不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化

余 洁，刘晓辉,2，郝齐钧

不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化

余 洁1，刘晓辉1,2，郝齐钧1

(1. 西华大学 流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039；2. 四川大学 水力学与山区河流保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

利用PCI-2声发射系统对四川芙蓉白皎煤矿煤岩展开不同围压(0、8、16、25 MPa)的声发射试验研究，旨在揭示不同围压下煤岩破坏过程的振铃计数率、声发射时空分布、声发射值及破坏煤岩的损伤特性变化规律，为有效预测煤岩破坏提供有利的理论依据。研究表明：声发射现象能够较好地反映煤岩内部裂纹的扩展情况，围压对煤岩破坏具有一定的抑制作用。随围压增大，振铃计数率平静期越长；单轴、三轴状态下振铃计数率高频段发生时段不同。单轴状态下声发射定位点均匀分布于煤岩内部，三轴状态下则集中分布于破坏截面。随围压增大，峰前声发射值波动现象增强，可利用值变化预测煤岩破坏。基于累计振铃计数、结合煤岩破坏应力建立煤岩损伤破坏模型，结合声发射振铃计数率、时空分布、值及损伤变量可对煤岩有效破坏的前兆应力点进行预测。研究成果将为煤岩破坏的微震监测分析奠定基础。

岩石力学；煤岩；声发射特性；围压；声发射值；损伤演化；四川白皎煤矿

随着煤矿开采强度和深度的日益加大，煤与瓦斯突出成为严重威胁煤矿安全生产的灾害之一[1]。在灾害发生过程中，煤岩失稳破坏常伴随声发射现象，即煤岩中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象[2]；利用声发射现象能够有效研究煤岩变形断裂机制，更好地为预测、防治煤岩破坏提供有利的理论依据，因此，声发射技术在煤岩破裂变形分析中得到广泛应用[3]。

声发射现象反映了岩石内部微裂纹的产生、扩展全过程，随着煤矿开采深度的日趋增大，众多学者对岩石不同围压条件下的声发射特征展开研究[4-9]，发现不同围压下岩石声发射活动与应力–应变过程具有较好的对应关系，围压对岩石微破裂活动具有一定的抑制作用；苏承东等[10-11]通过煤岩和砂岩单轴、三轴状态下的声发射试验发现，煤岩和砂岩破坏过程声发射特征均具有明显的围压效应；左建平等[12]对煤岩、岩体和煤岩组合进行单轴声发射现象研究，发现不同岩样间的声发射具有显著差异，可利用时段声发射特征对其破坏进行判断；高保彬等[13]对含水煤岩展开单轴压缩声发射试验研究发现，煤岩变形过程声发射现象存在平静期、活跃期和峰后平静期3个阶段，利用声发射计数分维值可对煤岩灾害前兆进行预测。

声发射值[14]作为描述岩石失稳过程中裂纹萌生、扩展的重要参数，具有重要的工程指导意义。张黎明等[15]对岩石展开不同围压下的声发射特征研究发现，利用值的变化规律在一定程度上能对岩石的破坏前兆进行预测；赵小平等[16]、姚旭龙等[17]发现煤岩单轴状态下声发射值能够较好地反映内部微裂纹的扩展情况，值下降可作为煤岩破裂的前兆；张朝鹏等[18]发现煤岩单轴下声发射值具有明显的层理效应；刘倩颖等[19]提出三轴卸荷下煤的声发射值峰值点可作为煤的破坏前兆。

进一步开展岩石损伤变形研究能够探讨其破裂的内在机理，为预防岩石失稳破坏提供重要的参考。邓飞等[20]建立基于振铃计数的岩石损伤方程，探讨岩石在单轴压缩下的损伤演化过程；刘保县等[21]提出基于“归一化”累计振铃计数的损伤变量及损伤演化方程，损伤演化过程与岩石实际破坏具有一致性。施工过程中，岩石往往处于三向应力状态，探究三轴状态下岩石的损伤特性更具有工程意义。孙雪等[22]建立了大理岩三轴压缩损伤模型，该模型能够合理地反映岩石在不同围压下的破裂特征；赵洪宝等[23]建立了基于声发射事件数的损伤演化方程，该方程能够较好地描述含瓦斯煤三轴压缩损伤特性。

综上所述，煤岩单轴压缩下的声发射特征研究已难以满足工程实际，迫切需要开展三轴压缩声发射值及损伤演化特性研究。因此，本文通过对煤岩展开不同围压下的声发射试验，分析在不同围压状态下的声发射振铃计数率、空间分布、值及损伤演化特性，以期能够更好地为矿井微震监测提供理论基础。

1 试样制备及试验方案

1.1 试样制备及试验设备

试验所用煤岩选自四川宜宾芙蓉白皎煤矿，属高硫煤矿[24-25]。按照制样标准，将煤岩加工成ø50 mm100 mm的圆柱形标准试样[26]。为减少人为扰动对其原始状态的影响，在制备过程中采用干钻、干切、干磨的方法。煤岩试样如图1所示。

图1 煤岩试样

本试验采用MTS815岩石力学测试系统，配备PCI-2声发射定位测试系统，对煤岩进行不同围压下的声发射特征研究，试验设备如图2所示。试验设置声发射传感器8个，分别安装在试样上下两端垂直于直径方向。声发射(AE)传感器频率范围为1×103~3×106Hz带宽，考虑到煤岩强度低、声波衰减快，为尽可能减少非加载过程中噪声等对声发射信号的影响，本次声发射信号采集过程门槛值设定为40 dB。

1—声发射数据采集、处理系统；2—MTS数据采集、控制系统；3—超声波收集、处理系统；4—MTS加载系统；5—声发射探头；6—轴向引伸计；7—横向引伸计

1.2 试验方案

为探究不同围压下煤岩变形破坏过程的声发射特性，进行单轴及围压为8、16、25 MPa的常规三轴试验，每组试验设置3个平行样。

2 声发射基本特性分析

2.1 基本参数特征

试验得到声发射事件计数率、振铃计数率、能量率等参数，均可反映煤岩声发射现象，且规律基本一致，考虑篇幅问题，现就不同围压下煤岩破坏过程声发射振铃计数率与时间、应力关系进行分析，如图3所示。

由图3a可得，单轴状态下，煤岩振铃计数率可分为3个阶段：平静期(Ⅰ)、峰前活跃期(Ⅱ)及破坏期(Ⅲ)。平静期对应应力–时间曲线的压密及弹性阶段，处于裂隙压密及裂纹萌生阶段，仅产生少量裂纹，AE事件较少，振铃计数率较小；峰前活跃期对应应力–时间曲线的屈服阶段，处于裂纹快速扩展阶段，随应力增加，内部裂纹不断扩展、贯通，声发射事件增多、水平活跃，振铃计数率增大，且出现最大值；破坏期对应应力–时间曲线的破坏阶段，煤岩在达到极限承载力后立即发生脆性破坏，AE事件较少、水平低，振铃计数率较小。

图3 不同围压下煤岩破坏过程声发射振铃计数率、应力与时间关系

与单轴状态不同的是，在三轴状态下煤岩声发射振铃计数率高频段发生在应力峰后阶段，且数值显著增大。三轴状态下振铃计数率可分为4个阶段：平静期(a)、峰前活跃期(b)、峰后破坏期(c)及残余期(d)。三轴平静期与单轴平静期规律相同，振铃计数率数值较小；峰前活跃期处于屈服阶段，试样开始发生不可恢复的变形，裂纹开始产生，AE水平开始活跃，振铃计数率与平静期相比大幅增加；峰后破坏期处于峰后应力快速减小的较短时间，由于围压的存在，试样没有立即发生破碎，大量裂纹开始扩展、贯通，AE水平较高、数值较大，且出现最大值；残余期为应力残余阶段，该阶段主要由次生裂隙的产生和扩展作用产生AE事件，水平活跃，振铃计数率有所降低，但仍保持着一定的数值。

声发射振铃计数率能够较好地反映煤岩内部裂纹的发展情况，当数值较大时，AE水平高，煤岩内裂纹扩展速度快；数值较小时，AE水平低，裂纹产生较少，扩展速度慢。从图3中可以发现，单轴下，煤岩快速扩展产生破碎基本出现在峰前；三轴下，峰后声发射现象明显高于峰前，裂纹不断扩展并造成破碎发生在峰后。

由试验结果可知，三轴状态下煤岩最大振铃计数率发生在应力峰值之后，主要是由于围压的存在促进了原生孔隙的闭合作用，阻碍了新生裂纹的形成。煤岩峰值应力点的AE水平较小，且未发生在AE水平高频期。随应力增加，AE水平逐渐提高，相应振铃计数率不断升高，在临近破坏时，AE活动反而有所减少，相应振铃计数率整体上呈减小趋势，在预测岩石破坏时，可以将这一变化作为破坏前兆，但需要注意的是岩石并不一定会发生破坏。

最大振铃计数率及其发生时间随围压变化具有一定的规律(图4)。煤岩破坏过程中，最大振铃计数率随围压升高而增大；最大振铃计数率发生的时间随围压的升高而延后，这是由于围压越高，对煤岩的约束作用就越强，抑制作用也就越明显，最大值出现的时间则越滞后。

图4 最大振铃计数率及其发生时间与围压的关系

不同围压下煤岩声发射事件与时间的关系曲线如图5所示。围压对煤岩声发射的产生具有一定影响。结合图3可知，围压越大，对煤岩裂纹产生的抑制作用越大，因此，声发射事件平静期越长，分别为316、895、1 193、1 912 s；在不同围压下煤岩声发射事件的发生具有相似性，依次呈现为平静期、快速增加、缓慢增加现象。三轴状态同一时间下，试样发生的AE事件累计计数随围压升高减少，进一步验证了围压对煤岩的破坏具有抑制作用。

图5 不同围压下煤岩AE事件计数与时间的关系

2.2 空间分布特征

从声发射定位点时空分布情况可以了解煤岩在不同围压下的微观破裂演化过程，不同应力水平下的声发射时空分布如图6所示，图中30%代表该处应力水平占峰值应力的30%，其他类同。

图6 不同应力水平下声发射空间定位点演化特征

a. 三轴状态下，围压增强了煤岩内部裂纹的闭合作用，抑制裂纹萌生，因此，在峰前仅产生少量AE事件，AE定位点较少，且随围压增大，对裂纹产生的抑制作用越明显，相同应力水平下的AE定位点越少，与振铃计数率相吻合；在峰后阶段，裂纹不断扩展、贯通，产生大量AE事件，AE定位点显著增多。三轴状态峰前90%~100%应力水平段均发生AE定位点突增现象，因此，监测时若发现AE定位点开始突增，预示着试样即将发生破坏。

b. 从分布情况来看，随着时间的推移，单轴状态下AE定位点均匀地分布于试样内部，试样发生脆性破坏；三轴状态下则是沿某一截面分布，存在集中分布区，发生沿这一截面的剪切破坏，并且随围压增大，AE定位点更集中于破坏平面附近，剪切破坏现象越明显。

c. AE定位点的演化过程与AE振铃计数率具有良好的对应关系。在振铃计数率平静期，AE事件较少，相应地AE定位点较少，对应各围压下应力水平分别为峰值的50%、70%、70%、90%。在振铃计数率峰前活跃期，AE定位点逐渐增多。单轴状态振铃计数率破坏期水平较低，对应AE定位点少量增加；三轴状态振铃计数率破坏期和残余期对应的AE定位点大量增多。

3 声发射b值特征

3.1 b值的物理意义及确定方法

值最早由古登堡和里克特提出，用以表征地震震级与频度的比例关系；在某一地震序列中，若强震愈多，则值愈小，反之值愈大[27]。在岩石声发射现象中，值用来描述岩石裂纹的萌生、扩展演化过程。

研究表明[28]，若值增加，说明试样中以小尺度破裂为主，AE小事件所占的比例增加；反之，试样以大尺度破裂为主，AE大事件所占比例增加；若值恒定不变，说明大、小尺度破裂分布均衡，AE大、小事件比例不变。

值计算方法很多，最常用的方法为极大似然估计法和最小二乘法[29]。基于本文主要对煤岩峰前值变化展开分析，极大似然估计法本质上受小事件控制，试验得到煤岩峰前能量较小，因此，采用极大似然估计法计算值，计算公式如下：

3.2 不同围压下b值变化特征

煤岩峰前AE事件较少，因此，值计算采用等次数方法，单、三轴分别以40、50个声发射事件作为一个滑动窗口，将取样时间段的中间时刻作为值标度时间。本文仅对峰前值变化进行分析。不同围压下煤岩峰前值变化如图7所示。

在能量突增处，值减小，此时试样内高能量声发射事件增加，主要以大尺度裂纹扩展为主；在值增大的地方，低能量声发射事件增加，试样内主要以小尺度裂纹扩展为主。岩石破坏是一个复杂的过程，试样内大、小尺度裂纹发展变化不可预测，在加载过程呈现上下波动现象。

与单轴状态相比，三轴状态下煤岩声发射值较大。在峰前阶段，值呈上下波动的变化趋势，并且随围压增大，波动幅度增大。煤岩内部裂纹分布随围压增大越集中，因此，在声发射现象频发段，值上下波动现象尤为明显。同时，值并未在加载开始时就出现，上文提到在加载初期声发射现象存在平静期，因此，值在加载一段时间后开始出现，并且初始值保持着一定数值大小。

在应力水平90%前，值变化较小，说明试样内声发射大小事件比例变化较小，尺度不一的裂纹发展较为稳定。在应力水平90%~100%期间，值出现骤降，说明试样内裂纹扩展情况发生改变，属于裂纹突发式改变，试样内产生高能量事件。煤岩不同围压下破坏前兆点如图7所示。单轴状态下，峰后值出现突降，且声发射事件较少，此时试样属于脆性破坏。三轴状态下，煤岩破坏逐渐向延性转变，峰后声发射活跃，裂纹扩展不断产生，值呈上下波动现象，且随围压升高，峰后值下降幅度越大，原因是随围压升高，大尺度裂纹产生的速率越快，越容易形成贯通的破坏平面，从而发生剪切破坏。

利用声发射值对煤岩破坏前兆预测分析如下：单轴状态下，由于应力水平由峰值90%升到100%时间较短，因此，将出现先减小后增大的现象作为破坏前兆；三轴状态下，应力呈缓慢增加、值减小的现象作为煤岩的破坏前兆。考虑到围压为25 MPa时，应力水平90%~100%内出现多次值下降的现象，岩石破裂不可预测，因此，本文将应力随应变缓慢增加时，值第一次出现减小的时刻作为破坏前兆点，当值出现减小变化时，应加强对岩石受力过程的监测。

图7 不同围压下声发射b值变化规律

4 声发射损伤特性分析

岩石材料在变形破坏过程中，经历了裂纹的萌生、发展、贯通、破坏等过程，通过声发射损伤演化分析可反映岩石的破裂过程，有利于理解岩石的破裂机制。

4.1 损伤演化特性

建立损伤演化方程的方法多种多样，在文献[30]中提到，可采用Weibull分布函数来近似反映微元强度等力学参数的不同，即有：

若试样损伤变量为，那么损伤变量与微元损伤率存在以下关系：

通过式(2)和式(3)可得损伤变量的表达式：

结合式(4)和式(5)可得损伤变量与累计振铃计数的关系有：

根据式(7)得到不同围压下煤岩损伤演化过程，如图8所示。

利用累计振铃计数得到煤岩的损伤过程与声发射现象具有良好的对应关系，结合图3，将单轴状态下煤岩损伤演化分为3个阶段，即损伤平静阶段(Ⅰ)、损伤快速增长阶段(Ⅱ)、损伤残余阶段(Ⅲ)。而三轴状态下，分为4个阶段，即损伤平静阶段(a)、损伤缓慢增长阶段(b)、损伤快速增长阶段(c)、损伤残余阶段(d)。

图8 不同围压下煤岩损伤演化过程

在损伤平静阶段，损伤值趋近于零，此时内部微裂纹等的几何尺寸相对于其余阶段变化很小，产生的声发射超过阈值较少。随着围压增大，损伤平静阶段越长，接近屈服阶段，可见围压越高，对煤岩微裂纹的产生具有抑制作用。

在损伤增长阶段，煤岩开始产生不可恢复的变形，裂纹增多，损伤快速产生。在单轴状态下，煤岩损伤基本发生在峰前；而在三轴状态下，煤岩损伤大部分发生在峰后。由此可见，围压的存在对煤岩侧向变形具有抑制作用，损伤变形不断延后。因此，围压作用下，损伤在经历平静期后开始突增的现象可作为煤岩破坏前兆。

在损伤残余阶段，单轴状态下煤岩发生脆性破坏，该阶段较短；三轴状态下，试样在达到极限承载能力时未完全破坏，在该阶段产生次生裂隙，损伤不断增加，直到完全破坏。

总体来说，煤岩的变形破坏过程主要经历了变形、损伤的萌生和快速发展、出现宏观破裂面、裂缝继续贯通直到破坏这样一个过程。通过累计振铃计数得到的损伤变量与煤岩的微观破裂变化具有良好的对应关系，可以较好地描述煤岩在变形破坏过程中裂隙的压密、裂纹的形成、扩展和贯通过程，通过损伤演化过程分析，可为工程监测及预警提供一定的理论参考。

4.2 声发射特征参数峰前破坏前兆综合分析

前文已对声发射参数进行了不同围压下的特征分析，为探究煤岩在围压作用下的破坏前兆，现对峰前各参数进行综合比较(表1)。本文将值突增、突降点定义为时间滑动窗口中间时刻对应的应力水平。

表1 声发射特征参数峰前破坏前兆综合分析

上表中得到煤岩在各围压下破坏前兆特征点对应的应力水平，可以发现：①单轴状态下，损伤变量为基于振铃计数的损伤值，可以反映损伤演化过程，此处用作破坏前兆还不够充分。从其余参数特征应力水平可知，应力水平达到95%左右可作为煤岩在单轴压缩下的破坏前兆，可结合AE定位点的变化特征判断试样的破裂形式及破裂面；②综合考虑，计算振铃计数率、值及损伤变量特征点对应的应力水平平均值，将其取整作为煤岩破坏前兆应力水平，则8、16、25 MPa下的煤岩破坏前兆应力水平分别约为97%、95%、98%，试验过程中可参照AE定位点变化现象及应力–应变曲线等进行判断。通过上述分析，利用声发射技术，结合多特征参数对岩石的破坏前兆进行预测具有一定的工程意义。

5 结论

a. 声发射振铃计数率变化规律具有阶段性特征，单轴状态下分为平静期、峰前活跃期及破坏期，三轴状态下分为平静期、峰前活跃期、峰后破坏期及残余期。随着围压升高，声发射平静期延长。振铃计数率高频期及其最大值在单轴状态下发生于峰值应力之前，三轴状态下发生于峰值应力之后，且最大值出现的时间随围压增大延后。在破坏前夕，振铃计数率在数值上出现突增现象。

b. 围压抑制了煤岩内部裂纹的萌生和扩展，三轴状态下煤岩AE定位点在峰后大量产生。随着应力水平的提高，单轴状态AE定位点均匀分布于试样内部，而三轴状态下AE定位点则较集中地分布于破裂面附近。AE定位点突增均出现在破坏前夕，预示着试样破坏。

c. 围压对声发射值特征具有较大的影响。随围压升高，煤岩声发射事件增多，值上下波动现象越明显。在应力水平90%前，声发射大小事件比例变化小，值变化较小。煤岩在单、三轴状态下，峰前值分别发生先减小后增大趋势、减小趋势可作为破坏前兆信息。

d. 基于累计振铃计数建立的损伤演化模型能够较好地反映煤岩在变形破坏过程中破裂的发展。损伤平静期与声发射基本参数平静期吻合。在三轴状态下，损伤在破裂前夕出现突增现象，可同时结合振铃计数率、值及AE定位点对岩石的破裂前兆进行预测。

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Acoustic emission characteristics and damage evolution of coal-rock under different confining pressures

YU Jie1, LIU Xiaohui1,2, HAO Qijun1

(1. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery, Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Using PCI-2 acoustic emission(AE) system, the AE experiments of different confining pressures (0, 8, 16, 5 MPa) were carried out in Baijiao coal mine in Furong, Sichuan Province, in order to reveal the change rule of ringing count rate, the temporal and spatial distribution of AE,value of AE and damage characteristics of damaged coal-rock under different confining pressures, and to provide a theoretical basis for prediction of coal-rock damage. The results show that the AE phenomenon can reflect the crack propagation of coal-rock and the confining pressure can restrain the damage of coal-rock. With the increase of confining pressure, the calmer period of ringing count rate was longer. The frequency range of ringing count rate is different under single and triaxial condition. In the uniaxial state, the AE registration points are uniformly distributed in the coal-rock, while in the triaxial state, they are centrally distributed in the failure section. With the increase of confining pressure, the fluctuation of pre-peak AE valueincreases, and the change of valuecan be used to predict the failure of coal-rock. Based on the cumulative ringing count and the failure stress of coal-rock, the damage failure model of coal-rock was established, and the precursor stress point of effective failure of coal-rock could be predicted by combining the AE ringing count rate, spatial and temporal distribution, valueand damage variables. The results will lay a foundation for the monitoring and analysis of coal-rock damage.

rock mechanics; coal-rock; acoustic emission characteristics; confining pressure; valueof AE; damage evolution; Baijiao coal mine in Sichuan

TD315

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.019

1001-1986(2020)03-0128-09

2019-11-07；

2020-04-09

西华大学重点科研基金项目(Z17113)；四川省教育厅重点科研基金项目(18ZA0457)；西华大学研究生创新基金项目(ycjj2019100)

Key Scientific Research Fund of Xihua University(Z17113)；Key Scientific Research Fund of Education Department of Sichuan Province(18ZA0457)；Innovation Fund of Postgraduate, Xihua University(ycjj2019100)

余洁，1995年生，女，四川资阳人，硕士研究生，从事水利水电工程、岩土工程研究. E-mail：yj18482157172@163.com

刘晓辉，1977年生，女，四川成都人，博士，副教授，从事水利水电工程、岩土工程教学及管理工作. E-mail：liuxh@mail.xhu.edu.cn

余洁，刘晓辉，郝齐钧. 不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：128–136.

YU Jie，LIU Xiaohui，HAO Qijun. Acoustic emission characteristics and damage evolution of coal-rock under different confining pressures[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：128–136.

(责任编辑 周建军)