声发射信号研究进展及其在煤温感知领域应用前景
时间：2023-06-01 22:40:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郭 军, 王凯旋, 蔡国斌, 金 彦, 刘 荫
（1.西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 710054; 2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 710054;3.国家矿山应急救援（西安）研究中心,陕西 西安 710054）
煤炭作为我国基础能源，将在未来的几十年继续起主导作用[1-2]。煤自燃作为煤炭的自然属性，主要是煤与氧气反应放热、热量积累所致，其形成和发展是自发迟缓地放热、蓄热升温所引起燃烧的过程[3]。煤矿井下采空区等隐蔽空间煤炭所处环境内漏风严重，从而导致煤自燃灾害多发[4]。早期的精准预警与防控在煤自燃灾害治理过程中至关重要，但因矿井煤自燃环境复杂，现有的煤火测温技术很难对采空区等隐蔽空间遗煤自燃温度进行实时、准确和快速探测，严重影响煤炭的绿色、安全、高效开采[5]。
声发射信号在监测领域具有精度高、范围广、可测空间大、非接触式、实时连续等优点，近年来已成功应用于大气及海洋[6-7]，以及工业高温锅炉和颗粒粮食仓储等领域的温度监测[8-9]，并取得良好的效果。考量松散煤体的力学性质、多孔介质等特征与仓储颗粒粮食等相似，声发射信号有望应用于井下受限复杂环境大范围遗煤温度的监测。然而，声发射信号在松散高温煤岩体中的传播规律及其对煤温的响应特性的精确获取，成为声学法煤温探测的技术关键和亟需深入研究的课题。
笔者通过文献调研，归纳和阐述了声发射信号在非均介质、多孔介质内传播特征及其在准多孔介质松散煤体内传播过程中的畸变特征和传播衰减影响规律的研究进展。重点梳理了声发射信号在不同瓦斯含量、含水率和压力载荷下的煤岩体中传播特性及影响因素。总结归纳了声发射信号的处理与分析方法，初步构建了声信号特征参数分析与提取算法的技术思路。分析探讨了基于声发射信号感知煤温的技术原理及其在煤温感知领域的应用前景，提出声学法将有望成为煤矿隐蔽火源探测的新方法，以解决采空区等隐蔽火区煤温精准判识的现实难题。
声发射是一种Kaiser效应[10]，声发射信号的本质其实是一种脉冲式信号，研究其特征参数的大小和变化趋势，可为探测介质内部结构特征、预测矿井煤岩灾害等提供依据。1968年，KNILL[11]最先研究了在应力材料中，由于内部变形而产生的声发射现象，通过对各种岩石试样的一系列室内试验，说明了声波记录的处理和分析方法，描述了各种参数，包括脉冲率、信号能量含量和振幅分布，为声发射技术探测介质内部结构奠定了基础。1984年，王继文[12]第1次利用声发射技术对煤矿内产生的冲击地压进行监测，并总结了声发射基本参量的统计规律，为预测矿井煤岩地质灾害提供依据。综上，研究声发射信号在不同介质中的传播规律与特性，可为声发射信号在煤自燃火区探测等新领域的创新应用提供思路。
1.1 声信号在非均介质内的传播
关于声发射信号在非均介质传播方面，通常是利用数值模拟和建模的方法，研究非均介质内声发射信号传播特点和响应参数，并将研究结果应用于非均介质的损伤检测。王笑然等[13]为了精确描述非均匀介质中的声发射信号传播特性，基于斜入射声波的传播规律，分析了频率、入射角和温度场的分布等因素对声传播的影响，并提出了声波反射系数法，以加大非均匀介质对声波的反射。
刘海涛等[14]基于三维声发射定位系统在岩石材料中的应用，描述了其内部裂隙破裂过程的声发射特点，并根据其特点将裂隙岩分为压实阶段、弹性阶段、微裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段，为检测岩体裂隙的破裂状态提供借鉴。赵宝云等[15]根据声发射数据信号的科学研究，分析了深灰岩在不同载荷下的扩展特征，并分析了其应力松弛破坏特征的全过程。综上，声发射技术可以作为一种快捷有效的技术手段，来研究非均介质的变形损伤等特征。借鉴声发射信号检测非均介质变形损伤的快捷有效技术手段，声发射信号亦可快速检测煤岩体中各种特征参数，为声发射煤温感知技术提供了可能。
1.2 声信号在多孔介质内的传播
通常所说的多孔介质是一种有孔隙的固体，其中充满流体，固体部分称为骨架，而波动学所讨论的多孔介质，其中的孔隙彼此连通[16]。多孔介质处处皆是，地壳、煤岩石以及大部分人造材料等都具有多孔介质的特征。为探究声发射信号在多孔介质中传播规律，需结合可靠的声波传播理论与相关的特征变量控制试验研究，这也为声学传播理论优化与相关特征因素反演推导提供理论依据。
OTHMANI等[17]将空气间隙视为刚性圆柱管，研究了颗粒大小、密度和堆积密度等因素对多孔介质内声发射信号传播的影响，研究表明颗粒粒径越大，且圆柱管密度和堆积密度越小时，有利于声发射信号在多孔介质内传播；
郭敏等[18]以模拟粮仓为模型，通过研究声发射信号在多孔介质和Biot流体中的传播理论，搭建了声波在准多孔介质中传播的理论模型，研究了气体组分、声波频率、孔隙形态等对小麦堆内声波的传播速度影响规律。在气体组分和频率不变的情况下，小麦堆内孔隙越小，声波传播时间和距离越短。在声发射信号传播过程中，介质密度越大（孔隙很小）时，声波传播受到阻隔，增大能量消耗。因此，声波传播时间和距离都会受到孔隙不同程度上的影响。由于松散煤体呈多孔的固气混合态，常被看作多孔介质进行研究。根据声发射技术原理和煤自燃理论，煤矿松散煤体的力学性质、多孔介质特征等与仓储颗粒粮食相似，声发射技术有望应用于矿井采空区等隐蔽区域煤炭温度的监测领域。
1.3 声信号在煤岩体内的传播与应用
煤岩体形成的时间、条件，所处复杂的地质条件，导致煤岩体的物理结构和性质存在差异，声信号在不同结构和性质的煤岩体中传播规律和响应特征必然呈现出不同的结果。对于煤岩体密度方面，徐晓炼等[19]以原生和构造煤为对象，研究了煤岩密度对声速的影响及声信号对煤体的响应特征，波速随着煤样密度的增大而增大，横波波速明显小于纵波波速。对于煤岩体孔隙率和渗透率方面，舒龙勇等[20]使用声发射技术监测分析不同孔隙率煤岩体的应力状态、变形破裂演化过程。魏建平等[21]研究了温度冲击条件下的煤体渗透性变化规律及增透机制，分析了煤样在温度冲击前后的渗透率变化情况和微观裂隙发育情况，探讨了温度冲击过程中的声发射信号分布规律。
对于急倾斜煤层方面，来兴平等[22]、陈栋等[23]构建了急斜煤岩体变形破裂过程表面温度与声波能率间的“声-热”耦合关系，研究了煤岩体破损过程声发射特性的变化规律，如图1所示。结果表明，温度在31.6～32.1 ℃，底板和顶板侧煤岩体均存在变形破坏和动力失稳现象并伴随着声发射能率急速增大。随着局部温度的升高，声发射能率达到峰值，均早于热红外和煤岩体断破的时间，由此可以确定声发射能率到达峰值时间以及热量集中区，进而精准确定煤岩体中应力集中的有效方位和具体时间，可为预测预报顶板大面积来压、煤与瓦斯突出等灾害提供有效科学依据和理论指导。
与煤岩相关的声发射信号传播规律研究，主要是利用声发射试验研究煤岩体内声波传播特征参数及影响因素。这将为声学法探测煤温提供理论和技术支撑，以期研发出煤矿隐蔽火源探测新方法，以解决煤温精准判识的难题。
图1 急斜煤岩体动态失稳“声-热”演化特征[22]Fig.1 “Acoustic-thermal” evolution characteristics of dynamicinstability in steep coal and rock mass[22]
2.1 含瓦斯煤岩体
在含高瓦斯的煤层中，煤岩体里是“固-气”两相介质。瓦斯吸附赋藏在煤岩体孔隙，内部稳定的条件下保持着动态平衡状态[24]。王岗等[25]分析了不同应力下含瓦斯煤岩体渗流特性和声发射特点，得出了含瓦斯煤岩的应力、瓦斯流量与声发射信号之间均具有较好的相关性。与常规三轴路径相比，含瓦斯煤从卸围压起始点开始声发射累积振铃数曲线斜率明显增大，且在失稳破坏点出现了急剧增大的拐点，且卸围压路径下含瓦斯煤岩的声发射幅值曲线呈现出以卸围压起始点为界的双峰状态。
为判断含瓦斯煤的损伤程度，高保彬等[26]利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置配合声发射监测系统，进行不同瓦斯压力作用下煤岩在常规三轴压缩下的声发射特征试验。得到了煤岩声发射特征与应力-应变以及声发射累积振铃数与应变的煤岩损伤关系，从某种程度上真实地反映了含瓦斯煤岩的破坏过程及强度特征，这也为声发射监测系统在矿井火灾预警领域的研究与应用提供新思路，即利用声发射监测系统监测矿井采空区等隐蔽火区煤炭温度。
2.2 含水煤岩体
关于煤岩体含水率对声发射信号在煤体内传播影响方面，许江等[27]分析了煤体在不同含水率下的应力应变破裂过程中的声发射特性，结果表明应力最晚到达峰值，而声发射事件率的峰值比应力还早到达峰值。张彦斌等[28]利用声发射特性试验，得出瓦斯压力、声发射事件率和含水率之间的联系，如图2所示。
当含水率一定时，轴向应力与声发射事件率的变化规律相似，它们都先上升然后下降。当气体工作压力小时，声发射事件率超过最大值后将迅速降低。当气体工作压力高时，声发射事件率在达到最大值前不会再次增加，而是间接地升高，过了峰值之后，缓慢地下降。煤中水含量越低，声发射事件率越大，煤的轴向应变突然变化越大，而其声发射事件率的延迟时间长于高含水率的煤。所以在瓦斯压力不变情况下，降低煤体含水率可有效检测到声发射信号。
2.3 压力载荷下的煤岩体
近年来，声发射技术已在煤与瓦斯突出及顶板大面来压等矿井灾害的预测预报方面有了广泛的应用[29]。关于压力载荷下煤岩体内的声发特性和规律方面，王恩元等[30]对受载煤体声发射的频谱特性及变化规律进行了测试及研究分析，结果表明煤体受载破裂时声发射信号的频谱随着载荷的增大及变形破裂过程的增强，声发射信号增强，主频带增高。煤体声发射的频谱特征变化与煤体变形破裂过程密切相关。赵洪宝[31]对煤样受载过程声发射特性数值进行模拟研究，得出声发射起始应变、最大声发射数与弹性模量的关系，如图3所示。应变会随着弹性模量的增加而减小。而最大声发射数随着弹性模量的增加，先升高再降低，弹性模量为10 MPa时取得最大值。
图2 含水率0.19%煤样在瓦斯压力1.5 MPa的应力-应变及声发射[28]Fig.2 Moisture content of 0.19% coal samples in 1.5 MPa gas pressure stress strain and acoustic emission[28]
传统的声发射信号分析和处理技术是将声信号从时域通过傅里叶变换到频域内，以频率为变量对信号波形进行描述，反映信号的频率成分和频域内[32]。PRAJNA等[33]基于谐波再生降噪（HRNR）的维纳滤波（W-HRNR）来检测来自噪声环境的声发射（AE）信号，HRNR技术可以对谐波进行再生，克服传统维纳滤波器高估时产生的畸变，保留AE信号的基本信号含量，实现AE信号的准确检测。
图3 声发射起始应变、最大声发射数与弹性模量关系[31]Fig.3 Rrelation of acousticemission initial strain, maximum emission number and elastic modulus[31]
矿井下发生煤体自燃隐患时会加热周围环境内的空气、煤岩体，受热物体内部分子碰撞所产生的声压激发周围空气媒质位于次声频段的振动——“燃烧音”，另外膨胀的空气在煤岩体空隙内的流动也会产生一定的环境噪音[34]。王社平等[35]基于小波变换的声源降噪处理研究，发现经过处理的信号能够正确反映声波信号频率成分、剔除噪声部分。但是基于傅里叶变换理论发展的小波变换理论在非稳态、非线性信号处理问题中仍然具有一定局限性[36]。张建国等[37]和BAO等[38]提出了一种基于希尔伯特变换的相位解调算法，经过试验证明了新算法可以正确、稳定地解调外加正弦信号的幅值、频率及位置信息，实现分布式振动信号的准确监测。
另外，朱文武等[39]基于普通克里金外推的迭代维纳滤波法向下延拓，并分别利用模拟算例和实际数据进行试验。对于模拟算例，外推后的相对误差由9.26%下降到4.44%，证明了迭代维纳滤波法能够有效地滤除声源噪音部分。而彭健新等[40]提出了一种传统谱减法和维纳滤波法相结合的信号处理方法，由信噪比得到维纳滤波器的传输函数，谱减法处理后的鼾声信号通过该滤波器后会进一步降低噪声，在睡眠鼾声噪声处理应用中表现良好。声发射信号识别与处理技术在理论基础研究方面得到了长足的发展，也在其他领域得到了广泛应用，证明了声波感知温度技术的可行性，但目前鲜有松散煤体声波测温的相关报道。
科学有效降噪、提高声发射信号的信噪比是煤与岩体声波频散衰减规律科学研究的关键技术之一。随着小波分析、声波滤除算法等理论的完善与现代信号处理方法的深入发展，基于声学与煤自燃理论，将声发射信号特征参数处理分析与小波分析、声波滤除算法等理论有机地结合，推进声发射信号处理与分析技术进一步完善和系统化，拟构建声信号特征参数分析与提取算法流程如图4所示。
图4 声信号特征参数分析与提取算法构建流程Fig.4 Flow of acoustic signal characteristic parameter analysis and extraction algorithm construction
声发射信号在煤岩体内传播过程中，受煤岩体物理性质、煤种、瓦斯含量、含水率等多因素影响。尤其是在松散煤体内传播过程中，还会受到煤自燃形成的非均匀温度场、煤体块度、煤自燃气体组分浓度、松散体空隙特征等因素影响。因此，可针对煤岩体内声发射信号的传播衰减特征开展试验模拟与数值仿真，以及理论分析与建模，以进行温度反演与非均温度场重建。
基于声学法测温探火的技术原理，一方面，可以通过对声发射信号进行特征提取，明确声信号与温度的映射关系，并基于深度学习和计算机模拟对火灾信号进行探测；
另一方面，也可以基于介质物理特性参数与声传播特征参数的函数关系，明确声传播衰减规律，构建声速与煤体温度映射关系模型，再借助最小二乘法和计算机仿真重建温度场。声学法测温探火流程如图5所示。
图5 声学法测温探火技术原理Fig.5 Principle of temperature and fire detection technology by acoustic method
由于煤本身传热性非常差，如何建立声发射信号与煤温之间的映射关系，是声发射信号能否成功应用于煤温感知领域的前提和关键。因此，可依据声发射信号在松散煤体中传播的频谱特征时域演化规律，借助PSO粒子群优化、ELM极限学习机等深度学习方法，分析声发射信号波谱特征（声波频率、类型、相位、声强等），实现松散煤体温度场声发射信号的准确识别。此外，还可通过构建松散煤体空隙环境气体温度与介质中声波传播特征参数（比如声速）的“声速-煤温”函数映射关系来反演煤温，然后通过计算机仿真技术重构采空区非均温度场，以此来圈定高温点的煤温及范围，达到阐明煤自燃进程声发射感温机制与采空区隐蔽火源声学法探测的目的。
同时，可展开煤氧化自燃试验测试，结合数值模拟研究氧化自燃进程中松散煤体非均匀温度场、气体浓度场分布演变特征，监测不同温度，不同位置声发射信号特征的变化规律，分析煤变质程度、物理结构、含水率、煤温、粒径及气氛条件对声发射信号的影响规律，煤自燃声发射测试系统如图6所示。对西安科技大学防灭火团队建立的大型煤自然发火试验台进行升级改造，在煤自燃试验装置上加装声学测试系统，主要包括收发式声波换能器、信号放大器、多通道数据采集卡、声波收发器、通道选通与信号调理器等装置。采用LabVIEW技术编写声发射系统的控制界面，并编写声波收发程序，以调控声波换能器信号收发功能。利用声发射信号感知煤温将有望成为煤矿隐蔽火源探测的新方法，以解决煤矿煤温精准判识的难题，对松散煤体温度场重构等具有重要研究价值和意义。
图6 煤自燃声发射测试系统示意Fig.6 Schematic of acoustic emission test system for coal spontaneous combustion
声发射信号是一种脉冲式信号，研究其特征参数的大小和变化趋势，可为探测介质内部结构特征、预测矿井煤岩灾害等提供依据。现已广泛应用于冲击地压、煤与瓦斯突出及顶板大面来压等动力灾害预测预报、地应力测试、岩体稳定性评价等领域，今后也将有望应用于煤矿煤温反演探测领域，为地下隐蔽煤火探测提供一个新的技术思路。
由于煤矿内环境隐蔽复杂，松散煤体自燃过程具有非均温度场等特征，并且会产生较大的噪声。可展开煤岩体内声信号传播衰减特性的试验模拟与数值仿真以进行温度场重建，构建声信号特征参数分析与提取算法以进行科学有效降噪。同时，声发射信号在松散煤岩体内传播衰减的影响因素及规律有待进一步明晰，以促进声学法煤温感知理论及技术的发展，这也将是地下煤自燃隐蔽火源声发射技术研发应重点攻关的技术关键。
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