瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量超聲檢測最佳頻率研究

于麗雅，趙永芳，張哲瑞，盧國菊

(山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600)

瓦斯抽采鉆孔封孔段孔周存在裂隙過多會造成抽采濃度下降，瓦斯抽采效果也會因此受到影響。超聲波對裂隙有天然的敏感性，許多學(xué)者進行了相關(guān)研究，利用超聲波探測裂隙的發(fā)展情況，檢測鉆孔不同角度、不同深度的孔壁超聲波參數(shù)，進而得出抽采鉆孔在不同位置的密封特性[1-4].為了定量化開展裂紋參數(shù)研究，采用超聲波儀采集不同頻率下的含孔試樣漸進性破壞過程中的透射波數(shù)據(jù)，得到不同階段的超聲波波形，從頻域的功率譜密度和時域的超聲波波形幅值兩個角度進行分析[5-7]，從而得到檢測效果好的最佳檢測頻率。

1 超聲波波形收集

實驗開始之前，預(yù)先測量記錄實驗樣品的寬度。將實驗樣品平穩(wěn)放置在試驗機儀器底座后，在實驗樣品左右兩側(cè)涂抹耦合劑，再將聲波儀的發(fā)射端和接收端貼牢固。

將聲波儀的發(fā)射方式設(shè)置為連續(xù)發(fā)射，采樣長度為512 us.在試驗機未加壓時，進行首次測量，測試試樣的超聲波波形，從而計算分析出試樣的初始狀態(tài)參數(shù)。隨后，每升壓1 kN，進行一次測量，獲得波形數(shù)據(jù)，直到試樣破壞。

波形數(shù)據(jù)見圖1.圖1中，曲線0 kN即未加壓的波形，曲線3～15 kN分別為壓力機軸向壓力3～15 kN，每增壓1 kN時所收集到的波形數(shù)據(jù)。

圖1 加載過程中的波形圖

如圖1所示，0～15 kN壓力區(qū)內(nèi)，波形無明顯差異，相似性較高；0～12 kN壓力區(qū)內(nèi)，波形存在1～2 us的延遲，較好地采集了波形，但是透射波穿過試樣的同時，會伴隨著多次的反射和衍射。此外，這些振動會和發(fā)射端的運動疊加，出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，因此波形圖上會有明顯的變化，如第二、第三波峰的幅值大幅上升，最大值超過1 500 mV.

2 超聲波檢測的功率譜密度演化規(guī)律

當(dāng)遇到煤巖體中的孔洞與巖體結(jié)構(gòu)面時，會造成波的反射，波形中會存在能量損失，因此，功率譜對煤巖體中的孔洞特別敏感。為此，通過分析含孔試樣的透射波波形，對比功率譜密度，總結(jié)出試樣破壞過程中功率譜密度的變化規(guī)律。依據(jù)此思路，計算整理了含孔試樣功率譜密度。

試樣初始功率譜密度見圖2.如圖2所示，功率譜密度頻率大于1×105Hz的區(qū)域內(nèi)，存在衰減的現(xiàn)象，而后基本處于-50 dB/Hz；對比之下，功率譜密度頻率處于4.5×104～5.2×104Hz內(nèi)達(dá)到峰值。由此可見，通過發(fā)射端穿透試樣，最后到達(dá)接收端采集的波形中，頻率范圍介于4.5×104～5.2×104Hz時，所攜帶的能量最大，同時，試樣在4.5×104～5.2×104Hz頻率范圍內(nèi)，波形的穿透力較強，且能夠最好的響應(yīng)振動。

圖2 試樣初始功率譜密度圖

3 不同頻率超聲波的功率譜密度特征

在試驗開始前測得不同頻率下試樣的初始波形，并計算得到不同頻率下試樣的功率譜密度,見圖3.

圖3 不同頻率的試樣功率譜密度圖

在破壞過程中，含孔試樣的功率譜密度都出現(xiàn)了衰減的現(xiàn)象，而且頻率不同時，試樣的衰減程度存在明顯的差異，見圖3.采用12.5 kHz探頭進行試驗，結(jié)果如圖3a)，開始試樣就出現(xiàn)衰減的趨勢，整體呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近。試驗表明，試樣在該頻率范圍內(nèi)振動響應(yīng)較差，波形穿透力不強。由此可見，12.5 kHz頻率，檢測效果較差。

采用25 kHz探頭進行試驗，結(jié)果見圖3b)，當(dāng)頻率>105Hz時，試樣也同樣出現(xiàn)了衰減的趨勢，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近；譜峰出現(xiàn)在1.8×104～2.7×104Hz.試驗表明，由發(fā)射端穿過試樣到達(dá)接收端的波形中，1.8×104～2.7×104Hz所攜帶的能量最大。

采用50 kHz探頭進行試驗，結(jié)果如圖3c)，當(dāng)頻率>105Hz時，衰減過程相同，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近；譜峰出現(xiàn)在4.5×104～5.2×104Hz.試驗表明，由發(fā)射端穿過試樣到達(dá)接收端的波形中，4.5×104～5.2×104Hz所攜帶的能量最大，此外，在這個頻率范圍內(nèi)，試樣波形的穿透力比較強，能夠很好的響應(yīng)振動。因此可以確定，檢測頻率50 kHz時，效果是比較好的。

采用100 kHz探頭進行試驗，結(jié)果見圖3d)，當(dāng)頻率>105Hz時，試樣出現(xiàn)衰減的趨勢，各條曲線波動較大，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近；譜峰出現(xiàn)在9.5×104～10.2×104Hz.試驗表明，由發(fā)射端穿過試樣到達(dá)接收端的波形中，9.5×104～10.2×104Hz所攜帶的能量最大，此外，在這個頻率范圍內(nèi)，試樣波形的穿透力比較強，能夠很好的響應(yīng)振動。因此可以確定，檢測頻率100 kHz時，效果比較好。

采用250 kHz探頭進行試驗，結(jié)果見圖3e)，從實驗之初就出現(xiàn)了衰減的趨勢，最終頻率基本處于-50 dB/Hz附近；整體呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢，這意味著，試樣在該頻率范圍內(nèi)振動響應(yīng)較差，波形穿透力不強。因此可以確定，檢測頻率250 kHz時，效果是比較差的。

4 不同頻率超聲波的檢測精度

含孔試樣在破壞過程中功率譜密度會因為試樣的破壞，造成衰減程度產(chǎn)生較大的差異。根據(jù)超聲波對裂隙敏感性的特點，測試不同頻率試樣在破壞時的衰減程度，衰減程度越大的超聲波頻率對裂隙越敏感。也就是說，衰減程度越大，此頻率檢測的精度就越高，見圖4,研究發(fā)現(xiàn)，不同頻率試樣在破壞過程中的衰減呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

將超聲波頻率劃分為低頻0～160 kHz，中頻160～340 kHz，高頻340～500 kHz 3個階段。

對比圖3a)，圖4a)中采用12.5 kHz探頭進行試驗，在低頻區(qū)，衰減程度顯著增強，能量損失也比較大，可見超聲波在穿過裂紋的過程中存在能量損失，在低頻區(qū)，超聲波對裂紋來說比較敏感。

對比圖3b)，圖4b)中采用25 kHz探頭進行試驗，在低頻區(qū)，特別是在22～25 kHz，不同應(yīng)力階段十分突顯，衰減程度顯著增強，該階段對裂紋比較敏感。

對比圖3c)，圖4c)中采用50 kHz探頭進行試驗，在低應(yīng)力區(qū)，含孔試樣裂隙擴展不明顯，破壞程度比較低，功率譜密度衰減程度較小，然而當(dāng)強度接近峰值時，如98.1%σp，功率譜密度顯著衰減，特別是在48～52 kHz的超聲波對裂隙敏感。

對比圖3d)，圖4d)中采用100 kHz探頭進行試驗，在低頻率階段，衰減程度急劇增強。在圖3e)中，采用250 kHz探頭進行試驗，功率譜密度整體呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢，最終維持在頻率在-50 dB/Hz附近；在圖4e)中250 kHz的試樣，在低頻率階段，衰減程度急劇增強。

圖4 不同頻率的試樣功率譜密度衰減規(guī)律圖

綜上所述，在低頻階段，超聲波頻率對裂隙有很強的敏感性，12.5 kHz、25 kHz、50 kHz在低頻檢測階段的檢測精度高，但12.5 kHz的試樣，整體呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢，頻率范圍內(nèi)振動響應(yīng)較弱，波形穿透力不強。

5 結(jié) 論

超聲波工作頻率為25 kHz、50 kHz、100 kHz時，分別在1.8×104～2.7×104Hz，4.5×104～5.2×104Hz及9.5×104～10.2×104Hz達(dá)到譜峰，此3種工作頻率波形穿透力較強，振動響應(yīng)好，主頻分辨率較高。超聲波工作頻率為25 kHz、50 kHz時，在低頻檢測階段的檢測精度高，但是25 kHz的試樣功率譜密度譜峰較小，其分辨率較低，頻率范圍內(nèi)振動響應(yīng)較弱，波形穿透力不強；100 kHz的試樣由于在不同應(yīng)力階段的衰減極為相似，其分辨率較低。

綜合以上，50 kHz的超聲波頻率的有效檢測半徑滿足要求，而且在這個頻率范圍內(nèi)，波形穿透力較強，振動響應(yīng)好，檢測精度高，是最佳檢測頻率。