异同煤断裂的分形特征声发射和电荷信号之间基于差异分析

摘要

岩爆是由突发故障和煤炭，这使深部煤炭开采威胁的不稳定灾难性灾情动态;在AE-电荷信号和所述片段分布涉及煤和灾害的两个机械性能早期警告直接。因此，AE的煤失败，煤片段的分形特征，并且它们的关系中的变化和电荷感应应该深入研究。In this paper, uniaxial loading test was carried out for coal with bursting tendency samples produced by blocks cored from 800 m depth in Xiaoqing coal mine of the Tiefa Coal Group in northeast China; the fractal characteristics of specimens are obtained by using the statistical fractal method. The mechanics of similarities and differences between acoustic emission and charge signal is investigated by using loading experiments and theoretical analysis. It is found that the fragments of coal have good self-similarity properties; the fractal dimension of the specimens is in the range 2.085–2.521, the maximum range being 2.300–2.468, which is slightly higher than that of rock. The high-amplitude pulses of the acoustic emission and charge are concentrated in the macroscopic fissure development and expansion stage but they have asynchronous characteristics between them. The charge generation process is accompanied by the inhomogeneous deformation and sliding friction; the friction slip is the major one and is analysed theoretically. A theoretical model for the force-electric coupling relationship is established. The statistical results show that both the acoustic emission and the charge signal accumulation have a significantly proportional relationship with the fractal dimension. Both the acoustic emission and charge signal reveal coal breakage evolution process, which will help in obtaining the precursor information on coal failure. Furthermore, the monitoring results can predict the extent of coal mass instability.

1.介绍

煤是一种强非线性工程岩石[1，2]，容易出现不稳定和诱导的动态灾害，如岩爆[3-五]。同步监测可以揭示趋势的压力和应变能的煤炭质量和警告即将发生的灾难,从而减少风险评估误差有效地与传统力学参数指数风险识别相比,这是由于离散煤炭机械行为引起的外部载荷和内部结构。因此，探索有效、可靠的监测方法已成为我国煤炭生产行业急需解决的工程难题，其主要目的是预防和控制冲击地压灾害。

它由学者被广泛确认，在煤或岩石破裂过程中的声音和电异常[6-10]，即声发射或电荷信号，可用于灾害监测和早期预警[11-13]。在应用中，单一监测方法的使用受到重要前兆信息缺失的限制，声发射和电荷二值信号监测成为灾害监测领域的主要研究方向[14]。在煤的加载过程中，由于机理不同，上述两个参数有不同的表现[15-22]。因此，关键科学问题之一学习表现及声发射和电荷信号的机制，预警和灾情动态预测的定量分析，克服煤炭的离散力学行为。

分形几何理论描述和基于分形维和数学方法[概念研究客观存在的问题23，这为揭示岩石力学中的复杂问题提供了一种新方法。主要(24和Tian等人[25]解释岩石的机构使用岩石碎片和它们的分形特征的分布规律爆裂。谢等人。[26，27]引入分形理论岩石力学的用于模拟在断裂表面的本地随机不规则粗糙的目的研究。徐等人。[28]和Liu等人。[29]发现，高温度对岩石碎片的分形分布的显著效果，而在高温和冲击载荷导致在岩石的片段分布的差异的组合效果。Eremin和马卡罗夫[三十]发现的振幅 - 频率特性所反射的岩体的状态和可能被视为断裂过程的分形特性。ÖzgenKaracan [31]使用单变量统计技术和用于在深度日志数据的相似性和订货分形统计学分析伽马射线和密度测井。Li等人。[32，33[[endnoteref: 15]]讨论了煤岩试样在不同倾斜和加载路径下预先存在的裂纹破坏过程中声发射的分形维数。分形维数可以作为反映煤块分布的指标，在煤炭机械灾害勘查中，它与煤的破碎有直接的关系。

在目前的研究中，冲击地压多出现在工作面附近[2，3，其结果是煤的破裂和瞬时的承载力损失。此外，声发射和电荷伴随着煤的破裂。煤的不稳定性和声电异常与裂纹的扩展有直接的关系。由此产生的问题如下:(1)分形维数与声电异常之间的内在联系是什么?(2)如何描述摩擦滑移时煤内装药起药机理?声发射机理已基本清楚，但电荷产生机理尚不清楚;到目前为止，对于煤电的产生还没有统一的认识，但认为主要是由摩擦滑移引起的。因此，研究裂隙界面的形成与煤中压电效应，以及具体表达形式的异同，对冲击地压声发射和电荷信号的集成具有重要的理论和工程应用价值。

在本文中，煤片段的分形维数和声发射和下单轴加载伴随煤变形电荷信号的法通过使用涉及的压电实验和理论分析相结合的方法的影响。的电荷的信号分析特性进行了深入参照的声发射信号，裂纹滑动摩擦电荷的机制进行了讨论，然后建立煤变形破坏过程中晶格滑移和不均匀变形-滑动摩擦电荷产生的理论模型。煤片段的分形维数和声发射电荷的积累之间的关系进行统计分析。结果提供了用于获得前体信息来监视岩石脉冲串上的可靠的理论和实验基础。

2。材料和方法

2.1。试样的制备

Ťhe coal specimens were obtained from a depth of 800 m in the Xiaoqing mine of the Tiefa Coal Group in northeast China. Cylindrical specimens measuringφ五0 mm × 100 mm were prepared, and both ends of each specimen were polished to ensure that the flatness error was less than ±0.02 mm (Figure1)。由特殊发生状态和煤炭的材料组合物，以及作为初始损伤形成内部的影响，从相同的块所采取的样品具有在宏颜色均匀性的不同的特性，这导致煤样品的机械性能的分散[34，35]。

2.2。实验系统

试验在矿山环境与灾害力学辽宁工程技术大学阜新辽宁重点实验室，进行的。被用于单轴压缩试验甲TAW-2000数字油压伺服试验机，和负载和位移数据采集过程中使用自动获取测量结果。Ťhe machine had a compression capacity of 2000 kN with a resolution of the number of impressions as 5‰ (Figure图2（a）)。

一个USEA-2 AE监控系统，由北京Soundwel科技有限公司生产的，在这个研究中使用。此监视系统由AE传感器，前置放大器，信号采集和处理和记录单元（图图2（a）)。所述换能器AE置于煤的表面上和耦合表面涂布偶联剂;Ťhe sampling frequency was set to 1000 kHz, the preamplification was 40 db, gain amplification was 20 db, and the number of sampling points was 1024.

使用，其中包括一个微电敏合金板，前置放大器，采集仪和计算机自主开发的电荷信号监测系统获得的电荷信号。Ťhe charge amplifier was mounted on the cylinder, the alloy sheet had no contact with the coal surface, and we ensured that the distance between them was maintained at 5 mm in each experiment. The sampling frequency was set to 1000 Hz, and the sampling point was 1024 Figure（3）。

2.3。实验方案

Ťhe experiment involved a uniaxial compression test of coal, where the loading rate was set at 0.01 mm/s and the following procedure was carried out:（一个）放置在顶部和底部的压头在每个耦合表面之间的煤体用绝缘垫片，以防止溢出的电荷，调试设备，和设置参数。（b）中开始测试系统，AE监控系统，以及充电信号期间煤变形和破坏过程同时监测系统，以收集信息并将其转换成数字信号，用于基于所述A / d转换存储，直到最后的破坏。这是值得指出的是，其中由同步模块自写控制自动曝光和充电监控系统，实现同步启动的目的。(c)存储结果，筛选煤的片段，并拍摄照片，并开展基于Matlab，原产地，或类似的软件在PC上数据的后处理。

2.4。煤的分形维数计算

结果表明，岩石的自相似性是由于碎片属于统计分形分布[24，26，27]。因此煤的分形特性可以通过测量它的片段的大小和数量与筛选统计的方法来确定。However, accurately estimating the number of fragments is challenging when the size is less than 5 mm. According to the proportional relationship between mass and block size, ，煤片段和分形维数可以用下面的质量 - 频率关系来计算： 哪里X为碎片的直径，X_米是一个片段的最大直径，中号（X)是小于的片段的累积质量X，中号_Ť是所述片段的总质量，和d_b为分形维数。等式两边同时取对数1),我们有

方程(2)表示拟合直线的斜率为(3)d_b)在坐标曲线上" - “;因此，煤片段的分形维数可以从曲线拟合直线，这是单轴载荷下的斜率来计算。

3.结果

3.1。煤炭片段的分形维数的特点

煤的破碎块收集，并通过使用筛选统计的方法获得的片段的大小分布。Ťhe sieve size was set as 0–2.5 mm, 2.5–5 mm, 5–10 mm, 10–15 mm, 15–20 mm, 20–30 mm, 30–40 mm, 40–50 mm, and 50–100 mm. The masses of fragments of each size and the size of the largest fragment and its mass were recorded. Finally, the fractal dimension of each specimen was calculated. Table1图4介绍了煤的碎块分布和破碎结果。分形维数的计算如图所示五，这说明煤在单轴载荷。

质量频率概率和段的累积数量之间的关系呈现于图6。具有自相似性特征的片段分布:片段的质量随着片段数量的累积增加呈线性变化。因此，可以将分形理论引入到研究中。分形维数越大，碎片的累积数量越多[27]。当试样质量和体积不变时，碎片累积数量越多，碎片程度越高。在这项工作中，我们设置分形维数作为一个指标的破碎程度。试样分形维数在2.085-2.521之间，大部分在2.300-2.468之间，略高于岩石在1.7-2.0之间的分形维数[27]，这是单轴载荷下。

3.2。煤的断裂过程中声发射和充电信号的相似的结果

分析了实验的一组数据结果，发现它们是一致的。数字7指示与时间应力，声发射，并且充电信号之间的关系。

在图7中，粉红线表示充电脉冲，蓝色散射是AE能量，而黑线是应力。煤体变形的整个装载过程进行了分析。一组数据结果的分析为是一致的声发射和电荷信号的知名律师存在，即使煤的分形维数是不同的实验结果。煤的装载被分成三个阶段：原始裂纹闭合，微裂纹形成延伸的，并且延伸macrocrack，这是基于信号的分布。在最初的裂纹闭合阶段，是在第一次一些薄弱声发射信号和由原始骨折在装载的增加而逐渐闭合的逐渐下降，但没有充电脉冲的外观。In the microcrack forming-extending stage, there is a significant energy release, but the amplitude of AE is generally in a lower range of 1.0 × 10⁴ mV/μS，这表明微裂纹已经逐渐发芽，慢慢扩大;弱能量被释放到外部，并且充电信号被表示为一个脉冲零星（在图图7（a）和7 (c)）或无脉冲的外观（在图图7（b）和7 (d))。在宏观裂纹扩展阶段，声发射密度的高振幅信号连续出现，其平均值一般大于1.0×10⁴ mV/μ直到加载达到第一个应力峰值，高振幅的电荷信号不断出现，然后声发射和电荷信号在每个应力降处都有一个高振幅脉冲。

为了评估声发射和电荷信号的异步现象及其主要原因，图中显示了声发射能量和电荷脉冲随时间的积累8中，每个样本具有不同的分形维数。

目前仍是AE能量和电荷产生显著的一致性规律。应当指出的是，AE能量和电荷积累的发展阶段的分布特点是列为前的结果非常相似。AE能量的3％的总的和用于电荷累积-8.22％小于1％，从原来的裂纹阶段到微裂纹形成延伸。在macrocrack延伸阶段产生的AE的主体部分和电荷，其中积累明显增长，曲线根据研究结果是两者都直接关系到裂纹。因此，在该过程中产生的较大的物理信号，所述煤的内部形成的裂纹的数量越多。

3.3。煤破坏过程中声发射和电荷信号的差异结果

数字8表示AE能量和充电脉冲在煤岩石破坏实验不同强化阶段与应力不断发展的结果。装载的本地数据之前，峰值强度变大，峰后应力降被截获。两个信号之间的差异进行了分析。

数字9示出响应于应力的变化声发射和充电信号之间的差值。对于前峰强度的装载，如图所示图9（a）中，AE信号具有稳定的和反射的应力增加的连续的高值信号而变化，但充电较弱，并且两个信号呈现显著异步功能。在另一方面，对于后峰强度的装载，如图所示图9（b），声发射和电荷信号在应力下降时均产生显著的高值信号响应。电荷振幅比峰值强度前高很多，但声发射信号的大小与峰值强度前相似。这说明煤基颗粒不均匀变形产生的AE信号在峰前形成微裂纹，峰后形成宏观裂纹扩展。峰前压电效应引起的煤基变形和峰后应力下降引起的断裂滑移所产生的电荷，表明断裂滑移所产生的电荷要比峰前强得多。

数字10显示器AE能量和电荷的累积时间与与强度级的前峰强度和峰后应力降的数据的结果。

我们观察到声发射能量的积累随着应力的增长呈近似线性的增长趋势。从图10 ()，Ťhe ratio is about 2.5 × 10⁶mV·μ小号^-1/中号Pa, the line of charge shows a ladder-like growth, and its rate is 8.2 pC/MPa for the loading before peak strength. By contrast, in Figure10 (b)，在峰值后销毁阶段，他们都表现出了增长速度的提高。Ťhe AE energy still increases linearly, the rate is improved to 4.02 × 10⁶mV·μ小号^-1/中号Pa, and the charge improvement reaches 125 pC/MPa at the stress drop and little at the “stress platform.” The result shows the acoustic emission stable generation with the crack expansion at both the pre- and post-peak strength, but the accumulation rate of the latter is slightly higher than that of the former, while the charge accumulation rate at the post-peak stage is much higher than before, which is especially obvious in the stress drop. This demonstrates that there is a much greater crack development in the posterior peak stage, and the fraction slip between the crack faces is the cause of the majority of the charge.

众所周知，声发射是伴随着裂纹传播的弹性波;的数目和裂纹的更快的扩展越大，越能量释放。在macrocrack扩张阶段，裂纹逐渐转向宏观和发展，直到煤完全破坏。在两者的前加载和后峰强度的过程中裂纹扩展增加了AE能量。在损伤后的峰值强度的程度比的前峰强度和断裂尖端应力浓度高比在后者高得多。它的传播速度也相应地增加和AE能增长较快。在煤破坏过程中，存在不仅基质颗粒变形，而且大量的裂纹形成和穿孔，根据在岩石力学研究。峰强度之前，有一个变形和在煤裂缝的量小，而交峰，观察到了大量的宏观扩展裂纹和变形量小的，在每个应力降裂缝表面摩擦。与试验结果相结合，我们可在煤故障期间考虑电荷产生被分为两个阶段：第一是晶格滑移和不均匀变形的峰值应力膨胀过程之前，第二个是的后峰应力过程裂纹表面摩擦滑动和晶格变形全面充电启动，后者是最重要的原因。

根据以往的研究[20]，在不均匀变形的膨胀过程中产生的晶体界面电荷被表示为 哪里Q是电荷数，ε是变形，小号_b是晶体界面的扩散系数，δ_b是晶体界面的厚度，ķ是玻尔兹曼常数，Ť是绝对温度，d为晶格的长度，和η是电阻率。

煤峰后强度加载包括裂纹表面摩擦滑移和晶格变形两部分。在应力降过程中，裂纹表面两侧存在剪切滑移摩擦。以骨折为研究对象，如图10的滑动摩擦（F_d)在两个裂纹表面之间[36，37]可表示为 哪里ž是一个状态函数，ü是（裂纹，克双方之间的相对速度ü）是一个函数，车型等速行为，ζ₀为在速度反转的位置，力的关系的等效刚度，ζ₁是microviscous摩擦系数，和ζ₂为粘性摩擦系数。

数字11显示了当它被装上后峰强度裂纹的情况。设置的角度θ在裂缝延伸至水平方向之间，下落力(F_小号），这会导致沿着裂缝的上部的剪切滑动，可以表示为 哪里σ是装载在裂纹的应力，小号为断裂的负荷区域，和d是损伤变量。

基于摩擦滑移理论[38]，摩擦滑动速度的速度可以被表示为 哪里ķ是字符串常量，米是剪切滑动部分的质量，Ť时间是多少是驱动速度。当在实验室中进行的加载速率较慢，并且驱动速度接近于 ;然后，方程（7)可以写成

将式（五）和（6）在方程（8)，则可转化为

两个接触表面的相对位移是

假设后峰轴承结构是有弹性​​的，仍与胡克定律，轴向负荷的变化（一致ΔF所造成的两条裂缝之间的剪切滑动）由下式给出 哪里升为原煤的长度，Ë为弹性模量，和小号为煤的横截面积。

引起摩擦滑动电流的相对剪切滑移与电荷量和应力降成正比[39]和它们之间的关系是 哪里ñ_q产生的电荷的量和α是每次充电的平均横向力，与煤的电特性。与方程相结合（10）〜（12），裂纹剪切滑动摩擦选举感应的模型可以被定义如下：

因此，结合等式（3），在故障过程中产生的煤的电荷，这是不均匀的变形和滑动摩擦的力学的力 - 电耦合的模型，可以表示为

4。讨论

煤的破坏的形式是不断变化的影响的离散，非连贯性，和非均匀性，这主要体现在片段大小和质量分布的其特点。这是更加明显的单轴压缩过程，然后将分形维数可用于描述煤故障。声发射和电荷都伴随着破坏，因此，它们是前体破坏的全过程。数据12和13给出了不同分形维数煤样声发射能量和电荷积累的统计结果，它们与分形维数呈线性正相关，说明分形维数越高，煤破坏过程中产生的信号越多。一个研究[1]研究形成了新的表面积和压碎后煤的颗粒尺寸之间的关系，如在等式（15）和（16)，表示新的表面积与碎片的加权平均直径成反比;粒径越小，分形维数越高。因此，根据分形维数计算方法，煤块分形维数越高，产生的新表面积越大: 哪里小号是新的表面面积，中号_Ť为试样的总质量，ρ是煤的密度，d_一个为碎片的加权平均直径，d_X是该片段的直径，和米_X是它的质量。

的煤的片段意味着更高的分形维数存在与煤样品击穿产生多个新的表面积，这是更天然的，和新的裂缝参与这一过程。对于声发射，有更多的裂纹扩展，这意味着形成的裂纹的更大的区域，并且它会释放更大的弹性性能，更多的信号将被换能器接收，并因此，累加的总的AE能量安装有在增加分形维数。用于电荷，根据前述的结论，其中摩擦滑动是在煤中主要的电荷生成处理中，在生成新的表面区域的增加显示更多裂纹涉及摩擦滑动。大量电荷的与在每个应力降摩擦滑动的试样的损伤变量生成的。分形维数是在煤的损害指示符;越产生因煤内相互摩擦的裂缝，越的总电荷煤样品断裂之前积累。因此，充电具有与分形维数相同的正相关。

因此，能够煤样品击穿之前获得声发射和电荷前体信息，并且可以表现出破裂。监测结果可以预测煤破损的程度和状态。

5.结论

在本文中，单轴压缩试验进行了调查期间煤样品的失效过程的特征特性AE事件和电荷感应脉冲，通过统计方法获得的片段的分形特征，并且相似性和声发射的差异和电荷信号进行了理论分析。以下结论可以得出：（1）实验结果证实，煤的破坏也属于统计分形研究的范畴，在单轴载荷作用下，破碎后的破碎块体具有良好的自相似性，可以通过不同粒度块体的质量和总量来计算。因此，受其特殊赋存环境和成分的影响，试样分形维数为2.85 - 2.521，最大为2.300-2.468，略高于岩石分形维数;分形维数越大，煤的破碎程度越高，分形维数可以作为描述煤破碎演化过程的数学表达式。（2）煤破坏过程中的声发射和荷电信号随加载阶段的变化具有明显的规律性。声发射和电荷的高振幅脉冲集中在宏观裂纹发展和扩展阶段，但两者之间存在异步特性。声发射峰前、峰后强度基本相同;前者产生的电荷要比后者多得多。基于煤体变形过程中声发射能量和电荷的累积分布，以声发射信号为参考，从理论上分析了煤体变形过程中不均匀变形和滑动摩擦产生电荷的过程，摩擦滑移是主要原因。然后，建立了力-电耦合关系的理论模型。（3）两个声发射和电荷信号累积具有与分形维数一个显著比例关系。结果表明，在煤失败和破碎的程度越高，在过程中产生的更丰富的声发射事件和充电脉冲，和的信号增大与煤的劣化的丰富性时所产生的多个新的片段，而应力改善。因此，可以在煤样品断裂之前被向下获得的前体的信息，并演示了破裂。结果提供了声学电荷复合信号监控进一步发展了理论基础。

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数字数据已存入的文件存储库（10.1155 /七百五十八万一千〇六十一分之二千〇一十九)。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

这项工作是由中国的国家重点研究发展计划（编号2017YFC0804208）和中国国家自然科学基金（编号51774164，51974186，51974147和）的支持。

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