峰值前后多次加载下煤样声发射特征

 贾炳，魏建平，温志辉

（1．河南省瓦斯地质与瓦斯治理省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454000；

2．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000；

3．煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作454000）

摘要：掌握峰值前后多次加载下煤样声发射变化规律，对研究煤矿开采中不同变形部位煤岩裂缝演化至关重要。利用RMT - 150B型岩石力学实验系统以及CDAE -1全数字化声发射检测及分析系统，采取焦作矿区煤样进行了峰值前后多次加载下的应力一应变一声发射测试实验。测试结果显示：首次加载时声发射参数呈现“渐变性”的变化特征，随后加载时声发射变化呈现“分段性”特征。并且随着加载次数的增加煤岩的Felicity效应逐渐增强，体现了煤岩记忆的超前性。同时，随着加载次数的增加，煤样时间一声发射曲线较时间一应力曲线的滞后性逐渐增强。这些特征的研究可以为煤矿井下地质灾害的监测、预测提供指导。

关键词：岩石力学；加卸载；声发射；实验

0  引言

 随着煤矿开采过程中回采工作面的推进，地应力不断发生变化，导致其周围煤岩体处于近似多次加卸载状态。由于不同区域煤岩体距离工作面长度不一，受力状态不同，对于不同区域，煤岩变形破坏特征也呈现差异性。声发射监测技术作为煤矿目前广泛应用的安全监测手段，准确掌握不同变形、破坏过程声发射的变化规律，对于准确预测煤岩破坏特征，及时采取防治措施具有重要意义。针对煤岩变形、破坏过程中声发射变化特征以往学者进行了诸多研究。其中一些学者通过改变加载速度、加载方式、围压大小等静态测试条件以及变围压、动态干扰等动态测试条件，研究不同测试条件下声发射参数的变化特征。一些学者结合应力一应变、岩石变形等加载过程对测试过程进行阶段划分，分析不同加载阶段声发射参数的变化特征及其异同。一些学者主要是从测试结果人手，分析样品的Felicity效应特征、Kaiser效应特征、频谱特征、破坏前兆特征以及声发射与内部损伤之间的关系。以往学者在声发射方面进行了较多的研究，但是对于多次加卸载过程中峰前加卸载与峰后加卸载、峰前多次加卸载、峰后多次加卸载的声发射特征差异性对比方面研究相对较少。基于此，本文采用三轴应力加载装置和声发射接收装置，进行了峰前、峰后多次加卸载实验，分析其声发射特征。以期提高采用声发射对煤矿煤岩动力灾害、冲击地压等灾害预测的准确性。

1  峰值前后加载时声发射测试

1.1  试验系统及原理

试验系统采用河南理工大学的RMT - 150B型岩石力学伺服试验机和CDAE -1声发射仪，其中岩石力学伺服试验机主要是包括轴压加载系统、围压加载系统、信息采集系统、信息处理系统等，声发射仪主要是包括声发射采集探头、前置放大器、带有数据采集软件的主机等，试验装置原理示意图如图1所示。

 岩石力学伺服试验机通过轴压系统和围压系统实现对煤样的加载与控制，通过传感器对加载过程中的应力、应变数据进行实时记录。在煤样加载变形过程中，由于煤岩内部原有裂隙的闭合与张开、新生裂隙的形成，会产生相对应的不同频度、幅度的声发射信号。这些信号通过安装在样品缸外壁的声发射采集探头进行采集，采集以后经过前置放大器进行预处理，最后以数据、图表等形式显示出加载过程的声发射特征。

1.2样品制备及实验方案

 根据实验煤样制作要求，在焦作矿区采集煤样后，采用切割机、制样机将煤样制成直径为50 mm，长度为50 mm的标准柱状样。

 为了实现对煤样峰值前、峰值后加载过程中声发射特征的分析与对比。在考虑煤样强度，保证完成测试的前提下，进行四次加卸载，其中包含两次峰值前加卸载和两次峰值后加卸载。由于随着煤岩与采掘面之间距离的减小，煤岩的变形、破坏逐渐增强，为了实现对这一过程的近似模拟，将加载峰值依次设计为峰值时位移量的70%、90%、110%、130%，并对加卸载过程中的应力一应变一声发射特征进行了测试与记录。最终得出峰值前后加卸载过程中声发射特征。

 在实验仪器启动以后，将煤样放入样品缸内，根据实验方案设置加载参数。①采用围压／力加载方式，将围压以0.5 MPa/s的速度，加载到5.00 MPa，同时轴向应力以1. 00 kN/s的速度进行加载，当围压达到5.00MPa时结束。②保持围压不变，采用位移控制模式，以0. 005 0 mm/s速度，继续轴向加载，加载至应力峰值时位移量（实验前同类样测试值的均值）的70 %附近停止。③保持围压不变，采用位移控制模式，以0. 005 0m m/s速度进行卸载。④重复步骤②~③依次加载至应力峰值时位移量的90%、110%、130 %，直至测试结束。

1.3煤样应力一应变测试结果

根据实验目的以及实验方案要求，对煤样进行了峰值前后加载过程中的声发射测试，由于不同煤样的声发射变化规律相似，为了避免重复性论述，以1#、2#煤样为例进行论述，其中应力一应变测试结果如图2所示。

2  峰值前后加载时声发射特征的差异性

 本文选取代表性煤样1#、2#煤样测试结果进行分析，其中以1#煤样论述为主。

2.1  峰值前后加载时声发射特征

 为了考虑峰值破坏对煤样声发射特征的影响，将其加卸载过程的声发射过程分为峰值前加卸载过程和峰值后加卸载过程两个阶段分开进行分析、对比。

2.1.1  峰值前加载过程声发射变化特征

根据实验方案对煤样进行了峰值前两次加卸载过程声发射参数测试实验，测试结果如图3所示。

 通过对上述测试结果分析可知两个煤样的变化规律相似，以1#煤样为例进行论述，通过峰前加卸载过程的声发射特征进行分析得出，随峰前加卸载进行，声发射计数、幅度、能量的变化趋势大致相同，其中具体变化特征如下：

 1)峰值前第一次加载过程中，加载至峰值破坏时位移量的79. 6%，在加载初期煤样主要是处于压密阶段和弹性变形阶段，有零星的声发射事件，声发射幅度较小，能量较弱。该阶段声发射事件的产生主要是由于孔裂隙的闭合以及局部弱面的压实，在煤样内部形成损伤变形，产生少量的声发射事件。随着加载的继续进行，声发射计数、幅度、能量均快速增加，直至第一次加载至46MPa结束。该阶段声发射事件的产生主要是由于加载引起煤样内部局部弱面发生塑性变形，造成损伤，产生了新生裂隙，声发射计数逐渐增加。并且随着加载继续进行，塑性变形区域逐渐增大，产生声发射事件的幅值逐渐增大，声发射能量增加。

 2)峰值前第一次卸载过程中，在卸载初期声发射计数、幅度快速降低，其中声发射能量降低速度相对前两者较慢。随后，随着卸载进行，声发射计数、幅度、能量均逐渐减小，同时降低速度逐渐减小。这主要是由于随着卸载进行，煤岩塑性变形区域受到的应力逐渐减小，继续造成损伤的能力降低，新生损伤量增加速度逐渐降低造成的。

 3)峰值前第二次加载过程中，加载至峰值破坏时位移量的93. 0%。在加载初期声发射计数、幅度、能量逐渐增加，但是增加速度较第一次缓慢，存在一个相对平静期。这主要是由于一次加载过程中对煤样内部的孔裂隙、弱面进行了压实，一些尖锐棱角被磨平。在二次加载过程中这些弱面被再次压实时，可被破坏弱面减少，加载初期损伤量减少。因此，产生破坏的声发射计数、幅度均减小。当继续加载至45 MPa附近时，由于煤样内部的一些次级弱面开始发生破坏，产生新生裂缝，声发射计数、幅度、能量均开始快速增加，并且增加速度远远大于加载初期，显示了煤岩较强的记忆性。

 4)峰值前第二次卸载过程中，声发射参数的变化规律和第一次卸载时大致相似。但是其声发射幅度整体上大于第一次卸载时的声发射幅度。主要是由于加载次数的增加，导致塑性区域逐渐增大，易于在煤岩内部形成损伤，即使是在较小应力下也能产生幅值较大的声发射事件。

2.1.2峰后加卸载时声发射特征

峰值后加卸载过程中测的声发射参数特征如图4所示。

 通过对上述测试结果分析可知两个煤样的变化规律相似，以1#煤样为例进行论述，其变化规律如下：

 1)峰值后第一次加载时，加载至峰值破坏时位移量的110. 8%，在加载前期声发射计数、幅度、能量都呈逐渐增加的趋势，但是增加速度缓慢，存在相对的平静期。当加载应力达到41 MPa时，声发射计数、幅度、能量开始呈线性快速增加。时间一声发射曲线较时间一应力曲线具有一定的滞后性。主要是由于峰值破坏引起煤岩内部较大范围发生塑性变形，造成大面积损伤，导致煤岩抵抗变形能力降低。虽然应力开始减小，但是较小的应力依然可以引起煤岩发生破坏，声发射参数继续增加。同时，由于煤样本身的Felicity效应，导致声发射快速增加时的应力值小于前一次加载时的最大应力值。与前两次加载相比，由于塑性变形区域的逐渐增大，所以再次加载至破坏时，声发射的计数、幅度、能量均大于之前的峰值。

 2)峰值后第一次卸载时，在卸载初期声发射计数、幅度、能量快速降低。主要是由于随着应力卸载对煤岩的挤压作用减小，煤岩内部再次损伤减弱，声发射参数减小。在卸载后期，声发射参数降低速度逐渐变缓，但是声发射参数整体高于峰值前卸载时的声发射参数值。尤其是声发射幅度，在降低一段时间后，又开始上升，维持在较高水平波动。主要是由于破坏区域比较大，易于形成较大范围的应力集中，发生破坏时产生声发射事件的幅度比较大。

 3)在峰值后第二次加载时，加载至峰值破坏时位移量的130. 1%，其变化规律和峰值后第一次加载时相似。当加载到应力为39 MPa左右时，声发射快速增加。其时间一声发射曲线稍微滞后于时间一应力曲线。并且声发射快速增加的加载应力小于上一次的最大加载应力48 MPa。

 4)峰值后第二次卸载时，在卸载初期声发射计数、幅度、能量快速降低。其原因和峰值后第一次卸载时相似。在卸载后期，声发射计数和能量维持在一定水平波动，声发射幅度又有所上升。总体上，声发射参数值较前一次有所上升。

2.2  峰值前后加载时煤样的Kaiser效应和Felicity效应特征

煤岩本身具有较好的记忆性，不同煤岩记忆特征的不同，导致声发射特征也呈现差异性。Kaiser效应是指加载过程中当加载应力超过上一次最大加载力时，声发射快速产生的现象。Felicity效应是指加载过程，在加载应力还没有达到上一次最大加载应力时，声发射就快速产生的现象。其中Kaiser效应的强弱可以采用加载时声发射快速产生时的应力值与上一次加载时最大应力值的比值表示，即：

 式中：σ，为声发射快速产生时的应力值，MPa；σ，为上次加载时的应力最大值，MPa。

 对于1#煤样，在第一次加载时，加载至46 MPa，然后卸载；第二次加载时，当加载至45 MPa时，声发射参数开始快速增加，此时F，=97.8%，继续加载至51MPa，加载结束；第三次加载至45 MPa时，声发射参数开始快速增加，此时F。‘=88.2%，继续加载至48 MPa，加载结束；第四次加载时，加载至39 MPa时，声发射参数开始快速增加，此时Fe= 81. 3%。

 从各阶段计算结果可以看出：随着加载次数的增加，F。值逐渐减小，显示出较好的Felicity效应，体现了煤样对声发射记忆的超前性，并随加载次数增加逐渐增强。主要是由于随着加载进行，在煤样内部引起损伤量增加，抵抗能力减弱，在应力还没有达到上次加载应力时，声发射事件就大量产生。

2.3  峰值前后加载时声发射差异性

 通过对峰值前后多次加载过程声发射特征的测试与分析可以得出峰值前后加卸载过程中声发射特征具有以下差异性：

 1)多次加卸载过程中，一次加载时声发射参数呈现出一直增加的趋势，并且增加速度缓慢增加。二次及以后加载时．声发射参数变化呈现两个阶段性特征，开始阶段增加缓慢，为相对平静期；在加载至一次加载峰值时，声发射参数开始呈现出近似指数形式的快速增加。声发射参数呈现这种变化规律主要是由于两方面原因：一是一次加载时对孔裂隙的不可恢复性压密以及对存在棱角弱面的挤压、磨平，使后期再次加载时，在加载初期存在一个相对的平静期。二是煤样本身较强的记忆性。因此，在进行煤矿井下地质灾害监测时，要加强周期来压过程中声发射参数平静期特征的分析，以便于及时掌握煤岩变形特征。

 2)随着加卸载次数的增加，煤样逐渐显现出较强的Felicity效应，体现了煤样对声发射记忆的超前性，这一规律与文献[13]得出的趋势相似。主要是随着加卸载次数的增加，煤岩本身强度逐渐降低，抵抗变形破坏的能力逐渐降低，在较小的应力下就可以引起较大范围的塑性变形与破坏。所以，在应力还没有达到上一次加载时的应力时，就开始有大量的声发射事件产生。利用煤样的这一特征，可以及时掌握煤岩的受力情况，为灾害的预测提供应力特征信息。

 3)加卸载过程中峰值后声发射参数在整体上大于峰前声发射参数。在峰后声发射参数具有较高值，主要是经过峰值后破坏阶段，煤岩发生了较大范围的塑性变形，煤岩强度降低，在较低的应力作用下，就会在煤岩内部产生变形、破坏，发出声发射信号。

3  结论

 1)首次加载时声发射参数具有渐变性增加的特征，随后加载时声发射变化呈现出分段性特征。即在煤矿开采过程中，初次来压时，煤岩声发射参数呈现出渐变性；在随后周期来压过程中，煤岩声发射变化呈现出阶段性特征。

 2)随着加载次数的增加煤岩的Felicity效应逐渐增强，体现了煤岩记忆的超前性。在基于声发射进行煤矿井下地质灾害预测时，要注意煤岩的Felicity效应影响。

 3)加卸载过程中，声发射变化特征与应力变化特征相比具有一定滞后性，并且峰值后声发射参数整体上较峰值前大。所以，对于处于不同受力状态煤岩，其声发射特征要区别对待，才能起到较好预测效果。