水對(duì)煤巖聲發(fā)射特性影響的試驗(yàn)研究

李高陽(yáng)

摘要：對(duì)水浸泡（0 h、72 h、144 h）后的煤巖試件進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射（AE）特性試驗(yàn)，研究煤巖試件壓縮試驗(yàn)過(guò)程與聲發(fā)射指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析浸水時(shí)間對(duì)聲發(fā)射參數(shù)幅度的影響。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在單軸壓縮過(guò)程中，隨著載荷的增大，AE最大幅度逐漸增加;在相同的載荷作用下，隨著浸泡時(shí)間的增加，AE最大幅度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：煤巖;聲發(fā)射;幅度

中圖分類(lèi)號(hào)：O424? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）41-0128-02

一、聲發(fā)射檢測(cè)原理及方法

聲發(fā)射（AE）現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于物體受到各種外界條件作用時(shí)，它的內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)彈性波能量波動(dòng)。當(dāng)外界的作用值逐漸增大至一個(gè)臨界值時(shí)，物體內(nèi)部會(huì)發(fā)生能量釋放的現(xiàn)象，稱此過(guò)程為聲發(fā)射活動(dòng)。同樣，當(dāng)對(duì)煤巖進(jìn)行壓縮時(shí)，隨著載荷的不斷增加，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，也會(huì)隨之產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，并且，受外力作用而出現(xiàn)的聲發(fā)射信號(hào)里包含著可以預(yù)示煤巖試件在出現(xiàn)斷裂的每個(gè)階段的信號(hào)。在外載荷對(duì)煤巖產(chǎn)生力作用的過(guò)程中，煤巖內(nèi)部的原生裂縫延長(zhǎng)、擴(kuò)展，并且隨著載載荷的不斷增加，產(chǎn)生的新的裂隙延長(zhǎng)、擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂破壞。這些過(guò)程都伴隨著聲發(fā)射活動(dòng)，這種活動(dòng)也是煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化伴隨的能量信號(hào)的傳遞過(guò)程，AE信號(hào)的大小、變化趨勢(shì)與煤巖受力發(fā)生破壞和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的變化階段相對(duì)應(yīng)。因此，我們利用煤巖試件單軸壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的AE信號(hào)對(duì)煤巖的壓縮斷裂過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這對(duì)于礦區(qū)中煤巖體受力變形和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有很重要的價(jià)值。

聲發(fā)射檢測(cè)方法為：將源信號(hào)發(fā)出的彈性波能量傳輸?shù)奖粶y(cè)試試件的表面上，試件表面接觸著的傳感器會(huì)及時(shí)接收能量波，并且立即把此信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，之后通過(guò)放大器將信號(hào)放大，最后由電腦分析計(jì)算、記錄此信號(hào)，并將此信號(hào)輸出顯示為圖像和數(shù)字信息。因此，我們能對(duì)電腦顯示的聲發(fā)射信息進(jìn)行研究、計(jì)算、分析。AE幅度是聲發(fā)射特性的一個(gè)主要參數(shù)，從試件表面接收到的AE信號(hào)會(huì)產(chǎn)生波形，其波形的最大振幅值稱為AE幅度，AE最大幅度代表試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂時(shí)產(chǎn)生能量波信號(hào)的最大值。

二、試驗(yàn)方法

本文對(duì)浸水時(shí)間不同的煤巖試件進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，單軸壓縮加載設(shè)備使用DNS200型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，AE測(cè)試儀器采用SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中使DNS200型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，設(shè)置為力控制的加載方式，將加載速率定為0.5kN/s。在聲發(fā)射系統(tǒng)中將采集信號(hào)的時(shí)間間隔設(shè)置為200ms，放大器設(shè)置為40dB，門(mén)檻值設(shè)置為35dB。在試件表面的中心部位和傳感器探頭處均涂上耦合劑，這樣可以使信號(hào)的接收更加流暢。

三、煤巖聲發(fā)射試驗(yàn)參數(shù)分析

本次試驗(yàn)對(duì)3個(gè)浸水時(shí)間不同的煤巖試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)聲發(fā)射參數(shù)幅度特性進(jìn)行了對(duì)比分析。

將試件產(chǎn)生的AE最大幅度繪制為AE幅度條形圖，如圖1、圖2、圖3所示。比較圖1、圖2、圖3發(fā)現(xiàn)：當(dāng)試件浸水0 h時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增大，AE最大幅度值分別為58 dB、65 dB、70 dB;當(dāng)浸水72 h時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增大，AE最大幅度值分別為50 dB、59 dB、63 dB;當(dāng)試件浸潤(rùn)144 h時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增加，AE最大幅度值分別為42 dB、50 dB、55 dB。將所有的AE最大幅度值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力的不斷增加，試件產(chǎn)生的AE最大幅度值呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì)。并且，通過(guò)比較同一應(yīng)力條件下的試件可以看出，當(dāng)煤巖試件浸水時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，AE最大幅度值出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，水的作用弱化了煤巖試件的強(qiáng)度等級(jí)，使其內(nèi)部的能量信號(hào)減弱，繼而使幅度降低。

四、結(jié)論

利用SAEU2SAE系統(tǒng)對(duì)煤巖單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試，分析AE幅度參數(shù)，得出以下結(jié)論：

第一，在相同的浸水時(shí)間條件下，隨著應(yīng)力增加，AE幅度的最大值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。

第二，在同樣應(yīng)力水平條件下，隨著試件的浸水時(shí)間延長(zhǎng)，其AE幅度的最大值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

第三，水可以弱化煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)，降低其強(qiáng)度等級(jí)，使其內(nèi)部的能量信號(hào)減弱，繼而使AE最大幅度降低。

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