自然和饱水煤样巴西劈裂过程声发射幅频特征试验.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n Vo l .45 No .12 Dec .2019 第45卷第12期 2019年12月 文章编号1671-251X201912-0040-06DOI10. 13272/j . issn . 1671251x. 2019030045 自然和饱水煤样巴西劈裂过程声发射幅频特征试验 陈同庆沈荣喜12 李红儒侯振海张昕1 1.中国矿业大学安全工程学院江苏 徐州221116； 2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室％江苏徐州221116扫码移动阅读 摘要为研究水对煤样拉伸破裂过程中力学及声发射特性的影响，对自然和饱水煤样进行巴西劈裂试 验，利用频谱分析法对声发射波形信息进行研究试验结果表明拉伸破裂过程中，饱水煤样主频集中范围 小于自然煤样；破坏阶段饱水煤样释放的能量比自然煤样少，其最大主频幅值低于自然煤样；自然煤样声发 射信号以低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值信号为主，煤样破裂时低频和高频信号有向中频带转移的趋 势，饱水煤样声发射信号以低频低幅值信号为主，煤样破裂时低频高幅值和中频低幅值信号增加；低频高幅 值信号对应煤样破裂过程中大尺度裂纹产生；饱水煤样破裂时低频高幅值信号数量多于自然煤样，反映了饱 水煤样破裂时产生的大尺度裂纹更多 关键词煤岩受载稳定性；含水煤岩拉伸破坏；饱水煤样；声发射；频谱分析；煤样裂纹扩展 中图分类号TD315 文献标志码A Exper imen t o f a mpl it ud ea n d f r eq uen c y f ea t ur eo f a c o ust ic emiss io n d ur in g Br a z il ia n spl itin g t es t in g o f n a t ur a l a n d sa t ur a t ed c o a l s a mpl e s CHEN To n g q in g1, SHEN Ro n g xi12 , LI Ho n g r u1 , HOU Zh en h a i1 , ZHANG Xin1 1.Sc h o o l o f Sa f et y En g in ee r in g ,Ch in a Un iv er sit y o f Min g a n d Tec h n o l o g y ,Xuzh o u 221116,Ch in a ; 2.Ke y La bo r a t o r y o f Co a l Min eGa sa n d Fir eP r ev e n t io n a n d Co n t r o l o f t h e Min ist r y o f Ed uc a t io n , Ch in a Un iv er sit y o f Min in g a n d Tec h n o l o g y ,Xuzh o u 221116,Ch in a Abstract In o r d er t o st ud y in f l uen c e o f w a t er o n mec h a n ic a l a n d a c o ust ic emissio n AE c h a r a c t er ist ic s o f c o a l sa mpl e sd ur in g t e n sil e a n d r upt ur e,Br a zil ia n spl itin g t e st w a sc a r r ied o ut o n n a t ur a l a n d sa t ur a t e d c o a l sa mpl es, a n d t h e AE w a v ef o r m in f o r ma t io n w a s st ud ied by spec t r um a n a l y sis. Th e t est r esul t s sh o w t h a t d ur in g t h e t en sil e a n d r upt ur e pr o c ess,d ist r ibut io n r a n g e o f t h e sa t ur a t e d c o a l sa mpl e d o min a n t f r eq uen c y sig n a l is l o w er t h a n t h a t o f t h e n a t ur a l c o a l sa mpl e. In d est r uc t io n st a g e, t h e sa t ur a t e d c o a l sa mpl er e l ea sesl e ss en er g y t h a n t h e n a t ur a l c o a l sa mpl e, a n d it s ma ximum a mpl it ud e o f d o min a n t f r eq uen c y isl o w er t h a n t h en a t ur a l c o a l sa mpl e .Th en a t ur a l c o a l s a mpl eAEsig n a l isma in l y l o w -f r eq uen c y l o w -a mpl it ud e, med ium-f r eq uen c y l o w -a mpl it ud e a n d h ig h -f r eq uen c y l o w -a mpl it ud e, a n d t h e l o w - f r eq uen c y a n d h ig h -f r eq uen c y t en d t o sh if t t o t h e mid d l e-f r eq uen c y ba n d w h e n t h e c o a l sa mpl er upt ur es. Th esa t ur a t ed c o a l sa mpl eAEsig n a l sisma in l y l o w -f r eq ue n c y l o w -a mpl it ud e,a n d t h el o w -f r eq ue n c y h ig h - a mpl it ud e a n d med ium-f r eq uen c y l o w -a mpl it ud e in c r ea se w h en t h e c o a l sa mpl e r upt ur es. Th e l o w - f r eq uen c y h ig h -a mpl it ud e sig n a l s c o r r espo n d t o t h e l a r g e sc a l e c r a c ks g en er a t ed d ur in g t h e c o a l sa mpl e r upt ur e .Wh en t h esa t ur a t ed c o a l sa mpl e r upt ur e s,t h en umbe r o f l o w -f r eq ue n c y h ig h -a mpl it ud esig n a l sis mo r e t h a n t h a t o f n a t ur a l c o a l sa mpl es, w h ic h r ef l ec t s t h a t t h e l a r g e sc a l e c r a c ks g en er a t ed d ur in g t h e 收稿日期收稿日期2019-03-18;修回日期修回日期2019-11-22;责任编辑责任编辑胡娴。 基金项目国基金项目国家自然科学基金项目51104156,51504244。 作者简介作者简介陈同庆1995 ,男，河南周口人，硕士研究生，主要研究方向为煤岩动力灾害监测和预警,E-ma il15036845095163. c o m。 引用格式引用格式陈同庆，沈，沈荣喜,李红儒，等，等.自然和饱水煤样巴西劈裂过程声发射幅频特征试验工矿自动化，2019,451240-44. CHEN To n g q in gSHEN Ro n g xiLI Ho n g r uet a l 8Exper imen t o f a mpl it ud ea n d f r eq uen c y f ea t ur eo f a c o ust ic emissio n d ur in g Br a zil ia n spl it t in g t est in g o f n a t ur a l a n d sa t ur a t ed c o a l sa mpl es[J. In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n,2019,45 12 40-44. 2019 12 陈同庆等自然和饱水煤样巴西劈裂过程声发射幅频特征试验 ・・41・ ・ r upt ur e o f t h e sa t ur a t ed c o a l sa mpl e a r e mo r e t h a n o t h er c r a c ks. Key words l o a d st a bil it y o f c o a l a n d r o c k; w a t er -be a r in g c o a l a n d r o c k t en sil e f a il ur e; sa t ur a t ed c o a l sa mpl e; a c o ust ic emissio n; f r eq uen c y spec t r um a n a l y sis; c a o l sa mpl e c r a c k pr o pa g a t io n 0引言引言 随着矿井开采深度不断增加，煤矿生产面临煤 与瓦斯突出、冲击地压等安全问题。煤层注水、水力 冲孔等水力措施作为预防这类灾害的技术手段被广 泛应用1「2。水力措施的广泛应用及原生地下水系 的存在使煤岩的原始结构状态发生变化囚- 水对岩石的物理力学性质有显著影响「4勺。 郭佳奇等⑹研究表明，水对岩溶灰岩的单轴抗压强 度、抗拉强度和弹性模量有明显影响，饱水岩样峰值 应变和泊松比大于自然岩样。朱朝辉等⑺研究表 明，砂岩在饱和-干燥循环条件下比长期浸泡条件 下抗拉强度降低更显著。P . Ba ud[8对饱水砂岩进 行三轴压缩试验，并用微观力学模型解释了水的弱 化与破坏模式之间的关系。 水对岩石的地球物理性质也有明显改变，如对 声发射的影响。。声发射是指岩石在破裂过程中释放 出弹性波的现象。声发射信号包含岩石破裂过程中 内部结构变化和受力状态等信息，通过分析声发射 信号变化规律可得出岩石破坏前兆特征10。前人 针对含水煤岩受载破坏过程中声发射变化特征进行 了大量研究11。。王笑然等12对比自然和饱水煤样 受载破坏时声发射信号的差异，总结了煤样破坏前 声发射信号的变化特征。张艳博等13研究了自然 和饱水煤石干石压缩破坏时声发射信号主频和f值特 征，并认为可利用饱水煤肝石声发射信号主频和f 值的突变特征对矿山动力灾害进行预警。 。 现有文献对含水煤岩受载破坏的研究多集中于 对 煤岩 理力学 性 影 响 和 煤岩 程 中 声 发射信号时域特征分析，而对煤岩拉伸破坏过程中 声发射信号频域特征分析较少，特别是考虑水对煤 岩拉伸破坏过程中声发射信号频谱特征影响的分析 更少。煤矿井下煤岩多为拉伸破坏并且受水影响， 故研究水- -岩作用后煤岩拉伸破坏过程中声发射信 号频谱特征，对煤岩受载稳定性监测及保障矿井安 全生产有重要借鉴意义。本文对自然和饱水煤样进 行巴西劈裂试验并监测声发射信号，采用频谱分析 方法研究自然和饱水煤样破坏过程中声发射信号主 频和主频幅值变化差异，揭示声发射信号主频和主 频幅值变化特征与煤样裂纹扩展的关系。 。 1煤样制备及试验方法煤样制备及试验方法 1. 1 煤样制备 煤 自黑龙江龙煤集团鹤岗矿业公司峻德煤 矿 平北17层三四 分层工 。。按照 岩石力学学会标准，将表面无 大煤块加工成 050 mm f 25 mm的圆盘试样，选取符合标准的 10块试样并分为2组，每组5块试样。A组试样标 号为A1- -A5，方 ，方 自然状态下。。B组试样标号为 Bi B5，放置于容器中，加水使试样全部淹没，定时 重72 h左右 饱 态。。自然煤样平均含水 率 1.6，饱，饱水煤样平均含水率 5. 3 o 1. 2 声发射试验系统 声发射试验系统主要包括单轴加载子系统和声 发射数据采集 统，如图1所示。 。 统采用新SANS微机控制 服压力试验机自 动采集 、位移和 据。。声发射数据采集 统主要由CTA- -l型声电动态数据采集器、声 发射传感器、前置放大 组成，能同时高速采集8 通 声发射信号。 。 1-新SANS微机控制电液伺服压力试验机；2 承压板；3垫条； 4-煤样；5-声发射传感器；6前置放大器； 7 声电动态数据采集器；8载荷控制器。 图1声发射试验系统 Fig . 1 Ac o ust ic emissio n exper imen t a l sy st em 1. 3 试验过程 试验前采用断铅法进行声发射信号测试，确定 声 射 试 验 统 行 试 验 试 验 盘状试件 压 ，并在试件 压板 各 根 钢丝 ，将声发射传感 定在煤 ，并 士 合 合，以确 保煤样变 生的声发射信号被传感 7收。 设声发射门槛值为40 d B・・m，，采样频率为 1 MSP S， ， 大 40d B 压 力 试 验 机 采 载荷控制，力 率为50 N/so开启压力试验机的 ・42・ 工矿自动化 45 同时开始采集声发射信号数据，直至试样破坏。试 验结束后，处理并分析采集的数据。 2煤样力学特性煤样力学特性 试验结果表明自然煤样抗拉强度为1. 432〜 1. 782 MP a ,均值为1. 442 MP a；饱水煤样抗拉强度 为0. 718〜1. 314 MP a ,均值为0. 938 MP a；饱水煤 样抗拉强度比自然煤样低34. 95，软化系数为 0.65。由于篇幅有限，本文选取自然煤样A3、饱水 煤样B进行对比分析。煤样破坏过程中载荷-位 移曲线如图2所示。 3 500r自然煤样A3 3 000 k-饱水煤样B4 2 500 / 您 g 2000 /r 和5 ..、 /I/ f \ 葺「 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 位移/ mm 图2煤样破坏过程中载荷-位移曲线 Fig 2 Lo a d -d ispl a c emen t c ur v ed ur in g c o a l sa mpl e f a il ur epr o c e ss 从图2可看出，自然和饱水煤样拉伸劈裂破坏 过程可分为4个阶段压密阶段（阶段I ）、弹性变形 阶段（阶段 ）、塑性变形阶段（阶段）和破坏阶段 （阶段（）o自然煤样载荷达到抗拉强度峰值后，瞬 间跌落到零，煤样表现出明显的脆性破坏特征。饱 水煤样在劈裂过程中出现分次破裂特征，塑性变形 阶段时间明显变长，并且当载荷达到峰值后没有迅 速跌落，煤样表现出一定的塑性破坏特征。上述现 象表明，煤样被水浸泡后，水使煤样产生物理及化学 劣化,颗粒内部分子间作用力减小，脆性减弱，塑性 ， 煤 性 征。 3声发射信号频谱特征分析声发射信号频谱特征分析 3. 1 声发射信号主频和主频幅值提取 声发射信号的主频和主频幅值等频谱特征与岩 石破裂活动密切相关，包含岩石破裂类型、尺寸等信 息（14）。通过快速傅里叶变换（FFT）可将声发射信 号时域特征变换为频域特征，绘制出声发射频谱图 并获取幅频信息。将频谱图中最大幅值定义为声发 射主频幅值，主频幅值所对应的频率定义为主频。 以A3试样试验过程中第1739号声发射信号波形 转换为例，说明声发射信号主频和主频幅值的提取 程， 图3 所 。 Fig 3 Ext r a c t io n pr o c e sso f d o min a n t f r eq ue n c y a n d it sa mpl it ud e 3. 2声发射信号主频幅值特征 自然和饱水煤样破坏过程中主频幅值变化如 图4所示。自然煤样从压密阶段到塑性变形阶段主 频幅值变化较为稳定，主频幅值集中于0. 025 mV 以下；进入破坏阶段后，自然煤样内部的裂纹贯穿， 时间/s （b）饱水煤样B4 图4煤样破坏过程中主频幅值变化 Fig 4 Ampl it ud ec h a n g e o f d o min a n t f r eq ue n c y d ur in g c o a l s a mpl ef a il ur epr o c ess 2019 12 陈同庆等自然和饱水煤样巴西劈裂过程声发射幅频特征试验 ・43・ 生宏 ，释放大 ，出现较大 主频幅值。饱水煤样从压密阶 性变形阶段释 少，主频幅值集中在0.025 mV以下；每次 饱水煤样都 大量能量，对应 高 主频幅值信号，同时低主频幅值信号也大 。 3. 3 主频和归一化主频幅值耦合特征 将主频分为低频带（0〜75 kHz）、中频带（75〜 150 kHz）和高频带（150〜230 kHz），对主频幅值进 行归一化处理并分为低幅值（归一化值0. 12）和高 幅值（归一化值〉0. 12）。对试验过程中全部声发射 信号进行处理及统计，得出煤 程中声发射 信号主频和主频幅值 合特征，如图5所示。 低频低幅值240 中频低幅值 中频高幅值 ・低频高幅值■高频低幅值 载荷 （a）自然煤样A3 载荷 3「低频低幅值* ・低频高幅值 （b）饱水煤样B4 图5煤样破坏过程中主频与归一化主频幅值耦合特征 Fig 5 Co upl in g c h a r a c t er ist ic so f d o min a n t f r eq ue n c y a n d n o r ma l ized d o min a n t f r eq uen c y a mpl it ud e d ur in g c o a l s a mpl ef a il ur epr o c ess 从图5可看出，压密阶段和弹性变形阶段，自然 煤 部原生 、* 压密和 纹 生 动产生的声发射信号较 ，以低频 低幅值、中频低幅值和高频低幅值3种信号为主，低 频高幅值和中频高幅值信号 较少。 性阶 自然煤 部不断有 纹产生及贯通，低频低 幅值、中频低幅值和高频低幅值信号 ，并且 低频低幅值和高频低幅值2种信号有向中频 移 趋势。 阶段， 降，出现少量低 频高幅值和中频高幅值信号。 饱水煤 受 影响，在压密阶段和弹性 变 阶 部 动 较 生 声 射信号少 主 频信号简单，声发射信号以低频低幅值为主。塑性 阶 、煤样产生 ，低频低幅值、 低频高幅值和中频低幅值信号点大 。 载 升，声发射信号 ，主频信号 减 少。 煤 ， 低 频低 幅值和低 频高 幅值信 号 有 趋势。 程中，饱水煤样声发射信号主频集中在 4〜32 kHz ,自然煤样声发射信号主频集中在5〜 185 kHz ,自然煤样主频信号分布范围 。由于 水的作用改变了煤样内部结 理性质, 饱水煤样主频范围小于自然煤样。 自然和饱水煤 、产生宏观破裂时, 都有低频高幅值信号 ， 信号与宏［裂 有较好的对应 ，故可把低频高幅值信号 ［作 为煤岩 征。 4讨论与分析讨论与分析 声 射信号主频和主频幅值与岩 纹 有 关（15皿。自然和饱水煤 降时，低频高 幅值信号 ， 类信号对应着大裂 纹 生。 饱 煤 阶 低 频高 幅值信号 信号总 8. 92，而自然煤样低频高幅值信 号 2.34。饱水煤样低频高幅值信号 I 自然煤样，主要原因是 煤 生了 和蠕变特性,饱水煤 容 ，产生的 大 纹 ， 对应饱 煤 阶 声 射低 频高幅值信号 自然煤 。 浸泡过水，饱水煤样破坏更充分，裂纹更 多。自然和饱水煤样拉 纹形态如图6 所。 （a） 自然煤 A3 b 饱 煤 B4 图6自然和饱水煤样破坏形态 Fig 6 Na t ur a l a n d sa t ur a t ed c o a l sa mpl ef a il ur e pater n s -44 - 工矿自动化 45 由图6可看出，自然煤样的破坏形式为张拉破 坏，饱水煤样为“张拉剪切”破坏。自然煤样有一 条主裂纹贯穿且伴有极少的次生裂纹，而饱水煤样 劈裂破坏过程中出现二次破裂，破坏后除主裂纹外 还伴有次生裂纹。出现这种现象主要有2个方面原 因①由于水岩相互作用，饱水煤样颗粒内部的分 子间作用力减小，黏聚力减小，内摩擦因数降低，试 样更容易发生破坏。②水进入煤样内部后填充在 孔隙、裂隙内，在加载过程中饱水煤样内部孔隙体积 减小，引起孔隙水压增加，使裂纹尖端附近产生较高 附加应力，加上剪应力的作用，孔隙、裂隙发展贯通 形成宏观裂纹，导致饱水煤样劈裂破坏过程中除产 生轴向主裂纹外，还产生少量次生裂纹。 5结论结论 1 自然煤样抗拉强度均值为1.442 MP a ,饱 水煤样抗拉强度均值为0. 938 MP a ,软化系数为 0.65。饱水煤样塑性阶段持续时间比自然煤样长。 自然煤样达到抗拉强度后瞬间破坏，表现出脆性破 坏特征，饱水煤样出现分次破裂，达到抗拉强度后呈 现出塑性破坏特征。自然煤样的破坏形式为张拉破 坏，而饱水煤样为“张拉剪切”破坏。 2 -岩相 饱 煤 的能量少于自然煤样，对应饱水煤样最大主频幅值 低于自然煤样。自然煤样破坏过程中以低频低幅 值、中频低幅值和高频低幅值信号为主，临近破坏时 低频带和高频带信号数量增加，并有向中频带扩散 的趋势。饱水煤样声发射信号以低频低幅值信号为 主，煤样破坏时低频低幅值、低频高幅值和中频低幅 值信号点大量出现。 3 低频高幅值信号与宏观破裂有很好的对应 关系，低频高幅值信号的出现可以作为煤岩破坏前 兆特征。饱水煤样破坏时低频高幅值信号占比高于 自然煤 饱 煤 阶 生 纹 大 自然煤 分 主 纹外还 有 生 裂纹。 参考文献References 1 ］王兆丰，范迎春，李世生.水力冲孔技术在松软低透突 出煤层中的应用［J］.煤炭科学技术，2012,402 52-558 WANG Zh a o f en gFAN Yin g c h unLI Sh ish en g 8 Appl ic a t io n o f b o r eh o l eh y d r a ul ic f l ush in g t ec h n o l o g y t o so f t a n d o ut bur st sea m w it h l o w per mea bil it y ［J］. 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CHEN Ch un jia nZHAO Ya o jia n gGUO Sh en g l ia n g et a l 8Exper imen t a l st ud y o n a c o ust ic emissio n c h a r a c t e r ist ic so f c o a l w it h d ifer en t mo ist ur e c o n t en t [J Sa f et y in Co a l Min es2018 49 5 40-428 2 王笑然，刘晓斐，沈荣喜，等自然和饱水煤样受载破 坏声发射特征实验研究煤矿安全，2016,471 28-328 WANG Xia o r a nLIU Xia o f eiSHEN Ro n g xie t a l 8 Expe r imen t a l st ud y o n AE c h a r a c t er ist ic s o f n a t ur a l a n d w a t er -sa t ur a t ed c o a l in pr o c ess o f d ef o r ma t io n a n d f r a c t ur e [J. Sa f et y in Co a l Min es 2016,47 1 28-328 3 张艳博，梁鹏，刘祥鑫，等基于声发射信号主频和f GB/T5080 7-1986 Eq uipmen t r el ia bil it y t est in g c o mpl ia n c e t e s t pl a n s f o r f a il ur e r a t e a n d mea n t ime bet w een f a il ur es a ssumin g c o n st a n t f a il ur e r a t e[S. 1 常琳.基于压力补偿的煤矿用激光甲烷传感器煤 矿安全 2016 476126-1288 CHANG Lin