不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化_余洁.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China Abstract Using PCI-2 acoustic emissionAE system, the AE experiments of different confining pressures 0, 8, 16, 5 MPa were carried out in Baijiao coal mine in Furong, Sichuan Province, in order to reveal the change rule of ringing count rate, the temporal and spatial distribution of AE, b value of AE and damage characteristics of damaged coal-rock under different confining pressures, and to provide a theoretical basis for prediction of coal-rock damage. The results show that the AE phenomenon can reflect the crack propagation of coal-rock and the confining pressure can restrain the damage of coal-rock. With the increase of confining pressure, the calmer period of ringing count rate was longer. The frequency range of ringing count rate is different under single and triaxial condition. In the uniaxial state, the AE registra- tion points are unily distributed in the coal-rock, while in the triaxial state, they are centrally distributed in the failure section. With the increase of confining pressure, the fluctuation of pre-peak AE value b increases, and the change of value b can be used to predict the failure of coal-rock. Based on the cumulative ringing count and the failure stress of coal-rock, the damage failure model of coal-rock was established, and the precursor stress point of effective failure of coal-rock could be predicted by combining the AE ringing count rate, spatial and temporal distribution, value b and damage vari- ables. The results will lay a foundation for the monitoring and analysis of coal-rock damage. Keywords rock mechanics; coal-rock; acoustic emission characteristics; confining pressure; value b of AE; damage evolution; Baijiao coal mine in Sichuan ChaoXing 第 3 期 余洁等 不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化 129 随着煤矿开采强度和深度的日益加大，煤与瓦 斯突出成为严重威胁煤矿安全生产的灾害之一[1]。 在灾害发生过程中，煤岩失稳破坏常伴随声发射现 象，即煤岩中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波 的现象[2]；利用声发射现象能够有效研究煤岩变形 断裂机制，更好地为预测、防治煤岩破坏提供有利 的理论依据，因此，声发射技术在煤岩破裂变形分 析中得到广泛应用[3]。 声发射现象反映了岩石内部微裂纹的产生、扩 展全过程，随着煤矿开采深度的日趋增大，众多学 者对岩石不同围压条件下的声发射特征展开研究[4-9]， 发现不同围压下岩石声发射活动与应力–应变过程 具有较好的对应关系，围压对岩石微破裂活动具有 一定的抑制作用；苏承东等[10-11]通过煤岩和砂岩单 轴、三轴状态下的声发射试验发现，煤岩和砂岩破 坏过程声发射特征均具有明显的围压效应；左建平 等[12]对煤岩、岩体和煤岩组合进行单轴声发射现象 研究，发现不同岩样间的声发射具有显著差异，可 利用时段声发射特征对其破坏进行判断；高保彬 等 [13]对含水煤岩展开单轴压缩声发射试验研究发 现，煤岩变形过程声发射现象存在平静期、活跃期 和峰后平静期 3 个阶段，利用声发射计数分维值可 对煤岩灾害前兆进行预测。 声发射 b 值[14]作为描述岩石失稳过程中裂纹萌 生、扩展的重要参数，具有重要的工程指导意义。 张黎明等[15]对岩石展开不同围压下的声发射特征研 究发现，利用 b 值的变化规律在一定程度上能对岩 石的破坏前兆进行预测；赵小平等[16]、姚旭龙等[17] 发现煤岩单轴状态下声发射 b 值能够较好地反映内 部微裂纹的扩展情况，b 值下降可作为煤岩破裂的 前兆；张朝鹏等[18]发现煤岩单轴下声发射 b 值具有 明显的层理效应；刘倩颖等[19]提出三轴卸荷下煤的 声发射 b 值峰值点可作为煤的破坏前兆。 进一步开展岩石损伤变形研究能够探讨其破裂 的内在机理， 为预防岩石失稳破坏提供重要的参考。 邓飞等[20]建立基于振铃计数的岩石损伤方程，探讨 岩石在单轴压缩下的损伤演化过程；刘保县等[21]提 出基于“归一化”累计振铃计数的损伤变量及损伤演 化方程， 损伤演化过程与岩石实际破坏具有一致性。 施工过程中，岩石往往处于三向应力状态，探究三 轴状态下岩石的损伤特性更具有工程意义。孙雪 等[22]建立了大理岩三轴压缩损伤模型，该模型能够 合理地反映岩石在不同围压下的破裂特征；赵洪宝 等[23]建立了基于声发射事件数的损伤演化方程，该 方程能够较好地描述含瓦斯煤三轴压缩损伤特性。 综上所述，煤岩单轴压缩下的声发射特征研究 已难以满足工程实际，迫切需要开展三轴压缩声发 射 b 值及损伤演化特性研究。因此，本文通过对煤 岩展开不同围压下的声发射试验，分析在不同围压 状态下的声发射振铃计数率、空间分布、b 值及损 伤演化特性，以期能够更好地为矿井微震监测提供 理论基础。 1 试样制备及试验方案 1.1 试样制备及试验设备 试验所用煤岩选自四川宜宾芙蓉白皎煤矿，属 高硫煤矿 [24-25]。按照制样标准，将煤岩加工成 50 mmL100 mm 的圆柱形标准试样[26]。为减少人 为扰动对其原始状态的影响，在制备过程中采用干 钻、干切、干磨的方法。煤岩试样如图 1 所示。 图 1 煤岩试样 Fig.1 Coal-rock samples 本试验采用 MTS815 岩石力学测试系统，配备 PCI-2 声发射定位测试系统，对煤岩进行不同围压下 的声发射特征研究，试验设备如图 2 所示。试验设置 声发射传感器 8 个，分别安装在试样上下两端垂直于 直径方向。 声发射AE传感器频率范围为11033106 Hz 带宽，考虑到煤岩强度低、声波衰减快，为尽可能 减少非加载过程中噪声等对声发射信号的影响，本次 声发射信号采集过程门槛值设定为 40 dB。 1声发射数据采集、处理系统；2MTS 数据采集、控制系统； 3超声波收集、 处理系统； 4MTS 加载系统； 5声发射探头； 6轴向引伸计；7横向引伸计 图 2 试验设备 Fig.2 The test equipment ChaoXing 130 煤田地质与勘探 第 48 卷 1.2 试验方案 为探究不同围压下煤岩变形破坏过程的声发射 特性，进行单轴及围压为 8、16、25 MPa 的常规三 轴试验，每组试验设置 3 个平行样。 2 声发射基本特性分析 2.1 基本参数特征 试验得到声发射事件计数率、振铃计数率、能量率 等参数，均可反映煤岩声发射现象，且规律基本一致， 考虑篇幅问题，现就不同围压下煤岩破坏过程声发射振 铃计数率与时间、应力关系进行分析，如图 3 所示。 由图 3a 可得，单轴状态下，煤岩振铃计数率可 分为 3 个阶段平静期Ⅰ 、峰前活跃期Ⅱ 及破坏 期Ⅲ 。平静期对应应力–时间曲线的压密及弹性阶 段，处于裂隙压密及裂纹萌生阶段，仅产生少量裂 纹，AE 事件较少，振铃计数率较小；峰前活跃期对 应应力–时间曲线的屈服阶段， 处于裂纹快速扩展阶 段，随应力增加，内部裂纹不断扩展、贯通，声发 射事件增多、水平活跃，振铃计数率增大，且出现 最大值；破坏期对应应力–时间曲线的破坏阶段，煤 岩在达到极限承载力后立即发生脆性破坏， AE 事件 较少、水平低，振铃计数率较小。 图 3 不同围压下煤岩破坏过程声发射振铃计数率、应力与时间关系 Fig.3 Relation of AE ringing count rate, time and stress during coal-rock failure under different confining pressures 与单轴状态不同的是，在三轴状态下煤岩声发 射振铃计数率高频段发生在应力峰后阶段，且数值 显著增大。 三轴状态下振铃计数率可分为 4 个阶段 平静期a、峰前活跃期b、峰后破坏期c及残余 期d。三轴平静期与单轴平静期规律相同，振铃计 数率数值较小；峰前活跃期处于屈服阶段，试样开 始发生不可恢复的变形，裂纹开始产生，AE 水平开 始活跃，振铃计数率与平静期相比大幅增加；峰后 破坏期处于峰后应力快速减小的较短时间，由于围 压的存在，试样没有立即发生破碎，大量裂纹开始 扩展、贯通，AE 水平较高、数值较大，且出现最大 值；残余期为应力残余阶段，该阶段主要由次生裂 隙的产生和扩展作用产生 AE 事件，水平活跃，振 铃计数率有所降低，但仍保持着一定的数值。 声发射振铃计数率能够较好地反映煤岩内部裂 纹的发展情况，当数值较大时，AE 水平高，煤岩内 裂纹扩展速度快；数值较小时，AE 水平低，裂纹产 生较少，扩展速度慢。从图 3 中可以发现，单轴下， 煤岩快速扩展产生破碎基本出现在峰前；三轴下， 峰后声发射现象明显高于峰前，裂纹不断扩展并造 成破碎发生在峰后。 由试验结果可知，三轴状态下煤岩最大振铃 ChaoXing 第 3 期 余洁等 不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化 131 计数率发生在应力峰值之后，主要是由于围压的 存在促进了原生孔隙的闭合作用，阻碍了新生裂 纹的形成。煤岩峰值应力点的 AE 水平较小，且未 发生在 AE 水平高频期。随应力增加，AE 水平逐 渐提高，相应振铃计数率不断升高，在临近破坏 时，AE 活动反而有所减少，相应振铃计数率整体 上呈减小趋势，在预测岩石破坏时，可以将这一 变化作为破坏前兆，但需要注意的是岩石并不一 定会发生破坏。 最大振铃计数率及其发生时间随围压变化具有 一定的规律图 4。煤岩破坏过程中，最大振铃计数 率随围压升高而增大；最大振铃计数率发生的时间 随围压的升高而延后，这是由于围压越高，对煤岩 的约束作用就越强，抑制作用也就越明显，最大值 出现的时间则越滞后。 图 4 最大振铃计数率及其发生时间与围压的关系 Fig.4 Relationship between the maximum ringing count rate, its occurrence time and confining pressures 不同围压下煤岩声发射事件与时间的关系曲 线如图 5 所示。 围压对煤岩声发射的产生具有一定 影响。结合图 3 可知，围压越大，对煤岩裂纹产生 的抑制作用越大，因此，声发射事件平静期越长， 分别为 316、895、1 193、1 912 s；在不同围压下 煤岩声发射事件的发生具有相似性， 依次呈现为平 静期、快速增加、缓慢增加现象。三轴状态同一时 间下，试样发生的 AE 事件累计计数随围压升高减 少， 进一步验证了围压对煤岩的破坏具有抑制作用。 图 5 不同围压下煤岩 AE 事件计数与时间的关系 Fig.5 Relationship between AE event count and time of coal-rock under different confining pressures 2.2 空间分布特征 从声发射定位点时空分布情况可以了解煤岩在 不同围压下的微观破裂演化过程，不同应力水平下 的声发射时空分布如图 6 所示，图中 30代表该处 应力水平占峰值应力的 30，其他类同。 图 6 不同应力水平下声发射空间定位点演化特征 Fig.6 Spatial evolution characteristics of AE localisation points under different stress levels ChaoXing 132 煤田地质与勘探 第 48 卷 a. 三轴状态下，围压增强了煤岩内部裂纹的闭 合作用，抑制裂纹萌生，因此，在峰前仅产生少量 AE 事件，AE 定位点较少，且随围压增大，对裂纹 产生的抑制作用越明显，相同应力水平下的 AE 定 位点越少，与振铃计数率相吻合；在峰后阶段，裂 纹不断扩展、贯通，产生大量 AE 事件，AE 定位点 显著增多。三轴状态峰前 90100应力水平段均 发生 AE 定位点突增现象，因此，监测时若发现 AE 定位点开始突增，预示着试样即将发生破坏。 b. 从分布情况来看，随着时间的推移，单轴状 态下 AE 定位点均匀地分布于试样内部，试样发生 脆性破坏；三轴状态下则是沿某一截面分布，存在 集中分布区，发生沿这一截面的剪切破坏，并且随 围压增大，AE 定位点更集中于破坏平面附近，剪切 破坏现象越明显。 c. AE 定位点的演化过程与 AE 振铃计数率具有 良好的对应关系。在振铃计数率平静期，AE 事件较 少，相应地 AE 定位点较少，对应各围压下应力水 平分别为峰值的 50、70、70、90。在振铃计 数率峰前活跃期，AE 定位点逐渐增多。单轴状态振 铃计数率破坏期水平较低，对应 AE 定位点少量增 加； 三轴状态振铃计数率破坏期和残余期对应的 AE 定位点大量增多。 3 声发射b值特征 3.1 b值的物理意义及确定方法 b 值最早由古登堡和里克特提出，用以表征地 震震级与频度的比例关系；在某一地震序列中，若 强震愈多，则 b 值愈小，反之 b 值愈大[27]。在岩石 声发射现象中，b 值用来描述岩石裂纹的萌生、扩 展演化过程。 研究表明[28]，若 b 值增加，说明试样中以小尺 度破裂为主，AE 小事件所占的比例增加；反之，试 样以大尺度破裂为主，AE 大事件所占比例增加；若 b 值恒定不变，说明大、小尺度破裂分布均衡，AE 大、小事件比例不变。 b 值计算方法很多，最常用的方法为极大似然 估计法和最小二乘法[29]。基于本文主要对煤岩峰前 b 值变化展开分析，极大似然估计法本质上受小事 件控制，试验得到煤岩峰前能量较小，因此，采用 极大似然估计法计算 b 值，计算公式如下 min 1 lge lglg n i n b AnA    1 式中A为声发射事件的振幅； min A为每个时间窗 口中声发射事件的最小幅度；n 为每个时间窗口 AE 事件总数；e 为自然对数底数。 3.2 不同围压下b值变化特征 煤岩峰前 AE 事件较少，因此，b 值计算采用等 次数方法，单、三轴分别以 40、50 个声发射事件作 为一个滑动窗口，将取样时间段的中间时刻作为 b 值标度时间。本文仅对峰前 b 值变化进行分析。不 同围压下煤岩峰前 b 值变化如图 7 所示。 在能量突增处，b 值减小，此时试样内高能量 声发射事件增加，主要以大尺度裂纹扩展为主；在 b 值增大的地方，低能量声发射事件增加，试样内 主要以小尺度裂纹扩展为主。岩石破坏是一个复杂 的过程，试样内大、小尺度裂纹发展变化不可预测， 在加载过程呈现上下波动现象。 与单轴状态相比，三轴状态下煤岩声发射 b 值 较大。在峰前阶段，b 值呈上下波动的变化趋势， 并且随围压增大，波动幅度增大。煤岩内部裂纹分 布随围压增大越集中，因此，在声发射现象频发段， b 值上下波动现象尤为明显。同时，b 值并未在加载 开始时就出现，上文提到在加载初期声发射现象存 在平静期，因此，b 值在加载一段时间后开始出现， 并且初始 b 值保持着一定数值大小。 在应力水平 90前，b 值变化较小，说明试样内 声发射大小事件比例变化较小， 尺度不一的裂纹发展 较为稳定。在应力水平 90100期间，b 值出现骤 降， 说明试样内裂纹扩展情况发生改变， 属于裂纹突 发式改变， 试样内产生高能量事件。 煤岩不同围压下 破坏前兆点如图 7 所示。 单轴状态下， 峰后 b 值出现 突降，且声发射事件较少，此时试样属于脆性破坏。 三轴状态下， 煤岩破坏逐渐向延性转变， 峰后声发射 活跃，裂纹扩展不断产生，b 值呈上下波动现象，且 随围压升高， 峰后 b 值下降幅度越大， 原因是随围压 升高， 大尺度裂纹产生的速率越快， 越容易形成贯通 的破坏平面，从而发生剪切破坏。 利用声发射 b 值对煤岩破坏前兆预测分析如 下单轴状态下，由于应力水平由峰值 90升到 100时间较短，因此，将 b 出现先减小后增大的现 象作为破坏前兆；三轴状态下，应力呈缓慢增加、b 值减小的现象作为煤岩的破坏前兆。考虑到围压为 25 MPa 时，应力水平 90100内出现多次 b 值下 降的现象，岩石破裂不可预测，因此，本文将应力 随应变缓慢增加时，b 值第一次出现减小的时刻作 为破坏前兆点，当 b 值出现减小变化时，应加强对 岩石受力过程的监测。 ChaoXing 第 3 期 余洁等 不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化 133 图 7 不同围压下声发射 b 值变化规律 Fig.7 Variation of value b in AE under different confining pressures 4 声发射损伤特性分析 岩石材料在变形破坏过程中，经历了裂纹的萌 生、发展、贯通、破坏等过程，通过声发射损伤演 化分析可反映岩石的破裂过程，有利于理解岩石的 破裂机制。 4.1 损伤演化特性 建立损伤演化方程的方法多种多样，在文献[30] 中提到，可采用 Weibull 分布函数来近似反映微元 强度等力学参数的不同，即有   1exp m m m          2 式中为试样受压过程中的应变值；m 为试样的 结构参数；为试样的尺度参数；  为试样微元 损伤率。 若试样损伤变量为 D，那么损伤变量与微元损 伤率存在以下关系   d d D    3 通过式2和式3可得损伤变量 D 的表达式   0 d1 exp m Dxx           4 大量研究表明，在声发射基本参数中，振铃计 数是能够较好地反映材料性能变化的参数。若无损 岩样断面发生完全破坏时的累计振铃计数为 E0，E 为岩样应力值为时的累计振铃计数，则有   0 0 dEExx    5 结合式4和式5可得损伤变量 D 与累计振铃 计数的关系有 0 E D E  6 若Et为试样在加载时间为t时的累计振铃计数， Dt为试样在加载时间为t时的损伤变量值，那么有 0 t t E D E  7 根据式7得到不同围压下煤岩损伤演化过程， 如图 8 所示。 利用累计振铃计数得到煤岩的损伤过程与声发 射现象具有良好的对应关系，结合图 3，将单轴状 态下煤岩损伤演化分为 3 个阶段，即损伤平静阶段 Ⅰ 、损伤快速增长阶段Ⅱ 、损伤残余阶段Ⅲ 。 而三轴状态下， 分为 4 个阶段， 即损伤平静阶段a、 损伤缓慢增长阶段b、损伤快速增长阶段c、损伤 残余阶段d。 ChaoXing 134 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 8 不同围压下煤岩损伤演化过程 Fig.8 Damage evolution process of coal-rock under different confining pressures 在损伤平静阶段，损伤值趋近于零，此时内部 微裂纹等的几何尺寸相对于其余阶段变化很小，产 生的声发射超过阈值较少。随着围压增大，损伤平 静阶段越长，接近屈服阶段，可见围压越高，对煤 岩微裂纹的产生具有抑制作用。 在损伤增长阶段，煤岩开始产生不可恢复的变 形，裂纹增多，损伤快速产生。在单轴状态下，煤 岩损伤基本发生在峰前；而在三轴状态下，煤岩损 伤大部分发生在峰后。由此可见，围压的存在对煤 岩侧向变形具有抑制作用，损伤变形不断延后。因 此，围压作用下，损伤在经历平静期后开始突增的 现象可作为煤岩破坏前兆。 在损伤残余阶段，单轴状态下煤岩发生脆性破 坏，该阶段较短；三轴状态下，试样在达到极限承 载能力时未完全破坏，在该阶段产生次生裂隙，损 伤不断增加，直到完全破坏。 总体来说，煤岩的变形破坏过程主要经历了变 形、损伤的萌生和快速发展、出现宏观破裂面、裂 缝继续贯通直到破坏这样一个过程。通过累计振铃 计数得到的损伤变量与煤岩的微观破裂变化具有良 好的对应关系，可以较好地描述煤岩在变形破坏过 程中裂隙的压密、裂纹的形成、扩展和贯通过程， 通过损伤演化过程分析，可为工程监测及预警提供 一定的理论参考。 4.2 声发射特征参数峰前破坏前兆综合分析 前文已对声发射参数进行了不同围压下的特征分 析，为探究煤岩在围压作用下的破坏前兆，现对峰前各 参数进行综合比较表 1。 本文将 b 值突增、 突降点定义 为时间滑动窗口中间时刻对应的应力水平。 表 1 声发射特征参数峰前破坏前兆综合分析 Table 1 Comprehensive analysis of failure precursors of acoustic emission characteristic parameters 不同位置处的应力水平/ 围压/MPa 振铃率最大值处 AE 定位点突增处 b 值突增/突降处 损伤变量突增处 0 95.2 90100 98.0 87.5 8 98.5 90100 98.7 94.1 16 87.3 90100 99.1 98.6 25 98.1 90100 98.1 98.0 上表中得到煤岩在各围压下破坏前兆特征点对 应的应力水平，可以发现① 单轴状态下，损伤变 量为基于振铃计数的损伤值，可以反映损伤演化过 程，此处用作破坏前兆还不够充分。从其余参数特 征应力水平可知， 应力水平达到 95左右可作为煤 岩在单轴压缩下的破坏前兆，可结合 AE 定位点的 变化特征判断试样的破裂形式及破裂面；② 综合 考虑，计算振铃计数率、b 值及损伤变量特征点对 应的应力水平平均值， 将其取整作为煤岩破坏前兆 应力水平，则 8、16、25 MPa 下的煤岩破坏前兆应 力水平分别约为 97、95、98，试验过程中可 参照 AE 定位点变化现象及应力–应变曲线等进行 判断。通过上述分析，利用声发射技术，结合多特 征参数对岩石的破坏前兆进行预测具有一定的工 程意义。 5 结 论 a. 声发射振铃计数率变化规律具有阶段性特 征，单轴状态下分为平静期、峰前活跃期及破坏期， 三轴状态下分为平静期、峰前活跃期、峰后破坏期 及残余期。随着围压升高，声发射平静期延长。振 铃计数率高频期及其最大值在单轴状态下发生于峰 值应力之前，三轴状态下发生于峰值应力之后，且 最大值出现的时间随围压增大延后。在破坏前夕， 振铃计数率在数值上出现突增现象。 b. 围压抑制了煤岩内部裂纹的萌生和扩展，三 轴状态下煤岩 AE 定位点在峰后大量产生。随着应 力水平的提高，单轴状态 AE 定位点均匀分布于试 样内部，而三轴状态下 AE 定位点则较集中地分布 于破裂面附近。AE 定位点突增均出现在破坏前夕， ChaoXing 第 3 期 余洁等 不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化 135 预示着试样破坏。 c. 围压对声发射 b 值特征具有较大的影响。随 围压升高，煤岩声发射事件增多，b 值上下波动现 象越明显。在应力水平 90前，声发射大小事件比 例变化小，b 值变化较小。煤岩在单、三轴状态下， 峰前 b 值分别发生先减小后增大趋势、减小趋势可 作为破坏前兆信息。 d. 基于累计振铃计数建立的损伤演化模型能 够较好地反映煤岩在变形破坏过程中破裂的发展。 损伤平静期与声发射基本参数平静期吻合。在三轴 状态下，损伤在破裂前夕出现突增现象，可同时结 合振铃计数率、 b 值及 AE 定位点对岩石的破裂前兆 进行预测。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 聂百胜，何学秋，王恩元，等. 煤与瓦斯突出预测技术研究现 状及发展趋势[J]. 中国安全科学学报，2003，13640–43. 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