不同加载速率下煤体破坏声发射信号响应规律研究_吴正飞.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.057不同加载速率下煤体破坏声发射信号响应规律研究吴正飞1，阎宏图2（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077；2.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300）摘要 为了研究加载速率对煤体破坏声发射信号的影响，开展了基于不同加载速率的煤体破坏声发射监测实验，分析了不同加载速率条件下声发射计数以及声发射累计计数变化规律，得到了不同加载速率下煤体失稳破坏的声发射前兆特征。同时研究了加载速率对声发射计数分布密度的影响。研究结果为利用声发射技术监测煤矿煤岩动力灾害发生提供了理论基础。关键词 加载速率；声发射计数；声发射累计计数；声发射计数分布密度中图分类号TU45文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0186-030引言近年来，随着煤炭资源开采深度的逐渐增加，冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害频繁发生，为矿井的安全生产和财产安全带来了巨大的隐患12。而在高应力开采环境下，往往会因为采掘过程中的采煤进度和开挖方式等原因造成煤体受载发生变化，导致加载速率效应，造成煤体容易发生破坏，导致冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的发生3。因此，有必要对不同加载速率下煤体受载破坏过程的力学性质进行研究，同时对不同加载速率下煤体破坏进行监测监控，对煤岩动力灾害的发生进行有效的监测预警并规避控制灾害的发生。国内外众多学者研究表明45，煤岩体变形破坏会释放声发射信号。而声发射作为一种重要的监测手段，有助于了解煤岩体在受载过程中内部的损伤情况，可以提供煤岩体损伤破坏前兆信息。因此，本文利用声发射技术手段，研究加载速率对煤体损伤破坏的力学性质以及声发射响应规律的影响，为煤矿煤岩动力灾害监测预警提供理论支撑。1实验系统及方案实验系统包括加载控制系统及声发射信号采集系统。加载控制系统使用电液伺服试验机，可以实现力控及位移控制，本次实验采用力控方式，加载速率分别设置为 50、100、150 N/s。声发射信号采集系统为 12 通道数据采集系统，采样频率为 1 MHz，能够实现声发射计数、能量、幅值等信号采集，同时能够对煤体损伤破坏区域进行定位分析。本次实验对煤体受载破坏过程声发射计数信号进行采集，并对声发射计数以及声发射累计计数的随加载速率的变化规律进行分析。2试样制备实验所用试样为陕西省某矿原采煤样。该矿煤样质地偏硬，内部均质，具有弱冲击倾向性，因此具有发生煤岩动力灾害潜在危险性。根据国标 GBT23561.7-2009煤和岩石物理力学性质测定方法第 7 部分：单轴抗压强度测定及软化系数计算方法，在实验室加工成 50 mm100 mm 的标准圆柱形试样，且试样两端面不平行度不大于 0.05 mm。本次实验共制备 9 块煤样，分为 3 组，每个加载速率下进行 3 次实验，同时对各组试样进行编号。3声发射理论煤岩体在受外力作用后，内部能量产生变化，并不断积聚。当能量积聚到超过煤体所能承受能量范围外后，就会向外界释放，而部分能量则会以弹性波的方式向外界进行释放。声发射作为一种煤岩体失稳破坏时向外释放的弹性波，会随着加载等级的变化而改变。因此，在研究煤岩体冲击破坏过程中，可以用声发射表征研究煤岩体受载破坏的规律，监测煤岩体受载破坏情况。声发射作为一种弹性波其具有波的性质，捕捉到一系列由煤岩体受扰动破坏的声发射弹性波。煤岩体破坏时产生的声发射信号，经过内部吸收、反射等过程被传感器接收到，经过过滤、放大等过程后被采集仪存储，并将其转化为计算机可识别的电能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11862023 年 2 月Feb.,2023信号。又通过计算机软件、信号处理等手段获得到一系列声发射特征参数，如图 1 所示。其中声发射振铃计数为超过门槛信号的振荡次数，可分为总计数和计数率。声发射振铃计数能够反映信号强度和频度，因此被广泛用于声发射活动性评价。图 1声发射基本参数4实验结果与分析声发射技术作为一种能够实时动态捕捉煤岩体内部产生破裂的有效方法，已经被广泛地应用于岩石力学研究领域之中。众多学者研究表明，声发射振铃计数作为一种重要的声发射特征参数，能够有效表征煤岩体内部产生破坏情况。因此本文基于声发射振铃计数（以下简称声发射计数），研究不同加载速率下煤体受载破坏过程声发射计数及声发射累计计数的变化规律。限于文章篇幅，每个加载速率下选取 1 组数据进行分析。图 24 为不同加载速率下煤体受载破坏过程中，声发射计数及声发射累计计数随加载时间变化曲线。从图中可以看出，不同加载阶段，声发射计数呈现出不同的响应特征。以 50 N/s 加载速率下煤体受载破坏声发射计数为例分析。加载初期，由于煤体内部原生裂隙被逐渐压实，裂隙之间摩擦产生微弱声音，声发射计数出现少量增加，声发射累计计数缓慢增加。加载中期，煤体处于线弹性状态，声发射计数出现“平静”现象，此时声发射累计计数几乎不增加。而在加载中后期，煤体处于塑性变形状态，煤体内部出现大量新生裂隙并不断发育扩展，声发射计数不断增加，声发射累计计数呈近似指数上升。当煤体发生失稳破坏时，声发射累计计数达到最大值。可以看出，在煤体主破裂发生前，声发射计数开始持续增加，并且分布较为密集，声发射累计计数开始突增；而当煤体发生失稳破坏后，声发射计数又归于平静，声发射累计计数曲线又趋于平稳，不再增加。因此，煤体主破裂发生前，声发射计数数量增多以及声发射累计计数的突然上升现象，可以作为煤体失稳破坏的前兆信号，为煤矿煤岩动力灾害监测预警提供参考。图 250 N/s 加载速率下煤体破坏声发射计数及累计计数变化曲线图 3100 N/s 加载速率下煤体破坏声发射计数及累计计数变化曲线图 4150 N/s 加载速率下煤体破坏声发射计数及累计计数变化曲线对比不同加载速率下煤体受载破坏过程声发射计数以及声发射累计计数变化规律可以看出，随着加载速率的增加，声发射计数以及声发射累计计数最大值呈现出先增加后减小的变化趋势，如图 5所示。其中，100 N/s 加载速率条件下，声发射计数及声发射累计计数最大值最高，分别为 1.552103和 18.79103。而从声发射计数分布的密度可以看出，在加载后期，150 N/s 加载速率条件下声发射计吴正飞，等不同加载速率下煤体破坏声发射信号响应规律研究幅度上升时间能量振铃计数门槛电压持续时间载荷声发射计数声发射累计计数时间/s载荷/kN201816141210864201 0008006004002000声发射计数声发射累计计数/103876543210180270360450090载荷声发射计数声发射累计计数时间/s载荷/kN27242118151296301 7501 4001 0507003500声发射计数声发射累计计数/103211815129630120180240300060载荷声发射计数声发射累计计数时间/s载荷/kN242016128405004003002001000声发射计数声发射累计计数/103765432101001500501872023 年 2 月Feb.,2023（上接第 96 页）式输送机，进而实现矸石运输连续化，大大加快了排矸速度。作业线自使用以来，基本上每个班一个正规循环（早班检修、防冲、循环进尺1 排，中夜循环进尺 2 排），正规循环率达 95，平均月进尺达到 114 m，较传统月进尺提升了 13 m，提升幅度约为 11。5结论倾斜半煤岩巷道矸石高效装运技术在张双楼煤矿 23 采区轨道下山的实践应用，与传统耙装机配套出矸作业线相比，在工作面矸石的装载、运输以及一体化设备挪移方面实现了机械化和连续化，简化了施工工序，减少了人员投入，减轻了人工劳动强度，改善了掘进工作面的作业环境，有效地提高了倾斜半煤岩巷道的掘进效率，缩短了施工工期，为矿井的安全高效生产打下了坚实的基础，取得了良好的应用效果。参考文献1符如康，赵岩，王珏，等.新型岩巷掘进连续出矸作业线研究与应用 J.煤炭工程，2014（6）：67-69.2吴家胜，桓希传，陈国成.履带式挖掘装载机在煤矿掘进巷道中的应用 J.山东煤炭科技，2013（6）：20-22.3汪海平，张红卫，张永涛.履带式装载机在高位瓦斯抽放巷掘进中的运用 J.山东煤炭科技，2016（12）：99-100.作者简介马擎（1987-），男，工程师，硕士，毕业于河南理工大学矿业工程专业，长期从事冲击地压防治技术工作。收稿日期：2022-10-17数分布密度最大。分析上述原因可知，从加载时间上来看，50 N/s 加载速率下，煤体破坏时间经历了382.103 s，而 100 N/s 和 150 N/s 加载条件下整个加载过程分别经历了 246.869 s 和 150.536 s。另一方面，3 种加载速率下煤体所受峰值载荷分别为18.97 kN、24.31 kN 和 21.93 kN。可以看出，100 N/s加载条件下，在相对较短的时间内，所受载荷却相对较大。因此可知，在 100 N/s 加载速率下，煤体内部原生裂隙被压实的情况下，不会迅速导致新生裂隙的产生，同时煤体的单轴抗压强度增加，在加载过程中煤体内部积聚了大量的弹性势能，因此在达到煤体峰值强度时，煤体内部积聚的弹性势能瞬间释放，从而导致声发射计数最大值最高。而当加载速率为 150 N/s 时，由于加载速率过快，煤体在短时间内就达到了峰值强度，因此煤体内部新生裂隙不断产生，弹性势能逐渐释放，从而导致声发射计数分布密度相对较大。图 5声发射计数及累计计数最大值随加载速率变化曲线5结论（1）煤体受载破坏过程中的不同阶段，声发射计数呈现出不同的响应特征。主破裂发生前，声发射计数数量明显增多以及声发射累计计数出现突然上升现象，可以作为煤体失稳破坏的前兆信号，为煤矿煤岩动力灾害监测预警提供参考。（2）随着煤体加载速率的增加，声发射计数以及声发射累计计数最大值呈现出先增加后减小的变化趋势；声发射计数分布密度呈现出先增减小后增加趋势。参考文献1窦林名，田鑫元，曹安业，等.我国煤矿冲击地压防治现状与难题 J.煤炭学报，2022，47（1）：152-171.2刘纯.煤与瓦斯突出预警技术研究现状及发展趋势分析 J.无线互联科技，2020，17（9）：133-134.3张嘉凡，杨彦泽.加载速率影响下的岩石尺寸效应及声发射特征 J.中国矿业，2021，30（7）：205-210.4王天佐，王春力，薛飞，等.不同循环加卸载路径下红砂岩声发射与应变场演化规律研究 J.岩石力学与工程学报，2022，41（增刊 1）：2881-2891.5张胜寒，杨礼宁，冉琦，等.高温作用后砂岩的声发射特性研究 J.工程地球物理学报，2022，19（3）：322-327.作者简介吴正飞（1988-），男，工程师，硕士，毕业于中国矿业大学地球物理学专业，长期从事地球物理勘探工作。收稿日期：2022-08-12声发射计数最大值声发射累计计数最大值加载速率/（N/s）声发射计数最大值1 8001 5001 200900600300声发射累计计数最大值/103201816141210864100120140160406080能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1188