基于声发射的采空区煤岩失稳预报研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 基于声发射的采空区煤岩失稳预报研究 姓名张勇 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师来兴平 20070420 论文题目 专业 硕士生 指导教师 基于声发射的采空区煤岩失稳预报研究 采矿工程 张勇 签名 来兴平 签名 摘要 煤和岩石等脆性材料在受载荷变形与破坏过程中产生微破裂时伴有声发射 a c o u s t i c e m i s s i o n , A E 现象，因此A E 技术是用来对材料在受载情况下，对材料内部损伤进行实 时检测的一种方法。煤矿采空区内煤岩动态损伤、破裂并演化致失稳过程预报是灾害控 制的前提之一。本研究以神东矿区大柳塔煤矿l 五煤6 m 煤层全厚开采形成的采空区上覆 围岩动态破坏与失稳预报问题为研究对象，尝试利用声发射技术，完成了不同加载模式 下的煤和岩石破坏过程的声发射特征实验，同时完成了基于声发射的物理相似模拟实验 设计及实验，对采空区煤和岩石失稳的声发射特征参数 总事件、能率 与时间演化过程 进行对比分析，同时综合分析应力 s s t r e s s 、声发射 A E 和变形 D ．d e f o r m a t i o n 之间蕴 涵的物理、力学机制以及煤岩断裂与声发射之间的相关性，借助煤岩介质损伤与失稳的 声发射理论定量地分析采空区煤岩介质的孕裂和失稳的规律及前兆。然后采用三维非线 性有限差分程序F L A C 3 0 对采空区覆岩宏观运动规律进行了数值模拟，深入分析开采过 程中围岩应力和变形规律。研究表明，声发射技术是解决采空区动力失稳预测及诱发灾 变预报的有效手段之一，为采空区动力失稳及灾变行为预报提供线索。 关键词采空区；声发射；相似模拟实验；数值模拟 研究类型应用研究 S u b j e c t R e s e a r c h o nP r e d i c t i n gt h eI n s t a b i l i t yo fC o a la n dS u r r o u n d i n g R o c kB a s e do nA c o u s t i cE m i s s i o ni nM i n e d - o u tA le a S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m e Z h a n gYongSignature I n s t r u c t o r L a iX i n g p i n g S i g n a t u r e A b s t r a c t T h ea c o u s t i ce m i s s i o n A E w i l lh a p p e nw h e nt h eb d t t l em a t e r i a l b r i t t l ec o a la n dr o c k s c a u s e dm i c r o - c r a c k0 1 “ f r a c t u r eu n d e rt h ev a r i o u ss t r e s s i n g ．T h u s , A Er e a l - t i m ed e c t i n gt e c h n i q u e i se v a l u a t i o nm e t h o dt h a tc a l lb eu s e dt os t u d yt h ed a m a g ei n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o np r o c e s s 鹤 i nc o a la n dr o c k su n d e rs t r e s s i n g ．T oc o n t r o ld y n a m i ch a z a r d , p r e d i c t i n gt h ep r o c e s sl H o l lt h e d y n a m i cd a m a g e ．c r a c ka n di n d u c et Oi n s t a b i u t yo f c o a la n ds u r r o u n d i n gr o c k i nm i n e d - o u t 街吼 T h i sp a p e ri sa i m st Od y n a m i c a ld a m a g ea n di n s t a b i l i t yp r e d i c t i n gf o ro v e r b u r d e nr o c k so f m i n e d - o u ta r e a , w i t ht h ed e p t ho f6 mo fI ‘2c o a ls e a m , i nt h em i n i n gp r o o 跚a tt h eD a - L i u - T a C o a lM 妇i nS h e n - D o n gC o a lR e o mT h eA E - b a s e dr o c km e c h a n i c a le x p e r i m e n tu n d e r v a r i o u sl o a d i n gm o d e l sw e r ep e r f o r m e da n dp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw e r ed e s i g n e d ， t h e nA E - b a s e de x p e r i m e n tw e r ef m i s h e d ．T h r o u g ht h ec o n t r a s t i v ea n g l i c i z i n go f r o c kd a m a g i n g c h a r a c t e ra n dA Ep a r a m e t e r , w ec a nd e s c r i b et h ei n o c u l a t i o na n dd a m a g i n gp r o g r e s s i n go f r o c k i n m i n e - o u t a r e a ．A c c o r d i n g t o t h e A E t h e o r y o f r o c k s d a m a g m g ，W e f o r e c a s t t h e A E c h a r a c t e r i c p a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fr o c k - m a s sd a m a g i n g ．I tp r o v i d e sp r o o ff o rt h ef o r e c a s t i n go f c o a l - a n d - s u r r o u n d i n gr o c kd a m a g e - p r o n e ．U s m gF a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so fC o n t i n u ai n3 D i m e n s i o n s - - - F L A C 3 0p r o g r a m , w ef u l l f i l l e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h r o u g ht h em o v e m e n t r e g u l a rw h i l em i n i I l g ．F u r t h m o r eW ef i n dt h es t r e s s - A E - d i s p l a c e m e n tr e g u l a r i t y , a n dc o n s t r u c t t h e ms y n t h e t i c a l l y ．T h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lm e c h a n i s mo ft h es t r e s s - A E M e f o r m a t i o n , t h e c o r r e l a t i n gr e l a t i o n s h i pb e t 、v 嘲c o a l - a n d s u r r o u n d i n g r o c ka n dA EW e T ea n a l y z e d ．A E t e c h n i q u ei s t Of i n dt h eg e n e r a lg h a l a c t e ro fd i s a s t 既9i ti sa ne f f i c i e n tm e t h o dt of o r e c a s t d y n a m i c 出I m a g i I l ga n dm u t a t i n go f m i n e d - o u t a i e a ． K e vw o r d S - “ m i n e d - o r ea r e a a c o u s t i ce m i s s i o nC A E s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n T h e s i s A p p l i c a t i o nR e s e a r c h 要料技大擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名矛欠勇日期弓哕，厂知 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名萌尺勇 指导教师签 l 绪论 1 ．1 问题的提出 1 ．1 ．1 本论文研究的背景 1 绪论 随着煤炭开采强度与深度逐渐提高，加之小窑小井的不规范开采以及保护煤柱的结 构参数不合理或支撑体系内部结构力学特性劣化，多年形成的大范围采空区，其承受动 力破坏的频繁作用或者暴雨诱发造成采空区煤岩动力失稳或破坏、大面积坍塌或产生衍 生灾害【l l 。 西部地区生态环境十分脆弱，大沙漠、大戈壁、厚黄土为典型特征。但煤炭资源十 分丰富，预测埋藏深度低于1 0 0 0 m 的煤炭资源占全国的6 3 ．6 ％，是国家开发的重点区域。 但采空区煤岩失稳破坏问题严重影响着西部建设和经济发展[ 2 1 ，如乌鲁木齐市六道湾煤 矿和苇湖梁煤矿多年开采形成的采空区坍塌损害日趋严重；甘肃窑街二矿、三矿随开采 的发展，采空区向铁路集配站及6 层楼群发展，其中有一单元突然整体切落掉入采空区， 造成十几人的死亡；2 0 0 3 年2 月2 3 日甘肃靖远红会四矿采空区坍塌造成1 人死亡；靖 远王家山煤矿由于大规模开采形成的采空区，在暴雨作用下采空区突然坍塌，造成8 人 死亡；2 0 0 3 年1 1 月4 日，宁夏白芨沟煤矿因采空区突然坍塌诱发综采放顶煤工作面产 生连续爆炸，造成整个矿井停产，直接经济损失达3 个亿，7 0 ％T 人下岗，导致洗煤厂 被迫停产，由此引起的间接损失尚难估量。西部深部开采扰动区与高应力环境下复杂岩 层开挖后形成的采空区稳定性问题也很严重。例如，宁夏石嘴山一矿3 8 区 6 0 0 m 巷道 的控制问题p l ，甘肃华亭煤矿的动力破坏情况等【4 】。陕北神东矿区的大柳塔煤矿1 。2 煤6 m 厚煤层1 5 J 、瓷窑湾煤矿、上湾煤矿发生突然坍塌已经成为影响安全生产的关键问题之一， 也从根本上影响着资源回收率、产量和效益，类似这样的例子还很多。 另外，西部煤矿有许多特厚煤层超强度开采，必然形成大体积的采空区，大范围岩 层处于悬空状态，尤其是陕北榆一神府矿区采用房柱式开采和新疆乌鲁木齐矿区采用大 采高或综采放顶煤开采等形成的采空区，不但使工作面面临大范围岩层垮落灾变危险， 极有可能造成采空区上方覆盖层坍塌灾害嘲。 1 ．1 ．2 本论文研究的意义 本论文以采空区煤岩失稳预报中需解决的科学问题为出发点，利用岩石损伤与破裂 的声发射理论，综合分析应力 S ．S t r e s s 、声发射 A E - A c o u s t i cE m i s s i o n 和位移 D D e f o r m a t i o n 之间蕴涵的物理、力学机制以及煤岩断裂与声发射之间的相关性研究， 西安科技大学硕士学位论文 为采空区煤岩失稳预报提供理论依据，这也是找出控制采空区失稳以及衍生灾害的有效 途径之一。 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势 1 ．2 ．1 采空区煤岩失稳国内外研究动态 随着浅部资源的枯竭和开采深度的增加，采空区上覆煤岩失稳问题更加严重，已引 起国际岩石力学与采矿科学领域专家的高度关注【7 一，并将该问题作为专题在国际岩石力 学学会2 0 0 4 年年会暨第3 届亚洲岩石力学大会期间进行交流讨论 在日本 。要从本质上 解决这一问题，就需要研究开采形成的采空区围岩和地表覆盖层破坏规律，以及开采引 起的损害及传递过程，才能找出控制采空区失稳以及衍生灾害的科学途径【9 】。 采空区煤岩突发性失稳是一种严重的衍生灾害，准确预报采空区失稳是煤炭科技工 作者长期以来的愿望。但采空区失稳的孕育过程很复杂，它的物理实质在于失稳区煤岩 介质的变形、损伤及失稳破坏过程，而固体材料的损伤与破坏具有非线性特征，初始缺 陷的分布又具有相当的随机性，这就导致其演化过程非常复杂【1 0 1 ，同时，能够从现场获 得的可用或者实时信息又相对较少，这就给采空区煤岩突发性失稳预报带来极大困难。 在国际范围内，有关采空区稳定性研究已经引起英国、美国、德国、日本、南非和波兰 等国家的学者高度关注I l l 】。 M a n s u r o v 将声发射用于测量岩石破坏过程的信息，预测岩石的破坏【1 2 1 。H o l c o m b 和 C o s t i n 利用声发射探测脆性材料的损伤面【l 射。L i 和N o r d l u n d 用声发射测量由爆破引起的 损伤，并通过起始应力曲线估算爆破干扰的影响范围【1 4 】。 蔡美峰教授等基于对岩石基复合材料支护采空区动力失稳声发射特征统计分析发 现采空区 或塌陷区 围岩动力失稳呈现非线性关系，结合岩体失稳的全应力应变关系， 可以揭示围岩失稳过程与声发射之间内在的规律性和必然联系；对于岩石基复合材料支 护采空区，其破裂失稳的声发射不仅与围岩材料结构与缺陷的强度分布有关，而且还与 工程岩体所处的应力状态有关；声发射频率、幅度与变形 加载 速度有关，在实验室测 试中，一般可以保持加载速度不变，但在现场实际工程监测中，这一点难以达到，因而 增加了问题的复杂性；围岩断裂失稳的声发射是一个过程量，其真实反映围岩断裂的前 兆，因而其可以作为一种有效的、可靠的预报手段；根据声发射频率和时空的演化趋势， 可以判断塌陷区失稳的关键位置，同时也进一步证明了对于岩石基复合材料支护采空 区，其动力失稳的声发射特征参数明确地反映岩体内部微破裂变化的剧烈程度，根据其 特征统计分析，可以判定该岩体的稳定程度与级别，这对保证工程现场的安全有很大的 意义【1 0 1 。蔡美峰教授等还把O I S 系统应用到确定围岩残余应力参数中【1 5 】，把声发射与 F I J A C ／P F C 的耦合应用于地下大面积采空区数值模拟中【1 6 l 。宋振骐院士在“资源枯竭城 2 1 绪论 市灾害形成机理与控制”战略研讨会上呼吁国家应加大投入力度，加强矿山衍生灾害预 报技术的基础研究I l ”。 材料的声发射不仅同时包含了力学过程和材料结构演化过程及实验条件等多方面 的信息，而且和力学过程及材料内容结构的演化过程遵循着同一种演化秩序。所以，声 发射是同材料所受的力学过程及材料内部结构的演化过程遵循着同一种演化机制的过 程；材料的声发射过程具有自相似特征利用所建立的自相似特征函数可以对声发射过 程或声发射过程中不同状态的自相似程度进行定量描述。混凝土试块在三点弯曲过程 中，相应声发射过程不同状态下的自相似程度是不一样的，即声发射过程的自相似程度 随着应力状态的变化而变化。声发射过程自相似系数的最小值，预示着宏观断裂的来临。 所以，混凝土试块在临界断裂状态下所表现出的声发射自相似性识别模式为“最小一回 升”型【1 8 1 。 岩石声发射事件率在不同应力水平 时段 变化很大，声发射事件数累积值与时间的 变化关系不同于声发射事件数累积值与应力水平之间的关系，岩石在破坏前的声发射事 件率都出现明显下降，峰值强度前有一个相对的声发射平静期。在刚性压力机上进行岩 石破坏过程的声发射特性研究，利用了刚性压力机的闭环伺服原理来调整压力，工程中 的围岩体对自身所受应力状态具有自组织 重分配 能力，这与刚性压力机的原理有相似 之处。利用在刚性压力机上进行试验得到的岩石破坏过程的声发射特征，可以解释工程 中静力破坏过程与声发射之间的关系，对工程中的岩体稳定性声发射监测预报，提高预 报的准确性具有指导作用1 1 9 1 。 从采空区围岩动力失稳的声发射规律的综合分析可看出，现场工程岩体破裂失稳与 岩石全应力一应变破坏过程有很大的必然联系，围岩微裂纹演化一失稳遵守一定的统计 分布和空间分布规律，且与时间、空间以及工程岩体的区域特征有最直接的联系。塌陷 区复合岩体失稳演化规律符合非线性统计特征。根据声发射频率和时间空间的演化趋 势，可以判断塌陷区失稳的关键位置，同时，也进一步证实了对于复合坚硬岩石支护的 结构体，其声发射频率完全可以反映岩体内部应力变化的剧烈程度，据此可以判定该岩 体的稳定程度，现场应用结果同时也弥补了声发射试验理论研究的缺陷【2 0 】。 本论文利用应力 s 、声发射 A E 和位移 D 之间的内在关系 s ．A E ．D 来研究采空区 煤岩失稳过程预报问题。根据岩石具有凯塞效应 K a i s e r e f f e c t 事实，通过室内力学实验、 相似模拟实验与数值模拟，进行了煤岩动力失稳破坏的预报基础研究，这也是寻找采空 区失稳预报的一条有效途径。 1 ．2 ．2 发展趋势 西部煤矿采空区煤岩动力失稳破坏有其独特之处与研究的必要性 ①西部地区内动力作用比较强烈。出现内外动力作用的交叉，生态环境极其脆弱， 西安科技大学硕士学位论文 加之气候干旱，很容易产生动力失稳与衍生灾害。 ②赋存环境复杂。开采形成的大范围“采空区”是在脆弱的煤岩条件、构造坏境 以及脆弱的生态环境中形成的“平衡”结构，从本质上讲是“暂时平衡”结构，一旦受 到外因诱发 如开采扰动 ，就可能造成动力失稳，继而演变为灾害。 ③变形速率大。这类采空区煤岩失稳与开采引发的地表沉陷问题以及巷道冲击地 压问题有质的区别，其变形梯度与突变失稳速率比较大。 ④破坏效应大。采空区煤岩失稳破坏具有突变性、冲击性等动力学特征，其造成 的围岩失稳破坏以及耦合效应 有害气体溢出或爆炸 对生产和安全的危害极大，宁夏白 芨沟煤矿采空区坍塌事故足已说明问题。 因此，对采空区煤岩失稳衍生灾害监测与预报的基础研究势在必行。 声发射是固体材料内部动力学过程中伴随着应变能的释放并向四周传播的现象，采 空区煤岩失稳破坏均是受地应力和开采引起的损害以及传递共同作用下的结果，煤岩从 微裂纹的孕育、失稳进而演化为灾害的同时，伴随着煤岩体内部结构链的调整、能量积 聚和转化等物理过程，可以以声发射的形式详细记录煤岩介质内部发生损伤的时、空、 强演化过程，从而进行准确预报。在国外，声发射技术在顿巴斯煤田、澳大利亚新南威 尔士煤田的C y n h e i d r e 矿、英国、美国、德国、日本和波兰已被用于岩爆和岩石破裂机 理研究1 2 l J 。在国内，唐春安、冯夏庭、陈忠辉等学者已将该技术成功应用于坚硬 或脆 性 岩石破裂机理研究和矿震预报研究[ 2 2 q 4 】；何学秋等将声发射和电磁辐射结合起来成 功预测煤与瓦斯突出瞄】。已有研究表明，声发射技术能够连续有效地评估煤层边缘的突 出危险性。 1 ．3 研究内容、方法和关键技术路线 1 ．3 ．1 研究内容 本论文以采空区煤岩失稳预报中需解决的科学问题为出发点，内容包括 1 在室内进行抗压、抗拉和抗剪实验以及相似模拟实验，对煤岩失稳声发射事件 定位和数值模拟的过程进行对比，在一定程度上定量地度量失稳破坏区煤岩介质的孕裂 和失稳的进程。 2 分析“S - A E ．D ”之伺蕴涵的物理、力学规律。 3 探索和寻找煤岩失稳预报研究的依据。 4 建立预报西部煤矿采空区煤岩失稳系统。 本论文以大柳塔煤矿l 。煤6 m 厚煤层一次采全厚开采方法及“支架一围岩”双馈动 力学研究项目为背景与项目支撑，采用现场工程地质调查，室内力学实验、相似模拟实 验、数值模拟，构建“支架一围岩”耦合的动力学数值分析模型，分析相互作用关系， 4 l 绪论 进行煤岩动力失稳破坏的预报基础研究。 1 ．3 ．2 研究方法 建立声发射实验系统，并验证其在相似模拟实验系统中的合理性。以大柳塔煤矿1 五 煤岩为对象，研究其在不同加载条件下的声发射特征，在此基础上分析声发射煤岩断裂 失稳规律以及在相似模拟实验中的有效性，采用“ 1 A E ．D ”方法建立采空区煤岩失稳预 报研究系统。 1 ．3 ．3 研究关键技术线路 I基于声发射的采空区煤岩失稳预报研究 I 煤岩失稳预报研究体系 图1o l 研究关键技术路线 西安科技大学硕士学位论文 2 煤岩介质失稳的声发射理论 2 ．1 概述 材料中局域源能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射 A E [ 2 6 1 ，声发射是一种常见的 物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱， 人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来，用仪器探测、记录、分析 声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。现代声发射技术的 开始以K a i s e r 二十世纪五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他最有意义的发现是 材料形变声发射的不可逆效应即材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应 力之前不产生声发射信号。现在人们称材料的这种不可逆现象为“K a i s e r 效应”。K a i s e r 同时提出了连续性和突发性声发射信号的概念。二十世纪五十年代末和六十年代，美国 和日本许多工作者在实验室中作了大量工作，研究了各种材料声发射源的物理机制，并 初步应用于工程材料的无损检测领域。D u n e g a n 首次将声发射技术应用于压力容器的检 测。美国于1 9 6 7 年成立了声发射工作组，日本于1 9 6 9 年成立了声发射协会。二十世 纪七十年代初，D u n e g a n 等人开展了现代声发射仪器的研制，他们把声发射仪器测试频 率提高到1 0 0 K H z ．I M H z 的范围内，这是声发射实验技术的重大进展，现代声发射仪器 的研制成功为声发射技术从实验室走向生产现场用于监测大型构件的结构完整性创造 了条件。 2 ．2 声发射技术的优点和类型 声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法，其优点表现为 1 声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是 像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供； 2 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的 活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号； 3 在一次实验中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态； 4 可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适 用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报； 5 由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测， 如高低温、核辐射、易燃、易爆等环境； 6 对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要 停产； 6 2 煤岩介质失稳的声发射理论 7 对于设备的加载实验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾 难性失效和限定系统的最高工作载荷； 8 对构件的几何形状不敏感，适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。 声发射现象的观测起源于地震的探查，现今又广泛地用于岩石力学的研究。声发射 技术常用于岩石力学和地震机理的研究。在岩石的声发射研究中，发现非常均匀样品中 大破裂之前的声发射极少；不均匀的岩石中，大破裂前有一些声发射；非常不均匀的岩 石，受力后不断出现声发射。发射的强度和频率不断增大，直至断裂。如果对岩石反复 加载，其声发射可分为三种类型 1 是在低应力下出现声发射，第二次加载时声发射消失； 2 是在低应力下出现声发射，第二次加载时仍出现； 3 是在较高应力时才出现声发射。 由此可见，这三类声发射与岩石的应力活动的历史和非弹性变形有关，而且，声发 射受到应变速率的控制，在不同应变速率下，声发射序列极不相同。 2 ．3 声发射监测与预报原理 目前声发射技术能够监测到的声源及其广泛材料的塑性变形，即位错运动和孪生 变形；裂纹的形成和扩展；岩石基复合材料的钢纤维断裂、基体开裂、界面分离；摩擦； 坚硬岩石的断裂失稳等。实际上，被检测声发射信号的频带很宽，从几十赫兹到2 兆赫 兹，幅度均较低，所以必须利用灵敏的电子仪器进行检测。从声源发出的弹性波在材料 中传播，被置于物体表面的传感器接收，传感器将接收到的波形转换成电信号，再经信 号放大器处理放大后，经滤波器除背景噪声等无效信号成分，对有效信号再次放大后经 计算机处理形成各种声发射信号参数。 2 ．4 声发射技术特点 1 声发射信号来自活动性缺陷，提供缺陷在各种载荷条件下的不稳定性信息，声发 射技术是一种检测缺陷动态变化和细观损伤萌生和发展的手段。对于那些在载荷作用下 不发生变化的稳定缺陷和损伤，声发射技术是无能为力的。因此，根据声源活性预报结 构的强度，声发射检测可以提供结构细观损伤破坏的早期信息。这对有缺陷和断层的大 尺度采空区煤岩介质动力学失稳监测与定量预报提供了有效的技术手段。 2 声发射技术可以进行连续检测，得到声源随载荷、温度或时间的变化规律，是分 析材料、结构破坏过程的重要参量。另一方面可以利用声发射技术监测结构件在加工、 运行过程中内部缺陷活动和发展情况，评定结构的安全可靠性。这对高海拔、高温、放 射性、高瓦斯、危险性较大的矿山巷道和其它工程稳定性监测提供了一种新的方法。 3 可以对大型结构进行整体检测、疲劳裂缝以及结构的不连续检测；监测桥梁等已 7 西安科技大学硕士学位论文 知缺陷的扩展；对活性缺陷进行定位和严重性评定，大大降低检测成本。 4 可以对人们无法接近或其它无损检测方法无法替代的特点和优势，使得声发射细 观技术在航空、航天、冶金、石化、地质、矿业和建筑等领域得到了广泛的应用。在研 究金属材料、复合材料、岩石、混凝土等固体材料破坏过程和损伤机理问题方面，声发 射技术成为最得力的工具之一1 2 7 】。 2 ．5 复合材料的声发射特性 地下工程岩石、混凝土基坚硬岩石材料破坏过程和金属材料明显不同。金属结构材 料的破坏过程通常从单个裂纹萌生开始、到裂纹扩展和失稳破坏的发展过程。岩石材料 的破坏一般是区域性微细裂纹的累积过程，而不是单个缺陷的扩展过程。随着载荷的变 化，岩石材料的主要损伤模式 如纤维断裂、基体开裂和界面分离 之间是相互作用和相 互影响的。岩石材料这种细观损伤破坏特点导致声发射信号十分丰富，鉴别声源模式更 加困难。一般而言，纤维断裂、基体开裂和界面分离是复合材料【2 8 1 的主要声发射源，这 些声源信号的特点是突发性的，在时域上是可分离的断续信号。影响声发射检测结果的 因素很多，包括材料性能、试件形状尺寸、应力状态、环境介质和检测仪器等。根据检 测目的，有必要对各种影响因素加以研究分析。另外，不同的声发射参量标志着不同的 损伤信息，因此，对于鉴别复合材料损伤机理研究，常用的声发射参量是幅度、延时、 能量和频谱；在复合材料损伤阶段区分上，大多采用计数一载荷、幅度分布和恒载声发 射等。对稳定性进行监测是十分适用可行的测量方法。通过对其波形分析，可以获得与 微小破坏发生位置、规模、破坏机制等有关信息，这种声发射不仅对地下空间稳定性进 行监测，而且对在巷道的何处、采用何种支护提供合理判断。通过测量围岩内部能量的 集中和释放，破裂的发生和发展情况，为预测围岩内部即将发生的破坏提供依据【2 9 】。 岩石在应力作用下发生破坏【3 0 川，并产生微震与声波。通过在采空区内布置智能耦 合监测仪器对坚硬岩石复合材料支护的塌陷区材料与结构失稳过程进行了监测分析，结 合实验室电子扫描显微镜辨别分析，探索坚硬岩石复合材料支护的塌陷区结构失稳过程 中，围岩断裂时空关系和声发射之间的联系，分析塌陷区复合材料支护巷道的失稳过程、 损伤模式与声发射特征参量之问的对应关系，同时利用固体断裂非平衡统计理论分析与 预报，为准确判断失稳位置提供理论依据【2 0 ’3 2 】。 2 ．6 声发射装置及参数 图2 ．1 是煤一岩石破裂的声发射实验仪，图2 ．2 是传感器与前置放大器，图2 - 3 是煤 岩破裂的三向声发射位移传感器。 煤岩破裂及失稳的声发射检测就是利用先进仪器接受从煤岩介质内部释放的弹性 波，通过分析来确定破裂源头特征及判断其动力学失稳倾向性的技术0 3 ～3 5 】。 8 2 煤岩介质失稳的声发射理论 图2 ．1 声发射实验系统图2 ．2 传感器与前置放大器图2 ．3 兰向声发射位移传感器 非均匀介质的损伤与破坏是力学中极复杂、极具挑战性的难题，至今仍有许多基本 问题未得到解决，例如在邻近破坏及灾变阶段，损伤演化不遵循稳态累积规律，传统的 均匀连续介质力学理论难以处理。声发射是研究固体材料中损伤演化的重要工具，因其 可以实时连续测量获取材料内部损伤的信息。 实验采用北京声华兴业科技有限公司5 通道S W A E S 数字化全波形声发射检测仪，该 装置可根据需要选配不同的传感器和放大器，对应每一通道的参数、波形分别触发，数 字信号处理电路避免了漂移现象，实现更高的精度和稳定性，可程控任意或全部通道的 参数和或波形采集。图2 ．4 描述了5 通道S W A E S 声发射波形采集分析原理。S W A E S 主要 性能范围见表2 ．1 ，声发射系统主要实验参数预置见表2 ．2 。 ll 号传感器卜_ ．1 前置放大器卜_ _ ’ ■ 计 l 号传感器卜一前置放大器t - ． 信号算 ■ 声发射机 1 3 号传感器 H 前置放大器卜- ． 调理P ● 采集卡C 1 。号传感器卜一前置放大器卜．． 装置1 ■ 总 I 5 号传感器 H 前置放大器I - ． _ ． 烤 图2 ．4S W A E S 声发射系统测试原理 表2 ．1S W A E S 主要性能范围 9 西安科技大学硕士学住论文 表2 ．2 声发射系统主要实验参数预置 任何灾害危险性的增加都有相应的外在表现，而且在灾害临近时信息的种类、强度 急剧增加。为全面反映岩石的声发射特性，必须选取适当的参数，声发射信号特征参数 有总事件、大事件、能率以及频谱和波形以及多通道信号间的时差等f 9 】。本文主要分析 煤岩总事件和能率随时间变化特征。 总事件是单位事件内仪器检测到的声发射事件累计总数 个侮．个／m 蛐，反映声发射 频率，它是岩体材料出现破坏的重要标志。能率是单位时间内仪器检测到的声发射能量 的相对累计值 m y ．U S ／s 、m v ．u s ／r a i n ，反映声发射能量，它是岩体破坏速度和大小变 化程度的重要标志。 声发射波形特征1 3 6 1 如图2 ．5 所示，x 轴表示的时间 单位为u s ，Y 轴表示的是幅度 单 位为m y ，在实验之前，要先设置一个幅度的数值，使声发射信号刚好出现，即最低幅 度，实验时的幅度大于这个最低幅度，这个时间段内的大于最低幅度的幅度和时间所构 成的图形的面积即为这段时间的能量。声发射能量单位为幅度时间 m y ．u s 。 2 ．7 声发射现象的物理效应 2 ．7 ．1 凯塞效应 图2 ．5 声发射波形特征 凯塞效应是指声发射现象是不可逆的。它是应变能快速释放的不可逆性的反映。因 为诸如位错、滑移、塑形变形、裂纹生成和裂纹失稳扩展与断裂等物理现象是不可逆的， 所以在应变能快速释放时发出的声振现象也是不可逆的，其实验证明1 3 7 l 如图2 ．6 所示。 1 0 2 煤岩介质失稳的声发射理论 0 时间 T 图2 ．6 凯塞效应的实验证明 凯塞效应反映了声发射现象的实时性。探测物体声发射波可以获得实时的物体内部 组织结构的变化信息。它确定了A E 信号是动态特征的反映，故用A E 传感器感受到的 信号是动态实时信号，A E 传感技术是一种动态检测技术。 2 ．7 ．2 波型效应 所谓波型效应，指的是在声发射波传播过程中，由于散射和衰减作用造成波形、频 率和幅值畸变的现象，它又称为声发射波型变换效应。因为声发射波是由不同波速 频 率 的波组成的一组波 即波群 ，故其传播中的畸变是复杂的。波型效应使A E 传感器接 受到的波常是已畸变了的波。它引起A E 信号探测中的一次失真，其波形效应示例口7 】 如图2 ．7 所示。 ． 图2 ．7 波型效应示例 稼籁，世辱口瑟一骰 西安科技大学硕士学位论文 由于A E 传感器传感原理和品质性能的差异，利用它探测到的、经波型变换后的 A E 波的响应输出电压信号，又会出现第二次失真。因此，利用A E 信号了解声发射源 头状况只能按“映射”的概念来研究波型。深入的研究证明A E 波的横波在界面上遵 从S n e l l ． 、- ／反射 定律；A E 波群的叠加服从傅里叶级数的叠加规律；散射对A E 连续波 的影响较小。 2 ．8 声发射波的基本特征 1 频域特征 A E 波是宽频带的广谱信号，其频率从数赫兹到1 0 7 H z 。其广谱性来源于在声发射 振荡应力 应变 场作用下，原子在一个很大的范围内相对于平衡位置的振荡。 2 幅值特征 声发射波是一种发射振荡。突发型A E 波呈突发的振铃形状，其幅值A 、频率Y 和 在介质中的传播速度u o 应呈如下关系； ■ v o ／y 2 ．1 3 时域特征 连续型A E 波呈长周期或连续的特点。突发型A E 波呈非周期突发型，其衰减很快。