含水煤巖損傷破壞中聲發射研究范文

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《金屬礦山雜志》2014年第七期

1聲發射監測技術發展概況

20世紀50年代德國科學家Kaiser首次對金屬中的聲發射現象進行了科學而系統的研究，其成果為聲發射的研究奠定了基礎。L．Obert和W．I．Du-vall［51］最早發現巖石結構在受壓過程中有聲發射活動存在。1960年，Dunegan等通過提高聲發射的實驗頻率和采用窄帶濾波的方法消除了機械背景噪音，為聲發射技術由實驗階段進入實用階段做好了鋪墊。聲發射監測技術的研究進入現場應用新階段的標志是1964年美國成功將聲發射技術用于導彈殼體結構的完整性檢測。從1968年起，商業化的聲發射監測設備逐漸在世界范圍內得到廣泛的應用。20世紀70年代，美日歐等國家在聲發射源、聲發射波的傳播以及確定聲發射與斷裂機制的關系等方面的研究取得了長足的進步。20世紀80年代以來，隨著微處理器、高速A/D轉換和信號處理技術的發展，聲發射技術在基礎性實驗、儀器研制和信號處理等方面取得了突飛猛進的發展，該技術逐漸進入理論研究與工程應用全面發展階段，并在材料研究及無損檢測中扮演著越來越重要的角色。近年來，隨著信號采集與分析技術的進步，以及小波分析、神經網絡等方法的引入，進一步推動了聲發射技術向縱深方向的發展。我國聲發射技術是在引進、消化、吸收國外先進技術并緊密結合工程應用實際的基礎上發展起來的。20世紀70年代初我國開始引進聲發射技術，其目的是為了進行斷裂力學難點裂紋開裂點預報和測量研究。20世紀80年代初，我國開始將聲發射檢測技術應用于飛機、復合材料、金屬材料、壓力容器和巖石等領域的檢測和應用。20世紀80年代中期，從美國物理聲學公司PAC(PhysicalAcousticCorporation)引進聲發射監測設備，使我國聲發射技術水平得到了提高。20世紀90年代至今，我國聲發射技術的研究和應用進入快速發展階段，聲發射技術被廣泛應用于航空航天、石油化工、材料試驗、金屬加工、電力工業、民用工程、交通運輸、土木和礦山工程等諸多領域并取得顯著的成效［52］。由于聲發射監測技術是一種在線、高效、經濟的檢測方法，因而具有廣泛的應用前景。

2不同應力路徑下含水煤巖聲發射特征

2.1單軸載荷作用

2.1.1單軸壓縮載荷作用國內外許多學者對煤巖在單軸壓縮損傷破壞過程中的力學特性和聲發射特征等方面進行了大量的基礎性研究工作，并取得了大量的研究成果［53-61］。這些研究成果增強了人們對煤巖聲發射特性的認識，促進了聲發射技術在煤巖體穩定性方面的應用，但關于含水煤巖損傷破壞過程中聲發射特征方面的研究相對較少。因此開展含水煤巖單軸受壓損傷破壞過程中聲發射特征研究，有助于進一步認識含水煤巖損傷破壞機理。關于水對煤巖單軸抗壓強度及聲發射特征影響的研究，唐書恒等［37］進行了飽和含水煤巖的單軸壓縮破裂聲發射試驗，用以模擬研究煤儲層的壓裂特征，并將煤巖壓裂過程分為迸裂型、破裂型和穩定型。秦虎等［39］以晉城煤業集團趙莊礦的無煙煤為研究對象，對不同含水率煤樣受壓變形破壞過程中聲發射特征進行了試驗研究，結果表明含水率的不同對煤樣的力學特性和聲發射特征產生明顯差異，含水率的增加使得煤樣的單軸抗壓強度及聲發射累積數減少，同時使產生聲發射的時間滯后，且在不同的變形階段，聲發射的變化規律不同。文圣勇等［40］對4種不同含水率紅砂巖進行了單軸壓縮條件下的聲發射試驗，結果表明:水對砂巖的力學特性和聲發射特征具有較大的影響，各試件所得聲發射振鈴數曲線在形狀上基本相似，但隨含水量的增加，砂巖聲發射振鈴數越少且時間越滯后。陳結等［41］為研究鹽穴能源地下儲庫建造過程中腔體圍巖在鹵水、地溫和地應力共同作用下的損傷演化特點，應用聲發射監測技術對不同溫度的飽和鹵水作用后的巖鹽進行單軸壓縮損傷演化規律進行分析，結果表明在一定溫度的飽和鹵水中浸泡30d后巖鹽的彈性模量和單軸抗壓強度有所降低，單軸壓縮過程中巖鹽的聲發射－應變曲線與應力－應變曲線具有較好的一致性，隨鹵水溫度的升高浸泡后巖鹽的聲發射累積數有所增加且無鹵水作用巖鹽的聲發射累積數大于鹵水作用后巖鹽的聲發射累積數。童敏明等［42］為確定不同應力速率下含水煤巖聲發射的頻譜特征和變化趨勢，對不同應力速率下含水煤巖聲發射信號特性進行了研究，結果表明含水率對煤巖的聲發射特性具有一定程度的影響，具體表現為含水量小的煤巖較含水量大的聲發射強度略高，研究成果為預測煤巖災害現象提供了準確的依據。張艷博等［43］通過對含水砂巖進行單軸加載聲發射試驗，獲取聲發射信號，對整個加載過程中聲發射信號進行FFT變換，采用頻譜分析和Welch算法對含水砂巖破裂失穩過程中產生的聲發射信號進行研究，得到聲發射信號的相關特征在巖石破裂過程中的變化，為分析巖石破裂全過程的聲發射特性提供了一條新的思路，也為聲發射應用于巖石破裂失穩預報奠定了一定的工作基礎。

2.1.2循環載荷作用國內外很多學者對煤巖的疲勞損傷和聲發射特性進行了研究，如許江等［62-63］對循環載荷作用下砂巖聲發射規律展開了大量的試驗研究，結果表明巖石在低周期載荷作用下會出現明顯的Felicity效應且周期載荷作用下巖石在卸荷過程中也產生明顯的聲發射信號。任松等［64］基于聲發射監測技術，通過改變恒幅荷載條件下的上、下限應力以及加載速率等試驗條件，對巖鹽的疲勞損傷特征進行試驗研究，研究成果對巖鹽地下儲氣庫的安全運行具有實際意義。紀洪廣等［65］對巖石試件在不同應力水平和應力狀態下受到加載－卸載擾動時的聲發射特征進行了試驗研究，研究結果為分析不同應力水平和不同應力狀態作用下巖體聲發射特征的變異性，為根據聲發射信號特征進行巖體穩定性評價提供依據和參考。王者超等［66］通過花崗巖三軸循環載荷試驗，系統地研究了花崗巖的疲勞力學特性，提出了花崗巖疲勞力學模型。JQXiao等［67］研究了不同循環荷載水平下損傷變量演化規律。ELLiu等［68］分析了循環加卸載時圍巖對巖石動力特性的影響。張暉輝等［69］基于加卸載響應比理論和能量加速釋放理論，在三軸應力條件下進行了大尺度巖石破壞的聲發射試驗，將能量加速釋放和加卸載響應比劇增作為巖石破壞前兆，研究成果為預測地震提供了試驗依據。巖土工程在施工及運營期間，經常會遇到地下水和循環載荷的共同作用，巖體在地下水和循環載荷作用下的力學性能是影響巖土工程長期穩定性的重要因素之一。關于巖石在地下水和循環加卸載共同作用下的力學特性、變形特性及聲發射特性，目前國內外學者在這方面的研究成果相對較少。通過單軸循環加卸載試驗，分析巖石在水和循環載荷共同作用下的強度、變形及聲發射變化特征，為研究不同含水狀態下巖石破裂失穩機理提供參考。

2.2三軸載荷作用巖石作為一種典型的非連續、非均質、各向異性的地質材料，通常處于三向應力場中，同時，其強度和變形特性是理論計算和工程設計的基礎，因此研究巖石在三向應力狀態下的力學特性、聲發射特征及變形特征對于隧道工程、采礦工程和邊坡工程等具有重要意義［70］。許多學者對煤巖在三軸應力狀態下的力學特性和聲發射特征進行了試驗研究并取得了大量的研究成果。肖福坤等［71］以曾經發生過煤與瓦斯突出事故且依然存在突出危險的煤樣為研究對象，對含煤瓦斯煤樣進行不同瓦斯壓力、飽和瓦斯和不同圍壓條件下的三軸壓縮聲發射試驗，探究含煤瓦斯失穩破壞與聲發射之間的關系。艾婷等［72］以大同煤業集團塔山礦8105工作面的煤樣為研究對象，對不同圍壓下煤巖破裂過程中聲發射時空演化規律進行了試驗研究，通過分析煤巖在不同圍壓下聲發射的時序特征、能量釋放與空間演化規律，探討了煤巖破裂過程中的損傷演化特征。蘇承東等［73］對義馬曹窯煤礦頂板砂巖進行了單軸壓縮、常規三軸和三軸卸圍壓力學試驗及聲發射試驗，分析了不同加載方式下巖樣損傷破壞過程中的力學特性和聲發射特征，研究結果對進一步揭示煤層上覆頂板巖層周期性斷裂前后沖擊動力災害的預測預報具有參考價值。陳景濤等［74-75］對巖石三軸壓縮過程中變形及聲發射特征進行了物理試驗和數值試驗，分析了圍巖對巖石變形特性和聲發射特征的影響，結果表明巖石的力學特性和聲發射特征與圍壓密切相關。紀洪廣等［76］采用三軸壓縮試驗和聲發射試驗，對玲瓏金礦二長花崗巖進行三軸加卸載聲發射試驗，研究巖聲發射特征與力學參數之間的關系，進一步加深了對巖石破裂過程及機制的認識。Alkan等［77］對德國阿瑟鹽礦巖鹽的膨脹臨界值進行三軸加載條件下的力學試驗和聲發射試驗，研究表明巖鹽的膨脹臨界值與晶粒大小、孔隙壓力、加載速率和裂隙維度均具有一定的關系。李玉壽等［44］對煤在三軸及孔隙水壓作用下的變形和聲發射特性進行了試驗研究，結果表明隨孔隙水壓力的增大，煤樣變形破壞過程中釋放的聲發射能量逐漸減少。上述關于煤巖在三軸應力作用下的力學特性和聲發射特征的理論和試驗研究，增強了人們對煤巖聲發射特征的認識，促進了聲發射技術的進步及在工程中的應用，但關于含水煤巖在反復加卸載過程中的聲發射特征的試驗研究國內外還不多見。有鑒于此，在以往研究成果的基礎上，開展含水煤巖真三軸加載過程中的聲發射試驗，有助于進一步了解煤巖體的聲發射特征。

2.3剪切載荷作用考慮到礦山，水利、建筑、交通等工程領域中涉及到巖土體在荷載作用下的強度及穩定性等問題，結合聲發射監測技術開展剪切載荷作用下煤巖裂紋的開裂、擴展以及貫通的演化規律有著十分重要的理論意義和工程實用價值。關于煤巖在剪切荷載作用下的聲發射特征的研究，國內外學者做了一些相關的研究工作，ITsuyoshii等［78］運用聲發射技術對巖石直剪過程中裂紋的開裂情況進行了研究，結果表明，聲發射有較高的精度來檢測直剪過程中的裂紋的開裂情況。李西蒙等［79］進行了型煤試塊的壓剪破壞聲發射試驗，研究了壓剪條件下型煤的聲發射特征，研究成果為采動影響下煤巖體和巷道的壓剪破壞預測預報提供了一定的試驗依據。聶百勝等［80］對煤體剪切破壞過程中電磁輻射和聲發射特征進行了試驗研究，發現媒體剪切破壞過程中聲發射和電磁輻射有兩種類型，試驗結果與煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害的現場較為吻合。周小平等［81］對巖石結構面直剪過程中的聲發射特性進行了試驗研究，得出聲發射事件數和能率都與結構面的粗糙程度有關，發現用能率這一系數更容易判別巖石變形與破壞各階段。許江等［82-83］采用自主研發的煤巖細觀剪切試驗裝置，開展了不同剪切速率條件下砂巖的細觀破壞與聲發射特性試驗研究，選取聲發射振鈴累積數和聲發射振鈴計數率作為聲發射特征參數，探討巖石在剪切破壞過程中的破壞形式與聲發射之間的關系，結果表明，砂巖試件在不同加載速率條件下破壞過程中剪應力隨時間變化趨于一致。上述研究成果大多基于天然或干燥狀態的試件而言，而實際的巖體工程總處于一定的地下水環境中，關于含水巖石剪切過程中的聲發射試驗研究成果相對較少，因此，開展含水煤巖拉剪切壞過程中的聲發射時空演化特征，有助于進一步揭示巖體工程在剪切載荷作用下的失穩機理。在國內，許江等［38］利用聲發射監測技術，對飽和度分別為0%、50%、和100%3種含水狀態下砂巖剪切破壞過程中的聲發射特性進行了試驗研究，探討了剪切荷載作用下砂巖內部裂紋開裂、擴展過程與聲發射特性之間的內在關系，結果表明，隨含水量的增加，聲發射劇增點出現的時間相應提前，在各含水狀態下，聲發射事件率峰值出現時間總是滯后于剪應力達到峰值的時間。

2.4拉伸載荷作用煤巖抗拉強度的測試方法有間接法和直接法，間接法常用的方法為巴西劈裂試驗。巴西劈裂試驗用于測試巖石類材料的抗拉強度已有近50年的歷史，此方法最早用于測定巖石等脆性材料的抗拉強度，此后一些學者提出可以用該試驗測定巖石的彈性模量和斷裂韌度等指標［84-87］。基于聲發射監測巴西盤試樣破壞過程的研究，趙興東等［88］應用聲發射及蓋格爾定位算法，研究了不同巴西盤巖樣加載破裂失穩過程。付軍輝等［90］對煤巴西劈裂全過程中的聲發射特征進行了研究。羅鵬輝等［91］對云南南坡銅礦3種砂巖進行了巴西劈裂的聲發射特性試驗，結果表明不同種類巖石的聲發射特性具有較大的差異。謝強等［91］驗證了粗粒花崗巖在劈裂試驗條件下kaiser效應的存在。巴西劈裂法雖被廣泛應用于巖石抗拉力學特性的研究中，但有研究［92-94］指出，此方法并不能真實地反映巖石的抗拉強度。故有學者采用直接拉伸方法對巖石的抗拉力學性能和聲發射特征進行了研究，彭瑞東等［95］對砂巖拉伸過程中的能量耗散與損傷演化進行了分析。余賢斌等［96］采用自行研制的巖石直接拉伸試驗裝置，對砂巖直進行直接拉伸作用下的聲發射試驗。梁正召等［97］基于三維數值模擬研究了巖石直接拉伸破壞過程中的變形及分形特征。包春燕等［98］對單軸拉伸作用下層狀巖石表面裂紋的形成模式及其機制進行了研究。張澤天等［99］對煤在直接拉伸過程中的力學特性及聲發射特征進行了試驗研究。上述研究成果多集中于天然及干燥巖石試件，而關于含水巖石拉伸過程中的力學特性及聲發射特征的研究成果相對較少，開展含水煤巖拉伸破壞過程中的聲發射時空演化特征，有助于進一步揭示巖體工程的失穩機理。

3含水煤巖聲發射試驗的發展趨勢

(1)聲發射監測是一種無損檢測技術，對聲發射信號的研究有助于揭示含水煤巖內部微裂紋的萌生、擴展和斷裂的演化規律，通過對聲發射信號的研究，可以推斷含水煤巖內部性態變化、反演含水煤巖的破壞機制，對進一步認識巖石的破壞機理以及巖石破壞的前兆判據、分析巖石破裂失穩機制十分有意義。(2)水巖相互作用對巖石劣化的效應是多場耦合作用的綜合結果，隨著試驗手段和試驗方法的進一步發展，含水煤巖聲發射有向真三軸、多場耦合方向發展的趨勢。如何將聲發射監測技術引入相關理論(如損傷力學、化學動力學、孔隙介質流體動力學等)對巖石劣化的效應進行定量分析，實現多場耦合作用下的本構關系建立和識別以及數值模擬方法的確定等工作十分重要，尚有待完善。(3)在實驗室條件下，由于實驗設備及周圍環境噪聲的影響，無法保證煤巖損傷破壞過程中聲發射信號的精度和準確性，而采用數值模擬的方法則不會出現上述問題。隨著數值模擬軟件的完善及并行技術的快速發展，運用數值模擬軟件，對煤巖試件進行聲發射數值試驗，將模擬結果與物理試驗結果進行對比分析，能夠加深對煤巖損傷破壞過程及其聲發射時空特性的認識。(4)含水煤巖聲發射試驗研究的最終目的是要為工程服務，為工程巖體穩定性的預測預報提供試驗依據，如何將聲發射參數反映到設計參數中，有待巖土工程相關學科的共同努力。

作者：夏冬楊天鴻常宏單位：深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室東北大學資源與土木工程學院 河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司