煤巖體巖爆模擬試驗(yàn)中聲發(fā)射時(shí)頻演化規(guī)律分析

趙菲， 王洪建， 袁廣祥， 任富強(qiáng)

(1.華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

煤巖體巖爆模擬試驗(yàn)中聲發(fā)射時(shí)頻演化規(guī)律分析

趙菲1， 王洪建1， 袁廣祥1， 任富強(qiáng)2

(1.華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

為了研究深部煤炭開(kāi)采過(guò)程中煤巖體巖爆破壞過(guò)程聲發(fā)射隨應(yīng)力演化的特性，對(duì)鶴崗礦區(qū)南山煤礦軟巖巷道的煤巖體進(jìn)行真三軸卸載巖爆試驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄三向應(yīng)力演化過(guò)程，并采集試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行參數(shù)和波形時(shí)頻分析。結(jié)果表明：南山礦煤巖體巖爆臨界破壞強(qiáng)度為17.8 MPa,是其單軸破壞強(qiáng)度的1.19倍，聲發(fā)射累計(jì)釋放能量達(dá)到(1.83E+5)mv·ms。采用快速傅里葉變換，對(duì)選取的加載和卸載巖爆典型階段聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行波形分析，得到頻率-幅值密度分布。發(fā)現(xiàn)加載階段破裂源相似，產(chǎn)生的信號(hào)特征較為接近，都是低幅值、低頻率的，而煤爆時(shí)產(chǎn)生高頻、高幅和低頻、高幅多種成分的破裂源，預(yù)示著能量在不斷地加大。

巖爆試驗(yàn)；聲發(fā)射特性；能量；時(shí)頻演化

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭開(kāi)采深度不斷加大，然而深部地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，災(zāi)害頻發(fā)，在礦井中經(jīng)常會(huì)遇到巖爆，由于其突發(fā)性及不可預(yù)測(cè)性，往往會(huì)嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。多年來(lái),學(xué)者針對(duì)礦井中的巖爆災(zāi)害問(wèn)題已經(jīng)從多種角度進(jìn)行了不同分析，積累了大量有價(jià)值的成果[1-6]。由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖爆發(fā)生特征的困難性，所以在室內(nèi)進(jìn)行巖爆模擬試驗(yàn)，輔以多種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段成為研究巖爆發(fā)生機(jī)理的一個(gè)重要手段。那么，如何在室內(nèi)還原巖體巖爆發(fā)生時(shí)的應(yīng)力轉(zhuǎn)化過(guò)程，真實(shí)再現(xiàn)巖爆破壞現(xiàn)象顯得尤為重要。文獻(xiàn)[7-13]分別利用單軸、雙軸、常規(guī)三軸及真三軸試驗(yàn)進(jìn)行了巖石巖爆過(guò)程模擬試驗(yàn)，得到了許多有價(jià)值的結(jié)論。然而，這些試驗(yàn)并沒(méi)有真正地模擬出巖爆發(fā)生時(shí)刻的應(yīng)力轉(zhuǎn)化過(guò)程。巖爆是深部巖體在三向應(yīng)力狀態(tài)下單面突然卸載產(chǎn)生臨空面的條件下，以巖石動(dòng)力破壞的形式瞬間釋放儲(chǔ)存在巖體中的彈性能的現(xiàn)象，室內(nèi)巖爆模擬試驗(yàn)需要實(shí)現(xiàn)上述三向應(yīng)力條件下單面突然卸載的過(guò)程。因此，筆者采用能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的真三軸卸載巖爆模擬裝置，對(duì)煤巖體進(jìn)行了巖爆試驗(yàn)，分析其巖爆破壞特性，同時(shí)監(jiān)測(cè)該試驗(yàn)過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)行參數(shù)和波形分析，找到其主頻演化規(guī)律，以期更加深入地理解煤巖體巖爆過(guò)程的破裂源的損傷演化特性。

1 煤巖體巖爆試驗(yàn)

1.1 巖爆模擬試驗(yàn)原理

巷道開(kāi)挖前巖體處于三向六面受力的平衡態(tài)，開(kāi)挖后巖體出現(xiàn)臨空面成為五面受力，如圖1所示。為此，采用深部巖爆模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行煤巖體巖爆試驗(yàn)。該系統(tǒng)主機(jī)由荷載支承結(jié)構(gòu)、傳力結(jié)構(gòu)、巖爆試驗(yàn)特殊結(jié)構(gòu)等組成，如圖2(a)所示。其中，巖爆特殊結(jié)構(gòu)為可拆卸加載桿，可以實(shí)現(xiàn)單面突然卸載的功能，如圖2(b)所示。在3個(gè)方向6個(gè)壓頭上安裝應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力變化，同時(shí)，在水平主應(yīng)力方向巖石與壓頭之間布置的鋼墊塊內(nèi)挖孔，安置聲發(fā)射探頭進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)，通過(guò)測(cè)試得到應(yīng)力及聲發(fā)射的演化過(guò)程，分析煤巖體巖爆全過(guò)程損傷特性規(guī)律。聲發(fā)射探頭裝置示意圖如圖2(c)所示。

圖1 單元體開(kāi)挖前后受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖

圖2 巖爆模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及聲發(fā)射傳感器布置

1.2 煤巖體巖爆試驗(yàn)加載方式

首先，將試件置于三向加載壓頭中間，使試件中心與加載中心重合，固定好各方向壓頭，加好應(yīng)力測(cè)試傳感器及聲發(fā)射傳感器并做好采集準(zhǔn)備。然后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果，設(shè)計(jì)初始狀態(tài)下的三向應(yīng)力，并從零逐級(jí)加載至該初始地應(yīng)力。試驗(yàn)過(guò)程采用液壓載荷手動(dòng)控制對(duì)試件進(jìn)行分級(jí)加載，達(dá)到初始設(shè)定應(yīng)力值后保持30 min，卸載最小主應(yīng)力σ3至零，并暴露該方向的試件表面，保持最大主應(yīng)力σ1并觀察試件表面變化。如果發(fā)生巖爆破壞，則試驗(yàn)停止，如果試件沒(méi)有任何變化，則將3個(gè)方向的應(yīng)力調(diào)整至下一深度處對(duì)應(yīng)的原巖應(yīng)力狀態(tài)，保持30 min，繼續(xù)觀察試件表面變化情況，如此反復(fù)直至最終發(fā)生巖爆破壞。

2 煤巖體巖爆試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 煤巖體試件制備

煤樣取自鶴崗南山煤礦北五外區(qū)15層綜放面切眼處，觀察煤試樣，肉眼未見(jiàn)炭化的樹(shù)木結(jié)構(gòu)，將煤巖體按尺寸150 mm×60 mm×30 mm加工成巖爆試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體試件，由于其易破碎，加工過(guò)程煤巖表面留下了切割煤樣導(dǎo)致的豎向刀痕。該煤巖體平均單軸抗壓強(qiáng)度為15 MPa，彈性模量為1.43 GPa，泊松比為0.29。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

所取南山煤樣的現(xiàn)場(chǎng)深度為500 m，根據(jù)工程深度及構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)可以確定初始應(yīng)力狀態(tài)，最大主應(yīng)力σ1=γh(γ為巖石的單位容重，h為工程深度)；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可取最小主應(yīng)力σ3=0.2σ1；中間主應(yīng)力σ2=0.4σ1。在該深度上按自重應(yīng)力計(jì)算該深度的原巖三向應(yīng)力狀態(tài)，分別為：σ1=γh=20 kN/m3×500 m=10 MPa；σ2=0.4σ1=4 MPa；σ3=0.2σ1=2 MPa。工程開(kāi)挖后，應(yīng)力的分布有一個(gè)調(diào)整的過(guò)程，在巷道內(nèi)表現(xiàn)為切向應(yīng)力增加、徑向應(yīng)力降低，根據(jù)原巖地應(yīng)力及工程開(kāi)挖的影響，垂直向應(yīng)力集中系數(shù)取2，巖爆試驗(yàn)時(shí)的初始應(yīng)力值σ1=16 MPa，σ2=8 MPa和σ3=4 MPa。

具體試驗(yàn)方案為：先分級(jí)加載三方向應(yīng)力至初始應(yīng)力狀態(tài)。分級(jí)勻速加載，每級(jí)間隔5 min(加載速率0.1 MPa/s)。三方向應(yīng)力均加至最小主應(yīng)力σ3后，保持σ3不變，均勻增加最大主應(yīng)力σ1及中間主應(yīng)力σ2至8 MPa，并保持σ2不變，再增加σ1至設(shè)計(jì)的σ1應(yīng)力值，15 min后迅速卸載主應(yīng)力σ3(或σ2)，并同時(shí)加載最大主應(yīng)力σ1至下一級(jí)應(yīng)力水平，觀察是否有巖爆發(fā)生。如果沒(méi)有巖爆發(fā)生，15 min后按σ1對(duì)應(yīng)的σ2和σ3值加載σ2和σ3，15 min后再重復(fù)上述卸載過(guò)程。

每一級(jí)應(yīng)力水平設(shè)計(jì)增量值為2 MPa,值得注意的是由于試驗(yàn)機(jī)為手動(dòng)人工加載，因此實(shí)際應(yīng)力值跟方案設(shè)計(jì)值有差別，導(dǎo)致實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線會(huì)有波動(dòng)。圖3為該煤巖體試件的實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線。

圖3 煤樣試件實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線

鶴崗煤巖試件巖爆試驗(yàn)共進(jìn)行1次卸載后試件發(fā)生破壞。在第4、5級(jí)加載時(shí)聽(tīng)到聲響，第8級(jí)加載時(shí)有小聲響，在初始應(yīng)力保持30 min后，水平一個(gè)方向單面突然卸載，然后增加豎直方向荷載。卸載瞬間有塊狀碎屑剝落，垂直和水平應(yīng)力降低較大；打開(kāi)供油路后，有小顆粒掉落，43 s后聽(tīng)到聲響；增加垂直應(yīng)力，130 s時(shí)聲響加大，有小塊狀碎屑掉落，基本穩(wěn)定；繼續(xù)增加垂直荷載，161 s時(shí)左下部有一片狀碎屑彈射，166 s時(shí)左中上部有片狀碎屑彈射，170 s時(shí)塊片狀碎屑彈射增多，試件全面爆裂。臨界破壞應(yīng)力為17.8、8.0、0.0 MPa，其軸向臨界破壞應(yīng)力值是該煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度的1.19倍。

圖4為試驗(yàn)后煤巖體破裂的表面特征。由圖4可以看出：該試件正面中上部留有碎屑彈出后的爆坑；從側(cè)面可以看到試件上部約一半厚的煤被彈出，斜向裂紋將煤試件斷開(kāi)，留下較為粗糙的表面；從頂部可以看到橫向貫穿裂紋。

圖4 煤樣試件破壞后形態(tài)

2.3 聲發(fā)射參數(shù)分析

巖石受載破壞的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是能量吸收和釋放的轉(zhuǎn)化過(guò)程，從聲發(fā)射能量的角度分析巖石巖爆試驗(yàn)過(guò)程中的變化特征更具有代表性[15-21]。圖5為煤巖體試件實(shí)測(cè)聲發(fā)射累計(jì)能量及能率演化圖，試驗(yàn)最終累計(jì)聲發(fā)射能量釋放量為(1.83E+5) mv·ms。

圖5 聲發(fā)射能率及累計(jì)釋放能量隨時(shí)間的變化曲線

從圖5中可以看出：在初始加載時(shí)期，聲發(fā)射能率較大，這是由于原生裂隙閉合引起的能量釋放，隨后，在每級(jí)加載過(guò)程中，煤巖體內(nèi)部微裂隙不斷發(fā)育、擴(kuò)展，都伴隨有明顯的能量釋放；在荷載保持階段，能量釋放較少，煤巖體進(jìn)入穩(wěn)定階段；卸載最小主應(yīng)力后，能率釋放密集出現(xiàn)，累計(jì)聲發(fā)射能量快速增大，預(yù)示著煤巖體內(nèi)部微裂隙不斷貫通形成宏觀裂隙，進(jìn)入非穩(wěn)定損傷階段；在煤爆時(shí)刻，聲發(fā)射能率釋放值達(dá)到最大，累計(jì)釋放能量也達(dá)到峰值，大量的能量以煤巖體裂紋快速擴(kuò)展、碎屑彈射崩落、試件垮塌的形式釋放。

煤巖體試件各級(jí)實(shí)測(cè)應(yīng)力水平及對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射能率和累計(jì)能量值見(jiàn)表1。

表1 煤巖體巖爆加、卸載過(guò)程及對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射水平

從表1中可以看出，煤巖體經(jīng)歷8級(jí)加載后進(jìn)入保持階段，一次卸載后發(fā)生最終巖爆破壞，其巖爆破壞的軸向強(qiáng)度約為其單軸抗壓強(qiáng)度的1.19倍。

3 聲發(fā)射時(shí)頻演化規(guī)律分析

聲發(fā)射作為一種無(wú)損檢測(cè)手段，已廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)研究領(lǐng)域，并取得了很多研究進(jìn)展[14-17]。相較于聲發(fā)射參數(shù)分析，波形分析雖然處理程序較為繁瑣，但更能深入分析破裂源特性，是理解煤巖體試件巖爆全過(guò)程損傷演化規(guī)律的重要手段[18-21]。筆者將該煤巖體試件此次巖爆過(guò)程所產(chǎn)生的全部聲發(fā)射信號(hào)文件進(jìn)行波形處理，即將數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，得到聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域上的頻域特征，并以幅值來(lái)表征頻域能量分布。對(duì)該時(shí)間序列信號(hào)所進(jìn)行的快速傅里葉變換，如下式所示:

0≤k≤N-1。

式中：N為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；x(n)為數(shù)據(jù)系列。

選取整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的第3、6、8級(jí)加載，卸載時(shí)刻，最終破壞前以及最后的煤爆階段的典型波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻處理，對(duì)頻率與幅值分布劃分密度區(qū)間，統(tǒng)計(jì)其分布特征，結(jié)果如圖6所示。紅色區(qū)域表示數(shù)據(jù)分布最為密集，而黑色區(qū)域則表示該區(qū)域基本沒(méi)有數(shù)據(jù)。

一般認(rèn)為高頻信號(hào)代表著微張裂紋產(chǎn)生，而低頻信號(hào)則代表著微剪裂紋產(chǎn)生。波形信號(hào)分析能夠獲得聲發(fā)射幅值和頻率的演化特征，這對(duì)于表征巖石試件破壞特征具有重要意義。高幅值波形信號(hào)通常集中出現(xiàn)在低頻率區(qū)域且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，預(yù)示著高能量的釋放[22-25]。

圖6 煤爆試驗(yàn)聲發(fā)射時(shí)頻特性區(qū)域分布

由圖6可知，隨著煤爆試驗(yàn)加、卸載過(guò)程的進(jìn)行，其頻率-幅值分布區(qū)域發(fā)生明顯的變化。初始的第3、6、8級(jí)加載產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻分布較為接近，證明破裂源相似，且信號(hào)數(shù)據(jù)密集地集中在低幅值、低頻率區(qū)域，即產(chǎn)生的能量較小的微剪裂紋較微張裂紋多。卸載階段，破裂源特性復(fù)雜，產(chǎn)生的信號(hào)種類較多，高頻、低幅信號(hào)及低頻、高幅信號(hào)大量產(chǎn)生，即剪裂紋和張裂紋均大量出現(xiàn)，尤其是張性破壞明顯增強(qiáng)。臨界最終煤爆之前，高頻、低幅信號(hào)繼續(xù)增多但低頻、低幅信號(hào)明顯減少，即主要產(chǎn)生大量微張裂紋。最終煤爆時(shí)，具有高頻成分的幅值進(jìn)一步加大，低頻、低幅信號(hào)幾乎沒(méi)有，而是集中在高幅區(qū)域。表明在煤爆時(shí)刻，大量高能量的宏觀張性及剪性裂紋產(chǎn)生，微觀裂隙貫通使煤試件發(fā)生最終破壞。煤爆試驗(yàn)全過(guò)程的時(shí)頻特性經(jīng)歷了由主要的低頻、低幅單一破裂源向高頻、高幅和低頻、高幅多種成分的破裂源演化，也預(yù)示著能量不斷地加大。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用真三軸卸載巖爆模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)煤巖體試件進(jìn)行了室內(nèi)巖爆試驗(yàn)，找到了該煤巖體試件的巖爆臨界破壞強(qiáng)度值，即17.8 MPa，是其單軸抗壓強(qiáng)度的1.19倍。該過(guò)程聲發(fā)射累計(jì)釋放能量值達(dá)到(1.83E+5)mv·ms。繪制巖爆試驗(yàn)中聲發(fā)射能率隨時(shí)間的變化曲線，發(fā)現(xiàn)初始加載時(shí)能率較高，進(jìn)入保持階段能率很低，而巖爆時(shí)刻高能率值密集出現(xiàn)，說(shuō)明聲發(fā)射能量迅速釋放。

2)對(duì)煤巖體試件產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行波形分析，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，選取試驗(yàn)過(guò)程中典型的加、卸載階段及巖爆時(shí)刻進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的頻率-幅值密度分布分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在加載階段，信號(hào)頻譜是低幅值、低頻率的；在卸載階段，高頻、低幅信號(hào)及低頻、高幅信號(hào)出現(xiàn)；在煤爆時(shí)，高頻成分幅值進(jìn)一步加大，低頻信號(hào)幾乎都集中在高幅值區(qū)域。即煤爆試驗(yàn)全過(guò)程時(shí)頻特性經(jīng)歷了由主要的低頻、低幅單一破裂源向高頻、高幅和低頻、高幅多種成分的破裂源演化，也預(yù)示著能量不斷地加大。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402269)；深部巖石力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SKLGDUEK1524)；華北水利水電大學(xué)高層次人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(40583,40467);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(18A170008)。

趙菲(1986—),女,河北石家莊人,講師,博士,從事巖石力學(xué)、聲發(fā)射理論及試驗(yàn)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

(責(zé)任編輯喬翠平)