工程科学学报，第41卷，第7期：874-881,2019年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.7:874-881,July 2019 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.005;htp:/journals.usth.edu.cm 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 娄全123)，何学秋3)四，宋大钊)，李振雷)，王安虎)，孙冉) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)河南城建学院市政与环境工程学院，平顶山467036 3)中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:hexq@usth.edu.cn 摘要建立了煤岩受载破坏声电全波形同步采集系统，对煤样单轴压缩破坏过程中的声电信号进行了全波形采集，研究了 声电信号能量与载荷降之间的相关关系，并分析了声电信号的频谱特征.结果表明：(1)煤体受载破坏过程中产生显著的声 电信号：电磁辐射信号是阵发性的，仅伴随载荷降和较高强度声发射信号出现：(2)相对于声发射，电磁辐射与载荷降有更好 的相关性：与煤体受载破坏的能量释放累积量相关联的声电信号能量和载荷降累计值三者之间均呈高度正相关：(3)电磁辐 射优势频带窄于声发射，前者主要集中在1~25kHz,后者主要集中在1~280kHz:受同一裂纹萌生和扩展的影响，两者在频谱 和主频分布上都有近似的低频成分 关键词煤体破坏：全波形：声发射：电磁辐射：时频特征 分类号TD76 Time-frequency characteristics of acoustic-electric signals induced by coal fracture under uniaxial compression based on full-waveform LOU Quan'2),HE Xue-qiu)SONG Da-zhao),LI Zhen-lei),WANG An-hu),SUN Ran!) 1)School of Civil and Resource Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)School of Municipal and Environmental Engineering,Henan University of Urban Construction,Pingdingshan 467036,China 3)School of Emergency Management and Safety Engineering.China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:hexq@ustb.edu.cn ABSTRACT The geological conditions of coal mines in China are complicated.In recent years,with the continuous increase of in- tensity and depth of coal mining,coal and rock dynamic disasters are becoming more and more serious,and an important factor threat- ening the safety of coal mining.The accurate monitoring and early warning of coal and rock dynamic disasters are of great significance for disaster prevention.A large number of experiments conducted on both laboratory and field scales have demonstrated that the energy accumulated in rock material under loading can be released in the forms of acoustic emission (AE),electromagnetic radiation (EMR),etc.Therefore,AE and EMR,as the real-time,dynamic and continuous geophysical monitoring methods,have been widely used and played important roles in the field of monitoring and early-warning of coal and rock dynamic disasters in mines.To further study the time-frequency characteristics of AE and EMR and the relationships between these characteristics and load,and to provide the experimental basis for the monitoring and early warning of coal and rock dynamic disasters,an acoustic-electric full-waveform syn- chronous acquisition system of coal and rock fracture under loading was constructed in this paper.Using this system,the full-waveforms of AE and EMR of failure processes of coal samples under uniaxial compression were collected.The correlations among AE energy, EMR energy and load drop were studied,and the spectral characteristics of AE and EMR were analyzed.The results show that, (1)obvious acoustic-electric signals are emitted during the process of coal failure under loading.EMR is the paroxysmal signal,only 收稿日期：2018-05-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51634001,51774023)：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801408)
工程科学学报,第 41 卷,第 7 期:874鄄鄄881,2019 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 7: 874鄄鄄881, July 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 07. 005; http: / / journals. ustb. edu. cn 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 娄 全1,2,3) , 何学秋1,3) 苣 , 宋大钊1) , 李振雷1) , 王安虎1) , 孙 冉1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 河南城建学院市政与环境工程学院, 平顶山 467036 3) 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院, 北京 100083 苣通信作者, E鄄mail: hexq@ ustb. edu. cn 摘 要 建立了煤岩受载破坏声电全波形同步采集系统,对煤样单轴压缩破坏过程中的声电信号进行了全波形采集,研究了 声电信号能量与载荷降之间的相关关系,并分析了声电信号的频谱特征. 结果表明:(1)煤体受载破坏过程中产生显著的声 电信号;电磁辐射信号是阵发性的,仅伴随载荷降和较高强度声发射信号出现;(2)相对于声发射,电磁辐射与载荷降有更好 的相关性;与煤体受载破坏的能量释放累积量相关联的声电信号能量和载荷降累计值三者之间均呈高度正相关;(3)电磁辐 射优势频带窄于声发射,前者主要集中在 1 ~ 25 kHz,后者主要集中在 1 ~ 280 kHz;受同一裂纹萌生和扩展的影响,两者在频谱 和主频分布上都有近似的低频成分. 关键词 煤体破坏; 全波形; 声发射; 电磁辐射; 时频特征 分类号 TD76 收稿日期: 2018鄄鄄05鄄鄄28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51634001, 51774023);国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801408) Time鄄鄄frequency characteristics of acoustic鄄鄄 electric signals induced by coal fracture under uniaxial compression based on full鄄waveform LOU Quan 1,2,3) , HE Xue鄄qiu 1,3) 苣 , SONG Da鄄zhao 1) , LI Zhen鄄lei 1) , WANG An鄄hu 1) , SUN Ran 1) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Municipal and Environmental Engineering, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467036, China 3) School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: hexq@ ustb. edu. cn ABSTRACT The geological conditions of coal mines in China are complicated. In recent years, with the continuous increase of in鄄 tensity and depth of coal mining, coal and rock dynamic disasters are becoming more and more serious, and an important factor threat鄄 ening the safety of coal mining. The accurate monitoring and early warning of coal and rock dynamic disasters are of great significance for disaster prevention. A large number of experiments conducted on both laboratory and field scales have demonstrated that the energy accumulated in rock material under loading can be released in the forms of acoustic emission ( AE), electromagnetic radiation (EMR), etc. Therefore, AE and EMR, as the real鄄time, dynamic and continuous geophysical monitoring methods, have been widely used and played important roles in the field of monitoring and early鄄warning of coal and rock dynamic disasters in mines. To further study the time鄄鄄frequency characteristics of AE and EMR and the relationships between these characteristics and load, and to provide the experimental basis for the monitoring and early warning of coal and rock dynamic disasters, an acoustic鄄electric full鄄waveform syn鄄 chronous acquisition system of coal and rock fracture under loading was constructed in this paper. Using this system, the full鄄waveforms of AE and EMR of failure processes of coal samples under uniaxial compression were collected. The correlations among AE energy, EMR energy and load drop were studied, and the spectral characteristics of AE and EMR were analyzed. The results show that, (1) obvious acoustic鄄electric signals are emitted during the process of coal failure under loading. EMR is the paroxysmal signal, only
娄全等：基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 ·875· accompanied by load drop and higher intensity AE.(2)Compared with AE,EMR has a higher correlation with load drop.There are high positive correlations among the cumulative values,relating to the cumulative released energy of coal fracture under loading,of AE energy,EMR energy and load drop.(3)The superiority frequency band of EMR is narrower than that of AE,with the former mainly concentrated in 1-25 kHz and the latter mainly in 1-280 kHz.Influenced by the initiation and propagation of the same crack,AE and EMR have similar low frequency components in the spectrum and main-frequency distribution. KEY WORDS coal fracture;full-waveform;acoustic emission;electromagnetic radiation;time-frequency characteristics 国内外大量研究表明，岩石类材料科在受载破坏 该方法对震前电磁临界现象及LF破坏声电信号的 过程中，其内部集聚的能量会以声发射和电磁辐射 临界特征进行了分析.Gade等[2-]研究了环氧树 等形式释放[1].基于此，声发射和电磁辐射作为实 脂材料断裂时的声电现象，并对利用电磁辐射判定 时、动态、连续的地球物理监测方法被广泛应用于地 碳纤维增强聚合物材料断裂面方向进行了探究. 震、构筑物稳定性、矿山煤岩动力灾害监测等领 前人的研究结果表明声发射和电磁辐射都是 域[s-刀.近年来，随着煤矿开采强度和深度的不断增 在煤岩体受载破坏过程中产生的，并且是由同一 大，煤岩动力灾害日趋严重，成为了威胁煤矿安全生 破坏激发的“同源异象”信号.那么两者与煤体所 产的重要因素之一[].采用声发射和电磁辐射等地 受载荷有怎样的对应关系，两者的统计指标以及 球物理监测方法实现煤岩动力灾害的精确监测预警 幅频特性又呈现怎样的区别和联系，是值得深入 对灾害防治至关重要，值得深入研究. 研究的.为了探究这一问题，本文建立了煤岩受载 声发射是指固体材料断裂时释放能量所产生的 破坏声电全波形同步采集系统，对煤样进行了单 弹性波现象，相对于煤岩电磁辐射其产生机制已经 轴压缩破坏声电测试实验，并对比分析了试样受 较为明确，应用也更为广泛5，].煤岩电磁辐射 载破坏全过程声发射和电磁辐射信号的能量指标 研究是从发现地震前存在电磁异常开始的，几十年 及幅频特性等 来，国内外学者对其展开了不懈的研究，并取得了丰 硕的成果.Yamada等)和Niccolini等]对岩石破 1实验设计及方法 坏电磁辐射和声发射事件的起始时间进行了研究， 1.1实验系统 结果表明在考虑了声发射传播时间上的延迟性的条 实验系统如图1所示.本实验在GP1A型电磁 件下，电磁辐射和声发射事件起始时间具有一致性， 屏蔽室中进行，综合屏蔽效能75B以上，减少了外 证明了电磁辐射和声发射是由试样同一破坏产生 界较强电磁场对实验信号的干扰.加载控制系统采 的.王恩元等[6.12-]对煤岩电磁辐射的时域变化规 律、频谱特征、记忆效应、非线性特征及机理等进行 用YAW-600型微机控制电液伺服压力试验机，该 了大量的研究.并开发了KBD系列矿用电磁辐射 试验机载荷分辨力3N,位移分辨率0.3μm.声电数 监测仪，在预测冲击地压方面进行了较为成功的应 据采集系统拥有12通道，最高采样频率10MHz,模 用.下rid等4-6)从裂纹扩展演化角度对电磁辐射的 数转换分辨率16bit,输入信号电压范围±5V,输入 机理进行了研究，提出了表面振荡偶极子理论，并根 阻抗50Ω.声发射传感器响应频率范围50~400 据该理论对电磁辐射方向性进行了研究.Fid还利 kHz.采用单通道前置放大器，输入阻抗大于10 用电磁辐射监测设备在煤矿现场进行了实测研究， M2,输出阻抗50，放大倍数20、40和60dB可调， 在澳大利亚Moonee煤矿观测到了顶板坍塌前的电 00a000 载 环形电磁天线 000000. 磁辐射和低频声发射信号.李夕兵等]研究了电 、荷7 电磁辐射功率放大器 高速数据采集仪 磁辐射频率与岩石属性参数之间的关系，并给出了 它们之间的定量化表达式.文献[2,18]研究了煤岩 体单轴压缩破坏过程中的声发射和红外辐射现象， 并分析了两者的前兆特征.赵扬锋等[研制了煤 声发射前置放大器 荷声发射传感器 出 岩破裂电荷检测仪，对煤岩变形破裂的电荷感应特 电磁屏蔽室号数据存储和分析计算机 征及机理进行了研究，并提出采用电荷感应技术来 图1煤岩受载破坏声电全波形同步采集系统示意图 预测预报冲击地压灾害.Potirakis等[20-21]提出了用 Fig.1 Schematic diagram of acoustic-electric full-waveform synchro- 于分析声电信号临界特征的自然时间算法，并运用 nous acquisition system of coal and rock fracture under loading
娄 全等: 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 accompanied by load drop and higher intensity AE. (2) Compared with AE, EMR has a higher correlation with load drop. There are high positive correlations among the cumulative values, relating to the cumulative released energy of coal fracture under loading, of AE energy, EMR energy and load drop. (3) The superiority frequency band of EMR is narrower than that of AE, with the former mainly concentrated in 1鄄鄄25 kHz and the latter mainly in 1鄄鄄280 kHz. Influenced by the initiation and propagation of the same crack, AE and EMR have similar low frequency components in the spectrum and main鄄frequency distribution. KEY WORDS coal fracture; full鄄waveform; acoustic emission; electromagnetic radiation; time鄄鄄frequency characteristics 国内外大量研究表明,岩石类材料在受载破坏 过程中,其内部集聚的能量会以声发射和电磁辐射 等形式释放[1鄄鄄4] . 基于此,声发射和电磁辐射作为实 时、动态、连续的地球物理监测方法被广泛应用于地 震、构筑物稳定性、矿山煤岩动力灾害监测等领 域[5鄄鄄7] . 近年来,随着煤矿开采强度和深度的不断增 大,煤岩动力灾害日趋严重,成为了威胁煤矿安全生 产的重要因素之一[8] . 采用声发射和电磁辐射等地 球物理监测方法实现煤岩动力灾害的精确监测预警 对灾害防治至关重要,值得深入研究. 声发射是指固体材料断裂时释放能量所产生的 弹性波现象,相对于煤岩电磁辐射其产生机制已经 较为明确,应用也更为广泛[5, 9鄄鄄10] . 煤岩电磁辐射 研究是从发现地震前存在电磁异常开始的,几十年 来,国内外学者对其展开了不懈的研究,并取得了丰 硕的成果. Yamada 等[1] 和 Niccolini 等[11] 对岩石破 坏电磁辐射和声发射事件的起始时间进行了研究, 结果表明在考虑了声发射传播时间上的延迟性的条 件下,电磁辐射和声发射事件起始时间具有一致性, 证明了电磁辐射和声发射是由试样同一破坏产生 的. 王恩元等[6, 12鄄鄄13]对煤岩电磁辐射的时域变化规 律、频谱特征、记忆效应、非线性特征及机理等进行 了大量的研究. 并开发了 KBD 系列矿用电磁辐射 监测仪,在预测冲击地压方面进行了较为成功的应 用. Frid 等[14鄄鄄16]从裂纹扩展演化角度对电磁辐射的 机理进行了研究,提出了表面振荡偶极子理论,并根 据该理论对电磁辐射方向性进行了研究. Frid 还利 用电磁辐射监测设备在煤矿现场进行了实测研究, 在澳大利亚 Moonee 煤矿观测到了顶板坍塌前的电 磁辐射和低频声发射信号. 李夕兵等[17] 研究了电 磁辐射频率与岩石属性参数之间的关系,并给出了 它们之间的定量化表达式. 文献[2,18]研究了煤岩 体单轴压缩破坏过程中的声发射和红外辐射现象, 并分析了两者的前兆特征. 赵扬锋等[19] 研制了煤 岩破裂电荷检测仪,对煤岩变形破裂的电荷感应特 征及机理进行了研究,并提出采用电荷感应技术来 预测预报冲击地压灾害. Potirakis 等[20鄄鄄21] 提出了用 于分析声电信号临界特征的自然时间算法,并运用 该方法对震前电磁临界现象及 LiF 破坏声电信号的 临界特征进行了分析. Gade 等[22鄄鄄23] 研究了环氧树 脂材料断裂时的声电现象,并对利用电磁辐射判定 碳纤维增强聚合物材料断裂面方向进行了探究. 前人的研究结果表明声发射和电磁辐射都是 在煤岩体受载破坏过程中产生的,并且是由同一 破坏激发的“同源异象冶信号. 那么两者与煤体所 受载荷有怎样的对应关系,两者的统计指标以及 幅频特性又呈现怎样的区别和联系,是值得深入 研究的. 为了探究这一问题,本文建立了煤岩受载 破坏声电全波形同步采集系统,对煤样进行了单 轴压缩破坏声电测试实验,并对比分析了试样受 载破坏全过程声发射和电磁辐射信号的能量指标 及幅频特性等. 1 实验设计及方法 图 1 煤岩受载破坏声电全波形同步采集系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of acoustic鄄electric full鄄waveform synchro鄄 nous acquisition system of coal and rock fracture under loading 1郾 1 实验系统 实验系统如图 1 所示. 本实验在 GP1A 型电磁 屏蔽室中进行,综合屏蔽效能 75 dB 以上,减少了外 界较强电磁场对实验信号的干扰. 加载控制系统采 用 YAW鄄鄄600 型微机控制电液伺服压力试验机,该 试验机载荷分辨力 3 N,位移分辨率 0郾 3 滋m. 声电数 据采集系统拥有 12 通道,最高采样频率 10 MHz,模 数转换分辨率 16 bit,输入信号电压范围 依 5 V,输入 阻抗 50 赘. 声发射传感器响应频率范围 50 ~ 400 kHz. 采用单通道前置放大器,输入阻抗大于 10 M赘,输出阻抗 50 赘,放大倍数 20、40 和 60 dB 可调, ·875·
·876· 工程科学学报，第41卷，第7期 带宽20~1500kHz.电磁辐射传感器采用SAS-560 1.2试样制备 环形电磁天线，频率范围20Hz~2MHz.采用4通 原煤分别是取自赵固二矿的无烟煤和火铺矿的 道电磁辐射功率放大器（拥有两个带宽10kHz~10 1/3焦煤，按照国际岩石力学学会的标准，通过取 MHz和两个DC~10MHz放大通道)，输入和输出阻 芯，切割，打磨制成中50mm×100mm的圆柱体，两 抗均为502，该放大器预先将信号放大80dB,然后 组煤样分别编号为gl、2、3、…和pl、2、3、…, 接六档(30、16、8、4、2和0dB)可调衰减输出 成型试样如图2所示. 图2煤样实物图.(a)赵固二矿煤样：(b)火铺矿煤样 Fig.2 Photographs of partial coal samples:(a)samples of Zhaogu No.2 coal mine;(b)samples of Huopu coal mine 1.3实验方法 据全过程声电信号的幅度特征，选取适当的门槛电 数据采集仪采样频率设置为5MHz.环形电磁 压.设定声电信号的波形鉴别时间分别为0.2ms和 天线平面与加载方向平行，放置在正对试样7cm处 1ms.根据声电信号的门槛电压与波形鉴别时间，对 (声电传感器布置如图3所示).声发射前置放大器 声电事件进行判定，并统计事件的幅值、持续时间、 放大倍数调至20dB.电磁辐射功率放大器采用10 振铃计数、能量等指标.同时以电磁辐射事件为准， kHz~10MHz带宽通道，衰减档调至0dB(即80dB 导出所有通道在该电磁辐射事件到达前0.5ms至 放大).实验采用位移控制，加载速率为5ums1. 结束后0.5ms的波形数据，用来进行声电信号频谱 实验时，先对试样施加500N的预载力使压盘与试 分析. 样充分接触，确保采集仪各通道数据接收正常后关 2实验结果及分析 闭屏蔽室门，同时启动压力机预设的实验方案和数 据采集仪的数据保存功能.在加载至试样破坏的全 2.1煤体破坏特征及声电响应 过程中，对电磁辐射和声发射信号进行全波形的采 图4给出了两组实验代表试样zgl和hpl的载 集与存储. 荷曲线以及全过程的声电幅度曲线.赵固二矿和火 铺矿两组煤样质地坚硬，但是内部裂隙发育.实验 压力机 过程中，尤其到临近峰值载荷和峰后阶段，载荷曲线 上不断出现载荷降（载荷降指加载过程中由于试样 破坏导致的短时应力调整现象，表现在载荷曲线上 为短暂的载荷下降)，并伴随着噼啪的断裂声，说明 环形电磁天线 不断有断裂产生.通过对比可以看出，试样破坏过 程中伴随有显著的声发射和电磁辐射信号.相对于 电磁辐射信号，声发射信号更为丰富，在试样破坏的 全过程（尤其是加载曲线的线弹性、塑性及峰后阶 试样 声发射传感器 段)不断有声发射信号出现，并且信号幅值多次超 过数据采集仪量程（±5V).试样从加载到破坏的 全过程中只有少量显著的电磁辐射信号产生，主要 集中在塑性及峰后阶段，且仅伴随显著载荷降和较 图3声发射传感器和环形电磁天线布置实物图 强声发射信号出现，说明同声发射一样，电磁辐射也 Fig.3 Arrangement photograph of acoustic emission sensor and loop 是由试样断裂产生的阵发性信号.Carpinteri等[24] antenna 和Zhu等2]的实验结果均表明电磁辐射与载荷降 1.4数据处理 有密切关系，与本文实验结果一致，载荷降是试样新 通过matlab软件对声电波形数据进行处理，根 裂纹对试样力学性质影响的外在表现，也是试样所
工程科学学报,第 41 卷,第 7 期 带宽 20 ~ 1500 kHz. 电磁辐射传感器采用 SAS鄄鄄560 环形电磁天线,频率范围 20 Hz ~ 2 MHz. 采用 4 通 道电磁辐射功率放大器(拥有两个带宽 10 kHz ~ 10 MHz 和两个 DC ~ 10 MHz 放大通道),输入和输出阻 抗均为 50 赘,该放大器预先将信号放大 80 dB,然后 接六档(30、16、8、4、2 和 0 dB)可调衰减输出. 1郾 2 试样制备 原煤分别是取自赵固二矿的无烟煤和火铺矿的 1 / 3 焦煤,按照国际岩石力学学会的标准,通过取 芯,切割,打磨制成 准50 mm 伊 100 mm 的圆柱体,两 组煤样分别编号为 zg1、2、3、……和 hp1、2、3、……, 成型试样如图 2 所示. 图 2 煤样实物图. (a)赵固二矿煤样;(b)火铺矿煤样 Fig. 2 Photographs of partial coal samples: (a) samples of Zhaogu No. 2 coal mine; (b) samples of Huopu coal mine 1郾 3 实验方法 数据采集仪采样频率设置为 5 MHz. 环形电磁 天线平面与加载方向平行,放置在正对试样 7 cm 处 (声电传感器布置如图 3 所示). 声发射前置放大器 放大倍数调至 20 dB. 电磁辐射功率放大器采用 10 kHz ~ 10 MHz 带宽通道,衰减档调至 0 dB(即 80 dB 放大). 实验采用位移控制,加载速率为 5 滋m·s - 1 . 实验时,先对试样施加 500 N 的预载力使压盘与试 样充分接触,确保采集仪各通道数据接收正常后关 闭屏蔽室门,同时启动压力机预设的实验方案和数 据采集仪的数据保存功能. 在加载至试样破坏的全 过程中,对电磁辐射和声发射信号进行全波形的采 集与存储. 图 3 声发射传感器和环形电磁天线布置实物图 Fig. 3 Arrangement photograph of acoustic emission sensor and loop antenna 1郾 4 数据处理 通过 matlab 软件对声电波形数据进行处理,根 据全过程声电信号的幅度特征,选取适当的门槛电 压. 设定声电信号的波形鉴别时间分别为 0郾 2 ms 和 1 ms. 根据声电信号的门槛电压与波形鉴别时间,对 声电事件进行判定,并统计事件的幅值、持续时间、 振铃计数、能量等指标. 同时以电磁辐射事件为准, 导出所有通道在该电磁辐射事件到达前 0郾 5 ms 至 结束后 0郾 5 ms 的波形数据,用来进行声电信号频谱 分析. 2 实验结果及分析 2郾 1 煤体破坏特征及声电响应 图 4 给出了两组实验代表试样 zg1 和 hp1 的载 荷曲线以及全过程的声电幅度曲线. 赵固二矿和火 铺矿两组煤样质地坚硬,但是内部裂隙发育. 实验 过程中,尤其到临近峰值载荷和峰后阶段,载荷曲线 上不断出现载荷降(载荷降指加载过程中由于试样 破坏导致的短时应力调整现象,表现在载荷曲线上 为短暂的载荷下降),并伴随着噼啪的断裂声,说明 不断有断裂产生. 通过对比可以看出,试样破坏过 程中伴随有显著的声发射和电磁辐射信号. 相对于 电磁辐射信号,声发射信号更为丰富,在试样破坏的 全过程(尤其是加载曲线的线弹性、塑性及峰后阶 段)不断有声发射信号出现,并且信号幅值多次超 过数据采集仪量程( 依 5 V). 试样从加载到破坏的 全过程中只有少量显著的电磁辐射信号产生,主要 集中在塑性及峰后阶段,且仅伴随显著载荷降和较 强声发射信号出现,说明同声发射一样,电磁辐射也 是由试样断裂产生的阵发性信号. Carpinteri 等[24] 和 Zhu 等[25]的实验结果均表明电磁辐射与载荷降 有密切关系,与本文实验结果一致,载荷降是试样新 裂纹对试样力学性质影响的外在表现,也是试样所 ·876·
娄全等：基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 ·877· 积聚能量释放的过程.这种载荷曲线上可以辨识的 者的强度大小并不呈严格的正相关关系，即存在较 载荷降足以激发电磁辐射和声发射.值得注意的 高强度电磁辐射信号对应较低强度声发射出现的情 是，虽然电磁辐射伴随较强声发射信号出现，但是两 况，反之亦然 0 16 30r 载荷 16 2 25 电磁辐射相度 电磁辐射幅度 30 12 20 12 8 0 20 声发射幅度 4 10 声发射幅度 4 10 2 0 6 4 -8 0 1-4 50 100150 200 250 50 100150 200 250 时间s 时间s 图4声发射幅度，电磁辐射幅度和载荷的时序曲线比较.(a)试样gl:(b)试样hpl Fig.4 Comparisons among time-series curves of acoustic emission amplitude,electromagnetic radiation amplitude and load:(a)sample zgl;(b) sample hpl 2.2声电信号和载荷降的相关关系 者累计值的变化趋势存在一定差异 为进一步分析声电信号和载荷降的关系，对加 为定量分析声电信号和载荷降的相关关系，对 载全过程的载荷降和声电事件能量以1s为单位进 声电能量和载荷降以及三者的累计值进行相关性分 行求和统计，然后对统计结果进行累加处理，得到了 析.设两个长度为n的序列x(x1,x2,…,xn)、y 图5和6的载荷降和声电能量及其累计值的对比图 (y1,y2,…,yn),两者的相关系数r,可以用下式 (以g1和hpl为例).由图可以直观看出，电磁辐 表示. 射能量和载荷降一致，只在少数时间点上有明显的 分布，两者的累计值成阶梯状上升.声发射能量在 Σ(x,-.- (1) 加载全过程都有分布，虽然在载荷降和电磁辐射能 量较为突出的时间点上声发射也具有较大的能量， 但是其能量累计值上升趋势依然较为平缓，与前两 根据公式(1)对声电能量和载荷降以及三者的 21 63 10000 14000 ■载荷降 (a) 电磁辐射能量 (b) 累计载荷降 54 累计电磁辐射能量 12000T 8000 10000 6000 8000 9 27 4000 6000 6 18 4000 2000 2000 50 100 150 200 250 50 100150 200 258 时间s 时间s 18000 80000 声发射能量 70000 15000 累计声发射能量 60000 12000 50000 9000 40000 器 30000 6000 20000 3000 10000 0 50 100150200 250 时间s 图5试样g1载荷降和声电能量对比.(a)载荷降及其累计值：(b)电磁辐射能量及其累计值：（©）声发射能量及其累计值 Fig.5 Comparisons among load drop,and energy of acoustic emission and electromagnetic radiation for sample zgl:(a)load drop and its cumulative value;(b)electromagnetic radiation energy and its cumulative value;(c)acoustic emission energy and its cumulative value
娄 全等: 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 积聚能量释放的过程. 这种载荷曲线上可以辨识的 载荷降足以激发电磁辐射和声发射. 值得注意的 是,虽然电磁辐射伴随较强声发射信号出现,但是两 者的强度大小并不呈严格的正相关关系,即存在较 高强度电磁辐射信号对应较低强度声发射出现的情 况,反之亦然. 图 4 声发射幅度、电磁辐射幅度和载荷的时序曲线比较. (a)试样 zg1;(b)试样 hp1 Fig. 4 Comparisons among time鄄series curves of acoustic emission amplitude, electromagnetic radiation amplitude and load: ( a) sample zg1; ( b) sample hp1 2郾 2 声电信号和载荷降的相关关系 为进一步分析声电信号和载荷降的关系,对加 载全过程的载荷降和声电事件能量以 1 s 为单位进 图 5 试样 zg1 载荷降和声电能量对比. (a)载荷降及其累计值;(b)电磁辐射能量及其累计值;(c)声发射能量及其累计值 Fig. 5 Comparisons among load drop, and energy of acoustic emission and electromagnetic radiation for sample zg1: (a) load drop and its cumulative value; (b) electromagnetic radiation energy and its cumulative value; (c) acoustic emission energy and its cumulative value 行求和统计,然后对统计结果进行累加处理,得到了 图 5 和 6 的载荷降和声电能量及其累计值的对比图 (以 zg1 和 hp1 为例). 由图可以直观看出,电磁辐 射能量和载荷降一致,只在少数时间点上有明显的 分布,两者的累计值成阶梯状上升. 声发射能量在 加载全过程都有分布,虽然在载荷降和电磁辐射能 量较为突出的时间点上声发射也具有较大的能量, 但是其能量累计值上升趋势依然较为平缓,与前两 者累计值的变化趋势存在一定差异. 为定量分析声电信号和载荷降的相关关系,对 声电能量和载荷降以及三者的累计值进行相关性分 析. 设两个长度为 n 的序列 x ( x1 , x2 ,…, xn )、y (y1 , y2 ,…, yn ),两者的相关系数 rxy 可以用下式 表示. rxy = 移 n i = 1 (xi - x)(yi - y) 移 n i = 1 (xi - x) 2 移 n i = 1 (yi - y) 2 (1) 根据公式(1)对声电能量和载荷降以及三者的 ·877·
·878· 工程科学学报，第41卷，第7期 16 2000 2800 载荷降 (a 电磁辐射能量 (b) 14 累计载荷降 28 12 24 至1600 累计电磁辐射能量 2100 10 20 1200 6 1400 6 12 4 8 700 400 4 0 50 100150 200 250 0 50 100150200 2 时间/s 时间/s 3200 48000 声发射能量 累计声发射能量 40000 至2400 32000 A 1600 24000 6000 800 8000 0 0 100150200 250 时间/s 图6试样hpl载荷降和声电能量对比.(a)载荷降及其累计值：(b)电磁辐射能量及其累计值：(c)声发射能量及其累计值 Fig.6 Comparisons among load drop,and energy of acoustic emission and electromagnetic radiation for sample hpl:(a)load drop and its cumula- tive value;(b)electromagnetic radiation energy and its cumulative value;(c)acoustic emission energy and its cumulative value 累计值两两组合求取相关性系数，结果见表1.统计 载荷降及其累计值之间的相关性系数(0.610和 结果表明，无论是指标本身还是其累计值，两组煤样 0.944),后者和声发射与电磁辐射能量及其累计值 均表现为相对于声发射，电磁辐射与载荷降有更好 之间的相关性系数(0.593和0.937)相当（见表1 的相关性：载荷降、电磁辐射与声发射的相关程度相 的总平均值).虽然电磁辐射、声发射和载荷降之间 当（见表1两组煤样的平均值）.电磁辐射能量与载 的相关性存在较大差异，但是各指标累计值之间均 荷降及其累计值之间的相关性系数分别为0.826和 呈高度正相关，其相关性系数普遍大于各指标间的 0.981,呈高度正相关，且显著大于声发射能量与 相关性系数.载荷降在一定程度上反映了试样受载 表1煤样载荷隆和声电能量相关性统计 Table 1 Correlation coefficients among load drop,and energy of acoustic emission and electromagnetic radiation of coal samples 相关性系数 试样编号 载荷降与电磁辐 累计载荷降与累计 载荷降与声 累计载荷降与累计 电磁辐射能量与累计电磁辐射能量 射能量 电磁辐射能量 发射能量 声发射能量 声发射能量 与累计声发射能量 zgl 0.788 0.977 0.720 0.988 0.860 0.954 12 0.763 0.991 0.689 0.947 0.632 0.966 zg3 0.876 0.998 0.765 0.955 0.782 0.952 4 0.808 0.970 0.628 0.966 0.360 0.896 1 0.835 0.966 0.577 0.975 0.516 0.965 平均值 0.814 0.980 0.676 0.966 0.630 0.946 hpl 0.980 0.985 0.583 0.894 0.478 0.902 hp2 0.857 0.988 0.492 0.909 0.481 0.919 hp3 0.699 0.973 0.520 0.905 0.436 0.875 hp4 0.909 0.978 0.718 0.919 0.800 0.971 hp5 0.745 0.989 0.403 0.978 0.583 0.970 平均值 0.838 0.983 0.543 0.921 0.556 0.928 总平均值 0.826 0.981 0.610 0.944 0.593 0.937
工程科学学报,第 41 卷,第 7 期 图 6 试样 hp1 载荷降和声电能量对比. (a)载荷降及其累计值;(b)电磁辐射能量及其累计值;(c)声发射能量及其累计值 Fig. 6 Comparisons among load drop, and energy of acoustic emission and electromagnetic radiation for sample hp1: (a) load drop and its cumula鄄 tive value; (b) electromagnetic radiation energy and its cumulative value; (c) acoustic emission energy and its cumulative value 累计值两两组合求取相关性系数,结果见表 1. 统计 结果表明,无论是指标本身还是其累计值,两组煤样 均表现为相对于声发射,电磁辐射与载荷降有更好 的相关性;载荷降、电磁辐射与声发射的相关程度相 当(见表 1 两组煤样的平均值). 电磁辐射能量与载 荷降及其累计值之间的相关性系数分别为 0郾 826 和 0郾 981,呈高度正相关,且显著大于声发射能量与 载荷降及其累计值之间的相关性系数(0郾 610 和 0郾 944),后者和声发射与电磁辐射能量及其累计值 之间的相关性系数(0郾 593 和 0郾 937) 相当(见表 1 的总平均值). 虽然电磁辐射、声发射和载荷降之间 的相关性存在较大差异,但是各指标累计值之间均 呈高度正相关,其相关性系数普遍大于各指标间的 相关性系数. 载荷降在一定程度上反映了试样受载 表 1 煤样载荷降和声电能量相关性统计 Table 1 Correlation coefficients among load drop, and energy of acoustic emission and electromagnetic radiation of coal samples 试样编号 相关性系数 载荷降与电磁辐 射能量 累计载荷降与累计 电磁辐射能量 载荷降与声 发射能量 累计载荷降与累计 声发射能量 电磁辐射能量与 声发射能量 累计电磁辐射能量 与累计声发射能量 zg1 0郾 788 0郾 977 0郾 720 0郾 988 0郾 860 0郾 954 zg2 0郾 763 0郾 991 0郾 689 0郾 947 0郾 632 0郾 966 zg3 0郾 876 0郾 998 0郾 765 0郾 955 0郾 782 0郾 952 zg4 0郾 808 0郾 970 0郾 628 0郾 966 0郾 360 0郾 896 zg5 0郾 835 0郾 966 0郾 577 0郾 975 0郾 516 0郾 965 平均值 0郾 814 0郾 980 0郾 676 0郾 966 0郾 630 0郾 946 hp1 0郾 980 0郾 985 0郾 583 0郾 894 0郾 478 0郾 902 hp2 0郾 857 0郾 988 0郾 492 0郾 909 0郾 481 0郾 919 hp3 0郾 699 0郾 973 0郾 520 0郾 905 0郾 436 0郾 875 hp4 0郾 909 0郾 978 0郾 718 0郾 919 0郾 800 0郾 971 hp5 0郾 745 0郾 989 0郾 403 0郾 978 0郾 583 0郾 970 平均值 0郾 838 0郾 983 0郾 543 0郾 921 0郾 556 0郾 928 总平均值 0郾 826 0郾 981 0郾 610 0郾 944 0郾 593 0郾 937 ·878·
娄全等：基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 ·879· 破坏释放能量的大小：而电磁辐射和声发射都是试 所示.由图可以看出，不同的电磁辐射和声发射事 样破坏能量释放的结果，因此三者的累计量在一定 件拥有不同的频谱特征，复杂多变.电磁辐射信号 程度上是对试样破坏所释放能量累积量的表征，具 的优势频带窄于声发射，且频率较低.为了对试样 有高度一致性. 破坏电磁辐射和声发射信号的频谱进行对比分析， 2.3声电信号幅频特性 对该试样所有声电事件的幅度-频率谱进行叠加， 作为煤岩体同一破坏源激发的信号，电磁辐射 然后求取平均幅度-频率谱（如图8所示）.由图可 和声发射频谱特征与裂纹的萌生、扩展和贯通有密 以看出，电磁辐射信号频带很窄，主要集中在1~25 切关系.本文将加载全过程的电磁辐射事件及与之 kHz.声发射信号频率较宽，主要集中在1~280 对应的声发射波形数据导出，选取1ms时长的电磁 kHz,其中，在1~25kHz频段，电磁辐射和声发射信 辐射和声发射波形数据进行傅里叶变换求取幅度- 号有很好的一致性 频率谱，代表性试样zgl和hpl声电信号频谱如图7 为了分析两种信号的主频特征，分别将赵固二 (a) ) 0.6- 0.6 02 500400300200100 220 200 200220 缬率kHz 180 140 160 500400300200100 频率kHz 0 140 160 180 时间/s 时间s 0.8 0.3 0.6 0.4 0.2 0.1 58400300200100.140160 200 220 5084003002300100 200 220 频率从Hz 180 时间/s 频率从Hz 0140 160180 时间s 图7电磁辐射和声发射频谱图.(a)试样gl:(b)试样hpl Fig.7 Spectra of acoustic emission and electromagnetic radiation:(a)sample zgl;(b)sample hpl 0.24r 0.04 0.10r 0.02 (a).25 kHz b 25 kHz 0.08 0.18 0.02 0.01 电磁辐射幅度 电磁辐射幅度 0.12 0 0 0.06 -0.02 -0.01 声发射幅度 0.02 声发射幅度 -0.04 -0.02 100 200300 400 500 100 200300 400500 频案Hz 频率kHz 图8电磁辐射和声发射平均频谱.(a)试样zgl:(b)试样hp1 Fig.8 Average-spectra of acoustic emission and electromagnetic radiation;(a)sample gl;(b)sample hpl 矿煤样共计209个、火铺矿煤样共计255个电磁辐 以上结果表明，无论是声电信号频谱还是主频 射事件进行主频频次统计，结果如图9所示.两组 频次分布，同一破坏源激发的电磁辐射和声发射信 煤样的电磁辐射主频频次分布几乎相同，主要集中 号都含有近似的低频成分.这与Gade等[2]的结论 在1~12kHz.两组煤样的声发射主频频次分布高 一致，声电信号在低频部分的一致性说明两者都受 度一致，主要集中在四个频段：1~16kHz、28~56 到同一裂纹萌生和扩展的影响. kHz、121~125kHz和137~156kHz,其中，较低主频 3讨论 频段(1~16kHz)与电磁辐射主频频次集中频段 (1~12kHz)高度重合. 通过对实验结果的分析可以得出煤体受载破坏
娄 全等: 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 破坏释放能量的大小;而电磁辐射和声发射都是试 样破坏能量释放的结果,因此三者的累计量在一定 程度上是对试样破坏所释放能量累积量的表征,具 有高度一致性. 2郾 3 声电信号幅频特性 作为煤岩体同一破坏源激发的信号,电磁辐射 和声发射频谱特征与裂纹的萌生、扩展和贯通有密 切关系. 本文将加载全过程的电磁辐射事件及与之 对应的声发射波形数据导出,选取 1 ms 时长的电磁 辐射和声发射波形数据进行傅里叶变换求取幅度鄄鄄 频率谱,代表性试样 zg1 和 hp1 声电信号频谱如图 7 所示. 由图可以看出,不同的电磁辐射和声发射事 件拥有不同的频谱特征,复杂多变. 电磁辐射信号 的优势频带窄于声发射,且频率较低. 为了对试样 破坏电磁辐射和声发射信号的频谱进行对比分析, 对该试样所有声电事件的幅度鄄鄄 频率谱进行叠加, 然后求取平均幅度鄄鄄频率谱(如图 8 所示). 由图可 以看出,电磁辐射信号频带很窄,主要集中在 1 ~ 25 kHz. 声发射信号频率较宽,主要集中在 1 ~ 280 kHz,其中,在 1 ~ 25 kHz 频段,电磁辐射和声发射信 号有很好的一致性. 为了分析两种信号的主频特征,分别将赵固二 图 7 电磁辐射和声发射频谱图. (a)试样 zg1;(b)试样 hp1 Fig. 7 Spectra of acoustic emission and electromagnetic radiation: (a) sample zg1; (b) sample hp1 图 8 电磁辐射和声发射平均频谱. (a)试样 zg1;(b)试样 hp1 Fig. 8 Average鄄spectra of acoustic emission and electromagnetic radiation: (a) sample zg1; (b) sample hp1 矿煤样共计 209 个、火铺矿煤样共计 255 个电磁辐 射事件进行主频频次统计,结果如图 9 所示. 两组 煤样的电磁辐射主频频次分布几乎相同,主要集中 在 1 ~ 12 kHz. 两组煤样的声发射主频频次分布高 度一致,主要集中在四个频段:1 ~ 16 kHz、28 ~ 56 kHz、121 ~ 125 kHz 和 137 ~ 156 kHz,其中,较低主频 频段(1 ~ 16 kHz) 与电磁辐射主频频次集中频段 (1 ~ 12 kHz)高度重合. 以上结果表明,无论是声电信号频谱还是主频 频次分布,同一破坏源激发的电磁辐射和声发射信 号都含有近似的低频成分. 这与 Gade 等[22] 的结论 一致,声电信号在低频部分的一致性说明两者都受 到同一裂纹萌生和扩展的影响. 3 讨论 通过对实验结果的分析可以得出煤体受载破坏 ·879·
.880· 工程科学学报.第41卷，第7期 吃 60 30r (a) 分 ·一声发射主频频次 ·一声发射主频频次 30 ·一电磁辐射主频频次 40 ·一电磁辐射主频频次 名 1 24 24 20 20 12 18 15 12 -20 -40 -36 -60 50 100 150 200 50 100 150 200 主频从Hz 主频/Hz 图9电磁辐射和声发射主频颜次统计.(a)赵固二矿煤样：(b)火铺矿煤样 Fig.9 Main-frequency statistics for acoustic emission and electromagnetic radiation:(a)samples of Zhaogu No.2 coal mine;(b)samples of Huopu coal mine 电磁辐射伴随载荷降和较高强度声发射出现，三者 等错综复杂，其激发的电磁场在环形电磁天线位置 在时间上具有一致性，这与前人的研究结 的电磁感应强度复杂多变，然而天线位置和方向固 果1，，24)一致.但是存在声电信号强度对同一破 定，因此天线平面与电磁感应强度夹角复杂多变 坏不呈严格正相关的现象：并且相对于声发射，电磁 但是环形电磁天线内径为12.5cm(大于试样高度 辐射能量与载荷降之间有更好的相关性.对于导致 10cm),面积为122.7cm2,大于试样对天线平面的 这两种现象的原因做以下讨论： 投影面积50cm2,且天线距离试样7cm,降低了天线 煤样内部结构复杂，裂纹发育，在载荷作用下， 对试样破坏电磁辐射信号方向的敏感性，因此电磁 原生和次生裂纹的演化会使煤体内部形成更为丰富 辐射能量与载荷降之间有更好的相关性 的微观和宏观裂纹，并以弹性波和电磁能等形式释 另外，虽然声电信号都是由试样破坏引起的，但 放能量.声电信号是由试样破坏产生的“同源异象” 是实验结果表明声发射事件数大于电磁辐射事件 现象，两者机理不同.相比之下，声发射对弹性波的 数.在加载过程中除了存在载荷曲线上可以辨识的 响应更为灵敏，信号更为丰富，但是声发射信号强度 载荷降（即大能量弹性波释放），还存在大量由于原 不仅取决于试样破坏释放弹性波能量的大小，也取 生和次生裂隙演化所导致的较小能量的弹性波释 决于弹性波在试样中的传播路径.随着试样内部微 放.然而，电磁辐射对这些较小的能量释放响应不 观和宏观裂纹的不断增多，弹性波在试样中的传播 明显，可能因为实验采用的环形电磁天线的响应精 变得更为复杂，衰减特征较加载初期也发生了很大 度不够，或其频带过宽导致本底噪声过大，从而出现 变化，加之声发射传感器位置固定，导致单个声发射 噪声淹没低强度信号的现象.声发射对于这些小能 传感器接收信号的强度和频率等相对于声发射源 量的弹性波释放有很好的响应，进一步降低了声发 发生较大变化[26].加载后期，在剧烈破坏作用下 射能量与载荷降的相关性 甚至出现了有声发射传感器掉落或传感器附着煤 块与试样主体剥离的现象.另外，通过对声发射幅 4结论 度分析可知，由于试样破坏剧烈且声发射传感器 通过对两组煤样单轴压缩破坏过程中的声电信 响应灵敏，导致即使在20dB的放大倍数下，依然 号进行全波形采集，并结合载荷降对全过程声电信 出现有因信号幅度超出采集仪量程，信号波形被 号的能量和频谱等进行研究，得出如下结论： 截止的现象.这些都导致了声发射对试样破坏尤 (1)在煤样单轴压缩破坏过程中产生显著的电 其是峰后大破坏的响应不完全能与破坏强度成正 磁辐射和声发射信号.电磁辐射信号少于声发射， 比的现象 仅伴随载荷降和较高强度声发射信号出现，三者在 相对于声发射，煤体破坏电磁辐射机理更为复 时间上具有一致性 杂.在实验室小尺度实验条件下，虽然可以忽略电 (2)相对于声发射，电磁辐射与载荷降之间有 磁波传播路径的影响，但电磁波传播以及环形电磁 更好的相关性，声发射、电磁辐射与载荷降之间的相 天线具有方向性是值得考虑的.试样内部裂纹尖端 关性系数分别为0.610和0.826.载荷降、电磁辐射 位置、扩展方向、速度以及裂隙壁面位置、方向、尺度 与声发射之间的相关性系数相当，分别为0.610和
工程科学学报,第 41 卷,第 7 期 图 9 电磁辐射和声发射主频频次统计. (a)赵固二矿煤样;(b)火铺矿煤样 Fig. 9 Main鄄frequency statistics for acoustic emission and electromagnetic radiation: (a) samples of Zhaogu No. 2 coal mine; (b) samples of Huopu coal mine 电磁辐射伴随载荷降和较高强度声发射出现,三者 在 时 间 上 具 有 一 致 性, 这 与 前 人 的 研 究 结 果[1,11,24鄄鄄25]一致. 但是存在声电信号强度对同一破 坏不呈严格正相关的现象;并且相对于声发射,电磁 辐射能量与载荷降之间有更好的相关性. 对于导致 这两种现象的原因做以下讨论: 煤样内部结构复杂,裂纹发育,在载荷作用下, 原生和次生裂纹的演化会使煤体内部形成更为丰富 的微观和宏观裂纹,并以弹性波和电磁能等形式释 放能量. 声电信号是由试样破坏产生的“同源异象冶 现象,两者机理不同. 相比之下,声发射对弹性波的 响应更为灵敏,信号更为丰富,但是声发射信号强度 不仅取决于试样破坏释放弹性波能量的大小,也取 决于弹性波在试样中的传播路径. 随着试样内部微 观和宏观裂纹的不断增多,弹性波在试样中的传播 变得更为复杂,衰减特征较加载初期也发生了很大 变化,加之声发射传感器位置固定,导致单个声发射 传感器接收信号的强度和频率等相对于声发射源 发生较大变化[26] . 加载后期,在剧烈破坏作用下 甚至出现了有声发射传感器掉落或传感器附着煤 块与试样主体剥离的现象. 另外,通过对声发射幅 度分析可知,由于试样破坏剧烈且声发射传感器 响应灵敏,导致即使在 20 dB 的放大倍数下,依然 出现有因信号幅度超出采集仪量程,信号波形被 截止的现象. 这些都导致了声发射对试样破坏尤 其是峰后大破坏的响应不完全能与破坏强度成正 比的现象. 相对于声发射,煤体破坏电磁辐射机理更为复 杂. 在实验室小尺度实验条件下,虽然可以忽略电 磁波传播路径的影响,但电磁波传播以及环形电磁 天线具有方向性是值得考虑的. 试样内部裂纹尖端 位置、扩展方向、速度以及裂隙壁面位置、方向、尺度 等错综复杂,其激发的电磁场在环形电磁天线位置 的电磁感应强度复杂多变,然而天线位置和方向固 定,因此天线平面与电磁感应强度夹角复杂多变. 但是环形电磁天线内径为 12郾 5 cm(大于试样高度 10 cm),面积为 122郾 7 cm 2 ,大于试样对天线平面的 投影面积 50 cm 2 ,且天线距离试样 7 cm,降低了天线 对试样破坏电磁辐射信号方向的敏感性,因此电磁 辐射能量与载荷降之间有更好的相关性. 另外,虽然声电信号都是由试样破坏引起的,但 是实验结果表明声发射事件数大于电磁辐射事件 数. 在加载过程中除了存在载荷曲线上可以辨识的 载荷降(即大能量弹性波释放),还存在大量由于原 生和次生裂隙演化所导致的较小能量的弹性波释 放. 然而,电磁辐射对这些较小的能量释放响应不 明显,可能因为实验采用的环形电磁天线的响应精 度不够,或其频带过宽导致本底噪声过大,从而出现 噪声淹没低强度信号的现象. 声发射对于这些小能 量的弹性波释放有很好的响应,进一步降低了声发 射能量与载荷降的相关性. 4 结论 通过对两组煤样单轴压缩破坏过程中的声电信 号进行全波形采集,并结合载荷降对全过程声电信 号的能量和频谱等进行研究,得出如下结论: (1)在煤样单轴压缩破坏过程中产生显著的电 磁辐射和声发射信号. 电磁辐射信号少于声发射, 仅伴随载荷降和较高强度声发射信号出现,三者在 时间上具有一致性. (2)相对于声发射,电磁辐射与载荷降之间有 更好的相关性,声发射、电磁辐射与载荷降之间的相 关性系数分别为 0郾 610 和 0郾 826. 载荷降、电磁辐射 与声发射之间的相关性系数相当,分别为 0郾 610 和 ·880·
娄全等：基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 ·881· 0.593.三者累计值之间均呈高度正相关（相关系数 (张进，柴孟瑜，项靖海，等.基于声发射监测的316LN不锈 均大于等于0.937，平均值为0.954). 钢的疲劳损伤评价.工程科学学报，2017,40(4)：461) (3)电磁辐射优势频带窄于声发射，前者主要 [11]Niccolini C,Xu J,Manuello A,et al.Onset time determination of acoustic and electromagnetic emission during rock fracture. 集中在1~25kHz,后者主要集中在1~280kHz.受 Prog Electromagn Res Lett,2012,35:51 同一裂纹萌生和扩展的影响，两者拥有近似的低频 [12]Wang E Y,He X Q,Liu X F,et al.A non-contact mine pres- 成分(1~25kHz),且电磁辐射主频集中在1~12 sure evaluation method by electromagnetic radiation.J Appl Geo- kHz,与声发射较低主频频段1~16kHz高度重合. phs,2011.75(2):338 [13]Wang E Y,He X Q,Liu X F,et al.Comprehensive monitoring technique based on electromagnetic radiation and its applications 参考文献 to mine pressure.Safety Sci,2012,50(4):885 [14]Frid V,Vozoff K.Electromagnetic radiation induced by mining [1]Yamada I,Masuda K,Mizutani H.Electromagnetic and acoustic rock failure.Int J Coal Geol,2005,64(1-2):57 emission associated with rock fracture.Phys Earth Planet Inter, [15]Rabinovitch A,Frid V,Bahat D.Surface oscillations-a possible 1989,57(1-2):157 source of fracture induced electromagnetic radiation.Tectonophys- [2]Li Z H,Lou Q,Wang E Y,et al.Experimental study of acoustic- ics,2007,431(14):15 electric and thermal infrared characteristics of roof rock failure.J [16]Rabinovitch A,Frid V,Bahat D.Directionality of electromagnet China Univ Min Technol,2016,45(6):1098 ic radiation from fractures.Int Fract,2017,204(2):239 (李忠辉，娄全，王恩元，等.顶板岩石受压破坏过程中声电 [17]Li X B,Wan G X,Zhou Z L.The relation between the frequen- 热效应研究.中国矿业大学学报，2016,45(6)：1098) cy of electromagnetic radiation (EMR)induced by rock fracture [3]Mastrogiannis D,Antsygina T N,Chishko K A,et al.Relation- and attribute parameters of rock masses.Chin Geophys,2009, ship between electromagnetic and acoustic emissions in deformed 52(1):253 piezoelectric media:microcracking signals.Int J Solids Struct, (李夕兵，万国香，周子龙.岩石破裂电磁辐射频率与岩石 2015,56-57:118 属性参数的关系.地球物理学报，2009,52(1)：253) [4]Song D Z,Wang E Y,Song X Y,et al.Changes in frequency of [18]Zhao Y X,Jiang Y D.Acoustic emission and thermal infrared electromagnetic radiation from loaded coal rock.Rock Mech Rock precursors associated with bump-prone coal failure.Int Coal Eng,2016,49(1):291 Geol,2010,83(1):11 [5]Carpinteri A,Lacidogna G,Pugno N.Structural damage diagnosis [19]Zhao Y F,Pan Y S,Liu Y C,et al.Experimental study of and life-time assessment by acoustic emission monitoring.Eng charge induction of coal samples under uniaxial compression. Fract Mech,2007,74(1-2):273 Chin J Rock Mech Eng,2011,30(2):306 [6]Wang E Y,He X Q,Li Z H,et al.Electromagnetic Radiation (赵扬锋，潘一山，刘玉春，等。单轴压缩条件下煤样电荷感 Technology of Coal and Rock and Its Application.Ist Ed.Beijing: 应试验研究.岩石力学与工程学报，2011,30(2)：306) Science Press,2009 [20]Potirakis S M,Karadimitrakis A,Eftaxias K.Natural time analy- (王恩元，何学秋，李忠辉，等.煤岩电磁辐射技术及其应用 sis of critical phenomena:the case of pre-fracture electromagnetic 1版.北京：科学出版社，2009) emissions..Chaos,2013,23(2):023117-1 [7]Donner R V,Potirakis S M,Balasis G,et al.Temporal correla- [21]Potirakis S M,Mastrogiannis D.Critical features revealed in tion patters in pre-seismic electromagnetic emissions reveal dis- acoustic and electromagnetic emissions during fracture experi- tinct complexity profiles prior to major earthquakes.Phys Chem ments on LiF.Physica A,2017,485:11 Earth Part A/B/C,2015,85-86:44 [22]Gade S O,Weiss U,Peter M A,et al.Relation of electromag- [8]He X Q,Dou L M,Mu Z L,et al.Continuous monitoring and netic emission and crack dynamics in epoxy resin materials.J warning theory and technology of rock burst dynamic disaster of Nondestruct Eval,2014,33(4):711 coal.J China Coal Soc,2014,39(8)1485 [23]Gade O,Alaca BB,Sause M G R.Determination of crack sur- (何学秋，窦林名，牟宗龙，等.煤岩冲击动力灾害连续监测 face orientation in carbon fibre reinforced polymers by measuring 预警理论与技术.煤炭学报，2014,39(8)：1485) electromagnetic emission.J Nondestruct Eral,2017,36:21 [9]Liu J H,Zhao L,Song S M,et al.Ultrasonic velocity and acous- [24]Carpinteri A,Lacidogna G.Borla O,et al.Electromagnetic and tie emission properties of concrete eroded by sulfate and its damage neutron emissions from brittle rocks failure:experimental evi- mechanism.Chin Eng,2016,38(8):1075 dence and geological implications.Sadhana,2012,37(1):59 (刘娟红，赵力，宋少民，等.混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波 [25]Zhu T,Zhou J G,Wang H Q.Electromagnetic emissions during 与声发射变化特征及机理.工程科学学报，2016,38(8)： dilating fracture of a rock.J Asian Earth Sci,2013,73:252 1075) [26]Ohnaka M.Mogi K.Frequency characteristics of acoustie emis- [10]Zhang J,Chai M Y,Xiang J H,et al.Fatigue damage evaluation sion in rocks under uniaxial compression and its relation to the of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring.Chin fracturing process to failure.Geophys Res,1982.87(B5): JEng,2017,40(4):461 3873
娄 全等: 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 0郾 593. 三者累计值之间均呈高度正相关(相关系数 均大于等于 0郾 937,平均值为 0郾 954). (3)电磁辐射优势频带窄于声发射,前者主要 集中在 1 ~ 25 kHz,后者主要集中在 1 ~ 280 kHz. 受 同一裂纹萌生和扩展的影响,两者拥有近似的低频 成分(1 ~ 25 kHz),且电磁辐射主频集中在 1 ~ 12 kHz,与声发射较低主频频段 1 ~ 16 kHz 高度重合. 参 考 文 献 [1] Yamada I, Masuda K, Mizutani H. Electromagnetic and acoustic emission associated with rock fracture. Phys Earth Planet Inter, 1989, 57(1鄄2): 157 [2] Li Z H, Lou Q, Wang E Y, et al. Experimental study of acoustic鄄 electric and thermal infrared characteristics of roof rock failure. J China Univ Min Technol, 2016, 45(6): 1098 (李忠辉, 娄全, 王恩元, 等. 顶板岩石受压破坏过程中声电 热效应研究. 中国矿业大学学报, 2016, 45(6): 1098) [3] Mastrogiannis D, Antsygina T N, Chishko K A, et al. Relation鄄 ship between electromagnetic and acoustic emissions in deformed piezoelectric media: microcracking signals. Int J Solids Struct, 2015, 56鄄57: 118 [4] Song D Z, Wang E Y, Song X Y, et al. Changes in frequency of electromagnetic radiation from loaded coal rock. 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