基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性_高保彬.pdf

第41卷第6期 2013年12月 文章编号IOOI-1986201306-0053-05 煤田地质与勘探 COALGEOI正阳Y2.河南理工大学深部矿井建设重点学科开放实验室，河南焦作454000; 3.河南理工大学，河南焦作454000 摘要为了研究在单轴压缩下不同强度煤样的声发射特征，利用RMT-150C型岩石力学伺服试验 系统和CDAE-1型声友射检测仪，对硬煤、中硬煤和软煤煤样进行实验研究．为了解决煤样在声 发射实验中存在的各种信号干扰和信号处理方面的问题，运用小波包变换对煤样的声发射信号进 行了分解、去嗓和重构。研究结果表明经过处理之后的声发射信号能够更清晰地反映硬煤、中 硬煤和软煤煤样在单轴压缩下失稳破坏的变化特征．软煤、中硬煤和硬煤的声发射信号特征各不 相同，随着煤样强度的增加，煤样失稳破坏时声发射累计能量和累计计数逐渐减小，煤样在受力 过程中声发射能量和计数的峰值也逐渐减小，并且在峰值处释放的能量也逐渐减小． 关键词羊轴压缩；强度；煤样；声发射；小波包 中图分类号TD353文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.06.013 Acoustic emission characteristics of coal samples with different strength based on wavelet packet trans GAOBaobin1刀，LIHuigui1气WANGXiaolei1.2, YU Shuijun13, LI Lin13 1. State Key Laboratory for Gas Geology and Gas Con仰IHenan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. Key Laboratory of Deep Mine Construction, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 3. Henan Polytechnic Universi秽，Jiaozuo454000, China Abstract In order to study acoustic emission characteristics of coal samples with different s位engthunder uniaxial compression, experimental study of hard coal, medium hard coal and soft coal was carried out by using RMT-150C rock mechanic test system and CDAE-1 acoustic emission instrument. In order to solve the problems of different interference noise and signal processing in the acoustic emission test, decomposition, de-noising and reconstruction for the acoustic emission signals were conducted through wavelet packet trans. The results show that the processed acoustic emission signals can more clearly reflect the variation characteristics of buckling failure under uniaxial compression. Soft coal, medium hard coal and hard coal have different acoustic emission characteristics. With the increase of coal strength, acumulative energy and acumulative counts of acoustic emission decrease gradually at the instability failure, energy and count peak of acoustic emission of coal samples also decrease under S饷ss,and the released energy at the peak decreases too. Key words uniaxial compression; strength; coal samples; acoustic emission; wavelet packet 煤样在受力失稳破坏过程中以弹性波形式释放 出应力应变能的现象称为声发射（acousticemission, AE）。通过对煤样的声发射信号的研究，可以推断 出煤样在失稳破坏过程中内部性态的变化，反演煤 样的破坏机制，因此对煤样失稳破坏过程中的声发 射现象进行研究越来越受到重视1-3］。 近些年来，国内外学者对煤岩失稳破坏的声发射 收稿日期2013-02-13 规律进行了大量的研究。TANGShoufeng等［4］对在单 轴压缩下不同应力速率下煤岩破裂的声发射特性进行 了研究。赵伏军等［5］利用动静组合载荷多功能实验装 置，对花岗岩的声发射能量与破岩效果进行了实验研 究和分析。马衍坤等［句对原煤试样在瓦斯吸附与渗流 过程中的声发射特性进行了研究，实验结果表明声发 射信号强度在初期最大，声发射信号强度与瓦斯吸附 基金项目河南省重点实验室基金项目WS2012B06；河南省教育厅自然科学基金项目（12A44004）；河南省高等学校深部矿 井建设重点学科开放实验室基金项目HKLGF201202 作者简介高保彬（1977一），男，河南民权人，博士，从事矿山安全开采方面的教学与研究工作 ChaoXing 54 煤田地质与勘探第41卷 量呈负相关关系。杨永杰等问在单轴压缩下对煤样破 裂过程中的声发射特征进行了实验研究，认为煤岩破 裂过程中并非呈现混沌现象。Prikryl肉等人对岩石在 单轴压缩下的声发射特性和岩石结构特征进行了研 究。ZOUYinhui向对声发射预测煤岩失稳破坏进行了 研究，并且进行了工程应用。唐书恒等（IO］在单轴压缩 下对饱和含水煤岩的声发射特征进行了研究，将煤岩 压裂过程分为三大类迸裂型、破裂型和稳定型。 综上所述，国内外学者对单轴压缩下煤岩的声 发射特性进行了大量的研究，也取得了大量的成果， 但是对不同强度煤样的声发射特性研究的相对较 少，并且利用小波包对声发射信号进行分解、重构 和消噪的也相对较少。在工程现场应用中，煤体的 稳定随着煤体强度的不同而各不相同，因此对不同 强度煤样进行声发射实验研究具有一定的理论和工 程意义。为了能够更好的研究单轴压缩下不同强度 煤样的声发射信号特征，笔者利用RM下150C型岩 石力学伺服实验系统和CDAE-1型声发射检测仪 对硬煤、中硬煤和软煤煤样进行声发射实验，然后 运用小波包分析方法对原始信号进行分解、重构和 消噪，再对声发射信号进行详细的分析。 1 实验过程 1.1 实验设备 实验设备主要由控制计算机、伺服控制柜、加 载压力机、声发射仪、探头和主机以及进行各种功 能的实验附件等组成。实验系统如图1所示。 厂－－－－－－－－－－－－－－－－l加载压力机 I 伺服控制柜 一一「＼ i控制讨算机 。 1----------------- 图1实验系统 Fig. 1 Testing system 实验中采用的加载系统是由中国武汉岩土力学 研究所研制的RM下150C型岩石力学伺服实验系 统，声发射仪采用由北京科海恒生科技有限公司开 发研制的CDAE-1型声发射检测仪，该实验系统是 基于PCI总线控制的全数字化声发射检测及分析系 统，有18通道。 1.2 样品制备 由于要求对不同强度的煤样进行实验，因此笔 者从平煤集团八矿、十二矿和十三矿分别选取了软 煤、中硬煤和硬煤3种煤样。煤样按照规程的要求， 加工成长100mm、直径为50mm的标准圆柱体， 煤样两端不平行度小于0.05mmo参数见表1。 表1媒样参数 Table 1 Parameters of coal samples 取样地点编号规格／（mmxmm）强度/MPa平均模最后Pa Al 50.08x99.60 32.7 8.84 平煤八矿A2 49.82X99.62 32.0 11.01 A3 49.88x 100.00 30.9 12.50 Bl 49.7699.16 12.0 3.93 平煤十二矿82 49.8099.62 11.5 3.49 83 49.72xlOO.l8 1 l.O 3.12 Cl 49.64x]00.06 2.5 I.I I 平煤十三矿C2 49.6899.94 2.9 0.92 C3 49.62x 100.58 4.4 l.05 1.3 实验加载方式 实验采用位移控制方式，以轴向位移为实验指 标，选用0.005mm/min作为加载速率，连续加载至 试样完全破坏。实验过程中保持声发射系统与加载 系统同步进行。为了保证能够全面地监测声发射信 号和藕合效果，声发射传感器放在圆柱的中间并且 在一条直径上，呈对称的形式，并在探头与煤样接 触的部分涂上黄油再用胶布把探头固定。 2 小波包信号处理 煤样单轴压缩失稳破坏的声发射信号是一种复 杂的波形，具有突发性、不可预知性和瞬态性等特点， 再加上声发射实验现场的各种杂散电磁信号和机械 噪声（11-12］。小波变换只对信号的低频部分做进一步的 分解，而对高频部分也即声发射信号的细节部分不再 继续分解，而小波包分析是同时对低频和高频进行分 解，可以很好地表征煤样的声发射信号（13-14］。因此笔 者引进了小波包分析方法，对声发射信号进行分解、 重构和消噪处理。 2.1 小波基的选取 小波基的选择是对煤样声发射信号进行处理分 析的关键，因为选择不同的小波基对煤样的声发射 信号处理的结果是不太相同的（13］。根据以往的经验， 对煤样的声发射信号进行处理选择Daubechies小 波函数族作为小波基相对较好，该小波系列具有较 好的紧支撑性、光滑性和近似对称性，在煤岩的声 发射信号处理中得到了广泛的应用［l牛16］。根据文献 11,15,17-18］叙述，虽然该小波函数族按正整数N 排列具有（Db1, Db 2, Db3，，DbN）序列，但是对于煤 岩类材料的声发射信号选择Db3或Db4类比较好， ChaoXing 第6期高保彬等基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性 55 本文选取Db3作为小波基。 2.2 小波包降噪 根据以上分析，从理论和实际应用中Daubechi-es 小波函数族满足对煤样声发射信号的降噪要求，运用 Db3对煤样的声发射进行分解、去噪和重构处理之 后，得到了不同强度煤样声发射参量去噪之后的波形 图（图2）。由于篇幅所限，本文选取了声发射计数去 140 120 辈革100 太 运s。 在ω 去噪前 40 20 I 00 200 300 400 500 600 700 时间Is 100 去噪前 80 主司 主60 4碍 讯40 20 50 100 150 日才juJ/s 200 250 300 nυnunUAυnυnU AUAυ 。。呵’ ’ ζOZ JA 吨’3句’－’ 报十忡棕刽怔 去噪前 50 100 150 200 250 时间危 噪前后的波形图。 从图2中可以看出，运用小波包对煤样声发射 信号进行分解、降噪和重构的效果比较好，可以保 存有用信号中的尖峰和突变部分，同时也可以把在 峰值前后被淹没的声发射事件显现出来，使不同强 度煤样声发射信号更为清晰客观的展现了煤样破裂 过程中的全部波形特征。 140 120 去噪后 在提100 主8。 在 ω 40 20 a）软煤 100 200 300 400 500 600 700 时间Is 100 80 去噪后 ωMW 恕十 甲 部MR讯 20 50 I 00 150 200 250 300 日tfuJ/s b）中使煤 80 70 60 辈革 主50 4延40 讯30 20 10 去噪后 50 100 150 200 250 时间Is 。）硬煤 图2不同强度煤样声发射计数去噪前后的波形图 Fig. 2 Wave of acoustic emission event of coal samples with different stren♂h before and after do-noising 3 不同强度煤样的声发射特征 为了能够更好的研究单轴压缩下不同强度煤样 的声发射特征，本文选用声发射计数、声发射累计 计数、声发射能量和声发射累积能量作为衡量不同 强度煤样声发射特征的指标。图3一图5给出了软 煤Cl、中硬煤田和硬煤Al在单轴压缩过程中的 声发射事件计数、累计计数、能量和累计能量的处 理结果（限于篇幅，煤样A2,A3, B2、B3、C2和 C3声发射处理结果略）。 从图3一图5可以看出，单轴压缩下不同强度 煤样的声发射特征具有不同的特性。 a.声发射累计能量和累计计数都与煤样的强 度有关系，随着煤样强度的增加，煤样破坏时的声 发射累计能量和累t村十数逐渐减小，软煤的累计能量 和累积计数最大，硬煤的累计能量和累计t十数最小。 ChaoXing 56 煤田地质与勘探 3.0 第41卷 20 0.5 I 00 200 300 400 500 600 7g 0.0 。 时间Is l一一应力与时间 2.5 2一一一声发射能盘与时间 2.0 ’5毛量握罩商-1.5 1.0 -R 迥1.0 0.5 0.5 0.0 I 00 200 300 400 500 600 700 时间Is 2.5 εJAυεJAυ 匀’－句 ，＆ ’且’ E Z2 ＼ R嗣同 板’不稳刽讯 AυAUnυ A“Y句J－ nυnυnu ’且’ 1ao 。zo 间 耻W 」「→ 间件 时事 与射 力发 应声 －a句，＆ “2.0 0.. 1.5 由 1.0 40 0.5 3.0 2.5 ., 2.0 0.. 1.5 迥 1.0 。.5 l一－）点力与时间 2一一卢发射累计事件与时fnj 100 200 300 400 500 600 700 时间Is l一一－应）J与时间 2一一声发射累计能ii与时间才0.5 0.0 I 00 200 300 400 500 600 700 时间Is 图3单轴压缩下软煤Cl声发射的特征 Fig. 3 Characteristics of acoustic emission of soft coal CI under uniaxial compression 12「l一一应力与时间 2－一声发射计数与时间 LO 。。 rOAU哼 EhR 嗣同 2 。『.＞－r1n＇＇＂＇阿n.,. ... ＂＂＇守啊’F’, 协O 0 50 100 150 200 250 300 时间Is 12「l一一应力与时间 2一一声发射能盘与时问 10 。。ro 暗＆是同RN 由「 4 2 0.2 ollll.l“lr，也,AIIWIIIW胃＂＂＂＂再啊’”””＿..，回......＿10.0 0 50 I 00 150 200 250 30i 时间Is 100 1一一应力与时间 12「a 2一一 声发射累计计数与a,t归 50 己之 M制十主 儿甲wm 部创怔 nυnUAUnu aa ，喝‘ J 饨，－，． 。 3.0 2.5 0 2.0之 榈 1.5空 ’俨‘ E晦 1.0 25 ’ OC领木’京时崎』曲创讯 AυεJAυ 气，＆’’’ B ，、 J 2.5 2.0 0 1.5割 适量 -- 1.0最 0.5 图4单轴压缩下中硬煤Bl声发射的特征 Fig. 4 Characteristics of acoustic emission of medium hard coal B 1 under uniaxial ompression b.不同强度煤样声发射能量和计数的峰值各 不相同，随着煤样强度的增加，声发射能量和计数 的峰值逐渐减小。 c.从能量释放的角度，一般都是在峰值处释放 的能量最大，但是随着煤样强度的增加，在峰值处 80 LO 。。 roaaT ZE＼吹倒 报十申部刽讯 AυAυ ZOAU 『 20 2 。；J50 ...，...，出1502白2503比 时间Is 1.6 1.4 l一一应力与时间 12ι 2－声发射累计能量与时 10 1.2 1.0专8 0.8 6 0.6 4 0.4 2 。 。 0.0 50 I 00 150 200 250 300 日才间Is 释放的能量逐渐减小。 4结论 a.小波包分析是一种很好的煤样声发射信号 的处理工具，运用小波包对煤样声发射信号进行分 ChaoXing 第6期高保彬等基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性 57 36 ,-, 11一一应力与时间 32「2一声发射事件与日忡 28 ”24 但『 主20 吕16 12 8 4 O O 50 100 150 日才间Is ζuqL 。。A哼nυζU 鸣，御。。 句3句3 句，＆鸣，＆句，＆’1a E ＼hh 倒 报十俨每材四恨 。UAUOυnUAυnv 。。吁， ro ，、 JA句句 3 20 IO 0 250 200 36 6.0 28 A蛐YAUro句，＆。。 鸣，＆码，＆’A’t εzmh 时间 50 。0 250 100 150 日才间Is 200 5 000 报＋ 4 4不Hm 部刽佩 跚跚跚 Aa 寸、 3 饨，＆ nυ A丛YAU l一一应力与时间」I 000 2一一声发射累计事件与时间 lo 50 100 150 200 250 时间旭 36 32 2.5 2.0 0 l.5帚 提 l。在 0.5 200 0.0 250 50 100 150 时间Is 图5单轴压缩下硬煤Al声发射的特征 。。A吨 Aυzo 匀，“。49 ’－tA ZER倒 hO｛＼归祖 AυAυAU E41 20 l.0 12 8 1一一应力与时间 2一一声发射累计能量与时l口 Fig. 5 Characteristics of acoustic emission of hard coal A 1 under uniaxial compression 解、降噪和重构处理，处理之后的声发射信号特征更 清晰直观的反映了不同强度煤样破裂过程的声发射 信号特征。 b.不同强度煤样的声发射特征各不相同，随着 煤样强度的增加，失稳破坏时煤样的累计能量和累计 计数逐渐减小。 c.不同强度的煤样，在整个受力过程中声发射 能量和计数各不相同，随着煤样强度的增加，声发射 能量和计数的峰值逐渐减小，并且在峰值处释放的能 量逐渐减小。 参考文献 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