煤巖體聲發(fā)射判別研究

程 鵬，王龍飛，劉江偉

(1.鄭州神火 申盈礦業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000;2.濟寧礦業(yè)集團，山東 鄒城 273503;3.中煤平朔集團 井工三礦，山西 朔州 036006)

現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)開始以20世紀(jì)50年代初Kaiser效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為標(biāo)志，發(fā)現(xiàn)材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達到上次加載最大應(yīng)力之前不發(fā)生聲發(fā)射信號，同時提出了連續(xù)性和突發(fā)性聲發(fā)射的概念。隨后位錯(塞積和滑移)和交錯位移是聲發(fā)射信號的主要來源，同時認(rèn)定表面狀態(tài)也有一定影響［1］。20世紀(jì)50年代末到60年代期間，研究各種材料的聲發(fā)射物理機制，并且首次將聲發(fā)射用于壓力容器檢測，20世紀(jì)70年代初，聲發(fā)射的試驗頻率發(fā)展到了100 kHz～1 MHz。20世紀(jì)80年代初現(xiàn)代微處理技術(shù)引入聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，并開發(fā)了一系列多功能檢測和分析軟件，而且聲發(fā)射檢測技術(shù)在金屬盒、玻璃鋼容器、壓力容器、儲罐、管道、橋墩等重要領(lǐng)域進入工業(yè)化作用。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了聲發(fā)射實時測量和聲發(fā)射定位以及進行少量生發(fā)波形的觀察、顯示、記錄和頻譜分析的多通道聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)［2］。

不同的煤巖體由不同的天然單質(zhì)或化合物組成［3］，按照不同的排列方式和排列強度組合，造成了煤巖體不同的強度，強度的不同造成了破裂時釋放能量的強弱，引起了聲發(fā)射上升時間參數(shù)和RMS(有效電壓)參數(shù)的變化，通過對參數(shù)的處理和分析，可以對煤巖體的具體屬性進行簡單的判定。

1 實驗過程

1.1 試塊加工

選取煤層的頂板、底板、煤體和混凝土做出圓柱體進行單軸壓縮實驗，參數(shù)見表1。

表1 實驗選取

1.2 實驗方法

采用MTS815電液伺服控制材料試驗機和美國聲發(fā)射公司的聲發(fā)射儀器，如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射信號簡化波形參數(shù)的定義

主要聲發(fā)射參數(shù)為:波擊(事件)計數(shù)、振鈴計數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時間，上升時間。上升時間的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的比值代表了聲發(fā)射信號的突然性，即代表了能量爆發(fā)的突然性。聲波的能量主要表現(xiàn)在做功，因此，聲波的能量E與聲波波動的振幅A有關(guān)。上升時間為煤巖體破裂產(chǎn)生聲信號的上升階段，表示從聲信號第一次越過門檻值到達到最大峰值所經(jīng)歷的時間。一般人只對振鈴計數(shù)和能量參數(shù)進行分析，而忽略了上升時間參數(shù)和RMS(有效值電壓)參數(shù)的作用。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 不同巖性聲發(fā)射能量率特征

聲發(fā)射能量率－時間曲線示意圖見圖2，代表了AE事件中能量率和計數(shù)隨時間變化的圖，其中圖2(a)圖代表了直接底灰?guī)r的能量－計數(shù)－時間曲線，圖2(b)圖為老頂灰質(zhì)砂巖的能量－計數(shù)－時間曲線，圖2(c)圖代表了混凝土塊的能量－計數(shù)－時間曲線，圖2(d)圖代表了煤塊的曲線。

對圖2(a)～圖2(d)進行對比，煤巖體破壞時峰值的能量大小不同，響應(yīng)信號也不同，混凝土采用的比例是水泥(0.5)∶沙子(3.5)∶水(適量)，混凝土和煤塊的硬度相似，兩者的破裂現(xiàn)象比較接近?；?guī)r和灰質(zhì)砂巖破壞時的能量最大，峰值為20000 mV，而煤塊破裂時能量最小，峰值為6000 mV，混凝土塊的破壞為巖石和煤塊的中間狀態(tài)，峰值為10000 mV。

混凝土、巖石、煤塊進行對比，巖石的能量突破20000 mV的最高，混凝土和煤塊的單軸壓縮的破壞能量相似，但AE事件的計數(shù)不同，這與煤巖體的結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，煤塊本身多分布裂隙，而且特別發(fā)育，造成AE事件的局部變形多，但能量積累比較低。

圖2依次對比可以看出，無論煤巖體的硬度是大還是小，破裂時AE事件的規(guī)律是一致的，而且主要發(fā)生在塑性階段和破裂階段。煤巖體破裂時AE事件的能量表現(xiàn)為突刺狀，與其它的AE事件響應(yīng)有著明顯區(qū)別，這樣更有助于觀察異常，即觀察破裂。

圖2中的各個巖性AE事件的能量變化趨勢有著很大的區(qū)別，不同的巖性有著不同的規(guī)律，煤巖體的硬度越大，單軸壓縮時能量峰值越大，也就表明突發(fā)程度越大，積累能量也越大，破裂也越劇烈。老頂是灰質(zhì)泥巖，和煤做單軸壓縮試驗的AE事件的能量進行對比，煤的能量主要在低位震蕩，而灰質(zhì)泥巖則是在高位震蕩，同時灰質(zhì)泥巖的能量低值出現(xiàn)空缺，煤的能量低值連續(xù)，沒有出現(xiàn)間斷現(xiàn)象，這與灰質(zhì)泥巖硬度較高，AE事件連續(xù)震蕩，造成突發(fā)程度一直較高，而且沒有低值。圖2(d)圖開始由壓頭接觸煤塊，加力后，由于煤的松軟，沒有AE事件的觸發(fā)，造成開頭出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，但在能量和計數(shù)率上，這一過程沒有得到體現(xiàn)，所以說AE事件能量率和技術(shù)率參數(shù)相互有效補充，對于具體現(xiàn)象分析更加合理有效。

圖2 聲發(fā)射能量率－時間曲線圖

2.2 不同巖性聲發(fā)射上升時間特征

上升時間的大小表示了AE事件的突發(fā)程度，上升時間越大，突然性也越厲害，而AE事件的突發(fā)表明了煤巖體本身出現(xiàn)了破裂現(xiàn)象，上升時間越大，破裂越劇烈。

根據(jù)圖2中各個巖性相同和差異點，又繼續(xù)對取自老頂和頂?shù)装宓拿簬r體的單軸壓縮的AE事件進行分析，得到了RISE的統(tǒng)計，對于不同巖性的區(qū)別有了很大的幫助，對于巖性和煤可更好地區(qū)別。

由圖3可知，老頂1#和老頂2#超過1000 μs約占RISE總點數(shù)的2%，而直接底超過1000 μs只占RISE總點數(shù)的1%;老頂巖石的AE事件的RISE中大于 1000 μs∶500 μs 和 1000 μs 之間∶小于 500 μs=1∶9∶40，而直接底巖石的AE事件的RISE中大于 1000 μs∶500 μs 和 1000 μs 之間∶小于 500 μs=1∶18∶81。煤巖體巖性的剛度越大，AE事件的RISE越高，主要由于巖石的剛性，導(dǎo)致能量積聚，最后導(dǎo)致能量的突然釋放，從而顯示曲線的平緩和突然爆發(fā)性，也間接說明了煤巖體的承受能力。

圖3 老頂和直接底超過1000 μs

2.3 煤巖體判別方法

煤巖體的剛度是巖體的本身固有屬性，通過剛度大小可實現(xiàn)煤巖體判別，老頂聲發(fā)射曲線圖見圖4和圖5。

試塊選自老頂?shù)幕屹|(zhì)砂巖，硬度不大，峰值只有38 MPa。老頂1號探頭軸向應(yīng)力－聲發(fā)射能量率－應(yīng)變圖中a代表壓密階段，b代表線彈性階段，c代表塑性階段，d代表破裂階段。全應(yīng)力－時間曲線圖和聲發(fā)射能量率－應(yīng)變曲線圖走勢規(guī)律相同，根據(jù)全應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，起初階段軸向應(yīng)力和應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，其斜率為 2.14 GPa，即彈性模量為 2.14 GPa。在應(yīng)變達到0.02時，巖塊初次破裂，軸向應(yīng)力突降，出現(xiàn)波段曲折，當(dāng)隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大，軸向應(yīng)力整體趨勢增大，軸向應(yīng)力達到峰值后，巖塊破裂，軸向應(yīng)力劇烈衰減到初次破裂前值以下。峰值過后，隨著應(yīng)變的增大，軸向壓應(yīng)力波動起伏，但整體趨勢減小。

試塊的聲發(fā)射現(xiàn)象比較明顯出現(xiàn)在線彈性階段、塑性階段和破壞階段。最明顯出現(xiàn)在塑性和破壞階段。計數(shù)率和聲發(fā)射能量率的峰值波動出現(xiàn)在塑性階段和破壞階段，軸向壓應(yīng)力峰值時，計數(shù)率不是最高;應(yīng)變?yōu)?.035時，巖體破壞最嚴(yán)重，軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)豎直下降現(xiàn)象，峰值過后，能量和計數(shù)處于高位震蕩，此時巖體本身一直處于連續(xù)破壞狀態(tài)。圖5中的突刺就是AE事件的連續(xù)觸發(fā)，出現(xiàn)階段是塑性階段和破壞階段，密集在兩個階段的交界處。

3 結(jié)論

聲發(fā)射是通過對聲信號記錄判斷外界響應(yīng)的儀器，對各個參數(shù)分析，可以簡單對煤巖體進行判定，通過上述實驗得到以下結(jié)論:

1)聲發(fā)射的上升時間越大，超過1000 μs的脈沖越多，煤巖體的剛度越大，而對于煤體的聲發(fā)射上升時間基本處于500 μs以下。

2)老頂和直接底中，老頂?shù)纳仙龝r間超過1000 μs比直接底的多，其中老頂巖塊上升時間超過1000 μs的為2%，而直接底為1%。

3)聲發(fā)射比較明顯的現(xiàn)象出現(xiàn)在線彈性階段、塑性階段和破壞階段，最明顯出現(xiàn)在塑性和破壞階段，應(yīng)力的變化和聲發(fā)射能量變化一致。

4)在開始階段，煤塊基本沒有明顯的聲發(fā)射信號或者很小，而巖體的上升時間從開始就高位震蕩。

5)煤巖體的AE事件中，巖體的峰值能量最大，煤體的峰值能量最低，混凝土的峰值處于兩者之間。巖體峰值為20000 mV而煤體的不超過10000 mV。

［1］陳 兵，姚 武.聲發(fā)射技術(shù)在混凝土研究中的應(yīng)用［J］.無損檢測，2000，22(9):387－390，396.

［2］張俊哲.無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1993:58－62.

［3］戈定夷，田慧新，曾若谷，等.礦物學(xué)簡明教程［M］.北京:地質(zhì)出版社，1989:1－3.