倍。该过程声发射累计释放能量值达到(1.83E+5)mv·ms。绘制岩爆试验中声发射能率随时间的变化曲线，发现初始加载时能率较高，进入保持阶段能率很低，而岩爆时刻高能率值密集出现，说明声发射能量迅速释放。

2)对煤岩体试件产生的声发射信号进行波形分析，即对数据进行快速傅里叶变换处理，选取试验过程中典型的加、卸载阶段及岩爆时刻进行声发射信号的频率-幅值密度分布分析。结果发现：在加载阶段，信号频谱是低幅值、低频率的；在卸载阶段，高频、低幅信号及低频、高幅信号出现；在煤爆时，高频成分幅值进一步加大，低频信号几乎都集中在高幅值区域。即煤爆试验全过程时频特性经历了由主要的低频、低幅单一破裂源向高频、高幅和低频、高幅多种成分的破裂源演化，也预示着能量不断地加大。

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AnalysisofTimeFrequencyEvolutionofAcousticEmissionduringCoalRockburstSimulationTest

ZHAO Fei1, WANG Hongjian1, YUAN Guangxiang1, REN Fuqiang2

(1.School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, Beijing 100083, China)

In order to investigate acoustic emission (AE) features of coal rockburst with stress during deep mining process, the true traxial unloading test was performed on coal sample cored from Hegang Nanshan Coal Mine. During the test, the evolution process of three-dimensional stress was recorded in real time, and both of parameter and time-frequency analysis were conducted to process the acoustic emission waveform signals. The obtained results indicate that Nanshan coal sample has the critical burst failure strength of 17.8 MPa which is 1.19 times of its uniaxial compression strength and the total AE energy reaches (1.83E+5) mv·ms. Singles generated from typical loading stages and unloading stage as well as final burst time were extracted and processed by Fast Fourier Transform (FFT) to get density distribution of frequency-amplitude. It can be clearly observed that similar rupture sources generate at the initial loading stages with signals of low frequency and low amplitude. However, at the coal burst time, AE signals of both high and low frequency and high amplitude appear in the rock which indicates complex rupture sources and large energy release continually.

rockburst test; acoustic emission features; energy; time frequency evolution

2016-06-01

国家自然科学基金资助项目(41402269)；深部岩石力学与地下工程国家重点实验室开放基金项目(SKLGDUEK1524)；华北水利水电大学高层次人才启动经费资助项目(40583,40467);河南省高等学校重点科研项目(18A170008)。

赵菲(1986—),女,河北石家庄人,讲师,博士,从事岩石力学、声发射理论及试验方面的研究。E-mail:zhaofei_183@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.05.011

TV223.1;TU45

A

1002-5634(2017)05-0082-06

(责任编辑乔翠平)