不同加載速率下煤巖聲發(fā)射與紅外輻射特征研究

姜永鑫，李忠輝,3，曹 康，田 賀，何 順，王楓植

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116； 3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

我國是世界上最大的采煤國，同時也是發(fā)生煤礦災(zāi)害事故最嚴(yán)重的國家。隨著開采深度的增加，煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災(zāi)害的危險性也逐漸增加，部分原來無危險的煤礦開始出現(xiàn)動力現(xiàn)象，對煤礦安全高效生產(chǎn)造成極大威脅[1-2]。煤巖動力災(zāi)害是煤巖體在應(yīng)力作用下失穩(wěn)破壞的一種災(zāi)害現(xiàn)象，是威脅煤礦安全開采的一個重要因素，因此對煤巖體在受力過程中產(chǎn)生的地球物理信號的研究具有重要的科學(xué)意義和工程實際意義[3-4]。

在煤巖動力災(zāi)害發(fā)展過程中，煤巖內(nèi)儲存的能量會以電磁能、聲能、熱能等能量形式釋放出來，由此產(chǎn)生了多種煤巖體受力破壞監(jiān)測的地球物理學(xué)方法，如聲發(fā)射法、電磁輻射法和紅外法等，各種監(jiān)測方法的研究和應(yīng)用都取得了很大進展[5-6]。陳春諫等[7]研究了不同含水率煤巖聲發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)水軟化了型煤試件，且隨著含水率的增加，峰值應(yīng)力和彈性模量減小，變形特征向巖性轉(zhuǎn)化的趨勢；鄒銀輝[8]研究了煤巖聲發(fā)射特征的產(chǎn)生機理，并推導(dǎo)了理論模型；劉杰等[9]研究了巖石強度對于組合試樣力學(xué)行為及聲發(fā)射特性的影響，發(fā)現(xiàn)組合試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線位于煤體和巖石之間，更加靠近煤體；李國愛[10]研究了裂隙砂巖失穩(wěn)演化過程紅外熱效應(yīng)及其破壞前兆規(guī)律，發(fā)現(xiàn)試樣受載破壞過程中紅外輻射溫度對破裂具有良好的響應(yīng)，最高紅外輻射溫度異常信號表現(xiàn)為瞬間的突增、突降；馬立強等[11]研究了煤巖破裂過程中應(yīng)力對紅外輻射的控制效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)煤樣表面紅外輻射方差突變系數(shù)平均達到煤樣應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的2個數(shù)量級，可運用此特征對承載煤巖體裂隙發(fā)育及破裂狀況進行紅外實時監(jiān)測。曹安業(yè)等[12]研究了不同加載速率下巖樣損傷演化的聲發(fā)射特征，隨著加載速率增大，AE能量釋放形式由孤震型向震群型轉(zhuǎn)變，且高加載速率下AE撞擊能量有大幅升高，但AE累計振鈴計數(shù)明顯減少。上述研究成果分別在聲發(fā)射、紅外輻射和不同加載速率方面對煤巖破壞過程進行了研究，但不同加載速率下的煤巖聲發(fā)射和紅外輻射特征研究較少。筆者通過單軸加載試驗，利用聲發(fā)射儀和紅外熱像儀同步測試了煤巖的聲發(fā)射和紅外輻射信息。研究了不同加載速率下煤巖破裂過程中聲發(fā)射和紅外輻射的變化規(guī)律及對應(yīng)關(guān)系，為煤巖體受力災(zāi)變等礦山災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警提供技術(shù)手段。

1 試驗設(shè)計及試驗方法

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗在電磁屏蔽室內(nèi)進行，屏蔽效果在85 dB以上，減少了外界較強電磁場、空氣流動和噪聲對試驗信號的干擾，創(chuàng)造了相對穩(wěn)定的試驗環(huán)境。試驗系統(tǒng)主要由加載控制系統(tǒng)、聲發(fā)射采集系統(tǒng)和紅外監(jiān)測系統(tǒng)。加載控制系統(tǒng)采用YAW型微機控制試驗機，該試驗機具有力閉環(huán)控制、恒應(yīng)力控制和載荷保持功能，能夠?qū)崿F(xiàn)等負(fù)荷加載，控制精度高。聲發(fā)射采集系統(tǒng)采用24通道美國物理聲學(xué)公司Micro-Ⅱ型AE監(jiān)測主機，通過配套軟件Rock Test for Express-8可實時采集聲發(fā)射時域參數(shù)和原始波形數(shù)據(jù)，能進行聲電數(shù)據(jù)采集及實時或事后數(shù)據(jù)分析和頻譜分析，采用的探頭型號為NANO-30，其峰值頻率為300 kHz。紅外監(jiān)測系統(tǒng)采用0ptris PI450高分辨率紅外熱像儀，其光學(xué)分辨率為382×288，溫度范圍為-20～+100 ℃，0～250 ℃，150～900 ℃(分段調(diào)溫)，幀頻為80 Hz，紅外頻帶為7.5～13.0 μm，視場角為23°～30°，熱靈敏度為0.04。

圖1 試驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.2 試驗樣品制備及加載方式

試驗所需煤樣來自河南神火集團有限公司梁北煤礦，將大塊煤樣加工成50 mm×50 mm ×100 mm(長×寬×高)的標(biāo)準(zhǔn)長方體煤樣，如圖2所示，煤樣端面平整度誤差小于0.03 mm。煤樣提前24 h放入屏蔽室，保證試驗時試樣溫度和環(huán)境溫度一致。單軸加載試驗采用力控加載方式，為避免接觸時產(chǎn)生接觸噪聲影響聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果，先預(yù)加載至200 N，保證煤樣與加載面完全接觸。選取9個煤樣，分成3組，分別以50、100、200 N/s的速率加載至破壞。采用聲發(fā)射系統(tǒng)和紅外熱像儀，同步實時測試煤樣的破裂過程。為保證各試驗系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時間的一致，試驗開始時，對各試驗采集系統(tǒng)進行同步計時。試驗中為減少環(huán)境因素對紅外成像儀測量結(jié)果的影響，在試驗臺周圍圍上白色的濕布，正對紅外熱像儀的一面敞開，同時禁止人員走動。

圖2 部分煤巖樣Fig.2 Prepared coal samples

2 試驗結(jié)果分析

2.1 煤樣變形破壞的4個典型階段分析

為降低環(huán)境和儀器等因素對試驗結(jié)果的影響，試驗中所述紅外輻射溫度為試樣的最高紅外輻射溫度，最高紅外輻射溫度指紅外熱像儀測量試樣溫度場內(nèi)的溫度最大值，其反映試樣紅外輻射的最大強度。煤巖的載荷-時間曲線是煤巖力學(xué)性質(zhì)的重要反應(yīng)。對9組試驗結(jié)果進行分析，限于篇幅原因，分別從50、100、200 N/s三個加載速率小組中各挑選一組試驗結(jié)果進行分析研究。由于加載速率是影響煤巖力學(xué)特性的主要因素之一，煤巖試樣在3種不同加載速率下的聲發(fā)射和紅外輻射試驗結(jié)果如圖3所示，結(jié)合煤巖破壞過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從煤巖變形破壞的4個典型階段進行分析。由圖3可知，每個階段的煤巖具有不同的聲發(fā)射和紅外輻射特征，不同加載速率下紅外輻射規(guī)律基本一致，呈典型的降轉(zhuǎn)升變化，不同加載速率下的聲發(fā)射信號前期較少，后期較多，載荷峰值附近達到最大值。

圖3 不同加載速率下的聲發(fā)射和紅外輻射試驗結(jié)果Fig.3 Experimental results of acoustic emission and infrared radiation at different loading rates

1)第1階段，初始壓密階段(OA)。隨著軸向載荷的增加，煤巖中的微裂隙和天然缺陷在載荷的作用下被逐漸壓密實，試件體積逐漸變小。由于載荷較小，在此階段，聲發(fā)射信號反應(yīng)不明顯，能量低，計數(shù)少。紅外輻射溫度下降明顯，總體呈下降趨勢。

2)第2階段，線彈性階段(AB)。試樣體積繼續(xù)減小，體應(yīng)變繼續(xù)增大，隨著載荷的不斷加大，煤巖內(nèi)部的微裂隙和節(jié)理等被壓實，煤巖發(fā)生微小破裂，聲發(fā)射信號對微小破裂的產(chǎn)生有很好的響應(yīng)。隨著載荷的增大，從煤樣表面來看沒有任何明顯裂紋產(chǎn)生，但煤巖內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂隙，最高紅外輻射溫度呈升-降-升的變化。加載速率50 N/s時，664.5～691.1 s最高紅外輻射溫度增加0.2 ℃，689.5 s發(fā)生了一次破裂，聲發(fā)射計數(shù)突增到989；728.1～740.6 s最高紅外輻射溫度增加0.12 ℃，742 s聲發(fā)射計數(shù)突增到892，煤樣表面變化不明顯，但內(nèi)部已產(chǎn)生微裂隙。加載速率為100 N/s時，375.5～387.6 s最高紅外輻射溫度增加0.21 ℃，386.5 s產(chǎn)生了小破裂，聲發(fā)射計數(shù)突增到7 030。加載速率為200 N/s時，158.0～163.8 s，最高紅外輻射溫度增加0.18 ℃，155 s聲發(fā)射計數(shù)增大到3 789；178.5～186.2 s最高紅外輻射溫度增加0.12 ℃，184.5 s產(chǎn)生小破裂，聲發(fā)射計數(shù)突增到2 055。煤巖產(chǎn)生小破裂時，聲發(fā)射計數(shù)突增，紅外輻射溫度緩慢上升。

3)第3階段，塑性階段(BC)。隨著載荷的不斷加大，煤巖內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，變形加速，載荷上升較緩慢，煤巖體積逐漸增大。在發(fā)生較大破裂時，聲發(fā)射計數(shù)迅速達到高值。其值和煤樣發(fā)生主破裂時的計數(shù)值相當(dāng)。煤巖內(nèi)部裂隙大量產(chǎn)生，在載荷作用下開始擴展、連接，逐漸向主破裂方向匯集。從圖3可以看出，此階段的聲發(fā)射活動明顯，最高紅外輻射溫度呈持續(xù)上升趨勢。加載速率為100 N/s時，在458.7～480 s最高紅外輻射溫度增加0.31 ℃，471.8 s連續(xù)發(fā)生2次破裂，聲發(fā)射計數(shù)連續(xù)出現(xiàn)2次突增。

4)第4階段，破裂及其發(fā)展階段(C點以后)。該階段煤巖內(nèi)部出現(xiàn)大量裂紋和裂隙并迅速擴展，匯合貫通，載荷升高到試樣的承載極限，最終導(dǎo)致煤巖失穩(wěn)破裂。在試樣發(fā)生主破裂時，聲發(fā)射計數(shù)迅速達到峰值，由于煤巖試樣破壞后破裂面之間存在劇烈的摩擦和滑移，聲發(fā)射信號劇烈波動直到試驗結(jié)束。由于前期能量的積累，在煤樣失穩(wěn)破壞時，載荷瞬間下降，破裂處發(fā)生劇烈摩擦和滑動，最高紅外輻射溫度出現(xiàn)極大值。

2.2 不同加載速率的煤樣聲發(fā)射、紅外特征分析

3種不同加載速率下聲發(fā)射各參數(shù)的對比結(jié)果如圖4所示。隨著加載速率的增加，產(chǎn)生明顯聲發(fā)射數(shù)的時間明顯縮減，加載速率的增大使產(chǎn)生明顯聲發(fā)射的應(yīng)變值變小。由圖4可知，平均AE計數(shù)和平均AE能量均隨加載速率的增大而增大。這是由于加載速率的增大，使裂紋、裂隙的擴展速率也迅速增大，相應(yīng)的聲發(fā)射也越大，而此時監(jiān)測的聲發(fā)射計數(shù)和能量也越大，煤塊崩落，煤體破壞明顯，說明煤巖的損傷伴隨著能量的釋放過程。

圖4 不同加載速率下聲發(fā)射各參數(shù)對比Fig.4 Comparison of acoustic emission parameters at different loading rates

表1為試樣溫度下降最大值、最大溫度及溫度曲線各階段(OA、AB、BC)擬合曲線的斜率。

表1 不同加載速率下煤樣紅外各參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of infrared parameters of coal samples at different loading rates

由表1知：煤巖溫度降低最大值在0.30～0.57 ℃，加載速率為50、100、200 N/s時，煤樣發(fā)生破裂時最高紅外輻射溫度最大值為31.24、31.65、32.80 ℃；煤巖失穩(wěn)破裂時的最高紅外輻射溫度的最大值隨著加載速率的增加而增大，加載速率增加越大，最高紅外輻射溫度最大值越大。煤巖受載過程中最高紅外輻射溫度呈現(xiàn)典型的降轉(zhuǎn)升型。由階段擬合直線的斜率知，線彈性階段(AB)最高紅外輻射溫度下降趨勢較初始壓密階段(OA)有所減緩，在加速非彈性變形階段(BC)階段擬合曲線斜率顯示此階段煤巖持續(xù)升溫。加載速率為50 N/s時，最高紅外輻射溫度在607.6 s時降低到最小值29.67 ℃；加載速率為100 N/s時，最高紅外輻射溫度在453.1 s時降低到最小值28.92 ℃；加載速率為200 N/s時，最高紅外輻射溫度在135.9 s時降低到最小值30.27 ℃，隨著加載速率的增大，出現(xiàn)最高紅外輻射溫度最低點的時間發(fā)生提前。

2.3 不同加載速率的煤樣聲發(fā)射、紅外相關(guān)性分析

不同加載速率下紅外輻射溫度與聲發(fā)射計數(shù)如圖5所示(統(tǒng)計有明顯聲發(fā)射活動或破裂時的聲發(fā)射與紅外輻射溫度)?？梢钥闯黾t外輻射溫度與聲發(fā)射計數(shù)變化趨勢具有較好的一致性。加載速率為50、100、200 N/s時，紅外輻射溫度與聲發(fā)射計數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.96、0.92、0.99，二者呈較高的正相關(guān)關(guān)系。

圖5 不同加載速率下紅外輻射溫度與聲發(fā)射計數(shù)Fig.5 Infrared radiation temperature and acoustic emission count at different loading rates

3 結(jié)果討論

1)不同破壞階段聲發(fā)射、紅外輻射主導(dǎo)原因討論。試樣在初始壓密階段，內(nèi)部原生節(jié)理及各種裂隙被逐漸壓實，不會產(chǎn)生較多的新生裂紋，聲發(fā)射事件數(shù)量少、強度低；紅外輻射溫度變化較小，整體呈下降趨勢，加載速率的增大沒有影響此階段聲發(fā)射和紅外輻射信號的變化。線彈性階段，隨著載荷的進一步增大，煤樣受壓裂隙閉合，聲發(fā)射計數(shù)和能量較小；煤巖內(nèi)部不同部位表現(xiàn)為張性區(qū)和壓性區(qū)，由熱彈定律可知，壓性區(qū)升溫，張性區(qū)降溫，導(dǎo)致試樣表面的紅外溫度出現(xiàn)變化，紅外輻射溫度出現(xiàn)了升降升的變化。塑性階段，煤巖內(nèi)部不斷產(chǎn)生新生裂紋，且新老裂紋不斷擴展、匯通，聲發(fā)射計數(shù)和能量較大；由于壓剪效應(yīng)，最高紅外輻射溫度出現(xiàn)區(qū)域峰值且持續(xù)短暫，說明破裂面之間先發(fā)生劇烈的摩擦，然后產(chǎn)生分離，在壓力的作用下再次閉合。不同加載速率下的煤樣破壞模式如圖6所示，在破裂及其發(fā)展階段，聲發(fā)射出現(xiàn)最大計數(shù)和最大瞬時能量，煤巖表現(xiàn)出脆性破壞；產(chǎn)生破裂和摩擦?xí)r引發(fā)了破裂面之間的摩擦熱效應(yīng)，熱彈效應(yīng)和摩擦熱效應(yīng)共同作用于這一階段。從能量的釋放過程來看，峰值破壞時釋放出的能量最多，隨著加載速率的提高，在峰值處釋放的能量的最大值呈遞增趨勢。加載速率的增大使煤巖在加載過程中能量的釋放速度變慢，在破裂時可以瞬間釋放出更多的能量，表現(xiàn)為聲發(fā)射計數(shù)、能量和最高紅外輻射溫度隨加載速率的增大而增大。

圖6 不同加載速率下的煤樣破壞模式Fig.6 Coal sample failure mode at different loading rates

2)煤巖破裂的聲發(fā)射、紅外輻射前兆信息。煤樣在單軸加載過程中，聲發(fā)射和紅外輻射溫度對試樣內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通有不同的響應(yīng)，將不同加載速率下在臨近煤巖失穩(wěn)破壞前的明顯異常點作為煤巖試樣的“臨界前兆點”。對圖4統(tǒng)計的結(jié)果分析后得到了不同加載速率下煤樣破壞聲發(fā)射和紅外輻射信號的臨界前兆點(表2)，聲發(fā)射前兆點的波動率為試樣失穩(wěn)破壞的明顯異常點的聲發(fā)射計數(shù)值減去平均聲發(fā)射計數(shù)再與明顯異常點的平均聲發(fā)射計數(shù)的比值。不同加載速率下試樣損傷臨界前兆點的波動率71.3%～95.6%，紅外臨界前兆點的標(biāo)準(zhǔn)差0.75～0.92。

表2 不同加載速率下煤樣臨界損傷前兆點Table 2 Precursor points of critical damage of coal samples at different loading rates

4 結(jié) 論

1)煤巖受力破壞時，聲發(fā)射和紅外輻射信號都有很好的響應(yīng)。聲發(fā)射的變化能夠直觀反映煤樣在所受載荷下的損傷程度。隨著加載速率的增加，聲發(fā)射計數(shù)和能量增大，峰值點附近聲發(fā)射活動更為劇烈，峰值處釋放的能量的最大值呈遞增趨勢。

2)煤巖受載過程中最高紅外輻射溫度呈現(xiàn)典型的降轉(zhuǎn)升型，線彈性階段(AB)紅外輻射溫度的下降趨勢較初始壓密階段(OA)略有減緩，在塑性階段(BC)階段煤巖試樣持續(xù)升溫，溫度最低點在線彈性階段(AB)。隨著加載速率的增加，溫度的降轉(zhuǎn)升點逐漸提前。最高紅外輻射溫度能夠反映煤巖試樣局部破裂點的溫度變化，煤巖發(fā)生破壞時，溫度發(fā)生突變，最高紅外輻射溫度隨加載速率的增大而增大。

3)每個階段的煤巖具有不同的聲發(fā)射和紅外輻射特征，不同加載速率下的聲發(fā)射和紅外輻射規(guī)律基本一致。紅外輻射溫度與聲發(fā)射計數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，隨著加載速率的增加相關(guān)系數(shù)呈先減小后增大的趨勢，紅外輻射信號與聲發(fā)射信號有良好的對應(yīng)關(guān)系。不同加載速率下聲發(fā)射測試結(jié)果反映出的試樣損傷臨界前兆點的波動率71.3%～95.6%，紅外臨界前兆點的標(biāo)準(zhǔn)差0.75～0.92。