0 引 言
近年来，随着我国煤矿开采深度的日益增加，冲击地压矿井数量逐渐增多，冲击地压灾害也日益严重[1]。冲击地压发生时，常因煤岩中应变能的突然、急剧、猛烈释放而导致工作面或巷道的煤岩层结构瞬时发生破坏，造成井巷的严重破坏和人员的重大伤亡，严重威胁煤矿的安全生产[2]。在我国煤矿安全形势逐年渐好的情况下，冲击地压造成的群死群伤事故仍然难以杜绝。
声发射b值(以下称b值)作为地震学中常用参量在井下微震监测预警冲击地压中被广泛应用。b值变化决定着煤岩体内部微破裂的不同尺度变化，b值降低意味着煤岩体内部大事件所占比例增加，大尺度微破裂增加[3-8]。部分学者把岩石受力破坏中的声发射事件当作地震活动，研究不同条件下岩石变形破坏过程中声发射的b值变化规律，以揭示岩石失稳破坏的前兆特征，并作为预测煤体失稳破坏的依据，以此指导井下微震监测预警[9-11]。
广大学者针对实验室标准尺寸试验声发射b值演化规律进行了大量研究，取得了相应研究成果。LEI等[9]研究结果表明，岩石破坏失稳前b值下降的物理机制是破裂方式的转变和裂纹间相互作用的增强，进而导致大事件明显增多，b值降低；李宏艳等[10]通过试验发现冲击倾向性煤体b值降低较晚，随着煤体冲击倾向增强，b值下降更接近最终破坏强度；杨磊等[11]对冲击倾向性煤样的声发射特性进行了研究，认为b值的下降趋势可以作为预测煤体失稳破坏的前兆。李元辉等[12]通过对长方体岩样的声发射b值试验，发现岩石破坏过程中，声发射分形维值和b值的变化趋势相近，认为可综合考虑两个参量，以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征。
上述研究更多的是基于单一尺寸试样开展的，对于不同尺寸或者更大尺寸试样b值演化规律的研究相对较少。由于煤样本身的非均质性及加工难度，关于b值声发射试验更多的是基于实验室标准试样进行的，而从实验室小尺寸试样研究成果应用到井下大尺度涉及到尺度律问题，尺寸的单一性缺乏对比，更多的掩盖了煤体失稳破坏的尺度信息。因此本文通过声发射监测获得单轴加载条件下不同尺寸强冲击倾向性煤体声发射b值随煤岩体失稳破坏的演化规律，以期从尺寸变化上探讨煤岩失稳破坏前兆b值特征。
1 试验准备及b值计算方法
1.1 试验准备
本次试验所用试样取自内蒙古某矿，经相关机构鉴定为强冲击倾向性煤层。制备3组长方体试件，每组6块，共18块。长×宽分别为50 mm×50 mm、75 mm×75 mm、100 mm×100 mm，高宽比1∶2，如图1所示。
图1 加工后的部分试样
Fig.1 Part of the sample after processing
本次试验声发射监测系统由采用德国Vallen公司生产的AMSY-6，采样频率为10 MHz，采用VS45-H型宽频带传感器(主要频带在45～500 kHz)、带旁路电路自标定，增益34 dB，测试传感器平均灵敏96 dB。每次试验前，在传感器附近进行断铅试验，以确保传感器与试样耦合良好，并对实验室的机械噪声进行测定，经过反复测试，最终将门槛值设定为40 dB。鉴于本次试验所用煤样强度较大，试验采用轴向位移加载控制方式，加载速度控制为0.06 mm/min，并保持加载过程与声发射监测同步，试验系统组成如图2所示。
图2 试验系统
Fig.2 Test system diagram
1.2 b值计算方法
G-R关系式是分形幂律的典型例子，它与地震或微震活动的分维值密切相关，即
lgN=a-bM
式中：M为震级；N为地震次数，根据应用目的不同有2种统计方法，分别为累计频次和微分频次；a、b为常数，其中b值介质控制所积累的能量的释放能力，用来衡量某个区域内的地震活动水平的重要参数。
声发射b值的计算方法可以直接引用地震统计中的b值的计算方法，如线性最小二乘法、指数最小二乘法、极大似然估计法、最大熵谱法等。本文采用线性最小二乘法进行b值计算，其计算方法为
(1)
式中：m为振幅分档总数；Mi为第i档事件振幅中数；Ni为第i档振幅的声发射事件数。
假设声发射事件的相对震级M正比于AE振幅A，把声发射事件数的对数(lg N)与M的关系式转化为lg N与振幅A的线性关系，然后计算出b值。在b值计算过程中，M按5 dB分档，b值的扫描采用次数滑动，根据具体实验时间长短和声发射事件时空分布情况，设定取256 s内的声发射事件为一组数据，按128 s进行时间滑动取样计算，尽量避免在某一时间范围内声发射数过少而对b值计算造成过大误差。
2 试验结果与分析
2.1 声发射振幅数据点分布特征
b值计算的原始振幅数据点分布如图3所示。
图3 3种尺寸下试样振幅特征分布
Fig.3 Distribution of amplitude characteristics of samples under three sizes
振幅点数值过小，含有噪声干绕，振幅点数据过大，数据量太少，结合以往研究，本次声发射监测范围为40～100 dB。从图3中可以看出随着加载的进行，不同尺寸声发射振幅点数据量和值域分布范围整体呈现增长态势，大振幅数据点明显增多。不同尺寸试样振幅分布特征略有不同，随着试样尺寸的增大，初始阶段大振幅数据点就有分布，数据点呈现多峰折线式增长规律，尺寸越大这一现象越明显。如图3c中所示100-6号试样加载至400 s时，不同值域的振幅点均有较明显分布。可认为随着试样尺寸的增大其内部缺陷分布增多，在初始压密阶段较大缺陷的闭合、滑移，产生较为明显声发射事件。
2.2 声发射b值的动态特征
本次试验每种尺寸对6块试样进行试验，共计18块，由于相同组下试样b值变化规律相近，选取其中3块典型试样b值变化特性进行说明。50 mm×50 mm典型试样声发射b值变化情况如图4所示。
图4 50 mm×50 mm典型煤样b值特征
Fig.4 Features of b value for 50 mm×50 mm typical coal sample
从图4中可以看出无论是采用累计频次、还是微分频次，b值均随着加载的进程呈现波动递减趋势，并在试样即将破坏前降至最低。由于初始阶段数据量较少，初始阶段微分频次计算结果波动性大于累计频次，随着捕获的数据量增多，两种算法计算出的b值趋势趋于相近。b值曲线可以分为明显的3个阶段。
1)第1阶段为递减阶段，占峰值应力的30%～40%，从时间上看处于加载过程中压密阶段和弹性阶段的前期，b值呈现波动下降趋势，下降幅度较大。
2)第2阶段为平稳过渡阶段，约占峰值应力的50%，试样整体处于弹性阶段中后期和塑性阶段前期，b值曲线表现为在某一值域内波动。
3)第3阶段为下降阶段，占峰值应力的10%～20%，处于塑性阶段后期，b值表现为稳定下降趋势，至试件破坏时，降至最小值，本阶段下降起始点位置即下降突变点位于0.8σc(σc为峰值应力)处。
另外，75 mm×75 mm典型试样声发射b值变化情况如图5所示。
图5 75 mm×75 mm典型煤样b值特征
Fig.5 Features of b value for 75 mm×75 mm typical coal sample
从图5中可以看到2种计算方法依然呈现出相似的规律，2条曲线贴合度较高，波动性较小。但b值的变化规律与50 mm×50 mm试样不同，75 mm×75 mm试样累计频度曲线在第2阶段表现出较大的波动性，并且在第1阶段降至最低点时，出现小范围的上升，随后下降，整体曲线呈现倾斜的S状，而微分频度曲线与50 mm×50 mm试样基本近似，三阶段划分明显，2条曲线的下降突变点位置前移，位于0.83σc处。结合应力时间曲线可以看出，第1阶段位于压密阶段与弹性阶段前期；第2阶段位于弹性阶段后期与塑性阶段前期，第3阶段位于塑性阶段中后期。
另外，100mm×100mm典型试样声发射b值变化情况如图6所示。
图6 100 mm×100 mm典型煤样b值特征
Fig.6 Featares of b value for 100 mm×100 mm typical coal sample
从图6中可以看到两种计算方法b值曲线贴合度依然很高，初始阶段微分频次b值曲线波动性明显大于累计频次。但b值的变化规律与前两类尺寸试样明显不同。100 mm×100 mm试样b值曲线在第1阶段表现出较大幅度的波动性，随后有1个阶段的小幅度波动期，在试样临近破坏时，b值降至最低点，整体来说第1阶段所占比例增高，第2阶段所占比例减少，第3阶段所占比例基本不变，突变点位置依旧位于0.8σc位置。结合应力时间曲线，3个阶段与应力应变各阶段分布情况变化不大，第3阶段初始下降点更接靠近塑性阶段的起点。从煤岩结构角度考虑，随着试验尺寸的的增大，试样内存在的空洞、缺陷、裂隙种类及数量增多，不同缺陷状态的改变造成振幅数值或增或减，进而导致基于振幅数据得出的b值出现波动；而当试样进入塑形阶段，缺陷稳定扩展，获得的b值数据较为均匀，b值曲线趋于规律。
3 结 论
针对不同尺寸煤样失稳破坏过程中b值分布特性的研究，得出以下规律：
1)采用累计频次和微分频次所计算的b值均能得到趋势性相似的规律，但曲线的波动性受数据量的影响，对于数据量小时可优先采用累计频次，数据量较大时可优先采用微分频次。
2)不同尺寸冲击倾向性煤样声发射变化趋势不同，就目前试验结果来看，随着试件尺寸的增大，b值前期变化趋于不稳定，进入塑性阶段后表现出较高的一致性，失稳破坏前兆特征的尺寸效应并不明显，整体可将b值变化划分为3个阶段：初始波动下降阶段、非稳定过渡阶段、直线下降阶段，可归结为“递减-波动-下降”模式，3个阶段分别与应力应变曲线的压密及弹性阶段前期、弹性阶段后期及塑性阶段前期、塑性阶段后期及破坏阶段相对应。
3)声发射b值的变化整体趋于波动，在煤样失稳破坏前均降至最低点，b值下降的突变点位于0.80～0.85σc范围内，处于煤体的塑形变形阶段，因此可以把塑性阶段b值的持续下降阶段作为煤岩失稳破坏的一个前兆特征。
[1] 谢和平,高 峰,鞠 杨.深部岩体力学研究与探索[J].岩石力学与工程学报,2015,34(11):2161-2178.
XIE Heping,GAO Feng,JU Yang.Research and development of rock mechanics in deep ground engineering [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(11):2161-2177.
[2] 齐庆新,窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.
[3] LEGGE N B,SPOTTISWOODE S M.Fracturing and microseis- micity ahead of a deep gold mine Stope in the preremnant and remnant stages of mining[C].Proc 6th ICRM,1987:1071-1077.
[4] SCHOLZ C H,The frequency-magnitude relation of micro- fracturing in rock and its relation to earthquake[J].Bulletin of the Seismological Society of America,1968 ,58(1):399-415.
[5] GIBOWICZ S J.Stress drop and aftershocks bull [J].Bulletin of the Seismological Society of America,1973,63(4):1433-1446.
[6] 贺 虎,窦林名,巩思园,等.高构造应力区矿震规律研究[J].中国矿业大学学报,2011,40(1):7-13.
HE Hu,DOU Linming,GONG Siyuan,et al.Study of mining shock in high tectonic stress zones[J].Journal of China University of Mining and Technology,2011,40(1):7-13.
[7] 赵毅鑫,姜耀东,王 涛,等.“两硬”条件下冲击地压微震信号特征及前兆识别[J].煤炭学报,2012,37 (12):1960-1966.
ZHAO Yixin,JIANG Yaodong,WANG Tao,et al.Features of microseismic events and precursors of rock burst inunderground coal mining with hard roof[J].Journal of China Coal Society,2012,37(12):1960-1966.
[8] 夏永学,康立军,齐庆新,等.基于微震监测的5个指标及其在冲击地压预测中的应用[J].煤炭学报,2011,35(12):2011-2017.
XIA Yongxue,KANG Lijun,QI Qingxin,et al.deviation between mag-nitude-frequency statistics and G-R relationship [J].Journal of China Coal Society,2011,35(12):2011-2017.
[9] 董毓利,谢和平,赵 鹏.砼受压全过程声发射b值与分形维值的研究[J].试验力学,1996,11(3):273-276.
DONG Yuli,XIE Heping,ZHAO Peng.Study on b value and fractal dimension Df of concrete under complete process compression [J].Journal of Experimental Mechanics,1996,11(3):273-276.
[10] 曾正文,马 瑾,刘力强,等.岩石破裂扩展过程中的声发射b值动态特征及意义[J].地震地质,1995,17(1):7-11．
ZENG Zhengwen,MA Jin,LIU Liqiang,et al.B-value dynamic features of AE during rock mass fracturing and their significances[J].Seismology and Geology,1995,17(1):7-11．
[11] 蒋军军.煤岩失稳破坏声发射-微震特征及在冲击地压预测中应用[D].北京:煤炭科学研究总院,2016.
[12] LEI X L,MASUDA K,NISHIZAWA O,et al.Detailed analysis ofacoustic emission activity during catastrophic fracture of faults in rock[J].Journal of Structural Geology,2004,26(2):247-258.
[13] 李宏艳,康立军,徐子杰,等.不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析[J].煤炭学报,2014,39(2):384-388.
LI Hongyan,KANG Lijun,XU Zijie,et al.Precursor information analysis on acoustic emission of coal with different outburst proneness[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):384 -388.
[14] 杨 磊,毛德兵.单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究[J].煤矿开采,2013,18(1):14-16.
YANG Lei,MAO Debing.Experiment of acoustic emission Characteristic of coal sample with rock-bust liability under uniaxial compression condition [J].Coal Mining Technology,2013,18(1):14-16.
[15] 李元辉,刘建坡,赵兴东,等.岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究[J].岩土力学,2009,30(9):2559-2563.
LI Yuanhui,LIU Jianpo,ZHAO Xingdong,et al.Study on b-value and fractal dimension of acoustic emission during rock failure process[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(9):2559-2563.
