水对煤岩声发射特性影响的试验研究

李高阳

摘要：对水浸泡（0 h、72 h、144 h）后的煤岩试件进行单轴压缩声发射（AE）特性试验，研究煤岩试件压缩试验过程与声发射指标之间的对应关系，分析浸水时间对声发射参数幅度的影响。试验结果发现：在单轴压缩过程中，随着载荷的增大，AE最大幅度逐渐增加;在相同的载荷作用下，随着浸泡时间的增加，AE最大幅度呈现逐渐降低的趋势。

关键词：煤岩;声发射;幅度

中图分类号：O424     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）41-0128-02

一、声发射检测原理及方法

声发射（AE）现象的产生是由于物体受到各种外界条件作用时，它的内部会出现弹性波能量波动。当外界的作用值逐渐增大至一个临界值时，物体内部会发生能量释放的现象，称此过程为声发射活动。同样，当对煤岩进行压缩时，随着载荷的不断增加，其内部结构发生破坏，也会随之产生声发射现象，并且，受外力作用而出现的声发射信号里包含着可以预示煤岩试件在出现断裂的每个阶段的信号。在外载荷对煤岩产生力作用的过程中，煤岩内部的原生裂缝延长、扩展，并且随着载载荷的不断增加，产生的新的裂隙延长、扩展，最后发生断裂破坏。这些过程都伴随着声发射活动，这种活动也是煤岩内部结构发生变化伴随的能量信号的传递过程，AE信号的大小、变化趋势与煤岩受力发生破坏和其内部结构发生破坏的变化阶段相对应。因此，我们利用煤岩试件单轴压缩过程中产生的AE信号对煤岩的压缩断裂过程进行实时监测，这对于矿区中煤岩体受力变形和整体结构的稳定性评价有很重要的价值。

声发射检测方法为：将源信号发出的弹性波能量传输到被测试试件的表面上，试件表面接触着的传感器会及时接收能量波，并且立即把此信号转换为电信号，之后通过放大器将信号放大，最后由电脑分析计算、记录此信号，并将此信号输出显示为图像和数字信息。因此，我们能对电脑显示的声发射信息进行研究、计算、分析。AE幅度是声发射特性的一个主要参数，从试件表面接收到的AE信号会产生波形，其波形的最大振幅值称为AE幅度，AE最大幅度代表试件内部结构断裂时产生能量波信号的最大值。

二、试验方法

本文对浸水时间不同的煤岩试件进行单轴压缩声发射试验，单轴压缩加载设备使用DNS200型电子万能试验机，AE测试仪器采用SAEU2S声发射系统。试验过程中使DNS200型电子万能试验机和声发射系统同时运行，设置为力控制的加载方式，将加载速率定为0.5kN/s。在声发射系统中将采集信号的时间间隔设置为200ms，放大器设置为40dB，门槛值设置为35dB。在试件表面的中心部位和传感器探头处均涂上耦合剂，这样可以使信号的接收更加流畅。

三、煤岩声发射试验参数分析

本次试验对3个浸水时间不同的煤岩试件进行了单轴压缩试验，对声发射参数幅度特性进行了对比分析。

将试件产生的AE最大幅度绘制为AE幅度条形图，如图1、图2、图3所示。比较图1、图2、图3发现：当试件浸水0 h时，随着应力水平的增大，AE最大幅度值分别为58 dB、65 dB、70 dB;当浸水72 h时，随着应力水平的增大，AE最大幅度值分别为50 dB、59 dB、63 dB;当试件浸润144 h时，随着应力水平的增加，AE最大幅度值分别为42 dB、50 dB、55 dB。将所有的AE最大幅度值进行比较发现，随着应力的不断增加，试件产生的AE最大幅度值呈现逐渐变大的趋势。并且，通過比较同一应力条件下的试件可以看出，当煤岩试件浸水时间延长时，AE最大幅度值出现逐渐减小的趋势。由此可见，水的作用弱化了煤岩试件的强度等级，使其内部的能量信号减弱，继而使幅度降低。

四、结论

利用SAEU2SAE系统对煤岩单轴压缩试验过程进行测试，分析AE幅度参数，得出以下结论：

第一，在相同的浸水时间条件下，随着应力增加，AE幅度的最大值呈现逐渐上升的趋势。

第二，在同样应力水平条件下，随着试件的浸水时间延长，其AE幅度的最大值呈现逐渐下降的趋势。

第三，水可以弱化煤岩的物理力学性质，降低其强度等级，使其内部的能量信号减弱，继而使AE最大幅度降低。

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