(a) SHJ试样
刘冠华1， 杨晨2， 刘浩雄1
(1.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221008；2.武汉科技大学 资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081)
摘要：采用声发射实验技术对大安山无烟煤与三河尖肥煤的超声波波速、衰减系数、超声波的时域特征和频域特征进行了研究。研究结果表明，受空隙率和含水率等的影响，无烟煤中的平均波速大于肥煤中的平均波速，其衰减系数平均值低于肥煤的衰减系数平均值；超声波的时域特征和频域特征受煤的品质和波形频率的影响，无烟煤的主频幅值大于肥煤，衰减周期小于肥煤，并且随着波形频率的增加，衰减时间下降，透射波形的能量更加聚集于主频。这些结论可为采掘前煤炭品质和种类的定性提供理论依据。
关键词：煤炭品质; 煤炭种类； 无烟煤； 肥煤； 超声波； 衰减系数； 时域； 频域
煤岩性质的研究对于认识煤矿灾害产生机理及预防技术具有重要的作用。在一定条件下,超声波可以用来预测瓦斯突出，降低生产中瓦斯突出的危险性。超声波透射波参数可以用来探究不同品质煤在干燥和饱水下的波谱特征。利用超声波参数来探测煤岩结构特性等方面的研究已经日趋成熟，并能用超声波衰减参数特征表征煤岩内部缺陷与表面裂缝情况。研究超声波在煤岩中的衰减特征对揭示煤岩内部裂隙结构及对煤矿灾害事故的预防具有重要的现实意义，对煤田地质反演模拟过程研究也具有理论指导意义。
国内外专家学者对煤矿生产中应用的超声波波速和衰减系数等参数做了大量研究。王云刚等[1]对构造煤的超声波实验测试参数的影响因素进行了半定量研究，得出影响构造煤纵波波速和品质因子的主要因素是煤体的孔隙率、水分、灰分和挥发分。李涛等[2]利用超声波对煤体结构类型进行辨识，建立了超声波波速和衰减系数与煤体结构之间的量化关系模型，并以此模型为基础建立了超声波和BP神经网络的煤体结构类型的判识模型。G.Mavko等[3]提出将岩石介质内部裂纹假设为椭圆形，从能量角度认为干燥岩石中震动波衰减由2个部分组成：一部分是由裂纹面之间的滑动摩擦造成的衰减，另一部分是岩石骨架衰减(这部分衰减用于解释施加的围压足够闭合所有裂隙时衰减仍不为0的情况，无围压时可忽略该部分衰减)，最终采用摩擦耗散能量化描述裂纹面之间滑动造成的衰减。徐晓炼等[4]从不同方向上研究了煤体与岩石超声波参数的差异。肖晓春等[5]的研究表明，有效应力逐渐增大的情况下，超声波作用能有效提高颗粒煤岩体系的渗透率。流动效应是介观尺度(大于孔隙尺度且小于波长)下含孔隙流体介质中震动波(1～1 000 Hz)衰减的主导机制[6]。这些研究表明，利用超声波技术可以对煤岩内部孔隙、结构进行研究，是本文实验的理论基础。
本文对无烟煤和肥煤2种不同煤体进行超声波参数分析，对比分析了煤体在无应力状态下的超声波参数特征。分析结果表明，无烟煤和肥煤中超声波波速、衰减系数、时域特征、频域特征等参数的表现特征有显著区别，为采掘前煤炭品质和种类的定性提供了理论依据。
实验选用2种不同矿区的煤样，分别取自三河尖(SHJ)煤矿和大安山(DAS)煤矿，其中大安山煤矿的煤样为无烟煤，三河尖煤矿的煤样为肥煤。根据文献[7]推荐的超声波实验标准，采集的原煤经过统一钻取、切割和打磨制成∅50 mm×50 mm的圆柱试样。试样两端不平整度小于0.02 mm，端面垂直轴线，最大偏差不大于0.25°。最后加工完成的试样如图1所示。实验试样的基本参数见表1。其中，Mad表示水分含量，Aad表示灰分含量，Vda表示挥发分含量。
(a) SHJ试样
(b) DAS试样
图1 制备的原煤试样
Fig.1 The experimental sample of processed coal
表1 实验试样的基本参数
Table 1 The basic parameters of experimental sample
超声波在煤体中的传播实验采用超声波实验系统完成，该实验系统主要包括超声波激发和接收装置，如图2所示。其中，超声波激发装置采用ARB-1410板卡，板卡产生的高频电压通过导线传递到换能器晶体的电极板上，从而激励压电晶体以相同的频率做弹性振动。当换能器与相邻介质之间耦合接触时，高频弹性振动以振动波的形式、以本身自有的特性在固体介质中传递。超声波接收装置采用Express-8多通道声发射板卡，其主要原理是利用正压电效应进行工作，当超声波作用到压电晶体时，施加的作用力在晶体的相应界面上产生交变电荷，该电荷经过放大器转换为电压信号后输入声发射接收通道，最终由声发射采集系统将接收的超声波信号转换成图像信息。实验过程中，首先对每个试样两端涂抹超声波实验专用高真空脂，然后将P波换能器贴合到试样两端并施加一定耦合力后即可开始测试。超声波发射频率采用300 kHz，发射幅值采用150 V，接收门槛为45 dB。
图2 超声波实验系统
Fig.2 Ultrasonic test system
波速的计算采用传播到时法，假定超声波发射时刻为t1，接收时刻为t2，试样长度为l，则波速v的计算公式为
v=l/(t2-t1)
(1)
衰减系数的计算采用振幅衰减法，假定超声波的发射幅值为A1，接收幅值为A2，则衰减系数α的计算公式为
α=-[20lg(A2/A1)]/l
(2)
根据式(1)和式(2)，测试得到SHJ试样和DAS试样的波速和衰减系数，分别见表2和表3。煤样的测距基本保持一致。
表2 SHJ试样的波速和衰减系数
Table 2 Wave velocity and attenuation coefficient of SHJ experimental samples
对表2、表3中数据进行统计分析显示，SHJ试样的波速范围为940～2 500 m/s，衰减系数范围为1 500～2 000 dB/m；DAS试样的波速范围为1 400～4 500 m/s，衰减系数范围为1 350～2 000 dB/m；DAS试样的波速平均值(2 609 m/s)高于SHJ试样的波速平均值(1 830 m/s)，其衰减系数平均值(1 555 dB/s)低于SHJ试样的衰减系数平均值(1 651 dB/m)。
表3 DAS试样的波速和衰减系数
Table 3 Wave velocity and attenuation coefficient of DAS experimental sample
波速一般受岩石的孔隙率与含水率的影响[8-9]。当声波在介质中传播时，遇到空隙、裂隙时会发生绕射现象，导致传播能量的损耗、波速的降低和传播时间的增长，同时，声波在水中的传播速度低于煤中传播速度。而无烟煤比肥煤有更低的空隙率和含水率，故声波波速更高，衰减系数更小[6-7，10]。
当超声波在煤岩体中传播时，其形态与试样的物理特性也有关系，接收的超声波信号会存在不同程度的拖尾现象。现将每类试样中具有代表性的结果列出，如图3、图4所示。每个波形文件的采样频率为5 Mbit/s，波形窗口长度为1.024 ms。
(a) SHJ试样超声波发射波形
(b) SHJ试样超声波接收波形
(c) DAS试样超声波发射波形
(d) DAS试样超声波接收波形
图3 频率为100 kHz时的试样超声波发射波形和接收波形
Fig.3 Transmitted and received waveforms of ultrasonic of coal samples at frequency of 100 kHz
(a) SHJ试样超声波发射波形
(b) SHJ试样超声波接收波形
(c) DAS试样超声波发射波形
(d) DAS试样超声波接收波形
图4 频率为200 kHz时的试样超声波发射波形和接收波形
Fig.4 Transmitted and received waveforms of ultrasonic of coal samples at frequency of 200 kHz
从图3可看出，当频率为100 kHz时，随着时间的变化，SHJ试样和DAS试样的波形整体长度均明显增大，而且几乎不存在杂乱的高频尾波，说明在其内部发生了不同程度的散射现象,但能量损耗不明显。SHJ试样的波形长度仍然大于DAS试样的波形长度，说明SHJ试样中的弹性波衰减周期要大于DAS试样的弹性波周期，并且SHJ试样的超声波经历更长时间才达到幅值，这是由于其内部发生了更频繁的绕射现象，传播距离增加，声波通过煤体的时间增长引起的。
从图4可看出，随着频率提高到200 kHz，SHJ试样和DAS试样的透射波形尾部开始出现杂乱的高频尾波，衰减周期均变短。SHJ高频尾波的时间尺度和杂乱程度均远远大于DAS试样，这说明当频率增加时，煤体内部微粒的震动更加剧烈，震动速度也加快，声波的传播速度均增加，声波穿过煤体的时间缩短，因而二者的衰减周期均缩短，但粒子间因摩擦而消耗的能量增加，故二者的衰减后期出现了非矩形波。此外，SHJ试样的水分等杂质较多，当入射波频率提高为200 kHz时，其内部声波的散射现象更明显，能量的多次分散导致透射出来的尾波杂乱程度更高，波形长度更长。
实验测试结果中典型的超声波频谱如图5、图6所示。
(a) SHJ试样超声波发射波形
(b) SHJ试样超声波接收波形
(c) DAS试样超声波发射波形
(d) DAS试样超声波接收波形
图5 频率为200 kHz时的试样超声波发射波形和接收波形频谱
Fig.5 Spectrum of transmitted and received waveforms of ultrasonic of coal samples at frequency of 200 kHz
(a) SHJ试样超声波发射波形
(b) SHJ试样超声波接收波形
(c) DAS试样超声波发射波形
(d) DAS试样超声波接收波形
图6 频率为300 kHz时的试样超声波发射波形和接收波形频谱
Fig.6 Spectrum of transmitted and received waveforms of ultrasonic of coal samples at frequency of 300 kHz
从图5可看出，当波形发射频率为200 kHz时，SHJ试样和DAS试样中的透射波形均与对应的发射波形频率成分相差较大，SHJ透射波形的主频幅值由0.51 V增加到0.90 V，DAS试样透射波形的主频幅值由0.51 V增加到1.12 V。虽然透射波形主频仍在200 kHz左右，但是主频附近有大量的其他相近频率波形。
从图6可看出，当波形发射频率为300 kHz时，SHJ试样和DAS试样中的透射波形能量均较好地集中在300 kHz附近，SHJ试样透射波形的主频幅值由0.33 V增加到1.30 V，DAS试样透射波形的主频幅值由0.33 V增加到2.40 V。在频率增加到200 kHz以上时，肥煤和无烟煤透射波形的主频幅值会有突增，可作为2种品质煤的判定依据之一。
当波形频率和物质的固有频率相近或相同时，会引起共振，微粒以更大的振幅作振动，故2种试样的透射波形整体均出现了幅值的增加。另外，由于200 kHz的入射波形在试样中出现了明显的散射，故主频附近有其他相近频率波形出现；而300 kHz的入射波形的散射效应较弱，故频率更集中。此外，SHJ试样孔隙率更高，含水率较高，因而造成了波形能量损耗，故其透射波形幅值低于DAS透射波形幅值。
煤是一种典型的岩石类介质，目前，对于岩石中弹性波的衰减机理研究焦点主要在于岩石骨架和孔隙流体对波的不同衰减作用机制，主要包括摩擦效应、流动效应、黏性松弛和散射效应[11]，不同的力学过程中衰减通常是其中一种或多种效应共同作用的结果[12]。从能量耗散角度来看，煤中超声波衰减的机理是煤中不同尺度的基质在拉压变形(P波)或剪切畸变(S波)下产生孔隙摩擦效应，导致弹性波携带的总机械能转换为热能，最终形成超声波衰减现象[13]。
(1) 采用声发射实验技术对大安山无烟煤与三河尖肥煤的超声波参数进行了研究。研究结果表明，超声波波速、衰减系数、时域特征、频域特征等在不同品质和类型的煤中会显示不同的参数特征，这些特征可作为判定煤的品质与类型的参考依据。
(2) 受空隙率和含水率等的影响，超声波在无烟煤中的平均波速大于肥煤中的平均波速值，其衰减系数平均值低于肥煤的衰减系数平均值。
(3) 煤中超声波衰减的时域特征与煤的品质有关，肥煤的衰减时间大于无烟煤，随着波形频率的提高，透射波形的衰减时间大幅缩短。
(4) 煤中超声波衰减的频域特征也与煤的品质有关，不同品质煤的主频幅值不同，无烟煤的主频幅值明显大于肥煤，随着波形频率的提高，透射波形的能量更为集中地聚集在波形主频附近。
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LIU Guanhua1, YANG Chen2, LIU Haoxiong1
(1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2.College of Resources and Environment, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)
Abstract:Ultrasonic velocity, attenuation coefficient, time domain and frequency domain features in anthracite coal of Daanshan and fat coal of Sanhejian were studied by acoustic emission experimental techniques. Research results indicate that affected by voidage and moisture content, the mean wave velocity in anthracite coal is larger than that of the average velocity in fat coal, and the mean value of its attenuation coefficient is lower than that of attenuation coefficient in fat coal.Time domain and frequency domain features of ultrasonic are influenced by coal quality and waveform frequency,anthracite has greater amplitudes of main frequency and shorter decay period than fat coal.When the wave frequency increases, the decay time decreases and energy of transmission waveform is more gathered in main frequency. These conclusions can provide theory basis for determination of coal quality and type before coal mining.
Key words:coal quality; coal types; anthracite coal; fat coal; ultrasonic wave; attenuation coefficient; time domain; frequency domain
收稿日期：2017-05-16；
修回日期：2017-10-20；
责任编辑：张强。
作者简介：刘冠华(1993-)，男，河南安阳人，硕士研究生，研究方向为煤岩瓦斯动力灾害防治，E-mail：805112148@qq.com。
引用格式：刘冠华，杨晨，刘浩雄.煤体中超声波参数的实验研究[J].工矿自动化，2018,44(1)：68-73.
LIU Guanhua,YANG Chen,LIU Haoxiong.An experimental research on ultrasonic parameters of coal[J].Industry and Mine Automation，2018,44(1)：68-73.
文章编号：1671-251X(2018)01-0068-06
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2018.01.003
中图分类号：TD315
文献标志码：A 网络出版时间：2017-12-21 14:30
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171221.0656.002.html