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第24卷第3期 1999年 6月煤 炭 学 报JOURNA L OF CHI NA C OA L S OCIETY V ol.24 N o.3 June 1999 煤岩破裂声发射实验研究及R S 统计分析3王恩元 何学秋 刘贞堂(中国矿业大学)摘要 对受载煤体破裂过程中的声发射(AE )信号进行了测定和分析.研究结果表明,受载煤岩体的变形破裂及声发射信号并不连续,而是阵发性的.声发射信号符合赫斯特(R S )统计规律.在受载煤岩体的破裂过程中,声发射信号基本呈现逐渐增强趋势,这对于预测预报煤岩灾害动力现象有重要的意义.关键词 声发射 煤体破裂 R S 统计规律 赫斯特指数中图分类号 T D 326 T D 315声发射的研究在揭示煤岩体破坏机理,预测预报煤岩灾害动力过程,如煤与瓦斯突出、顶板塌陷、围岩变形、冲击地压、滑坡、地震及岩石混凝土建筑失稳等方面有着非常广阔的应用前景.我国平顶山矿务局从俄罗斯引进了声发射监测系统,并用于煤与瓦斯突出预报的试验研究[1].与现行的静态预测方法相比,利用声发射技术预测预报煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象,可以克服人为因素、煤岩体分布不均匀及受力状态不稳定的影响,实现连续动态监测预报.声发射方法虽然能够连续较有效地评估煤层边缘的突出危险性,是一种很有发展前途的预测方法,但目前其可靠程度与生产实际的需要还有很大差距.了解煤岩体破裂过程中声发射的特征规律,并从获得的声发射信息中得出能够准确反映煤岩破裂过程危险程度的本质特征,是解决上述问题的关键.本文研究的目的在于,确定煤岩体受载破裂过程中声发射信号的特征规律和变化趋势,为预测预报煤岩灾害动力现象提供一种分析手段.1 实验研究实验研究的主要目的是,确定煤岩体受载变形及破裂过程中产生声发射的特性、规律,寻求煤岩体变图1 实验系统Fig 11 Experimental system 1———载荷传感器;2———压机;3———高速数据采集系统;4———声发射信号接收传感器;5———位移计;6———煤样;7———声发射接收三分量传感器形及破裂的前兆信息.实验所需煤样取自大屯孔庄矿、徐庄矿,淮北杨庄矿,平顶山矿区十二矿和淮南矿区.煤样分为两种,一种是由井下采取的大块煤体通过加工而成的原煤样;一种是由原煤磨成细小的煤粒用特制的模具加工成的成型煤样.煤样一般加工成<50mm ×100mm 的圆柱形样品.实验系统如图1所示,主要由加载系统(包括压机2和煤样6)、声发射(AE )信号数据采集系统(包括声发射信号接收三分量传感器7和高速数据采集系统4)、载荷及位移记录系统(包括载荷传感器1、电收稿日期:1999-01-153国家教委“跨世纪优秀人才培养计划”基金、国家“九五”攻关、国家自然科学基金资助项目阻应变仪、位移计5、位移变送器和记录仪)等组成.声发射信号接收三分量传感器可同时测量一个纵波(P )和两个偏振方向的横波(S 1平行于轴向,S 2垂直于轴向).触发方式为声发射触发,实验中当声发射强度超过设定的门限值时,高速数据采集系统记录以此触发点为中心的前后共4k 数据(4096个数据点)作为一个事件(每个事件中可能包含一次或多次声发射),之后等待下一次触发.另外,为了检验声发射信号数据采集系统的可靠性,实验中还由声发射信号接收传感器4、前放S Q -1、声发射仪和记录仪同步记录下声发射的模拟信号.实验研究了不同煤样(不同产地的原煤样和型煤共20块)受载变形及破裂过程中的声发射特性.实验中不同种类的煤样受载破裂时均有声发射信号产生.图2为孔庄6号原煤的声发射实验结果.实验中共记录到81个事件,图中仅给出部分事件的记录结果(图2(a )～(d )).t (i )为每个事件的开始触发时间(也即事件的中心时间),i 为事件序号(i =1,2,…,81).图中横坐标为事件中采样数据点序号.采样速率为20MH z.尽管从载荷与时间关系曲线(图2(e ))和位移与时间关系曲线(图2(f ))上看,宏观尺度上煤体的变形破裂是连续的,但是从声发射的实验结果(图2(a )～(d ))可以看出,煤体的变形及破裂过程不是连续的,也不是均匀的,而是阵发性的.变形及破裂需要一个能量的积累过程,只有当煤体中某处的变形能积累到一定程度,才能引起破裂,而每一次的破裂均会引起弹性能的释放,产生声发射.当煤体中裂纹尖端附近的能量不足以使裂纹继续扩展时,裂纹扩展中止,煤体中继续积累能量,在该阶段声发射平静.图2 孔庄6号原煤声发射实验记录结果Fig 12 Experimental results of AE during fracture of coal (N o 16,from K ongzhuang C oal M ine )煤体破裂过程中产生的声发射信号是非常丰富的,但并不是呈现单调的增长趋势.采样速率低,则可能使某些特征信号丢失,采样速率高,必然会得到大量的数据.因此,为便于得到煤岩体破裂过程中声发射信号的特征规律而寻求一种新的分析方法,是非常必要的.2 煤岩破裂声发射的R S 统计分析赫斯特(H 1E 1Hurst )于1965年提出了R S (rescaled range analysis )时间序列分析方法[2].对于一个声发射信号时间序列{x (t ),t =1,2,…,N },定义其均值为〈X 〉k =1k ∑k t =1x (t ) (k =1,2,…,N ),(1)累积离差为X (n ,k )=∑n i =1[x (i )-〈X 〉k ] (1≤n ≤k ),(2)172第3期 王恩元等:煤岩破裂声发射实验研究及R S 统计分析极差为R (k )=max 1≤n ≤k X (n ,k )-min 1≤n ≤k X (n ,k ),(3)标准差为S (k )=1k ∑k t =1[x (t )-〈x〉k ]2.(4) 赫斯特在分析R (k )S (k )的统计规律时,发现存在以下的关系,即R (k )S (k )∝k H ,(5)这里,H 称为赫斯特指数.R S 统计规律的物理意义是:若{x (t ),t =1,2,…,N }是相互独立、方差有限的随机序列,则有H =12.H >12意味着持久性,即所研究的时间序列不是相互独立的,而是有相关性.用平均的观点看,过去呈现一个增长趋势.H <12意味着过去的增量与未来的增量呈负相关,过程具有反持久性,即前期呈一个增长趋势,后期呈现一个减少趋势;反之亦然.因此,R S 分析在时间序列中有很强的预报作用.对式(5)进行变换可得:H =dlg [R (k )S (k )]dlg k ,(6)即赫斯特指数H 是lg[R (k )S (k )]与lg k 关系曲线的正切.将实验得到的声发射信号用式(6)进行回归分析得出H .图3为孔庄6号原煤样破裂过程中声发射纵波(P ,见图3(a ))和横波(S 1,见图3(b );S 2,见图3(c ))信号在从加载开始到最大载荷的阶段内脉冲数(每个事件统计一个脉冲数)时间序列的统计分析结果,图中r 表示相关系数.图3 孔庄6号原煤声发射信号的R S 统计规律Fig 13 The R S statistical rule of AE of raw coal sam ple (N o 16,from K ongzhuang C oal M ine )图4为淮南2号型煤破裂过程中声发射纵波(P ,见图4(a ))和横波(S 1,见图4(b );S 2,见图4(c ))信号在从加载开始到最大载荷的阶段内脉冲数(每个事件统计一个脉冲数)时间序列的统计分析结果.图4 淮南2号型煤声发射信号的R S 统计规律Fig 14 The R S statistical rule of AE of m oulded coal (N o 12,from Huainan C oal M ine )从图3和图4可以看出,声发射信号不同特征波的赫斯特指数H 不同.声发射横波S 2的赫斯特指数最大,纵波P 的赫斯特指数次之,横波S 1的赫斯特指数最小,表明在垂直于轴向应力方向上偏振的声发射横波S 2的增长趋势较明显,在平行于轴向应力方向上偏振的声发射横波S 1的增长趋势较缓.这可能是受轴向载荷及裂纹主要扩展方向影响的结果,因为在单轴压缩的情况下,裂纹主要沿轴向扩展.尽管各种特征波的赫斯特指数不同,但是赫斯特指数H 在015～110之间,而相关系数r 均在0194以上.因此,煤272煤 炭 学 报 1999年第24卷体破裂产生的声发射信息符合赫斯特统计规律.这也表明,在煤体的受载破裂过程中,声发射信号与载荷(或变形)之间呈现正相关关系,随着载荷(或变形)的不断增加,基本呈现一个不断增强的趋势.煤岩体受载破裂过程中声发射信号的R S 统计规律为煤岩灾害动力现象的预测预报提供了新的方法和手段.从研究结果来看,单轴应力状态下选择沿垂直于轴向应力方向偏振的横波S 2作为R S 统计分析更适宜,而纵波具有传播速度快、并可方便地使用单分量传感器接收[3]的优点.在现场条件下,工作面煤体处于复杂的三轴应力状态,声发射信号的哪一种特征波更适宜于作R S 统计分析及预测预报,还需进行进一步的试验研究.3 结 论(1)受载煤岩体破裂时的声发射信号非常丰富.在煤岩体的受载变形破裂过程中声发射是阵发性的,表明煤岩体的变形破裂过程不是连续的,而是阵发性的、不均匀的.在对煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象进行预测预报时,需经较长时间的监测,获得其变化趋势后才能作出准确判断.(2)受载煤岩体破裂时的声发射信号符合R S 统计规律,其赫斯特指数H >015.煤岩体受载破裂时其声发射信号与载荷或破裂强度之间呈正相关关系,随着载荷的增加或变形破裂过程的加剧,声发射信号基本呈现增长趋势.煤岩体受载破裂过程中声发射信号的R S 统计规律为煤岩灾害动力现象的预测预报提供了新的方法和手段.(3)本文的研究仅是基础性的,将R S 统计方法应用于现场的预测预报还有很多工作要做,确定声发射的采样周期、选择特征波及对赫斯特指数H 进行细化分区是必要的.参考文献1 胡 菊,魏风清.俄罗斯-6型地震声学监测系统在八矿的试验应用.煤炭工程师,1994(6):41～462 金友渔,孟宪国.地质时间序列定量分析.北京:中国地质出版社,1992.120～1403 胡建恺,张谦琳.超声检测原理和方法.合肥:中国科学技术大学出版社,1993.14～15作者简介王恩元,男,1997年毕业于中国矿业大学安全技术及工程专业,获博士学位.现为中国矿业大学电工站博士后,主要从事矿山含瓦斯煤岩灾害动力过程及其预测技术、煤岩电磁辐射及其技术应用研究.发表论文20余篇.江苏省徐州市中国矿业大学信电学院,邮政编码:221008.何学秋,男,博士,教授,博士生导师.发表专著2部,在国内外会议及核心刊物上发表论文40余篇.江苏省徐州市中国矿业大学,邮政编码:221008.EXPERIMENTAL RESEARCH AN D R/S STATISTIC ANALYSISOF AE D URING THE FRACTURE OF COAL OR ROCKWang Enyuan He Xueqiu Liu Zhentang(China Univer sity o f Mining and Technology )Abstract The acoustic emission (AE )during coal or rock fracture is measured and analyzed.The results show that AE follows R S statistic rule ,and it basically exhibits gradually enhance tendency during the process.This rule is very im portant to the prediction of coal or rock catastrophic dynamic phenomena.K eyw ords acoustic emission (AE ),coal fracture ,R/S statistical rule ,Hurst index 372第3期 王恩元等:煤岩破裂声发射实验研究及R S 统计分析。
第28卷增1岩石力学与工程学报V ol.28 Supp.1 2009年5月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2009 单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究刘保县1，2，黄敬林1，王泽云1，刘立1(1. 西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039；2. 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044)摘要：为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系，更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律，进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制，利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统，对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究，分析单轴压缩煤岩的声发射特性，提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量，建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型，得出煤岩的损伤演化曲线和方程。
研究表明，声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况，与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关，煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。
基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。
单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。
煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化，直至出现宏观裂纹，再由裂纹扩展到破坏的全过程。
关键词：岩石力学；煤岩；损伤演化；声发射；损伤变量中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增1–3234–05 STUDY ON DAMAGE EVOLUTION AND ACOUSTIC EMISSIONCHARACTER OF COAL-ROCK UNDER UNIAXIAL COMPRESSIONLIU Baoxian1，2，HUANG Jinglin1，WANG Zeyun1，LIU Li1(1. School of Architecture and Civil Engineering，Xihua University，Chengdu，Sichuan610039，China；2. Key Laboratory for the Exploitation of Southwestern Resources and the Environmental Disaster Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400044，China)Abstract：In order to study the deformation and damage character under load and to further reveal the evolutionary process and the time effect mechanism of coal-rock，damage evolution and acoustic emission(AE) character of coal-rock under uniaxial compression are studied using MTS815 servo-controlled rock mechanical test system and 8CHS PCI–2 AE system. AE character of coal-rock under uniaxial compression is analyzed. A new damage variable，which is defined based on normalized cumulative ring-down count of AE，is proposed；and the damage model of coal-rock under uniaxial compression is established. Damage evolution curve and equation of coal-rock are obtained. The results show that AE information can reflect internal damage of coal-rock and is closely related with primary crack compression and evolutionary course of new crack generation，growth，and connectivity. AE can describe the deformation and damage evolution character of coal-rock. The new damage model of coal-rock under uniaxial compression is reasonable；the deformation and damage evolution process can be divided into three phases including the stage of initial damage，the stage of damage stable evolution and development，and the stage of damage accelerating development. The development of coal-rock deformation and damage can be regarded to be gradual，which is the whole process from deformation and damage initiation and evolution to the appearance of 收稿日期：2008–04–23；修回日期：2008–08–20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50504011)；高等学校重点实验室访问学者基金资助项目作者简介：刘保县(1972–)，男，博士，1995年毕业于重庆大学资源及环境科学学院采矿工程专业，现任教授，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。
含瓦斯煤破裂过程中声发射行为特性的研究孟磊;王宏伟;李学华;赵毅鑫【摘要】为探求含瓦斯煤失稳破坏过程中的声发射行为演化规律,笔者以含瓦斯原煤为研究对象,利用配备有声发射同步监测功能的含瓦斯煤三轴力学伺服实验装置,完成了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤破裂过程中全应力应变和声发射行为同步监测实验,进而探求含瓦斯煤破裂过程中的声发射行为演化特性,以及声发射行为对瓦斯压力变化的响应特性.研究发现:含瓦斯煤弹性模量、峰值强度及峰值应变均随吸附瓦斯压力增加而线性降低,且在瓦斯压力的影响下应力应变曲线总体上向“低应力诱发大应变”方向迁移;受载煤体在破裂过程中随时间变化,声发射行为演化过程可以划分为4个时期,分别为Ⅰ平静期、Ⅱ提速期、Ⅲ加速期以及Ⅳ稳定期,其中提速期和加速期累计计数较平静期分别最高提高了6.39和37.5倍,能量参数分别最高提高了8.39和43.7倍;受载不合瓦斯煤样声发射演化过程中提速期和加速期的声发射参数累积量均明显高于同样加载条件下的含瓦斯样品,且在提速期和加速期,瓦斯压力与声发射参数累积量呈指数函数衰减关系.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)002【总页数】7页(P377-383)【关键词】含瓦斯煤;声发射;时空演化;损伤破坏【作者】孟磊;王宏伟;李学华;赵毅鑫【作者单位】中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD315;TD712含瓦斯煤岩动力灾害是我国煤矿最为严重的动力灾害，具有极大的危害性、较强的突发性以及复杂的发生机理等特点，对煤矿的安全生产产生了极大的威胁；并且随着开采强度的增加以及开采深度的延伸，含瓦斯煤岩动力灾害对煤矿安全生产的威胁也日益加重[1-2]。
煤体力学性质对其破坏过程声发射特征的影响研究杨慧明;张明明【摘要】采用试验研究的方法,对具有不同力学性质的突出软煤、强冲击性煤和弱冲击性煤在受载破坏过程中的声发射事件频度、能量等时序特征参数及分形特征进行研究,探索煤体力学性质对其声发射特征的影响.研究结果表明,煤体的声发射特征参数变化与其破坏阶段相对应,煤体的力学性质对受载煤体的声发射时序特征具有重要影响.在峰后变形阶段,突出软煤的声发射呈现渐进下降的趋势,强冲击性煤的声发射呈现短暂的脉冲式增大,弱冲击性煤的声发射呈现"脉冲—降低"交替下降模式.不同力学性质的煤体破裂过程的声发射分形维的演化过程具有一致性,分形维演化都表现为"先上升、后下降"的过程,反映了煤体受载破坏是一个从弥散、无序的损伤破裂逐步向局部、有序的裂纹扩展过程.利用声发射时序特征与分形维变化相结合的综合前兆信息,可提高煤体失稳灾害判识模型的有效性和准确性.【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2018(045)004【总页数】6页(P6-11)【关键词】煤体;声发射;力学性质;裂隙分布;时序特征;分形;煤与瓦斯突出预测【作者】杨慧明;张明明【作者单位】瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037;中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037;中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037【正文语种】中文【中图分类】TD713随着煤矿开采深度的增加，煤岩地应力显著增大，地应力在煤与瓦斯突出(简称“突出”)灾害中的致灾作用日益凸显，“低瓦斯指标”情况下发生突出灾害的情况屡有发生。
日趋增多的深部应力主导型突出灾害，已逐步成为制约深部矿井安全高效生产的重要因素。
声发射预警是一种反映煤岩体地应力变化及稳定性的预警方法，是深部应力型突出灾害监测预警技术的发展方向之一[1-3]。
